張國(guó)祥 張 璐 李鑫星 龔志文 董玉紅 馬云飛

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院, 北京 100083; 2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院, 合肥 230031;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院, 煙臺(tái) 264670)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái),以日光溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國(guó)北方地區(qū)得到了迅速普及,為解決農(nóng)產(chǎn)品周年生產(chǎn)和周年均衡供應(yīng)問(wèn)題提供了有效途徑[1-4]。前屋面作為日光溫室的重要構(gòu)建部分,生產(chǎn)者通過(guò)在其上鋪卷覆蓋物實(shí)現(xiàn)對(duì)日光溫室內(nèi)部環(huán)境的有效控制[5-6]。當(dāng)前日光溫室的前屋面覆蓋物主要包括保溫卷簾、通風(fēng)卷膜以及遮陽(yáng)網(wǎng)布3種功能材料[7-8]。其中保溫卷簾多為人造纖維材料的復(fù)合保溫被,用于冬季保溫[9];通風(fēng)卷膜按合成材料可分為聚乙烯(PE)膜、聚氯乙烯(PVC)膜和乙烯醋酸乙烯(EVA)膜等,其作為前屋面必要覆蓋材料,在保證光照透入的同時(shí)形成相對(duì)封閉的日光溫室內(nèi)部空氣環(huán)境,而控制其鋪卷動(dòng)作即可調(diào)控溫室內(nèi)外環(huán)境的自然通風(fēng)情況,達(dá)到控溫、除濕、換氣等目的[10-11];遮陽(yáng)網(wǎng)布材質(zhì)主要包括PE、高密度PE以及PVC等,其依據(jù)絲線截面形式、編織方式、顏色及網(wǎng)格尺寸等不同具有很多分類方式,主要用于降低棚室溫度以及部分種植作物的夏季遮陽(yáng)防曬[12]。此外,前屋面覆蓋物可以在暴雪、冰雹等極端天氣時(shí)為室內(nèi)種植作物提供必要的保護(hù),為保障正常作物生產(chǎn)發(fā)揮重要作用[13]。

保溫卷簾、通風(fēng)卷膜以及遮陽(yáng)網(wǎng)布3種覆蓋物常需要依賴共同的前屋面構(gòu)造面實(shí)現(xiàn)鋪卷動(dòng)作,因此其對(duì)應(yīng)鋪卷機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理相類似[14]。例如側(cè)卷式卷簾機(jī)與當(dāng)前市場(chǎng)上常見(jiàn)的自動(dòng)卷膜機(jī)具有相同鋪卷結(jié)構(gòu)原理,僅會(huì)因負(fù)載不同在桿件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電機(jī)動(dòng)力輸出強(qiáng)度等方面存在差異;此外,常見(jiàn)的繩索牽引鋪卷方式在保溫卷簾和遮陽(yáng)網(wǎng)布上均有成熟的應(yīng)用案例[12, 15]。因此3種覆蓋物在鋪卷作業(yè)時(shí)會(huì)存在相互干涉、難以協(xié)調(diào)的問(wèn)題,例如鋪卷遮陽(yáng)網(wǎng)布遮蓋通風(fēng)口影響通風(fēng)效率,因無(wú)系統(tǒng)化管理出現(xiàn)自動(dòng)化卷簾、半自動(dòng)化卷膜、人力拉線遮陽(yáng)等情況,給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)諸多不便[16-17]。而當(dāng)前關(guān)于日光溫室覆蓋物鋪卷方法的相關(guān)研究,多集中于對(duì)于保溫卷簾或是通風(fēng)卷膜等獨(dú)立單體覆蓋物,極少關(guān)注到多種覆蓋物控制鋪卷作業(yè)及其硬件結(jié)構(gòu)之間的相互聯(lián)系[18-20]。

本文結(jié)合3種覆蓋物鋪卷的功能需求,開(kāi)展其前屋面覆蓋物協(xié)調(diào)鋪卷裝置研究,并通過(guò)建立實(shí)體比例模型和真實(shí)溫室試驗(yàn),進(jìn)行模型原理驗(yàn)證和性能試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證裝置的實(shí)施可行性。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

