1.本发明涉及一种电动摇曳式活动屋顶装置，特别是一种适用于尖顶式钢构活动屋顶结构的屋顶装置，属于钢结构屋顶技术领域。
背景技术：
2.目前国内畜牧业中奶牛养殖以圈养为主，所有牧场都要建设牛舍。传统牛舍的屋顶是固定封闭的，没有采光、通风、排气、散热等功能，使得牛舍内环境质量较差，不仅限制了牛舍内奶牛养殖密度，对奶牛正常健康生长也有较大影响。
3.牛舍中良好的采光、通风、排气、散热环境可以起到杀菌、调节温度、改善牛舍中空气质量的作用，从而使得奶牛生活舒适，增加产奶量，降低奶牛发病率，增大养殖密度。
4.实用新型专利“可滑动牛舍屋顶架（2012205097423）”采用减速电机、转轴通过卷绕钢丝绳牵动屋顶彩钢板滑动使得屋顶彩钢板开合，利用卷扬机的工作原理实现牛舍的采光、通风、排气、散热，结构简单，但一台减速电机只能控制一块屋顶彩钢板，且控制的屋顶彩钢板一般面积较大，重量相对较重，滑动时耗能非常高。发明专利“一种翻转式屋面系统(2013102961032)”采用启动液压装置可以同时将多个屋面板翻转并能够调整屋面板的翻转角度，便于阳光照射进入牛舍，但系统结构复杂、造价高、工作能耗高，且电动液压要求屋架具有较强的抗震性能。发明专利“一种移动式奶牛舍屋顶（201410224057x）”采用驱动装置驱动可移动屋架在导轨上行走,也能满足阳光照射和便于牛床上牛粪垫料蒸发水分的功能，其缺点是：结构复杂、造价高、导轨承重较大、工作能耗高，也同样面临着增强屋架抗震能力的问题，另外，其开口较小且紧靠屋脊，阳光照射进入牛舍的范围少，杀菌效果差。发明专利“一种大跨度奶牛舍(2015105618344)
”ꢀ
采用可旋转轻质屋面，使得轻质屋面板能够纵向旋转，并通过步进电机控制旋转角度，使阳光照射进入牛舍，设计结构巧妙，实现了牛舍的采光、通风、排气、散热，但结构复杂，不仅需要步进电机控制旋转，还需要液压杆辅助支撑，成本较高，而且一台步进电机只能控制一个轻质屋面板工作。
技术实现要素：
5.本发明的目的是利用屋顶自重，基于低能耗、低噪音目标，提供一种结构简单、能耗低、屋顶开口大，多块屋顶天窗联动开闭、且开闭大小可任意控制，控制精准灵活，实现屋顶采光通风的电动摇曳式活动屋顶装置。
6.本发明是由以下技术方案实现的：本发明包括活动屋顶单元、减速电机，其特征是：活动屋顶单元为尖顶式，以屋脊为界限分为前屋顶单元和后屋顶单元，前屋顶单元和后屋顶单元均由两侧支撑梁和屋顶板构成，两侧支撑梁为两根相互平行的工字钢梁或槽钢梁，屋顶板包括固定屋顶板和活动屋顶板，前屋顶单元和后屋顶单元的靠近屋脊端定义为上部、远离屋脊端定义为下部，前屋顶单元的固定屋顶板设置在前屋顶单元的上部，且固定屋顶板两端与两侧支撑梁的上端面固定并覆盖前屋顶单元的上半部分、活动屋顶板通过滚轮与两侧支撑梁的凹槽滑动连接，并
能够覆盖前屋顶单元的下半部分；后屋顶单元的固定屋顶板设置在后屋顶单元的下部，且固定屋顶板两端与两侧支撑梁的下端面固定并覆盖后屋顶单元的下半部分、活动屋顶板通过滚轮与两侧支撑梁的凹槽滑动连接，并能够覆盖后屋顶单元的上半部分；在屋脊下方用轴承座固定一个转轴，在转轴上左右对称的固定有链轮，链轮上设有与链轮啮合的链条，链条一端与前屋顶单元的活动屋顶板连接，链条另一端与后屋顶单元的活动屋顶板连接，当前屋顶单元的活动屋顶板完全覆盖前屋顶单元下半部分时，后屋顶单元的活动屋顶板刚好完全覆盖后屋顶单元上半部分，转轴的两端固定有驱动齿轮；减速电机固定在一个活动屋顶单元上，减速电机的输出轴通过传动齿轮与一个活动屋顶单元转轴一端的驱动齿轮啮合。
7.一个以上的活动屋顶单元的转轴的相邻轴端的驱动齿轮能够通过传动齿轮组相互啮合；所述前屋顶单元的活动屋顶板和后屋顶单元的活动屋顶板重量相同；所述前屋顶单元的活动屋顶板简称a顶，后屋顶单元的活动屋顶板简称b顶，a顶和b顶之间用链条连接构成一个联动单元；所述一套减速电机能够带动1～6个联动单元。
8.本发明的优点是：能耗低、噪音低、结构简单、成本低、屋顶天窗开口大，1台小功率电机即可带动多个活动屋顶开口采光通风，开口大小随意控制；满足了奶牛牛舍屋顶的通风、排气、散热等需要。
