張恒宇，李艷潔，劉晉浩

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

在我國，土地荒漠化現(xiàn)象分布范圍廣、面積大，防風(fēng)固沙工作任重而道遠(yuǎn)。防風(fēng)固沙措施包括工程、化學(xué)和生物手段[1-3]，而單一的固沙方式各有其優(yōu)點及局限性，目前應(yīng)該大力發(fā)展的是“工程—化學(xué)—生物”等治沙方法的綜合技術(shù)。

鋪設(shè)機(jī)械沙障是目前工程固沙的主要措施之一[4-9]。機(jī)械沙障是指在流沙上用于阻滯風(fēng)沙流和固定沙面的障礙物，通常為雜草、農(nóng)作物莖稈或其他材料。在荒漠化現(xiàn)象日益嚴(yán)峻的今天，僅靠人工方式進(jìn)行簡單局部的鋪設(shè)草方格等形式的機(jī)械沙障，作業(yè)效率低，人力成本高，導(dǎo)致造成草方格沙障鋪設(shè)面積有限，直接影響到防風(fēng)固沙的效果，是無法取得全區(qū)域優(yōu)良固沙效果的。針對此工程應(yīng)用背景，劉晉浩等人研制了“多功能立體固沙車”[10-13]，該車可將工程治沙與生物治沙結(jié)合起來，實現(xiàn)機(jī)械化一次性鋪設(shè)草方格沙障，提高了草方格鋪設(shè)效率。然而，該車的動力系統(tǒng)與鋪設(shè)系統(tǒng)等缺乏一定的定量化標(biāo)準(zhǔn)。若前進(jìn)速度快，草方格沙障插入深度不夠，導(dǎo)致沙障壽命降低；若前進(jìn)速度慢，插入動力過大，導(dǎo)致插草效率降低，同時使動力輸出能耗增加。刀盤插草作業(yè)質(zhì)量受到插草阻力及土壤內(nèi)部應(yīng)力的影響尤為明顯，因此可以通過分析刀盤插草阻力和土壤內(nèi)部應(yīng)力來分析固沙車的動力性能。故在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計過程中，需要對刀盤插草阻力和土壤內(nèi)部應(yīng)力做出理論分析。固沙車在實際作業(yè)過程中為下壓、滾動與前進(jìn)運動復(fù)合的復(fù)雜運動，直接分析這種復(fù)合運動難度較大，且分析插草過程影響草稈運動的因素所包括的沙土物性參數(shù)太多，無法一步到位。為此，首先通過分析刀盤豎直方向插草時對刀盤插草阻力及對土壤內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，獲得刀盤插草速度等參數(shù)的影響規(guī)律；然后研究圓盤刀滾動插草的過程，由簡到難地分析固沙草方格鋪設(shè)過程。由此為固沙裝備研究提供理論基礎(chǔ)。

本研究為只考慮插草刀盤豎直方向插草的試驗[14]。試驗時，將野外取回的沙土分上干下濕兩層裝填，再現(xiàn)沙漠實際地表的沙土狀況，每層的沙土含水率和干密度與野外測量的盡量一致，將刀盤以指定速度勻速向下運動，使草桿插入至沙土土床指定深度。本文主要分析刀盤豎直方向插草時的刀刃形式、插入速度及鋪設(shè)草的厚度(單位刀刃長度上的草桿鋪設(shè)質(zhì)量)對刀盤插草阻力及刀盤正下方土壓力的影響規(guī)律。

1 試驗裝置和方法

插草試驗只考慮刀盤的豎直方向移動，由小型電磁制動式三相異步電機(jī)配合減速器來實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)刀盤的上下勻速移動，并通過轉(zhuǎn)動減速器手輪實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，進(jìn)而改變刀盤移動速度。試驗采用寬度相同的直刃刀盤和圓刃刀盤兩種刀盤進(jìn)行插草試驗(見圖1)，厚度均為3mm。試驗的工況系數(shù)如表1所示。

圖1 刀盤幾何尺寸

參數(shù)名稱單位取值干密度(下層濕沙g/cm31.323插草深度cm20含水率(下層濕沙)%5.4含水率(上層干沙)%0刀型直刃/圓刃速度mm/s20/30/50鋪設(shè)草的厚度mm130/260

