基于水银开关的温室卷帘机防后翻装置的设计.pdf

新 疆农机化 21年第 1期 修 回 日 期 2021 01 19 基 金 项 目 新疆维吾尔自治区公益性科研院所基本科研 业务经费资助项目 ky 2019025 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2021 01 011 中 图 分 类 号 S625 文 献 标 识 码 A 0 引 言 日光温室机械化和自动化程度越来越高 保温被 成为温室冬季生产必不可少的装备 现阶段日光温室 保温被覆盖率比例逐年增加 1 大 部 分通过倒顺开关 人工控制开启 在温室作物顺利安全越冬生产的同时 会产生一系列问题 每座温室开启完毕最少需要 8min 2 如果同时打开 外界环境的变化会导致卷被机工作方 式不可靠 保温被位置无法精确限位 3 严 寒 天 气 下 出 现故障后难以解决 稍有不慎就会使保温被卷过头 坠 落至温室后墙 难以短时间内解决 甚至造成人员伤 亡 3 5 同时造成整座温室作物冻死和财产损失 6 目前 国内在温室卷帘机限位方面的研 究 有 很 多 主要有通过碰撞限位开关切断电源方式 利 用 角 度传感器记录卷帘机运行位置 采用卷帘机定时器进 行 限 位 7 9 或 通 过 PLC 可编程序控制器对电动机的 控制系统设计以及采用卷帘机接收到顶端或 底 端 接 近开关电信号时 停止交流电机的运转 最终 实 现 保 温材料的卷放的方式 10 12 因此 温室冬季应用卷被机 大多采用行程时间控制 红外电路控制和碰撞机械式 装置等进行控制 这几种控制装置经过时间和实践证 明在西北极端天气条件 如 20 恶 劣 天 气 下 容 易 出 现 故 障 安 全 性 与可靠性不够 出现故障的主要原因 包 括 1 雨雪渗入保温被内部后 温度下降易结冰 卷被机上卷时保温被变形 导致保温被左右端上卷速 度 不 一 致 2 冬季雨雪覆盖 卷被机装置结冰 导致 文 章 编 号 1007 7782 2021 01 0035 04 基于水银开关的温室卷帘机防后翻装置的设计 邹平 1 2 姜鲁艳 1 王 瑞 2 罗文杰 2 1 新疆农业科学院农业机械化研究所 乌鲁木齐 830091 2 农业部林果棉与设施农业装备科学观 测实验站 摘 要 温室卷帘机限位装置在我国西北严寒风雪环境中运用时的安全性和可靠性不够 经常出现保温被翻过后墙的事故发生 本文通过分析目前常用温室卷帘机自动限位的工作原理和特点 探讨防后翻装置在西北严寒地区温室卷帘机运用中存在的主要 问题和安全隐患 改进设计了以水银开关为基础的温室卷帘机防后翻装置系统 从而实现了保温被的安全卷放 有效解决了极端 严寒天气下机构失灵导致保温被坠落等问题 通过试验测试表明该装置运行稳定 性能可靠 成本低 可有效降低农民劳动强度 促进设施农业节本增效 关 键 词 水银开关 卷帘机 限位装置 设计 DesignofAnti rollbackDeviceforGreenhouseCurtain RollerBasedonMercurySwitch ZOU Pin 1 2 JIANG Luyan 1 WANG Rui 2 LUO Wenjie 2 1 Institute of Agricultural Mechanization Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Urumqi 830091 Xinjiang China 2 Scientific Observation and Experiment Station of Forest Fruit Cotton and Facility Agricultural Equipment Ministry of Agriculture Abstract The safety and reliability of the limit device of greenhouse curtain rolling machine are not enough when it is used in the severe cold and snowstorm environment in Northwest China and accidents often occur when the thermal insulation is turned over the back wall By analyzing the working principle and characteristics of automatic limit of greenhouse curtain rolling machine this paper discusses the main problems and