附图说明
9.图1为本发明的一个活动屋顶单元屋顶天窗完全封闭的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为本发明的一个活动屋顶单元屋顶天窗完全打开的结构示意图；图4为图3的俯视图；图5为本发明的多个活动屋顶单元联动的结构示意图；图6为本发明的减速电机驱动电路原理图；图7为减速电机遥控电路原理图；图8为减速电机限位电路原理图。
10.图中：1-前屋顶单元的活动屋顶板；2-前屋顶单元的固定屋顶板；3-后屋顶单元的活动屋顶板；4-后屋顶单元的支撑梁；5-滚轮；6-前屋顶单元的支撑梁；7-链条；8-转轴；9-链轮；10-后屋顶单元的固定屋顶板；11-减速电机；12-前屋顶单元的下半部分；13-后屋顶单元的上半部分；14-第一活动屋顶单元；15-第二活动屋顶单元；16-第一驱动齿轮；17-第三活动屋顶单元；18-第四活动屋顶单元；19-传动齿轮；20-第二驱动齿轮；qf1-空气开关；qf2-空气开关；bh1～bh5-电机保护器；km1～km2-交流接触器；km11～km51-交流接触器；km12～km52-交流接触器；xk11～xk51-行程开关；xk12～xk52-行程开关；ma1～ma5-电动机；ykq-遥控器；k1～k3-遥控开关；sq1、sq2、fq1-按钮开关。
实施方式
11.参照附图1～5，本发明包括活动屋顶单元、减速电机11，所述减速电机是电动机和
减速机的简称，即：由电动机的输出轴连接减速机的输入轴构成。活动屋顶单元为尖顶式，以屋脊为界限分为前屋顶单元和后屋顶单元，前屋顶单元和后屋顶单元均由两侧支撑梁和屋顶板构成，两侧支撑梁为两根相互平行的工字钢梁或槽钢梁，前屋顶单元的支撑梁6与对应的后屋顶单元的支撑梁4连接成“人”字形，顶端连接部位形成屋脊。屋顶板包括固定屋顶板和活动屋顶板，前屋顶单元和后屋顶单元的靠近屋脊端定义为上部、远离屋脊端定义为下部，前屋顶单元的固定屋顶板2设置在前屋顶单元的上部，且固定屋顶板两端与两侧支撑梁6的上端面焊接固定并覆盖前屋顶单元的上半部分，活动屋顶板由框架、彩板构成，c型方管焊接框架、中间焊接檩条、檩条间距800～1500
㎜
，框架两面均焊接彩板，活动屋顶板下部边缘等间隔的安装整体镀锌处理的尼龙轴承组作为滚轮使用。前屋顶单元的活动屋顶板1通过滚轮5与两侧支撑梁的凹槽滑动连接，并能够覆盖前屋顶单元的下半部分12，前屋顶单元的下半部分12即是前屋顶单元的天窗；后屋顶单元的固定屋顶板10设置在后屋顶单元的下部，且固定屋顶板两端与两侧支撑梁4的下端面固定并覆盖后屋顶单元的下半部分、活动屋顶板3通过滚轮与两侧支撑梁的凹槽滑动连接，并能够覆盖后屋顶单元的上半部分13，后屋顶单元的上半部分13即是后屋顶单元的天窗；用转轴吊架在两侧支撑梁形成的屋脊下方固定两个轴承座，两个轴承座间用轴承连接一个转轴8，使得转轴的轴端位于支撑梁的凹槽内，在转轴上左右对称的固定有两个链轮9，每个链轮上设有与链轮配合的链条7，链条一端与前屋顶单元的活动屋顶板1连接，链条另一端与后屋顶单元的活动屋顶板3连接，当前屋顶单元的活动屋顶板完全覆盖前屋顶单元下半部分的开口12时，后屋顶单元的活动屋顶板刚好完全覆盖后屋顶单元上半部分的开口13，转轴的两端固定有第一驱动齿轮16和第二驱动齿轮20；本发明的一个活动屋顶单元我们称之为一跨，一跨的长度为6米。一个大型的奶牛牛舍屋顶宽度约为45米，长度超过200米，200多米长大约需要安装20跨活动屋顶单元（不是所有屋顶都是活动屋顶），即：活动屋顶的长度为120米。在一个活动屋顶单元中前屋顶单元的活动屋顶板1和后屋顶单元的活动屋顶板3外形尺寸为：10米*6米，重量均为：1500公斤；前屋顶单元的活动屋顶板简称a顶，后屋顶单元的活动屋顶板简称b顶，a顶和b顶之间用链条连接构成一个联动单元，使用电力驱动以联动方式可以在任意位置开启的活动屋顶。其成对的活动屋顶板相对于屋脊，呈现为左右摇摆的同速运动，类似于摇曳运动，所以称为：电动摇曳式活动屋顶。
