日光温室必备神器——卷帘机的创新与发展
周博士考察拾零（九十六）
日光温室卷帘机的创新与发展
日光温室卷帘机（又称卷被机）的发明和不断创新是日光温室环境控制从人力操作向机械化、自动化操作方向迈进的重大突破。纵观日光温室卷帘机的发展历程，大致可分为人力操作手动拉绳卷被阶段、电动拉绳卷被阶段和电动转轴卷被阶段，目前大部分的卷帘机都采用了电动转轴卷被的方式，并以此为原理开发了多种形式的卷帘机。
手动拉绳卷被
在电动卷帘机发明之前，日光温室的外保温 材料主要为稻草苫和蒲草苫（统称为草苫）。草 苫为长条形单幅苫（宽度 1.0~2.0 m，长度依据 温室采光面弧长确定），温室保温依靠若干幅草 苫，沿温室长度方向草苫长边相互叠压而覆盖整 个温室采光面。草苫的 2 个短边分别称为固定边 和活动边，固定边固定在温室屋脊或后屋面，整 幅草苫沿长度方向覆盖温室采光前屋面，白天卷 起，温室采光；夜间铺展，温室保温。
如遇雨雪天气，草苫可能会浸水而使其自重 显著增大。这种情况下，拉起草苫需要的力将会 更大，对一般体力的农村妇女，拉苫将是一件非 常耗体力的工作，尤其是大跨度日光温室（草苫长，重量更重）。笔者曾听到过用拖拉机在温室 后墙外拉拽草苫的事例，可见拉动草苫对操作者 体力有很大的要求。
随着日光温室面积的不断发展和农村年轻劳 动力外出打工的人数不断增加，用机械替代人力 卷放草苫已经成为加快日光温室发展、解放劳动 力的必由出路。由此也萌发了民间研发电动卷帘 机的动机，在此强大市场需求的推动下，社会上 陆续开发出了多种规格和形式的电动拉绳卷被式 卷帘机和电动转轴卷被式卷帘机。
电动拉绳卷被式卷帘机
对于自重较轻的保温被，或者虽然保温被的自重较重，但在屋脊处温室的屋面坡度较小，保温被依靠自重无法自动打开时，则需要在保温被上安装一套反拉的动力绳（称为铺被绳），如图 4。该反拉动力绳区别于上拉绳（称为卷被绳），其一端固定在保温被的活动边，另一端则通过安装在温室前屋面室外的换向轮（图 4a）后沿温室采光前屋面铺设并最终缠绕并固定在卷绳轴上（图 4c）。当保温被向上卷起时，铺被绳从卷绳轴上松开，通过换向轮后被卷在保温被内；而当要打开保温被时，卷绳轴反向转动，缠绕并拉紧铺被绳在卷绳轴上的固定端，铺被绳通过地面换向轮换向后，形成向下的拉力，隐藏在保温被内的铺被绳正好将保温被打开。铺被绳和卷被绳在卷绳轴上要求错开位置布置，且每隔3~4 根卷被绳铺设 1 根铺被绳即可满足铺被的要求，因为铺展保温被时有被卷向下的自重作用，相应对外力的需求将减少。
电动拉绳卷被式卷帘机由于卷绳轴固定不动，拉绳的伸缩变形也较小，所以设备运行平稳，拉放保温被比较平直，尤其适合于长度较长的温室（长度超过 100 m 的温室 1 台卷帘机也可以平稳运行），是中国早期日光温室卷帘机主要推广应用的形式。但这种卷帘机需要在温室屋面上安装卷绳轴和电机减速机的支座，对于轻型保温后屋面可能没有合适的位置安装支座，大多是将支座腿穿过温室后屋面焊接到温室屋面骨架上，一则安装的工作量大，二则温室后屋面的防水难以保证。另外，在运行过程中，也需要经常观察和调整卷绳的位置，一旦发生保温被偏位，就需要及时停机调整。有的操作者为了图方便，经常在不停机的情况下调整卷绳，操作中时常会发生操作者衣袖、头发（主要指女同志的长头发）等被缠绕到卷绳轴上的情况，由此发生的伤亡事故在全国多有发生，并引起了农业农村部等相关业务主管部门的重视。因此，近来新发展日光温室配套的卷帘机基本淘汰了这种形式，而改用电动转轴卷被式卷帘机。
电动转轴卷被式卷帘机