以我國(guó)當(dāng)前北方地區(qū)常見(jiàn)的單體半拱型結(jié)構(gòu)日光溫室為例,結(jié)合相關(guān)建筑參數(shù)的測(cè)繪,完成日光溫室前屋面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,如圖1所示[14]。為方便工作開(kāi)展,普遍具備圓弧狀特征的前屋面結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化成單段圓弧。通過(guò)測(cè)定整體棚高H、整體棚寬L、前屋面水平寬度L1等相關(guān)建筑參數(shù),即可確定對(duì)應(yīng)棚面圓弧圓心o的位置和相應(yīng)圓弧半徑R。如圖1所示,依據(jù)3種覆蓋物的功能屬性,對(duì)其鋪卷范圍進(jìn)行劃分,保溫卷簾鋪卷范圍為整體棚面;上通風(fēng)卷膜鋪卷范圍從棚室頂部沿棚面延伸一段距離;下通風(fēng)卷膜鋪卷范圍則是從棚室底部沿棚面延伸一段距離;而上、下通風(fēng)卷膜之間的范圍則是遮陽(yáng)網(wǎng)布鋪卷活動(dòng)范圍。由此可以得到確定日光溫室覆蓋物位置的鋪卷開(kāi)度計(jì)算公式為

圖1 日光溫室前屋面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

(1)

式中Kx——覆蓋物鋪卷開(kāi)度,%

lx——覆蓋物鋪卷范圍對(duì)應(yīng)棚面圓弧弧長(zhǎng),m

θx——覆蓋物鋪卷范圍對(duì)應(yīng)的棚面圓弧圓心角,rad

Δlx——相應(yīng)覆蓋物鋪卷揭開(kāi)時(shí)其末端移動(dòng)的弧度距離,m

Δθx——相應(yīng)覆蓋物鋪卷揭開(kāi)時(shí)其末端移動(dòng)對(duì)應(yīng)圓心角變化值,rad

下標(biāo)x表示對(duì)應(yīng)的覆蓋物編號(hào),取值1、2、3、4分別表示保溫卷簾、上通風(fēng)卷膜、遮陽(yáng)網(wǎng)布、下通風(fēng)卷膜。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的日光溫室前屋面協(xié)調(diào)鋪卷裝置的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)鋪卷裝置整體機(jī)械結(jié)構(gòu)三維示意圖

采用無(wú)坡度后屋面板簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),整體機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分成外側(cè)鋪卷機(jī)構(gòu)和內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)兩個(gè)主要部分。所提出的設(shè)計(jì)方案主要包括:在現(xiàn)有卷簾鋪卷裝置基礎(chǔ)上增加鋪卷位置檢測(cè)結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上、下通風(fēng)卷膜和遮陽(yáng)網(wǎng)布的一體化鋪卷及其鋪卷位置檢測(cè);設(shè)計(jì)相應(yīng)的覆蓋物協(xié)調(diào)鋪卷控制方法,便于系統(tǒng)化調(diào)控覆蓋物鋪卷作業(yè)。

2 協(xié)調(diào)鋪卷裝置設(shè)計(jì)

2.1 外側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)

外側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有側(cè)卷式卷簾結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過(guò)在卷簾軸無(wú)動(dòng)力端增加安裝有編碼器的鋪卷位置反饋檢測(cè)結(jié)構(gòu),實(shí)時(shí)獲取卷簾位置反饋信息,如圖3所示[21]。

圖3 外側(cè)鋪卷機(jī)構(gòu)三維示意圖

卷簾鋪卷過(guò)程中,卷簾軸通過(guò)擺臂帶動(dòng)安裝有編碼器的防滑橡膠滾輪沿著圓弧棚面運(yùn)動(dòng),由此即可獲取卷簾運(yùn)動(dòng)位置變化和具體的卷簾開(kāi)度數(shù)值。滾輪僅沿著圓弧棚面做豎直平面范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng),在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上進(jìn)行受力及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,結(jié)果如圖4所示。

圖4 外側(cè)鋪卷檢測(cè)結(jié)構(gòu)分析圖

圖4a為卷簾鋪卷作業(yè)時(shí)的靜態(tài)受力狀態(tài),用于檢測(cè)卷簾位置的滾輪沿著圓弧棚面向上滾動(dòng),其主要受到自身重力G、擺臂牽引力F、棚面支撐力FN以及摩擦力f的共同作用,達(dá)到受力平衡狀態(tài)。其中G和F可以沿著棚面圓弧切線方向及垂直切線方向分解為F1、F2、F3和F4。

