温室大棚卷帘机力学分析.pdf

农机化研究 Agriculture Mechanization Research 2021 年 3 月下 24 温室大棚卷帘机力学分析 车小伟 天水师范学院机电与汽车工程学院 甘肃 天水 741000 摘 要 温室大棚保温被在下雨或结冰情况下重量明显增加 会导致卷帘机电机烧毁 减速器齿轮失效 卷轴折断 保温被撕烂 等损坏现象发生 对侧置卷轴上推式卷帘机运行过程建模分析 推导出保温被拉力和卷轴扭矩计算公式 使用 MATLAB软件 编程的数值分析方法计算出最大拉力及最大扭矩值及其出现的位置 为卷帘机减速器设计 生产 选型及保温被材料选择提供 理论依据 关键词 温室大棚 卷帘机 受力分析 中图分类号 TP29 文献标志码 A 文章编号 1672 3872 2021 06 0024 03 温室大棚为人类提供了新鲜的食材 满足了人民生活 的需要 提高了土地种植的收益 因而在全国各地得到了大 量的使用 1 为了得到保温效果 采用在塑料大棚或者玻璃 大棚的采光面覆盖保温被方式以减弱热量的散发 从而将 白天日光照射得到的热量保存 温室大棚保温被使用卷帘 机作业大大减轻农民劳动强度 因而电动卷帘机得到了广 泛使用 在卷帘机实际使用中 经常出现卷帘机卷轴断裂 减速器齿轮折断等现象 尤其在温度较低的冬天更易发生 究其原因主要是保温被在吸水或结冰后质量明显增大 导 致电动卷帘机负载超过额定负荷 从而导致机械失效情况 发生 国内大量学者研究了卷帘机设计及卷帘机运行过程 受力情况分析 如刘刚等设计了卷帘机机械本体 1 孙昊等 通过实验的方法测量了卷帘机的载荷 但对卷帘机负载没有 采用适当的模型计算 因此 本文对温室大棚卷帘机系统进 行建模分析 计算出不同状态下最大拉力值与最大扭矩值 从而为卷帘机设计或选型提供基本理论依据 1 结构及工作原理 温室大棚卷帘机根据电动机位置不同 可分为后置卷 绳上拉式卷帘机和棚面自走式卷帘机两大类 2 棚面自走式 卷帘机又可分为侧置卷轴上推式卷帘机和侧置卷轴上推式 两类 其中 侧置卷轴上推式卷帘机因其占用面积少 结构 简单 成本低等优点被大量用于大棚长度较小的场合 但其 容易发生卷轴断裂或减速器传动齿轮失效的情况 侧置卷 轴上推式卷帘机的结构如图1所示 该装置主要由电动机 减速器 卷轴 支撑杆等构成 其中 卷轴通过减速器与电 动机连接 支撑杆1下端铰接于地面 形成转动副 另一端 插入支撑杆2构成移动副 减速器常采用减速比大 质量 小 结构紧凑并具有自锁功能减速器 如蜗轮蜗杆转动减速 器 以防止在断电或意外停机的情况下卷轴与保温被在重 力作用下向下滑动发生意外事故 为了降低卷帘机生产成 本 支撑杆1 支撑杆2以及卷轴均采用价格低廉的普通钢 管制成 工作时 如果电机正转 带动卷轴逆时针转动 将 已展开的保温被卷至卷轴上 同时卷轴向上运动 实现保温 被收纳 反之 电机反转 卷轴向下运动 实现保温被铺开 作业 2 力学分析 2 1 模型建立 温室大棚在不同工况下 其受力情况不同 而当保温 被吸水后其质量将明显增加 也是在这种情况下容易出现 机械传动装置失效现象 因此 本文只研究保温被吸水后受 力情况 为了进行力学分析 需要对大棚结构进行简化 现 做基本假设 将温室大棚断面近似为四分之一椭圆面 卷轴 为刚性轴 并且在工作过程中没有跑偏现象 即卷轴垂直于 断面运动 载荷为均布载荷 均匀分布于轴上 基金项目 天水师范学院中青年教师科研资助项目资助 TSA1613 作者简介 车小伟 1988 男 甘肃天水人 讲师 硕士 研究方 向为机械自动化设计 图 1 侧置式温室大棚卷帘机示意图 图 2 模型示意图 农机化研究 Agriculture Mechanization Research 2021 年 3 月下 25 根据上述基于假设 在轴的某一剖面建立直角坐标系 进行分析 其中椭圆的参数方程为 cos 0 2 sin xa t t yb t 1 式中 a为椭圆长轴长度 单位为m 