EN
Зачем теплицам вообще нужна механическая вентиляция
Закрытая теплица в солнечный день нагревается быстрее, чем почти любая другая сельскохозяйственная конструкция. Солнечная радиация проходит через остекление, поглощается почвой, растениями и конструкцией, а затем переизлучается на длине волны, которую остекление не пропускает. Без вентиляции внутренняя температура превысит допустимые для растений значения уже через несколько часов.
Вентиляция также регулирует влажность и концентрацию CO₂. Испаряющие влагу растения повышают влажность внутри помещения, а длительное поддержание высокой влажности способствует развитию грибковых заболеваний; при плотных посадках в герметичной теплице уровень CO₂ может снижаться до такой степени, что фотосинтез замедляется. Открытие фрамуг решает все три задачи, поэтому управление фрамугами находится в центре климат-контроля в теплицах, а не на его периферии.
Вопрос носит механический характер: как надёжно открывать несколько сотен квадратных метров створок фрамуг тысячекратно за сезон в условиях повышенной влажности? Для коммерческих многосводчатых теплиц доминирующим решением является система вентиляции теплиц с рейкой и шестернёй .
Пять компонентов системы вентиляции теплиц с рейкой и шестернёй Редукторный двигатель
Редукторный электродвигатель является источником энергии — это электродвигатель с встроенным редуктором. Редукция важнее самого двигателя. Для створок фрамуг требуется высокий крутящий момент при очень низкой скорости, поскольку вы медленно и под контролем перемещаете крупную панель, нагруженную ветровой нагрузкой. Выходные скорости в таких системах обычно составляют несколько оборотов в минуту, а не сотни.
Редуктор также обычно обеспечивает самотормозящуюся или высокоустойчивую характеристику, поэтому створка фрамуги, оставленная частично открытой, не закроется под действием ветрового давления, передающегося через привод.
Приводной вал
Приводной вал представляет собой стальную трубу или стержень, проходящий по всей длине секции фрамуги и опирающийся на промежуточные опоры — корпуса подшипников, закреплённые на каркасе теплицы. Он выполняет функцию распределительного элемента: один двигатель вращает один вал, и это единственное вращение одновременно передаётся всем положениям фрамуг вдоль секции.
Это архитектурное решение, которое делает систему экономичной. Для пролёта длиной 60 метров с двадцатью точками вентиляции не требуется двадцать двигателей. Достаточно одного двигателя, одного вала и двадцати точек преобразования.
Шестерня
Шестерня-шестерёнка — это малая шестерня, закреплённая на приводном валу в каждой точке вентиляции. Именно здесь вращение преобразуется в поступательное движение для конкретной точки вентиляции.
На практике шестерня-шестерёнка редко представляет собой оголённую шестерню на валу. Она размещается внутри привода «рейка–шестерёнка» — стального каркаса, который поддерживает шестерню-шестерёнку, удерживает рейку в зацеплении и крепится к валу. Именно этот каркас обеспечивает надёжность преобразования под нагрузкой, о чём речь пойдёт ниже.
Зубчатый рей
Рейка — это зубчатая стальная планка. Её зубья зацепляются с шестерней-шестерёнкой, и поскольку рейка не может вращаться, вращение шестерни-шестерёнки вызывает её поступательное перемещение вдоль оси. Это и есть фактическое преобразование: вращательное движение на входе, поступательное движение на выходе .
Стеллажные рейки для теплиц обычно выполняются прямозубыми (цилиндрическими), а не косозубыми. Прямые зубья не создают осевой тяги — сила остаётся в плоскости перемещения, а не пытается сместить шестерню вбок вдоль вала. Для компонента, который должен сохранять своё положение на валу в течение тысяч циклов, это важнее незначительного повышения плавности, которое даёт косозубая форма. См. нашу оцинкованную стеллажную рейку для теплиц для формы зуба, применяемой в этих системах.
Толкатель и опорная рука
Рейка редко крепится непосредственно болтами к створке фрамуги. Толкатель передаёт линейное перемещение рейки опорной руке, шарнирно соединённой со створкой; опорная рука преобразует это толкание во вращательное движение створки при открытии фрамуги.