假定卷簾作為不可壓縮變形對(duì)象,即疊加后厚度保持均勻不變,且卷起過(guò)程中與貼合的圓弧棚面不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。卷簾以卷簾軸為中心按照阿基米德螺旋規(guī)律運(yùn)動(dòng),其所形成的理想圓柱體直徑不斷增加,而滾輪的尺寸直徑是固定的,因此擺臂和水平方向的傾角α不斷變化,使得卷簾鋪卷距離和滾輪的實(shí)際滾動(dòng)距離存在偏差,因此需要根據(jù)得到的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)j,進(jìn)一步運(yùn)算得到卷簾的移動(dòng)行走路程Δl1及其對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)開(kāi)度K1。

如圖4b所示,o1和o2分別為滾輪和卷簾包裹卷簾軸形成理想圓柱體的圓心,而m和n則分別是其與棚面弧線的切點(diǎn)。首先作輔助線o2a垂直于oo1,假定其長(zhǎng)度為h,同樣作輔助線垂直于棚面圓弧兩處切點(diǎn)連線。由此可得

(2)

其中

lo1a=loo1-loa

(3)

式中l(wèi)o1o2——位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的擺臂長(zhǎng)度,mm

由此可以得到

(4)

又由圖4b和半角的正弦公式可知

(5)

(6)

式中l(wèi)mn——卷簾和滾輪兩者在圓弧棚面落點(diǎn)距離,mm

將式(6)代入式(5)可知

(7)

其中

loo1=R+R1

(8)

loo2=R+R2

(9)

式中R1——滾輪半徑,mm

R2——卷簾包裹卷簾軸形成的理想圓柱體實(shí)時(shí)半徑,mm

卷簾會(huì)圍繞卷簾軸中心作阿基米德螺旋線規(guī)律運(yùn)動(dòng),將其近似等同為卷簾同心圓環(huán)繞包裹卷簾軸,即卷簾軸每轉(zhuǎn)一周所形成的理想圓柱體半徑增加一層卷簾的厚度,而實(shí)際計(jì)算卷簾轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)需要進(jìn)行取整和取余運(yùn)算,即

j=b-c

(10)

式中b——大于j的最小正整數(shù)

c——運(yùn)算得到小于1的差值

由此可以得到

R2=R3+bt

(11)

式中R3——卷簾軸半徑,mm

t——保溫卷簾卷起疊加后的單層厚度,mm

由此可得卷簾鋪卷過(guò)程中,卷簾和滾輪兩者在圓弧棚面落點(diǎn)的實(shí)時(shí)距離為

(12)

由式(12)可知卷簾和滾輪兩者在圓弧棚面落點(diǎn)距離取決于卷簾在卷簾軸上的包裹疊加層數(shù)(b值)。 卷簾實(shí)時(shí)開(kāi)度K1的計(jì)算公式為

(13)

式中D3——卷簾軸直徑,mm

通過(guò)式(13)可以由開(kāi)度確定卷簾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。通過(guò)編碼器檢測(cè)獲取滾輪圈數(shù)Q確定卷簾在棚面落點(diǎn)位置時(shí),需要考慮卷簾和滾輪兩者在圓弧棚面的落點(diǎn)距離從初始位置移動(dòng)至當(dāng)前位置的變化量l′mn,因此卷簾實(shí)時(shí)開(kāi)度K1的計(jì)算公式為

(14)

式中D1——滾輪直徑,mm

在進(jìn)行卷簾鋪卷作業(yè)時(shí),輸入的卷簾目標(biāo)開(kāi)度K1會(huì)先換算得到卷簾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)j,再計(jì)算確定影響參數(shù)l′mn,最后計(jì)算得到編碼器檢測(cè)防滑橡膠滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)Q而再進(jìn)行具體的卷簾鋪卷位置控制。

2.2 內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)

日光溫室上、下通風(fēng)卷膜和遮陽(yáng)網(wǎng)布通常采用彼此獨(dú)立的鋪卷結(jié)構(gòu),自動(dòng)化程度也遠(yuǎn)低于保溫卷簾。由圖1可知,遮陽(yáng)網(wǎng)布與上、下通風(fēng)卷膜具有互補(bǔ)屬性的鋪卷活動(dòng)范圍,又均屬于輕質(zhì)材料,因此采用繩索滑輪牽引的方式實(shí)現(xiàn)其一體化控制。其中上、下通風(fēng)卷膜垂直方向上的繩索滑輪牽引鋪卷作業(yè)方案如圖5所示。