potential safety hazards in the design of anti rollover device in Northwest frigid area improves and designs the anti rollover device system of greenhouse curtain rolling machine based on mercury switch thus realizing the safety of thermal insulation quilt Roll up It effectively solves the problems of the thermal in sulation falling due to the failure of the mechanism in extreme cold weather Long term test results show that the system runs stably has reliable performance and low cost It can effectively reduce the labor intensity of farmers and promote cost saving and efficiency of facility agriculture Key words Mercury switch Curtain rolling machine Limiting device Design 设 施 农 业 35 新 疆农机化 21 年第 1期 机械式装置失灵或卡死 3 室外温度过低且风雪过 大 使红外电路控制元器件部分无法正 常 工 作 卷 棉 被机构失灵导致事故时有发生 因 此 设计一种在严寒 天气中能够安全可靠使用的卷帘机限位装置 对于实 现日光温室的自动化管理具有重要意义 1 结 构 与 工 作 原 理 1 1 总 体 结 构 卷 帘 机 控 制 系 统 见 图 1 该系统主要由机架 电 机 减速器 钢管 支架及限位控制五部分组成 在冬 季作业时通过控件完成卷放被工作 日光温室顶部覆 盖保温被 在推动臂顶端水平设置钢管作为卷轴 固定 设有电机 电机与钢管传动连接 每卷一次需 6 8min 具体根据保温被种类而定 限位装置接入配电系统 由 接触器线圈零线位控制断停 其工作原理见图 5 卷 帘 机手动控制装置的手动部件在减速器大带轮上安装摇 把 主要用于停电或者故障时手动操作卷放 13 设 计 的 电机主要参数如下 电 动 机 功 率 1 5 kW 减速器速比 1 280 四 轴 钢 管 5 cm 转 数5 3 r min 1 适 合温室 长 度50 100 m 图1 卷帘机控制系统 1 温室 2 温室后墙 3 支撑横杆 4 水银开关模块 5 水银开关保护盒 6 连 接节 7 推动臂 8 调速轮 9 电机 10 固定圈 11 保温被 12 传动轮 13 钢管 14 被卷筒 1 2 工 作 原 理 图2 限位装置工作原理 卷帘机位于温室的中间位置 卷被时根据机械传 动原理 由电机及减速器带动左右两侧钢管均速转动 利用钢管绑定覆盖物将覆盖物卷起 当卷帘机上升至 温室顶部预设停止位置附近时 安装在保温被内侧的 水银限位装置一同被卷起 限位装置中玻璃管内的水 银因重力而流向另一侧 使控制装置内的触点连接机 构由原先的水银连接的导电状态而变成断开状态 从 而使卷被机停止工作 达到防止保温被后翻的目的 2 关键工作部件应用 2 1 限 位 装 置 结 构 本次设计选用玻璃外壳水银 开 关 图 3b 当 水 银开关倾斜一个工作角度时 两个电极 通 过 水 银 进 行开关的通断动作 这种水银开关的优点是可从外 部观察到它的工作状态 出现问题可随时发现 缺 点是容易破碎 因 此 在 设 计时增加了塑料保护盒 图 4 为 使 水 银 开关不易破碎 也可使用塑料外壳 图 3a 或 金 属 外 壳 水 银 开 关 图 3c 金属外壳本身就 是一个电极 当水银开关倾斜一个工作角时 金属 外壳和电极通过水银进行开关的通断动作 这 种 水 银开关可承受较大的冲击加速度 但缺点是成本 高 无法观察其工作状态 出现问题时难以排查 图3 水银开关结构 图4 水银限位装置实物 水 银 限 位 开 关 由 玻 璃 管 设在玻璃管内位于玻璃 管两侧的触点机构和封入玻璃管下端的水银构成 玻 璃管中伸入一固定杆 固定杆位于触点机构中间 固定 杆下接有发条 发条下接有电极 电极上部与触点机 构的触点碰触 电极下端伸入水银中 水 银 限 位 装 置 1 线 路 接入卷帘机驱动电机控制回路中 接触器线圈 零 线 位 图 5 因 接触器线圈一进一出一火一零 因 此限位装置安全不会发生电气事故 2 2 