对应于大棚的宽度 b为椭圆短轴长度 单位为m 对应于大棚的高度 T为椭圆参数方程的参变量 对于任一点 其卷轴上质量m为 0 1 t m m LhL 2 式中 m 0 为卷帘机在低部时总质量 为保温被干密度 为保温被吸水率 定义为 湿重量 干重量 干重量 100 3 L为大棚长度 H为保温被厚度 L t 为已卷起大棚的长度 22 2 22 2 00 sin cos tt t dx dy L dt a t b t dt dt dt 侧面两支撑杆之间为移动副连接 其底部铰接于地面 支座 所以其主要起限位作用 受力很小 可忽略不计 由于大棚卷帘机整个工作过程为5 10 min 其运行平稳 运行过程中加速度小 忽略惯性力影响 4 则其切线斜率 k为 cos cot sin dy b t b kt dx a t a 3 因此 保温被拉力与水平线夹角计算公式为 arctan arctan cot b kt a 4 2 2 受力分析 将卷帘机 卷轴及已缠绕至卷轴上的保温被当成一整 体 其作为一个整体 卷轴在保温被拉力 F t 大棚表面支撑 力 F n 和重力 G以及电动机转矩 T M 作用下力学平衡 建立力 学平衡方程得 nt tM FFG FR T 5 式中 R为拉力F t 至重心的距离 因保温被螺旋形缠绕于卷轴 上 为了将问题简化 将其截面近似为圆 则其半径为 0 t R A A h Lt 6 将 1 6 式联合求解得出拉力 扭矩计算方程 7 00 1 sin tt T F R m LhL g A h Lt 8 3 编程计算 3 1 程序编写 分别求出 F t 与 T M 的最大值用于大棚设计校核 而 L t 计 算表达式中积分无解析解 因而无法用解析法求最大值 本文使用MATLAB软件编程进行数值计算方法求最大值 MATLAB程序主要部分如下 t 0 0 01 pi 2 s size t syms tao ft inline a a sin tao sin tao b b cos tao cos tao 0 5 for N 1 s 2 Lt N quad ft 0 t N end mt m0 miu rho L h Lt K b a cot t thetat pi atan K G mt g A0 pi d d 4 R A0 h Lt pi 0 5 Ft G sin thetat T Ft R 3 2 计算结果分析 本文选用现在较为常用的针刺毡保温被为例计算 其 吸水率因不同的环境有差异 在下雨和下雪情况下 1 h内 其吸水率约为127 108 5 而在温度较低有结冰现象时 其吸水率更高 约为200 6 因此 本文分别以吸水率 为 0 完全干燥 100 下雨或下雪 200 结冰 分别计 算 计算过程主要参数如表1所示 通过运行计算程序 得出干 湿 结冰三种情况下卷帘 机在不同位置对应的拉力及电机扭矩曲线 如图3所示 由计算结果可知 1 对于侧置棚面自走式卷帘机 其保温被拉力及电动 机负载扭矩都由小变大再变小 在中部出现最大值 与文献 1的实际测量结果一致 2 不同吸水率 对应的卷帘机受力情况差异较大 分 别取1 2 3时 对应的最大拉力依次为2 277 5 kN 3 326 5 kN 4 3769 kN 越大 相同位置对应的拉力值越大 3时的 最大拉力是 1时的1 92倍 相差较大 3 不同吸水率 对应的最大拉力出现位置不同 分别 符号 取值 单位 意义 a 8 m 大棚宽度 b 3 m 大棚高度 L 50 m 大棚长度 65 kg m 3 保温被干密度 h 0 0374 m 保温被厚度 d 0 1 m 卷轴直径 m 0 50 kg 卷帘机净重 表 1 计算所用主要参数取值及意义 农机化研究 Agriculture Mechanization Research 2021 年 3 月下 26 取1 2 3时 对应的最大拉力对应角度依次为42 971 8 44 117 8 44 690 7 但相差较小 