圖5 上、下通風(fēng)卷膜垂直方向上的繩索牽引結(jié)構(gòu)示意圖

而鋪卷遮陽(yáng)網(wǎng)布也采用類似的滑輪和繩索牽引的方式完成。對(duì)圖5中不同位置的滑輪依次從底部進(jìn)行數(shù)字編號(hào),用A、B、C分別表示上通風(fēng)卷膜、下通風(fēng)卷膜和遮陽(yáng)網(wǎng)布所屬的不同繩索牽引組,由此可以得到相應(yīng)覆蓋物鋪卷作業(yè)時(shí),需要經(jīng)過(guò)的滑輪編號(hào),結(jié)果如表1所示。

表1 通風(fēng)卷膜和遮陽(yáng)網(wǎng)布鋪卷作業(yè)牽引繩索的滑輪編號(hào)

由表1可知,部分滑輪位置會(huì)有多個(gè)繩組經(jīng)過(guò),需要采用單體多輪的滑輪結(jié)構(gòu)。垂直方向上滑輪具體布設(shè)數(shù)量和位置需要結(jié)合實(shí)際棚室情況進(jìn)行調(diào)整;水平方向上的繩組布設(shè)則是在考慮繩索受力強(qiáng)度的同時(shí),應(yīng)避免繩索之間相互干涉[22]。

由圖5可知,內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)中牽引繩索最終會(huì)匯合于3根繞桿上,為避免產(chǎn)生繩索纏繞混亂的情況,在繞桿均安裝有固定繞線模塊,并借助傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)繩索的統(tǒng)一管理驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力源采用雙軸驅(qū)動(dòng)電機(jī),一端用于輸出動(dòng)力,另一端則安裝編碼器采集繞桿的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)的具體傳動(dòng)方案和三維結(jié)構(gòu)如圖6、7所示。

圖6 內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)方案圖

如圖7所示,牽引繩索在繞線模塊上的螺紋溝槽中循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)覆蓋物進(jìn)行鋪卷作業(yè)。繞線模塊中的螺紋溝槽尺寸參數(shù)計(jì)算公式為

圖7 內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)三維圖

(15)

式中px′——繞線模塊螺紋溝槽的底徑(下標(biāo)x′表示對(duì)應(yīng)的覆蓋物類型,取值2、3、4分別表示上通風(fēng)卷膜、遮陽(yáng)網(wǎng)布、下通風(fēng)卷膜,下同),mm

Qx′——螺紋溝槽圈數(shù)

Δlx′——覆蓋物鋪卷移動(dòng)弧度距離,mm

Sx′——繞線模塊螺紋溝槽的底部溝寬,mm

Фs——牽引繩索線徑,mm

進(jìn)行實(shí)際作業(yè)前,需要調(diào)整繩索張緊和限位校正,并需要根據(jù)作業(yè)實(shí)際負(fù)載需求選擇適宜型號(hào)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)[22]。進(jìn)行上、下通風(fēng)卷膜和遮陽(yáng)網(wǎng)布鋪卷作業(yè)時(shí),通過(guò)單個(gè)電機(jī)一拖三轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)平行繞桿結(jié)構(gòu),電磁離合傳動(dòng)箱內(nèi)置3個(gè)獨(dú)立電磁離合器固結(jié)的3個(gè)直齒輪環(huán)繞嚙合電機(jī)的輸出軸單直齒輪實(shí)現(xiàn)傳動(dòng),可實(shí)現(xiàn)3種覆蓋物獨(dú)立控制或同步控制。具體作業(yè)時(shí),根據(jù)需要調(diào)控的覆蓋物對(duì)象控制3個(gè)電磁離合器ZA、ZB和ZC的通斷,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)的方式轉(zhuǎn)動(dòng)繞桿牽引繩索帶動(dòng)覆蓋物到達(dá)預(yù)定位置,具體開(kāi)度控制計(jì)算公式為

(16)