防后翻控制装置 2 2 1 防后翻控制设计 手动按下升起开 关 按 钮 2 正转交流接触器 1 闭 合通电 电机正转 棉被被卷起 水银限位装置因被 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 玻璃外壳 电极 水银 b 玻璃管式 a 塑料外壳式 金属 外 壳 水银 电极 c 金属外壳式 A 塑料外壳 电极 设 施 农 业 36 新 疆农机化 21 年第 1期 安装在保温被下方而跟随保温被一起卷起后被抬 起 抬起至一定角度后 使玻璃管内部的两侧触点机 构通过水银导电而成连接状态 或者变成水银流向 玻璃管的另一端 导致电路断开 正转交流 接 触 器 1 断开停止供电 从 而使卷被机停止工作 实现 防 止 卷 被机后翻过度的目的 卷帘系统停止工作后 按 下 开 关 按 钮 3 反转交流接触器 4 闭 合 通 电 电 机 反 转 水银限位装置随着棉被放下而恢复至原先的位置 其中的水银因重力流向两侧触点 机 构 而 后 恢 复 与 玻 璃管触点机构的连接 按下卷帘机下降 按 钮 4 后 卷 帘机开始自锁下降 当卷帘机下压下限位 5 时 电路 断开失电 卷帘机无法再下降 整个电路设计可对卷 帘机起到保护作用 防止翻过头和下降过低 图5 卷帘机升降控制电路 2 2 2 防后翻装置分布设计 进行限位布局安排时 限位装置应安装在日光温 室拱杆的中间位置 不应与拱杆接触造成水银开关保护 盒 受 损 整个温室防后翻限位装置 1 和4 分 别 安 装 于 温 室 东 西 山 墙 内 侧 约0 5 1 m 处 东 西 方 向 以 防 止 当 卷帘机机头上升时 由于阻力过大或外部天气影响导致 卷帘机机头上升速度慢于温室东西山墙处的保温被卷 筒速度 从而使东西两侧边缘保温被翻过温室顶部 当 温 室 长 度 低 于50m 时 可以考虑不安装 图6 限位装置安装分布图 限位装置 2 和 3 分别安装在卷帘机两侧左右方 向 各 1 5 m 处 4 个限位装置均安装在距离温室屋 脊 最 高 处 南 北 方 向 1 m 左右棉被内侧下方 安装 于棉被内侧 可避免包括严寒天气 风雪雨等外界恶 劣环境对装置的破坏 增加装置的可靠性 实 际 安 装 尺寸及个数还因保温被的 厚 薄 温室的结构尺寸等 不同而有差别 3 应 用 效 果 限位装置采用水银电路组成 水银凝固点为 39 在 严 寒 天 气 30 下可正常工作 控制方面做到多台卷帘机 可同时实现上卷下落 在操作效果方面安全可靠一键式减 少劳动力和时间 随着时代的进步人工智能物联网快速融 入各个行业 使用水银限位开关可通过云平台APP 直 接 对温室卷被机构远程控制 检 测 和 监 测 在解决因严寒天气导致的保温被变形 机械式装置失 灵或卡死和电路控制元器件部分无法正常工作的问题过 程中 设计的限位装置使用了该项专利技术 可长期使用 正常情况下不需要定期保养或维护 2016 年 2018 年 在 南 疆 阿 图 什 市 东 经76 1 北 纬39 7 2017 2019 年 在 北 疆乌鲁木齐西山温室基地 东经 87 7 北 纬43 8 已 进 行 越冬季生产试验 经过 3年的生产实践 安全性和可靠性 大 大 提 高 4 结 论 1 在实现温室自动化管理的过程当中 无论是电 脑还是手机终端 都存在控制信号容易受到干扰或产生 延 时 现 象 14 这一点是制约温室实现自动化 智能化管理 的关键节点 从目前的技术应用来看 这个现象普遍存 在 以 后 或 可 通 过5G 技术手段加以解决 但 是 在 北 方 严 寒地区 自动控制装置诸如卷帘机限位机构 执行电脑或 手机发出的信号指令时 可靠性和安全性仍存在许多问 题 而这一点对于实现温室智能化和自动化管理显得尤 为 重 要 2 卷帘机限位装置应根据当地的气候环境 温室 结构特点等进行设计 对于基于水银开关设计的限位装 置来说 适用于气候恶劣 冰雪较多的西北严寒地区 在 实际应用中应根据保温被种类 防 水 质 量 卷 被 后 的 卷 筒 大小 水银开关数量及安放位置等差别来设定 但在其它 气候下的运用效果及实用性如何 仍然有待于进一步的 验 证 与 研 究 参 考 文 献 1 丁 小 明 我国日光温室卷帘机技术现状分析 J 农 机 化 研 究 2011 33 12 217 222 2 张 守 庆 日光温室卷帘机跑偏原因与防跑偏措施 J 农 业 机 械 2019 2 95 97 下转第 42 页 卷 被 电 机 控 制 SB 6 4 2 K M 1 K M 1 K M 1 K M 2 K M 2 K M 2 3 5 1 卷被机上升 卷被机落下 L N 设 施 农 业 37 新 疆农机化 21年第 1期 上接第 37 页 3 丁 小 明 日光温室卷帘机安全隐患分析和预防 J 农 业 工 程 技 