插草試驗用的沙箱長×寬×高(內(nèi)尺寸)為800mm×800mm×500mm，由厚度15mm的PVC板材采用角鐵和螺栓組裝而成。插草試驗用的沙土為從毛烏素沙地取來的表層沙土，用篩子過濾雜質(zhì)后作為試驗用沙。所考慮的沙土特性為毛烏素沙漠夏季8月中旬之后的背風(fēng)坡土壤情況，插草作業(yè)的沙地實際情況為“上干下濕”的狀況，距地表約為10～20cm存在1層干沙層，含水率較低(不足1%)，而下層濕沙在該季節(jié)的含水率可達(dá)到6.38%[15]。因此，為了更好地與野外實地插草作業(yè)沙土物性一致，在沙箱內(nèi)分兩層裝填不同含水率的沙土：距沙土表層15cm以內(nèi)的沙為干沙，15cm以下則為含水率5.4%的濕沙。在插草試驗中，刀盤的插草深度是20cm，即插草深度不小于松散干沙層的厚度。插草試驗時，把干硬的草稈一根根緊挨著平鋪在沙土表面，草稈的長度約為800mm，直徑約為3mm，平鋪的寬度等于刀盤的寬度(即400mm)。每次插草均采用未折斷的整長草稈進(jìn)行試驗。插草試驗裝置示意圖如圖2所示。

1.拉壓力傳感器 2.刀盤軸 3.刀盤 4.沙箱 5.草桿 6.6號土壓力傳感器 7.5號土壓力傳感器 8.4號土壓力傳感器 9.3號土壓力傳感去 10.2號土壓力傳感器 11.1號土壓力傳感器

2 試驗結(jié)果與討論

本文進(jìn)行單因素試驗測定，分析單個因素在插草過程中對刀盤插草阻力和刀盤正下方土壓力的影響，主要考慮的因素為刀刃形式、豎直插草速度、鋪設(shè)草的厚度。當(dāng)變化某個因素時，其他因素不變。插草試驗不同階段的草桿狀態(tài)如圖3所示。由圖3可知：在插草刀下壓過程中，草稈隨著刀盤的深入而不斷深入，直至達(dá)到豎直狀態(tài)；在抬刀后，草稈向兩側(cè)又分開且略有上移。試驗中測量插草刀盤下壓過程中的刀盤插草阻力，即從刀盤接觸草稈到插入至最深這一階段。

為防止土壓力傳感器因土壤擾動產(chǎn)生的位移而導(dǎo)致試驗誤差，消除因沙土物性改變而使試驗測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，每次試驗前均需重新裝填鋪埋傳感器，并及時修正土壤的含水率。為消除單次測量結(jié)果誤差，本文圖表的數(shù)據(jù)均為若干組試驗結(jié)果的平均值。

圖3 插草試驗不同狀態(tài)

刀盤在插草過程中，通過刀盤下方邊緣的擠壓將麥草壓入沙土中。刀盤在豎直方向主要受到來自草稈和沙土的阻力(即插草阻力)，其大小通過裝在刀盤支撐軸上的拉壓力傳感器測量。另外，將草壓入土中的同時會對刀盤兩側(cè)及下方的沙土產(chǎn)生擠壓力。本文針對土壤內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力分析，主要測量刀盤正下方土壓力并分析其影響規(guī)律。刀盤正下方距離土壤表層深度23cm不同位置處的土壓力通過等距鋪設(shè)6個傳感器測量。根據(jù)對稱性可知，以刀盤中心對稱軸為分界，對稱位置的土壓力應(yīng)相等。因此，故取兩個位置土壓力的平均值作為每次測量的結(jié)果，即1號和6號位置、2號和5號位置、3號和4號位置的所測壓力進(jìn)行平均處理。

2.1 刀刃形式的影響

研究表明[16]：刀盤外形及刀盤厚度會影響插入效果，可能會導(dǎo)致插草阻力的變化。在農(nóng)耕領(lǐng)域及固沙裝備的研究中，對刀盤尺寸的研究很多[17-20]。本文的刀盤設(shè)計參照現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)，設(shè)計相同寬度的直刃刀盤和圓刃刀盤。它們在實際的試驗過程中插草效果不一樣，主要表現(xiàn)為：圓刃刀盤插草過程中，草稈從中間向兩側(cè)是逐漸被壓入土中的；直刃刀盤插草過程中，草稈是同步被壓入土中的。因此，這兩種刀型正下方的土壓力會存在不同的變化。在鋪設(shè)草的厚度為130g/m、3種插草速度試驗條件下，測量不同刀型下的插草阻力及刀盤正下方土壓力，并進(jìn)行對比，如圖4和圖5所示。

圖4 直刃刀盤和圓刃刀盤插草阻力對比

由4可以看出：在此試驗條件下，刀盤插草阻力隨著麥草不斷被壓入沙土內(nèi)而不斷增大，在被插入至最深處時阻力達(dá)到最大。圖4 (a)相對于圖4(b)、圖4(c)所測得的插草阻力波動更明顯，主要是由于試驗所用插草刀盤采取的是鏈傳動，當(dāng)增大轉(zhuǎn)動角速度時，由于鏈條自身的繃緊作用使機(jī)器在傳動時產(chǎn)生振動，對拉壓力傳感器測量的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