式中dx′——繞線模塊的螺紋中徑,mm

q——驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),由同軸安裝的編碼器測(cè)量獲取

ix′——相應(yīng)齒輪傳動(dòng)比

2.3 覆蓋物協(xié)調(diào)鋪卷控制方法

為研究3種覆蓋物的協(xié)調(diào)鋪卷控制策略方法和衍生更多覆蓋物控制組合模式,構(gòu)建日光溫室覆蓋物系統(tǒng)控制模型

f(T)=C1+C2+C3+C4

(17)

式中C1、C2、C3、C4——保溫卷簾、上通風(fēng)卷膜、下通風(fēng)卷膜、遮陽(yáng)網(wǎng)布的工作狀態(tài)

3種覆蓋物的工作狀態(tài)按照是否需要進(jìn)行鋪卷控制分為作業(yè)狀態(tài)和非作業(yè)狀態(tài)兩種。具體操作時(shí)則是需要進(jìn)行賦值處理,且為避免數(shù)值重合造成含意發(fā)生歧異,需要分別從低到高進(jìn)行遞增式賦值處理。在此理論基礎(chǔ)上,利用3種前屋面覆蓋物使用頻次在不同時(shí)間季節(jié)的間隔和互補(bǔ)特性制定了3種工作模式,其中C1、C2、C3、C4按照作業(yè)和非作業(yè)兩種工作狀態(tài)的賦值結(jié)果依次為:1和0,4和2,7和6,14和13。如表2所示,依據(jù)不同的模型結(jié)果f(T),確定3種覆蓋物工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)控制。

表2 3種覆蓋物協(xié)調(diào)控制模式

3 裝置實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)

采用實(shí)體比例模型和實(shí)地試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證裝置的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)搭建同比例縮放的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行裝置基礎(chǔ)功能和性能試驗(yàn),而對(duì)于控制精度要求較高的保溫卷簾控制進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱?/h3>

日光溫室模型的主體建筑結(jié)構(gòu)由15 mm PVC板搭建而成,模型溫室棚長(zhǎng)1 000 mm,棚寬900 mm,后墻高度560 mm,后屋面板寬度100 mm。棚面安裝5根15 mm PVC板切割完成的單段圓弧形狀骨架,其兩端鑲嵌安裝固定在底板和后屋面板上。模型兩側(cè)墻板和相鄰的骨架之間用5 mm PVC板鋪設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)所需的運(yùn)動(dòng)軌道面。模型建筑參數(shù)與真實(shí)日光溫室棚室的尺寸比例約為1∶14。所設(shè)計(jì)的硬件裝置同樣在模型上進(jìn)行復(fù)原,如圖8所示。

圖8 鋪卷裝置的比例模型實(shí)體圖

研究中采用實(shí)體比例模型所涉及的機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)體模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

在裝置的控制電路部分,采用STM32F103主控制板和繼電器模塊直接驅(qū)動(dòng)電機(jī),內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)的電磁離合器由繼電器模塊直接控制,主控制板和PC端連接,用于接收系統(tǒng)控制指令,RS485型編碼器通過(guò)USB轉(zhuǎn)485模塊和PC端連接,用于接收覆蓋物鋪卷的位置信息[23]。整體控制電路系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖9 鋪卷裝置控制電路系統(tǒng)框圖

在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,可得到日光溫室覆蓋物整體協(xié)調(diào)鋪卷裝置的系統(tǒng)工作流程,如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)工作流程圖

作業(yè)時(shí),通過(guò)在PC端控制系統(tǒng)界面上,完成參數(shù)設(shè)置和裝置系統(tǒng)校正,再向主控制板發(fā)送覆蓋物鋪卷動(dòng)作控制指令,兩個(gè)編碼器實(shí)時(shí)采集其鋪卷位置信息,并在PC端控制系統(tǒng)界面上實(shí)時(shí)顯示結(jié)果,所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)界面如圖11所示。

圖11 鋪卷裝置的控制系統(tǒng)界面

整體的控制系統(tǒng)界面包括功能調(diào)試區(qū)域、操作區(qū)域和顯示區(qū)域3個(gè)主要模塊。其中,作業(yè)時(shí)首先需要在功能調(diào)試區(qū)域的通信區(qū)打開(kāi)PC端與主控制板、編碼器的串口通信,在單步調(diào)試區(qū)調(diào)整覆蓋物鋪卷到固定位置,在定值校準(zhǔn)區(qū)實(shí)現(xiàn)覆蓋物位置的校準(zhǔn)。在操作區(qū)輸入目標(biāo)開(kāi)度指令后即可在顯示區(qū)觀察覆蓋物的實(shí)時(shí)開(kāi)度和編碼器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)地試驗(yàn)