Это соединение выполняет реальную работу: оно изменяет направление силы, обеспечивает механическое преимущество в начале хода, когда створка наиболее тяжела и требует наибольшего усилия для начала движения, и позволяет рейке двигаться по удобной прямой линии, в то время как створка совершает дуговое движение.
Принцип открытия и закрытия — пошагово
Для открытия:
1. Контроллер климата запрашивает вентиляцию и подаёт питание на двигатель-редуктор.
2. Выходной вал двигателя вращается медленно при высоком крутящем моменте.
3. Ведущий вал вращается по всей длине отсека.
4. В каждом положении вентиляционного клапана шестерня, закреплённая на валу, вращается вместе с ним.
5. Зубья шестерни зацепляются с зубьями рейки и приводят рейку в поступательное движение.
6. Рейка толкает толкатель.
7. Толкатель приводит в движение опорную рукоятку, которая поворачивает створку в открытое положение.
8. Контроллер останавливает двигатель в заданном положении открытия.
Для закрытия двигатель работает в обратном направлении, и та же цепочка действий выполняется в обратном порядке: рейка возвращается в исходное положение, опорная рукоятка опускает створку, а вентиляционный клапан плотно прижимается к своей раме.
Вся цепь является механически положительной. Нет гидравлической жидкости, которая могла бы протекать, нет пневматического давления, которое могло бы снижаться, и нет троса, который мог бы растягиваться. Каждый элемент представляет собой прямое механическое соединение, а положение заслонки в любой момент напрямую зависит от угла поворота двигателя. Именно эта детерминированность позволяет контроллерам удерживать заслонку в положении 30 % открытия и быть уверенным, что она действительно открыта на 30 %.
Понимание хода рейки
Ход рейки — это линейное расстояние, на которое рейка перемещается от полностью закрытого до полностью открытого положения. Он определяет, насколько широко фактически открывается ваша заслонка, и задаётся двумя параметрами: шаговой окружностью шестерни-солнечного колеса (pinion) и количеством оборотов приводного вала.
Каждый полный оборот шестерни-солнечного колеса (pinion) смещает рейку на величину её шаговой окружности. Более крупная шестерня-солнечное колесо (pinion) смещает рейку на большее расстояние за один оборот, но требует большего крутящего момента двигателя при той же нагрузке, поскольку радиус шестерни-солнечного колеса (pinion) действует как рычаг, противодействующий двигателю. Меньшая шестерня-солнечное колесо (pinion) создаёт меньшую нагрузку на крутящий момент, однако для достижения того же открытия требует большего числа оборотов вала.
Следуют два практических следствия:
Рейка должна быть достаточно длинной для полного хода плюс зацепление. Рейка, размер которой точно соответствует расстоянию перемещения, теряет зубья в конце хода, и последние зубья воспринимают всю нагрузку в наихудший возможный момент. Правильный подбор длины рейки описан в разделе как выбрать подходящую рейку .
Перемещение должно быть ограничено до достижения механического конца. Концевые выключатели или ограничения положения в контроллере должны остановить двигатель до того, как рейка достигнет конца своих зубьев. Полагаться на то, что механизм заблокируется при упоре в собственные пределы, — это прямой путь к срезанию зубьев.
Системы вентиляции через крышу
Вентиляционные фонари располагаются вдоль конька, а на конструкциях типа Venlo и аналогичных фермах они являются основным путём вентиляции. Тёплый воздух поднимается вверх, скапливается у конька и выходит через вентиляционный фонарь — это наиболее термически эффективное место для установки отверстия.
С механической точки зрения фонарики на крыше представляют собой более сложный случай. Створка поднимается против силы тяжести, поэтому механизм воспринимает вес панели на протяжении всего хода. Более существенно то, что при открытом фонарике на крыше образуется выступающая поверхность, подверженная ветровой нагрузке, которая может значительно превышать статический вес створки. Приводные компоненты рассчитываются именно на эту ветровую нагрузку, а не на вес.