电动转轴卷被式卷帘机是将保温被的活动边 首先缠绕并固定在卷被轴上，电机减速机直接驱 动卷被轴转动，从而卷起或铺展保温被，实现保温被的卷放。由此可见，这种卷 帘机的基本组成应包括卷被轴 （含箍被卡具）、电机、减速机 及其支撑杆或架（采用支撑杆架 主要是要平衡卷被过程中被卷自 重形成的向下的分力）。这种卷 被方式动力传输直接，附加设备 少，造价低，得到了市场的广泛 欢迎，是近 10 多年来重点推广 和应用的机型。
◆二连杆式卷帘机
二连杆式卷帘机，也称二力杆式卷帘机，采 用中间铰接的 2 根支杆，一端固定在温室南侧室 外地面，另一端则连接在电机减速机上，形成二 连杆支撑电机减速机的方式（图 5）。对于重量 较重的草苫，为了保证二连杆的强度，可对其中 的一根支杆（主要为连接电机减速机端的支杆） 进行加强处理（图 5b），以保证任何一根连杆在 运行过程中都不发生弯曲变形或断裂。
采用二连杆卷帘机时，跟随电机运动的动力电线可直接沿二连杆固定，外观整洁、安全，卷帘机的控制开关可就近安装在二连杆的旁边，操作方便，也便于观察，但要注意防水和人员操作安全。
行车式卷帘机从整体外形上看，是一根安装在温室长度方向中部横跨温室跨度的桁架上吊挂支撑电机减速机而形成的一套卷帘机，因此，行车式卷帘机也被称为轨道式卷帘机或吊挂式卷帘机。从局部看（图 8b），是在减速机的外壳上焊接一根支杆，该支杆的末端固定支撑在吊挂于桁架上的三角形底边上，该三角形的顶角处安装动滑轮，随电机减速机的运动在桁架的上弦杆滚动，从而引导和限制电机减速机的运动轨迹。
和二连杆卷帘机相同，行车式卷帘机中部也存在一幅永久覆盖保温被。实际管理中，在吊挂电机减速机支撑臂的三角形吊架上固定 2 根拉绳，采用拉绳卷被的方法也可将该永久覆盖保温被与其他保温被同时卷起或铺展（图 6c）。
滚筒式卷帘机实际上是一种变形的二连杆形式，主要表现在二连杆的变形上。标准的二连杆卷帘机的两根支杆中间采用铰接连接后，一端连接在电机减速机，另一端固定在温室前屋面室外地面，而滚筒式卷帘机则是用一个带支架的滚筒替代了二连杆卷帘机的前支杆（与地面固定的那根支杆，滚筒相当于前支架的基础），并且滚筒可以在温室屋面上随电机减速机运动而滚动，温室屋面骨架成为了滚筒的支撑面，将二连杆卷帘机的固定式前支架变成了移动式前支架。相比二连杆卷帘机，滚筒卷帘机消除了二连杆的长臂，支撑臂缩短可大大节约用材，并提高了设备运行的稳定性。采用滚筒结构主要是考虑二连杆的前支杆不能单支点直接在温室屋面上滑动或滚动（压力集中容易划破保温被和塑料薄膜），但取消固定式支撑连杆后，随电机减速机一起运动的动力电线将没有地方固定，也没有像行车式卷帘机一样有桁架可以吊线支撑动力电线。为了避免电机减速机在运动过程中可能缠绕到动力电线，在滚筒式卷帘机的滚筒支架上一侧或双侧专门伸出一根电缆支撑臂，以保持卷帘机运行过程中电缆线远离滚筒。支架上单侧伸臂的称为单臂滚筒，双侧伸臂的称为双臂滚筒（图 10a、图 10b）。为了避免伸出的支撑臂在卷帘机落位到地面时剐蹭地面，专门设计了地面轨道（图 10c）来承接支撑臂和滚筒。
侧置式电动转轴卷帘机根据支撑电机减速机机体的方式不同，可分为摆臂式、滑臂式、滚筒式和二连杆式等。