12.由于1个联动单元的摩擦阻力很小，电动机通过转轴、链轮、链条带动联动单元运动实现开启天窗和关闭天窗过程中，借助了a顶和b顶的自身重量进行摇曳运动，耗能非常少，可以采用1套减速电机同时带动多个联动单元。对于由1台电动机带动k个联动单元的同步摇曳运动开闭屋顶的结构，我们称之为：1个电动单元。
13.1个电动单元的传动布置：如附图5所示，1个电动单元包含1台减速电机、2k传动齿轮、1k传动轴、2k链轮、2k链条和上述k个联动单元构成，k=4。
14.具体的，减速电机用吊架固定在中间一个活动屋顶单元上，减速电机的输出轴通过传动齿轮19与个活动屋顶单元转轴一端的第一驱动齿轮16啮合带动转轴转动。转轴上链轮输出转速1.5rpm，以实现链条线速度1米/分钟，电动摇曳活动屋顶行程10.5米，连续工作约11分钟可实现全闭或者全开。四个活动屋顶单元的转轴的相邻轴端的第一驱动齿轮和第二驱动齿轮通过用吊架固定在相邻两个活动屋顶单元的支撑梁下方的传动齿轮组相互啮
合传递动力，从而使得减速电机转动时四个活动屋顶单元的转轴同步转动。
15.对于一个有120米长活动屋顶的牛舍，按每个电动单元有四个活动屋顶单元，需要安装5个电动单元。5个电动单元的减速电机控制可以采用手动开关控制，也可以采用遥控控制，具体控制电路原理见附图6～8，控制电路采用3相4线制供电，供电电压380v/220v；电路控制采用遥控和手动两种方式同时控制5台电动机正、反、停运行，完成对牛舍的5个天窗开关控制。每个电动机回路都有缺相、过载、短路保护功能，电机保护器采用德力西电机保护器。天窗开到位时行程开关xk11～xk51动作，电动机自动停止；同理，天窗关到位时行程开关xk12～xk52动作，电机停止工作。
16.电路工作过程：以遥控方式为例，点击遥控器开按键，遥控开关k1闭合，km1接触器得电，其常开触点kmi闭合，接触器自锁，释放遥控器开按键，km1接触器仍得电自保，此时线路l31得电，相应的km11、km21、km31、km41、km51接触器得电，ma1、ma2、ma3、ma4、ma5电机正转，天窗运行开启。当天窗开启到位时相应的行程开关（xk12)动作，其常闭触点打开，对应的接触器(km12)失电，电动机(ma1)停止工作，1号天窗开窗工作完成，其余类同。关天窗时按遥控器关按键，遥控开关k2闭合，工作过程与开天窗过程类同，不再叙述。停止控制，遥控开关k3断开，不论是在开天窗或关天窗的过程中，只要按下遥控器停止按键，开、关运动都将立即停止；通过遥控可以控制联动单元停止在支撑梁轨道的任意位置，从而控制天窗开启的大小。
17.受力分析：虽然1个电动单元里有k个联动单元，但是每个联动单元均为双轨、独立传动轴结构，我们以联动单元为例分析受力。
18.1个联动单元的a顶质量=b顶质量 =g ；传动轴、减速机、电动机、链轮等传动部件质量，不直接作用于轨道上，且输出转速较小，所以其质量可以忽略不计。
19.一般牛舍结构屋脊顶与水平夹角为15度，受力分析：则沿轨道受力f1 = g
×
sin15
°ꢀ
= 0.259g；沿垂直受力f2= g
×
cos15
°ꢀ
= 0.966g；由于沿轨道受力f1 为对称受力相抵，受力平衡，转换为链条的涨紧力。
20.沿垂直受力f2通过滚轮组转换为摩擦力，选取尼龙滚轮组，则选取摩擦系数
§
=0.15；则a、b顶摩擦合力f=0.15
×
0.966g
×
2=0.3g；则1个电动单元里摩擦力合计fk=0.3
×k×
g；由于牛舍跨度一般达6米之多，受到风力、雨雪天等因素影响，k值不宜过大，推荐k值=1～6；我们选取k值=4；（如附图5所示），则1个电动单元总摩擦力f4 = 合计0.3
×
0.4
×
g =1.2g；电动机功率核算：1kw电机1.5rpm输出功率可达6360nm。
21.假设g=1500kg，链轮公称直径400，转速为1.5rpm；则计算1个电动单元1.2g的阻力矩为3600nm。
22.结论：6360nm》3600nm；1kw电机可以满足。
23.经过受力分析、功率核算的结论：电动摇曳式活动屋顶可行，1台1kw电动机完全满
足1个电动单元阻力需求，功率足够。