在以上實(shí)體模型試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步驗(yàn)證研究方案的實(shí)施可行性,對(duì)外側(cè)鋪卷機(jī)構(gòu)即卷簾鋪卷控制裝置進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)。實(shí)地試驗(yàn)選址在北京市昌平區(qū)的上河農(nóng)業(yè)生態(tài)園內(nèi)(地理坐標(biāo)為北緯40°13′、東經(jīng)116°32′)。園區(qū)溫室類型為北方地區(qū)典型的單體半拱型結(jié)構(gòu)日光溫室,單棟溫室整體棚長(zhǎng)55 m,棚寬4.5 m,涉及到屋面覆蓋物鋪卷作業(yè)的溫室結(jié)構(gòu)主要是加厚磚墻結(jié)構(gòu)東側(cè)和西側(cè)山墻,而溫室前屋面則是由每隔1 m安裝的圓弧狀支撐鋼架結(jié)構(gòu)組成。溫室覆蓋的卷簾材質(zhì)為復(fù)合棉,厚度為15 mm。卷簾軸的材質(zhì)為45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,管徑參數(shù)為:外徑48 mm,內(nèi)徑43 mm。試驗(yàn)溫室配備側(cè)卷式卷簾機(jī),動(dòng)力端的三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YE2 90S-4,相關(guān)參數(shù)為:1.1 kW,2.9 A,1 400 r/min,電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳送帶傳遞至配置的減速機(jī)上,再通過(guò)法蘭盤連接實(shí)現(xiàn)卷簾軸轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)卷簾完成鋪卷動(dòng)作。試驗(yàn)環(huán)節(jié)中,根據(jù)實(shí)際的棚室結(jié)構(gòu),在不改變工作原理的前提下,對(duì)所設(shè)計(jì)的卷簾位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行同比例放大和修改。整體的檢測(cè)結(jié)構(gòu)采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu),擺臂長(zhǎng)度為500 mm,一端通過(guò)鋼架套筒連接在卷簾軸的無(wú)動(dòng)力端,另一端連接包裹有防滑橡膠圈的滾輪和與模型試驗(yàn)相同型號(hào)的編碼器,滾輪直徑為160 mm。卷簾鋪卷控制裝置的現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖12所示。

圖12 卷簾鋪卷控制裝置的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

試驗(yàn)前,將卷簾的運(yùn)行距離范圍均分為0～100%等分的11個(gè)開(kāi)度,并在溫室西側(cè)山墻上標(biāo)記相應(yīng)位置點(diǎn)便于測(cè)量。如圖12所示,為便于實(shí)際作業(yè),將位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)擺放在卷簾軸上面,由于涉及到的lmn是卷簾和滾輪相對(duì)位置的變化量,因此并不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。作業(yè)時(shí),在溫室西側(cè)斗室內(nèi),斷路器控制三相電源輸入,通過(guò)變頻調(diào)速器將位于側(cè)卷式卷簾機(jī)的單次鋪卷作業(yè)時(shí)間控制在3～8 min內(nèi),使卷簾鋪卷硬件結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)行的技術(shù)要求規(guī)范[24]。實(shí)地試驗(yàn)的裝置和比例模型的控制策略相一致,只是對(duì)驅(qū)動(dòng)元件和控制程序中涉及的卷軸、卷簾和位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)部件關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了替換。PC機(jī)和變頻調(diào)速器以及編碼器均通過(guò)485線通訊,通過(guò)在PC機(jī)上控制系統(tǒng)界面上給出開(kāi)度指令通過(guò)變頻調(diào)速器控制卷簾機(jī)動(dòng)作,而卷簾的實(shí)時(shí)位置信息則是通過(guò)位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的編碼器采集傳回控制系統(tǒng)界面顯示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

所設(shè)計(jì)的日光溫室前屋面覆蓋材料協(xié)調(diào)鋪卷裝置試驗(yàn)包括模型試驗(yàn)和實(shí)地試驗(yàn)兩部分,通過(guò)兩種結(jié)果比對(duì)綜合反映整體裝置功能和具體性能。