На крышах также наблюдается наибольшее количество конденсата. Тёплый влажный воздух скапливается у конька, а металлические поверхности в этой зоне еженощно проходят цикл увлажнения и высыхания — поэтому оцинкованные компоненты здесь являются стандартом, а не опцией.
Поскольку один вал приводит в движение целый ряд фонариков, все фонарики в одном пролёте открываются одновременно. Соответственно, каждый приводной блок должен быть закреплён на валу в одной и той же фазе, чтобы фонарики двигались синхронно. Фонарик, закреплённый с фазовым сдвигом, опережает или отстаёт от соседних и берёт на себя непропорционально большую долю нагрузки в крайних положениях хода.
Системы боковых фонариков
Боковые вентиляционные отверстия открываются в боковой стене и работают совместно с кровельными вентиляционными отверстиями, обеспечивая поперечный поток воздуха: прохладный воздух поступает снизу через боковую стену, а тёплый воздух удаляется сверху через конёк. Такое вертикальное движение воздуха эффективнее удаляет тепло, чем любое из этих отверстий по отдельности.
Механизмы боковых вентиляционных отверстий также основаны на принципе преобразования вращательного движения в поступательное, однако они подвергаются иным условиям эксплуатации. Нагрузка от собственного веса ниже, поскольку створка поворачивается, а не поднимается. Воздействие ветра более прямое, но приходится на меньшую расчётную площадь. Главное различие — загрязнение: компоненты боковых вентиляционных отверстий расположены близко к уровню земли и накапливают брызги почвы, избыточное орошение и пыль.
Именно это загрязнение является основным фактором технического обслуживания. Забивание мусором корней зубьев — наиболее частая причина затруднённого или рывкового открывания-закрывания боковых вентиляционных отверстий; как правило, такие симптомы проявляются задолго до того, как на самих зубьях станет заметен какой-либо износ.
В некоторых конструкциях боковых стен используется вертикальная схема открывания, при которой створка перемещается вдоль направляющей рейки, а вертикальное движение обеспечивается передачей «рейка—шестерня».
Почему «рейка—шестерня», а не толкающе-тянущий цилиндр
Существуют и другие приводы для форточек — пневматические цилиндры, электрические линейные актуаторы, тросовые системы с лебёдками. Однако передача «рейка—шестерня» доминирует в коммерческих теплицах по конструктивным причинам.
Один двигатель управляет множеством форточек. Линейный актуатор перемещает одну створку; вал с передачей «рейка—шестерня» управляет всем пролётом от одного привода. На объекте площадью в несколько гектаров разница в количестве двигателей, проводки и точек управления существенна.
Положение определяется однозначно. Положение рейки строго зависит от угла поворота вала, люфта нет. Тросовые системы растягиваются; пневматические — дрейфуют при изменении давления.
Длина хода не ограничена габаритами актуатора. Ход цилиндра ограничен собственной длиной его корпуса. Ход рейки ограничен только длиной рейки.
Он устойчив к воздействию окружающей среды. Нет уплотнений, подлежащих разрушению; нет жидкости, способной загрязняться; нет напорных линий, подверженных усталостному разрушению. Рейка и шестерня из оцинкованной стали в стальном каркасе — это примерно предельно простой приводной механизм, а простота — то, что выдерживает пятнадцать лет ежедневного конденсата.
Места, где эти системы на практике выходят из строя
Понимание режимов отказа даёт больше информации о механизме, чем технический паспорт.
Снижение глубины зацепления. Под действием ветровой нагрузки рейка стремится оторваться от шестерни, уменьшая глубину зацепления зубьев и концентрируя усилие на их вершинах. Именно это и предотвращают направляющие штифты, установленные по обе стороны шестерни в правильном приводном устройстве: они опираются на тыльную сторону рейки и удерживают её в зацеплении именно тогда, когда нагрузка максимальна.
Несоосность. Рейка, не параллельная направлению своего перемещения, заклинивается на середине хода. Монтажники иногда реагируют увеличением крутящего момента двигателя, превращая проблему геометрии в поломку зуба.