术 温 室 园 艺 2011 2 22 24 4 崔 玉 祥 赵 亮 赵 慧 芳 潘 大 丰 杨 蕊 日光温室卷帘机控制 技术现状及发展研究 J 农业技术与装备 2019 4 50 51 5 冯 光 涛 由一起卷帘机致人死亡农机事故引发的思考 J 中 国 农 机 监 理 2018 2 21 23 6 刘 凡 渝 电动卷帘机的安全操作与维修保养 J 现 代 农 机 2018 5 58 59 7 王 曦 日光节能温室卷帘机定位关键技术研究 J 农 产 品 加 工 2016 1 41 43 46 8 曹 海 侠 卷帘机在设施农业生产中的应用及类型 J 现 代 农 村 科 技 2016 23 70 9 石 建 业 罗 有 中 王 娇 敏 石 刚 董 建 文 日光温室卷帘机自动 控制技术研究与应用 J 中 国 农 业 信 息 2017 8 77 79 10 张 丽 娟 基 于 PLC 的温室大棚自动卷帘机控制系统设计 J 农 业 机 械 2018 9 106 108 11 宗 相 令 武 博 昊 葛 会 娟 王 正 洋 基于单片机的大棚卷帘机控 制装置 J 电子世界 2017 10 182 183 12 袁 永 伟 马 跃 进 弋 景 刚 孔 德 刚 刘 江 涛 李 珊 珊 日 光 温 室 无缝卷帘机的研制 J 农 机 化 研 究 2017 39 6 140 144 13 帕 合 尔 鼎 阿 布 来 提 吴 乐 天 杨 会 民 吐 尔 逊 娜 依 热 依 木 江 张 丽 JLL 1 5 型卷帘机温光自动控制系统的设计 与 研 究 J 中国农机化学报 2015 36 4 65 68 72 14 裴 雪 范 奥 华 刘 焕 宇 王 孝 龙 王 东 范 叶 满 翟 长 远 基 于 温 光耦合的温室卷帘机控制设备开发 J 农 机 化 研 究 2018 40 4 83 86 15 韩 广 勋 刘 玫 蔬菜温室保温被自动收放系统的研究与开 发 J 机 电 一 体 化 2011 17 2 44 46 70 16 孔 国 利 苏 玉 日照温室大棚自动卷帘机与智能通风控制 系 统 设 计 J 湖 北 农 业 科 学 2015 54 24 6386 6388 6393 中型和联合作业机具 以促进农机装备的升级换代 2 4 培育农机合作社 促进新技术推广 农机专业合作社对农机化新科技接受能力强 消 化吸收快 示范效应好 载体作用明显 因 此 应 当 积 极 贯 彻 落 实 农 民 专 业 合 作 社 法 等 相 关 法 律 引 导 扶 持 地区农机专业合作社的快速发展 一 方 面 加 大 农 机 专业合作社发展的政策资金扶持力度 积极争取自治 区财政扶持农机专业合作社发展建设项目资金 加大 农机购置补贴资金向合作社的倾斜力度 另一方面指 导扶持合作社不断完善基础设施建设 强化内部经营 管理 解决合作社场库棚建设等实际困难 促进农机 服务组织发展壮大 快 速 发 展 3 加快和扩大新技术成果的转化应用 从地区的棉花种植情况来看 棉花种植大 多 都 是 由小农户生产为主 棉花生产的标准化 规模化程度 还不高 难以实现机械化生产的低成本目标 生产企 业的研发能力不足 对棉花生产新技术成果的引进消 化比较滞后 另外 棉花全程机械化发展过程中的专 业技术人员更是严重匮乏 这些 都阻碍了棉花生产 全程机械化示范区的建设步伐 因此 如何加快和扩 大以棉花机采技术为核心的棉花全程机械化新技术 成果的转化是急待解决的课题 3 1 加快棉花全程机械化新技术成果和装备的引进 消 化 吸 收 创 新 加强农机部门 科研院所 农机企业和服务组 织 的横向联合与协作 协助农机企业进行技术改造 增 强研发能力 积极争取棉花生产科技研发项目 以 项 目为载体 推进棉花新技术成果的转化应用 在示 范 区建设中组成联合攻关组 集中对关键环节的生产技 术问题进行突破 争取在节水灌溉 卫星导航精量 播 种 残膜回收 精细田管 棉花机采 清花加工等关 键 技术环节有重大突破性进展 3 2 加大农机农艺融合力度 促进农机农艺技术集成 目前 地区棉花种植品种和栽培模式的机采适用 性还有待提高 因此 应加强农机 农业部门的协调 配合 建立联动机制 促进农机农艺融合技术成果 的 转 化 应 用 积 极 引 导 农机生产企业研究开发和生产农 民 迫 切 需 要 与 现 行 农作制度和农艺规范相衔接的农 机产品 建立农机和农艺科研单位协作攻关机制 对 农机 棉艺中的重大技术问题进行研究 促进农机 农 艺技术集成和融合 3 3 做好农机化标准及技术规程的制 修 订 工 作 依 据 地 区 的 植 棉 特 点 应 加 快 制 修 订 地 区 农 艺 与农机融合的棉花机采作业条件 机采作业规程等标 准 以促进地区棉花产业的标准化生产和规范化 经 营 实现节本增效的目标 管 理 服 务 42