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大跨度温室遮阳保温系统齿轮齿条传动装置的研发
■ 余一韩1，2，蔡勋勇2，苗玉彬1*，黄丹枫1
（1.上海交通大学 200240；2.上海千荟温室工程技术有限公司 201804）
前 言
温室作为设施农业的一个重要构成部分，在种植业的自然灾害防御、反季节花卉与农产品的生产及植物新品种的研究方面起着关键的作用。随着农艺要求的不断提高，温室类型也从简单的单栋结构向连栋塑料及玻璃温室结构发展，温室遮阳及保温系统的使用也变得越来越普遍。
目前所采用的温室遮阳保温系统主要包括两部分：① 外遮阳系统。配置在温室顶部（外部），一般采用遮阳率较高的黑色编织网，配合驱动系统，通过在光照过强时展开、光照较弱时收拢网片，调节进入温室的光照度和室内温度，且温度调节效果明显。② 内保温系统。配置在温室内部，一般采用兼具保温及遮阳效果的浅色编织网片。由于网片上编织有反射膜，展开时可有效减少通过辐射产生的温室内部热量损失（长波辐射被反射膜阻挡。主要用于温室外部环境温度较低或光照较弱的阴天或夜晚，又需要维持较高的温室内部温度时）。当温室未配置外遮阳系统，或展开外遮阳网片后仍然不能满足温室内环境要求时，也可以展开内保温网片，作为内遮阳装置使用。与外遮阳相比，内遮阳的效果相对较差。
同时，为了提高温室的采光效果，现有温室普遍采用天沟沿南北方向排列的地面布局。受棚架结构强度的限制，温室的开间H（天沟长度方向）较小，一般为3~4 m，而跨度L 较大，多为6~12 m。遮阳保温系统的驱动装置有钢丝绳牵引驱动及齿轮齿条驱动两种。前者可靠性较低，价格相对低廉；后者可靠性较高，造价也同步提高。中、高档温室多采用齿轮齿条驱动装置。从制造的工艺及强度、刚度考虑，齿条最大制造长度为4 m。因此，现有齿轮齿条驱动系统均采用齿条沿间距方向移动的驱动方式，如图1~图3所示（图中L 为温室跨度，H 为温室开间距）。图2中箭头所示方向为推杆移动方向。图中各部分名称见图3。在上述驱动方式下，遮阳、保温网片收拢时积聚于温室跨度方向（东西方向）。当太阳相对于温室东西方向运动时，收拢的网片在温室内产生的阴影呈东西向条状分布（南北向每3~4m出现一条，间隔由温室间距确定），且沿天沟方向的位置尺寸相对变化较小，处于该位置的作物长时间得不到充足的光照，导致品质劣化。同时，阴影面积的增加致使进入温室的总的光通量减小，降低了温室的增温保温效果。且由于驱动轴径向受齿条反作用力较大，对驱动轴强度要求高，支撑复杂，系统可靠性较低。
为解决上述问题，对现有驱动系统进行改进，开发研制了一种结构更为简单、系统可靠性高、制造成本更低、对光照遮挡影响更小的温室遮阳保温系统齿轮齿条传动装置。
系统结构
图4、图5和图6描述了该驱动装置的安装位置和结构形式。其中图5中幕帘处于收拢停放位置。由图可见，该传动装置包括驱动机构1、立柱2、传动轴3、移动杆4、推杆5和齿轮齿条副等几部分组成。其与以往结构形式的最大区别在于传动轴3呈南北方向设置，且传动轴上设有呈相反方向传动的一对齿轮齿条副A和B。图5中箭头方向表示齿轮齿条副的传动方向。
使用时幕帘一端与移动杆固定连接，通过电机、减速器等组成的驱动机构驱动传动轴，从而驱动齿轮带动齿条运动，再带动移动杆沿齿条运动方向移动，展开或收拢幕帘。
系统特点
与现有常用的传动结构相比，该驱动装置最大的特点在于传动轴沿南北方向即天沟方向布置，齿条沿温室跨度方向运动。由于采用在同一驱动轴上正、反向各布置一套齿轮齿条副的结构，使得网片收拢时位于天沟顶部，网片展开时分别从两侧天沟向温室中间移动。这样，当收拢时网片恰好位于天沟正上方，在光照最强的正午时分其投影与天沟投影重叠，不产生新的阴影带，最大限度地提高了温室的采光量。随着太阳的东西向移动，其条状投影也在温室跨度方向同步移动，有利于作物的品质均匀化。由于齿条移动的距离为温室跨度的一半，采用4 m长度的齿条即可完成跨度为8 m的温室的遮阳保温装置的驱动。此外，正反向齿条布置还提高了传动系统整体性能。由于相向的齿条所受驱动阻力大小相近、方向相反，在两套齿轮齿条副轴向距离较小时，其对驱动轴的径向力可相互抵消。因此，与现有驱动方式比较，可以采用更小轴径的驱动轴，减少驱动轴支撑点数量，进一步降低了制造成本，并提高了结构可靠性。
结 论
中、高档温室遮阳保温系统多采用齿轮齿条驱动方式，现有驱动方式存在着网片阴影位置固定、光通量较低等缺陷，降低了温室增温保温效果，且系统可靠性较低。针对现有系统的不足，研究开发了一种全新布置方式的驱动装置，实现了网片投影随太阳同步移动，最大限度地提高了温室采光量。其齿条双向驱动的方式不仅减小了对驱动轴强度的要求，也降低了制造成本，具备良好的发展应用前景。■