Прогиб на неподдерживаемых участках. Длинная рейка без промежуточной поддержки прогибается под собственным весом, теряя глубину зацепления в средней части хода, тогда как на обоих концах зацепление остаётся корректным.
Несовпадение формы зуба. Прямозубая рейка, работающая с косозубым шестерёнчатым колесом, обеспечивает точечный контакт вместо линейного по всей поверхности зуба. На первый взгляд система работает нормально при монтаже, но выходит из строя в течение одного сезона. Правильный выбор геометрии описан в как выбрать подходящую рейку .
Загрязнения в основании зуба. Самая частая причина затруднённой работы и самая простая в устранении. В пыльном помещении смазка удерживает абразивные частицы и ускоряет износ вместо его снижения.
ЧаВО
В: Какой крутящий момент необходим электромотору привода вентиляции теплицы?
Это зависит от массы створки, количества фрамуг на вал, размера шестерни и расчётной ветровой нагрузки для вашего объекта — а не от одного опубликованного значения. Обычно решающее значение имеет ветровой случай, а не статическая масса. Рассчитайте это специально для вашей конструкции, а не предполагайте по аналогии с похожим зданием.
Вопрос: Может ли один двигатель управлять как крышей, так и боковыми фрамугами?
На практике они управляются раздельно. Крышные и боковые фрамуги контролируются независимо, поскольку климатическая стратегия требует разных положений открытия в разное время — часто боковые стенки должны быть открыты, а крыша частично закрыта, или наоборот, при ветре.
Вопрос: На какое расстояние должна открываться фрамуга крыши теплицы?
Это решение в области климат-контроля, а не механики, и оно зависит от культуры, внешней температуры и ветра. С механической точки зрения важно, чтобы система надёжно достигала полного открытия и удерживала любое промежуточное положение без дрейфа.
Вопрос: В чём разница между ходом рейки и углом открытия фрамуги?
Ход рейки — это линейное расстояние, на которое перемещается рейка. Угол открывания — это угловое отклонение створки. Геометрия рычажного механизма — длина толкателя и положение оси вращения опорного рычага — обеспечивает преобразование между этими величинами; при этом зависимость нелинейна по всему ходу.
Вопрос: Почему рейки для теплиц оцинкованы, а не окрашены?
Лакокрасочное покрытие разрушается в первую очередь на боковых поверхностях зубьев, поскольку именно там происходит металлический контакт при каждом цикле. Как только покрытие стирается в точке контакта, коррозия начинается точно в том месте, где приложена нагрузка. Цинковое покрытие устойчиво к конденсационной среде и не требует целостности плёнки.
Вопрос: Можно ли управлять системой вентиляции с рейкой и шестернёй вручную при отключении питания?
Это зависит от редуктора. Многие приводные электродвигатели для теплиц оснащены функцией ручного управления или ручным приводом именно по этой причине: в помещении без вентиляции в солнечный день урожай может быть потерян очень быстро. Уточните наличие этой функции при выборе двигателя.
Заключение
Система вентиляции теплицы с реечно-червячным приводом представляет собой цепочку простых преобразований: электрическая энергия превращается в медленное вращение с высоким крутящим моментом на редукторном двигателе; это вращение передаётся по пролёту через вал привода; каждая шестерня преобразует его в поступательное движение рейки в месте расположения фрамуги; а толкатель и опорная тяга преобразуют это поступательное движение во вращение створки.
Ни один элемент этой цепочки сам по себе не является сложным. То, что обеспечивает работоспособность системы в течение пятнадцатилетнего срока службы, — это надёжное взаимодействие на каждом этапе преобразования: шестерня плотно зажата и точно синхронизирована на валу; рейка удерживается на полной глубине зацепления направляющими штифтами; вся сборка выровнена так, чтобы ничего не заклинивало на промежуточных участках хода; а каждый стальной элемент, подверженный ночной конденсации, покрыт цинком.
Когда такие системы выходят из строя, это редко связано с недостаточностью самой концепции. Обычно причина в том, что рейка установлена с перекосом, форма зубьев не соответствует друг другу или в корнях зубьев в течение трёх сезонов скапливались загрязнения.