4 同一吸水率 对应的最大拉力与最大扭矩出现位置 不同 如 1时 最大拉力对应角度为42 97 而最大扭矩 对应角度为57 30 相差较大 4 结论 本文通过对温室大棚卷帘机的受力情况建立数学模型 并使用MATLAB编程计算不同吸水率对应的保温被受力及 卷轴受力情况 通过计算可知 同一吸水率情况下最大扭 矩与最大拉力出现位置不同 不吸水率对应的拉力与扭矩 差异较明显 因此 为分析不同吸水率对应的保温被受力 及卷轴受力 为温室大棚卷帘机设计与选型奠定了基础 虽然本文是将温室大棚断面近似为四分之一椭圆得出 但 是对不同形状的大棚分析过程相似 所以计算结果具有一 定的参考价值 参考文献 1 刘刚 温室大棚卷帘机的设计 J 农业科技与装备 2012 11 29 30 34 2 孙昊 滕光 辉 张晓飞 等 日光温室卷帘机 荷 载实时测量系统设计 与试 验 J 农 业工 程学报 2 014 3 0 1 13 8 14 5 3 张国祥 傅泽田 张领先 等 中国日光温室机 械 卷帘技术发 展现 状 与趋势 J 农 业工 程学报 2 017 3 3 S1 1 10 4 乔正 卫 邹志荣 张 立明 等 4 种日光温室保 温 被室内的试 验 性 能测试 J 西北农林科技大学学报 自然科学版 2008 6 153 158 5 禹夏青 四种日光温室保温覆盖物的保温效果及性能评价 D 银 川 宁夏大学 2 016 6 吴素英 温室大棚卷帘机的保养与维修 J 农民致富之友 2019 8 114 图 3 不同吸水率对应的拉力及扭矩曲线 式制图法获取农户宅基地利用现状图 并剖析村域农户宅 基地规模特征 进而采用多元线性回归对其影响因素进行 探析 得出如下主要结论 1 鱼良溪村宅基地总规模为25 76 hm 2 户均宅基地面 积为224 01 m 2 有41 48 的农户宅基地面积大于平均值 农户宅基地普遍存在面积超标的问题 2 鱼良溪村农户宅基地面积普遍集中在100 m 2 300 m 2 占比81 48 有183块宅基地的面积 300 m 2 比重为 15 91 仅有30块宅基地的面积在0 100 m 2 范围区间 占 比2 61 3 影响农户宅基地面积的农户家庭因素包括家庭总收 入 家庭非农就业率2个因子 自然地理条件因素包括高程 和坡度 宅基地区位因素包括与村委会距离 与道路距离 与河流距离3个因子 除家庭总收入和高程呈正向作用外 其余影响因子均呈负向作用 其中 家庭非农就业率对宅基 地面积的影响最大 距河流及距村委会距离对因变量的影 响作用最弱 参考文献 1 刘继来 刘彦随 李 裕瑞 等 2 0 07 2 015 年中国农 村居民点用地与 农 村人口时空耦 合 关系 J 自然资源学报 2 018 3 3 11 18 61 18 71 2 刘亚香 李阳兵 易兴 松 等 贵州典型坝子土 地 利用强度空间演变 及景观 格局响应 J 应用生态学报 2 017 2 8 11 3 691 370 2 3 陈会 贵州坝子土地利用功能演变研究 D 贵阳 贵州师范大学 2020 4 任红玉 赵宇鸾 李秀彬 等 基于不同分 辨率影 像的山区耕地细碎 化评 价及其尺 度 效 应 J 地 理研究 2 0 2 0 3 9 6 1 2 8 3 1 2 9 4 5 刘亚香 谢宇轩 李阳兵 等 贵州坝子土 地 利用显性 和隐性转型实 证 研究 J 长江流 域资源与环 境 2 0 2 0 2 9 1 1 2 5 13 6 6 冯应斌 丘陵地区村域居民点演变过程及调控策略 D 重庆 西 南大学 2 014 7 朱 亚茹 高峻 邴 振华 等 基于参 与式制图方法的景观 服务 评 估与 空间结构研究 J 地 球信息 科学学报 2 0 2 0 2 2 5 110 6 1119 8 彭婉婷 刘文倩 蔡文博 等 基于参 与式制图的城市保护地生态系 统文化服务价值评价 以上海共青森林公园为例 J 应用生态学 报 2 019 3 0 2 43 9 4 4 8 上接第5页