摆臂式卷帘机，也称为伸缩杆式卷帘机。从外形上看，只有一道支杆，一端固定在地面，另一端连接电机减速机，保温被沿着温室屋面卷放时，好似一根摆臂在牵引着保温被运动（图11）。摆臂式卷帘机也正是依据这种直观的运动方式而命名。事实上，由于日光温室的前屋面弧形并非圆弧，用一根长度不变的摆臂难以适应非圆形的弧面，所以，牵引保温被运动的摆臂并非一根单管，而是两根单管穿套在一起形成的一个套管，内套管的外端头与电机减速机连接，外套管的外端头固定在地面上。当电机减速机的运行轨迹超过以外套管端部固定点为圆心、以套管最小长度为半径的圆弧时，内套管从外套管中伸出，并随着电机减速机的轨迹（实际上电机减速机的轨迹为日光温室山墙的弧线轨迹）不断变化时，内套管适应电机减速机的轨迹，从外套管中伸出或缩进，从而牵引电机减速机运行。
从机械原理上讲，摆臂式卷帘机实际上也是一种变形了的二连杆卷帘机，只是将二连杆中间的固定点铰接变成了可活动的滑动连接点。
与二连杆卷帘机相比，摆臂式卷帘机摆杆用材量少，且套管的连接可靠性较铰接点可靠，此外，给电机供电的电缆线也能够沿着摆杆走线。当温室长度小于 60 m 时，从经济适用的角度选择应优先选用摆臂式卷帘机。
滑臂式卷帘机是对二连杆卷帘机支撑杆的进一步简化。该机只用了一根支杆支撑电机减速机，其一端连接电机减速机，另一端则直接放置在地面上。随着保温被的卷起和铺展，电机减速机支杆的地面着力点则沿着地面上一条直线往复运动（图 12），实际上将二连杆的地面固定支点变成了地面移动支点。为了减少支杆着力点在地面上运行的阻力，一是将运行轨道的地面铺设为混凝土路面；二是在支杆端部安装支撑滚轮。
这种卷帘机由于采用了单根支杆，支架发生故障或破坏的概率大大减少，而且给电机供电的电缆可以从温室的山墙上接出后直接连接到电机，电缆线走线短，与支架不会发生任何干涉。
和侧摆臂卷帘机一样，由于支杆采用了单根直杆，直杆不能适应日光温室曲面的变化，因此，这种卷帘机只能安装在温室的山墙外侧，以侧置形式出现。但如果将直杆演变为曲杆，避免与弧形温室屋面发生干涉或碰撞，笔者认为，侧置滑臂式卷帘机同样也可以设计为中置滑臂式卷帘机，从而大大提高卷帘机适应较长或超长温室的能力，只是曲杆在强度上总要比直杆要差，曲杆的用材量也肯定要比直杆多，但与两台卷帘机相比，总造价肯定也会降低，而且单一曲杆的运行可靠性也肯定比二连杆高，有兴趣的企业不妨进行一些实验研究，或许能够开发出性价比更高的卷帘机产品。
◆侧置二连杆式卷帘机
和侧置滚筒式卷帘机一样，侧置二连杆式卷帘机除了电机减速机的动力输出轴只有一个外，其他和中置二连杆卷帘机完全一样（图 14a）。但图 14 所示的侧置二连杆卷帘机的电机采用了直流电机，由于自身转速低，所以，省去了电机减速机，电机输出动力端直接连接到了卷被轴上。采用这种电机，也大大减轻了卷帘机主机的重量。但由于一般生产温室均使用交流电，使用这种卷帘机需要配置一套整流设备，将交流电整流成直流后才能使用，而且直流电的电压也需要按照电机的要求做相应调整。
结语
本文从日光温室卷帘机发展历史的角度归纳总结了国内卷帘机的类型及其特点，展示了民间开发研究卷帘机的潜力和贡献，但总体来讲，中国目前卷帘机市场还比较混乱。虽然有些地方、 企业，甚至农业机械鉴定部门都制定了相关的卷 帘机产品标准和性能鉴定大纲，在一定程度上规 范了卷帘机的产品性能，但从理论上如何针对日 光温室的结构形式和保温被的材料特性设计和选 择日光温室卷帘机的方法还处于缺位状态，在民 间不断创新和开发各种形式卷帘机的同时，学者 们也应该积极跟进，就如何科学合理、经济实用 地设计和开发日光温室卷帘机以适应我国当前日 光温室快速发展的需求提出理论指导。
本文所提到的各种卷帘机是笔者在调研考察 中见到的，或许还有很多笔者未曾见到过的卷帘 机形式，期盼各位读者能补充完善。
作者：周长吉（农业农村部规划设计研究院）
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