(1)模型測(cè)試結(jié)果

模型試驗(yàn)的功能性試驗(yàn)主要是對(duì)裝置整體功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝置原理驗(yàn)證試驗(yàn),并對(duì)依據(jù)季節(jié)差異設(shè)定的3種工作模式下的實(shí)際覆蓋物鋪卷效果進(jìn)行觀測(cè)和分析。模型性能試驗(yàn)則是對(duì)3種覆蓋物鋪卷的具體鋪卷位置的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性的測(cè)試和結(jié)果分析。

在模型搭建完成后進(jìn)行鋪卷裝置及其關(guān)鍵部件的原理驗(yàn)證試驗(yàn),就其具體試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容用優(yōu)、良、差3個(gè)等級(jí)予以評(píng)價(jià),其測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 協(xié)調(diào)鋪卷裝置的功能性試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,所設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)鋪卷裝置的相應(yīng)功能在比例模型上整體均有很好的實(shí)現(xiàn),其中采用的棉繩會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性變形,造成繩索牽引結(jié)構(gòu)出現(xiàn)繩索松散的情況,影響最終效果評(píng)價(jià)結(jié)果。而在實(shí)際生產(chǎn)中通常會(huì)采用彈性變形較小的鋼絲繩或纖維繩,可以有效減少此類影響。

本文所設(shè)計(jì)的覆蓋物鋪卷裝置屬于現(xiàn)有鋪卷裝置的加裝優(yōu)化方案,相關(guān)的基礎(chǔ)硬件結(jié)構(gòu)性能符合現(xiàn)行的技術(shù)要求規(guī)范,研究的性能測(cè)試重點(diǎn)在于提高鋪卷裝置的作業(yè)精度和穩(wěn)定性[24]。通過(guò)實(shí)體比例模型完成3次重復(fù)性平行試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容是對(duì)每個(gè)覆蓋物均完成開(kāi)度0～100%等分的11個(gè)位置開(kāi)度的覆蓋物運(yùn)動(dòng)末端移動(dòng)距離的測(cè)量,并將其換算為試驗(yàn)的實(shí)際開(kāi)度,并通過(guò)分析得到裝置作業(yè)精度和穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。

在模型測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)計(jì)算覆蓋物鋪卷實(shí)際開(kāi)度和理論開(kāi)度的平均相對(duì)誤差和均方根誤差驗(yàn)證整體卷簾調(diào)控系統(tǒng)的控制精度。再通過(guò)重復(fù) 3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的變異系數(shù)驗(yàn)證其作業(yè)控制穩(wěn)定性。

其中整體裝置的作業(yè)精度測(cè)試結(jié)果如圖13所示。由圖13可知,3種覆蓋物的鋪卷作業(yè)精度較好,其開(kāi)度控制的平均相對(duì)誤差均小于3.5%,均方根誤差均小于2.0%,其中卷簾的鋪卷精度測(cè)試時(shí)的平均相對(duì)誤差小于0.5%,均方根誤差的最大值僅為0.3%,表現(xiàn)出較好的作業(yè)控制精度。其中,外側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差主要來(lái)源于采用的卷簾材質(zhì)較薄且在試驗(yàn)中易出現(xiàn)褶皺變形情況,其影響較小。而內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)的誤差則是由于采用繩索牽引和簡(jiǎn)易支架結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)卷膜和遮陽(yáng)網(wǎng)布鋪卷,繩索和覆蓋物存在彈性變形松塌現(xiàn)象,尤其是上通風(fēng)卷膜由于重力作用不明顯,在較大開(kāi)度時(shí)易產(chǎn)生卷膜軸傾斜的現(xiàn)象,造成作業(yè)精度明顯下降。而在實(shí)際生產(chǎn)中則可通過(guò)收束整理繩索有效減小該現(xiàn)象引起的此類誤差。

圖13 整體裝置的作業(yè)精度測(cè)試結(jié)果

在此基礎(chǔ)上,通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到裝置的作業(yè)穩(wěn)定性結(jié)果如圖14所示。

圖14 整體裝置作業(yè)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

由圖14可知,鋪卷裝置控制覆蓋物在各個(gè)開(kāi)度下的變異系數(shù)均小于3.0%,其中卷簾穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)的變異系數(shù)小于1.0%,展現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。在開(kāi)度較小時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因在于覆蓋物運(yùn)動(dòng)末端的實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離較小,造成測(cè)量不便,使得測(cè)量誤差增大。

(2)實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)地試驗(yàn)主要對(duì)冬季工作模式下的卷簾鋪卷作業(yè)進(jìn)行測(cè)試。其中,功能性測(cè)試的觀測(cè)結(jié)果顯示鋪卷效果良好和控制過(guò)程流暢,與模型試驗(yàn)結(jié)果相一致。

在此基礎(chǔ)上,依據(jù)相類似的測(cè)試過(guò)程檢測(cè)卷簾鋪卷裝置的作業(yè)精度和穩(wěn)定性,完成3次重復(fù)性平行試驗(yàn)。其中卷簾鋪卷控制裝置的實(shí)地作業(yè)測(cè)試結(jié)果如圖15所示。由圖15a可知,所設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)鋪卷裝置中的外側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)即卷簾鋪卷裝置在實(shí)地試驗(yàn)中,其開(kāi)度控制的平均相對(duì)誤差均小于2.5%,均方根誤差小于1.26%,表現(xiàn)出較好的作業(yè)控制精度。對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果可知,裝置的實(shí)地試驗(yàn)的測(cè)試作業(yè)控制精度有所降低,但其測(cè)量數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)相同,平均相對(duì)誤差同樣隨著開(kāi)度增加而不斷降低的趨勢(shì),而均方根誤差則也呈現(xiàn)隨著開(kāi)度的增加而不斷增大的趨勢(shì)。而由圖15b可知,相比較模型試驗(yàn)結(jié)果,裝置實(shí)地試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的變異系數(shù)同樣小于1.0%,且隨著開(kāi)度增加而不斷降低的整體趨勢(shì),展現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

綜上所述,在實(shí)地試驗(yàn)中,測(cè)試裝置由于受到卷簾機(jī)載荷復(fù)雜多變、外界自然環(huán)境變化等因素的影響,其作業(yè)精度和穩(wěn)定性整體上相比模型試驗(yàn)有所較低,但結(jié)合實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果,模型試驗(yàn)結(jié)果的合理性得到進(jìn)一步驗(yàn)證,說(shuō)明實(shí)體比例模型中測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)誤差同樣也會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn),分析邏輯同樣也可以為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。由此可知,所設(shè)計(jì)的日光溫室前屋面覆蓋物協(xié)調(diào)鋪卷裝置整體上表現(xiàn)出較好的作業(yè)精度和穩(wěn)定性,整體的試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了裝置的實(shí)施可行性。

4 結(jié)論

(1)所設(shè)計(jì)的日光溫室前屋面覆蓋物協(xié)調(diào)鋪卷裝置包括的外側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)、內(nèi)側(cè)鋪卷結(jié)構(gòu)和覆蓋物協(xié)調(diào)鋪卷控制方法在實(shí)體比例模型上整體均有較好的功能實(shí)現(xiàn),其中的覆蓋物鋪卷位置檢測(cè)結(jié)構(gòu)、離合傳動(dòng)箱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件均能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能效果,能夠有效保障日光溫室前屋面覆蓋物的共同協(xié)調(diào)作業(yè)。

(2)通過(guò)實(shí)體比例模型試驗(yàn)及其測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析,所設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)鋪卷裝置卷具有較好的作業(yè)控制精度和穩(wěn)定性。3種覆蓋物開(kāi)度控制的平均相對(duì)誤差均小于3.5%,均方根誤差均小于2.0%,其中卷簾的平均相對(duì)誤差小于0.5%,均方根誤差的最大值僅為0.3%。穩(wěn)定性測(cè)試方面則是顯示鋪卷裝置控制覆蓋物在各個(gè)開(kāi)度下的變異系數(shù)均小于3.0%,其中卷簾穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)的變異系數(shù)小于1.0%,展現(xiàn)出較好的運(yùn)行穩(wěn)定性。

(3)卷簾鋪卷控制裝置在實(shí)地試驗(yàn)中,其開(kāi)度控制試驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)誤差均小于2.5%,均方根誤差小于1.26%,測(cè)試數(shù)據(jù)的變異系數(shù)小于1.0%,也表現(xiàn)出較好的作業(yè)控制精度和穩(wěn)定性,其與模型試驗(yàn)結(jié)果中的測(cè)量數(shù)據(jù)整體呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì),進(jìn)一步驗(yàn)證了裝置模型試驗(yàn)結(jié)果的合理性和整體裝置的實(shí)施可行性。