在鋪設(shè)草的厚度為130g/m，插草深度為20cm，插草速度20、30、50mm/s的條件下，直刃刀盤的最大豎直插草阻力比圓刃刀盤的最大豎直插草阻力分別大3.23%、3.13%、5.03%。初步分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因為：圓刃刀盤在插草作業(yè)過程中，主要受到來自草稈沿著刀盤徑向的正應(yīng)力和垂直于圓弧的摩擦力，這兩個力在豎直方向的分力之和即為圓刃刀盤所受的豎直插草阻力；而直刃刀盤在插草過程中只受到來自草稈對刀盤豎直方向的阻力，因此圓刃刀盤與直刃刀盤測量的插草阻力相差不大。

取鋪設(shè)土壓力傳感器的1和6號、2和5號、3和4號測量結(jié)果的平均值作為1、2、3等3個位置的土壓力，進(jìn)行土壤內(nèi)部壓力分析，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：在此試驗條件下，不同刀型中間位置處所受土壓力大小幾乎相同；從中間向邊緣位置處的土壓力逐漸減小，且相同位置處的直刃刀盤下方的土壓力大于圓刃刀盤下方的土壓力。首先，在直刃刀盤插草過程中草稈是同步下壓的，而圓刃刀盤插草時草稈是從中間向兩側(cè)逐漸被壓入土中。所以，在插草初始階段，直刃刀盤比圓刃刀盤在邊緣處的正下方土壓力變化得更早。其次，繼續(xù)下壓時，由于直刃刀盤始終處于同一深度，而圓刃刀盤由于刀刃為圓弧形狀，直刃刀盤和圓刃刀盤上距離中心軸線相同距離位置處，圓刃刀盤下壓的深度始終小于直刃刀盤，故直刃刀盤下方的土壓力始終大于圓刃刀盤下方的土壓力；而刀盤在中間位置處對土壤的擠壓作用更大，故中間處的土壓力比邊緣處更大。當(dāng)下壓接近最深位置處時，圓刃刀盤在圓弧最底部對刀盤正下方土壤的擠壓作用與直刃刀盤中間位置處對土壤的擠壓相似，故土壓力大小幾乎相同。

2.2 插草速度的影響

刀盤在插草過程中，插草阻力和刀盤正下方土壓力隨著插草速度的變化需要通過試驗結(jié)果做出分析判斷。在鋪設(shè)草的厚度為130g/m、不同刀型試驗條件下，測量不同插草速度下的刀盤豎直方向阻力，如圖6所示。根據(jù)圖6直刃刀盤和圓刃刀盤兩種刀盤的豎直插草阻力對比可見：不同插草速度下的曲線走勢基本一致，插草速度對插草阻力的最大值幾乎沒有影響。目前，所取的直刃刀盤和圓刃刀盤兩種刀盤在3種插草速度下的最大阻力分別約為158N和152N。初步分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：刀盤在不同速度插草過程中，插草阻力均隨著插入深度的增加而增加，刀盤擠壓的沙土越來越多，從而增大了對刀盤的阻力。雖然插草速度在增加，但同一刀盤形式最終的插入深度是一致的，故插草阻力幾乎相同。

由圖7可知：在相同插草速度下，刀盤正下方土壓力從中間向邊緣呈遞減分布；隨著速度的減小，相同位置的土壓力逐漸減小，且中間位置比邊緣位置變化得更快。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)插草速度減小時，刀盤在單位時間內(nèi)對土壤的擠壓變形在變小，故土壓力也在減?。煌瑫r，由于刀盤中間位置處對土壤的擠壓作用更大，故受速度變化的影響較大，因此變化得更明顯。

圖7 不同插草速度刀盤正下方土壓力對比

2.3 鋪設(shè)草厚度的影響

刀盤在豎直插草的過程中，隨著刀盤擠壓麥草的厚度增加，兩側(cè)沙土對于刀盤和草的擠壓力勢必增大，所以插草阻力會隨著草的鋪設(shè)厚度增加而增大。同時，刀盤對兩側(cè)及下方沙土的擠壓力勢必增大，所以刀盤正下方土壓力會隨著草的鋪設(shè)厚度增加而增大。根據(jù)圖8直刃刀盤和圓刃刀盤不同鋪草厚度阻力對比結(jié)果可以看出：260g/m下的插草阻力比130g/m下的插草阻力分別大22.71%和20.92%。

根據(jù)圖9直刃刀盤和圓刃刀盤不同草鋪設(shè)厚度的刀盤正下方土壓力對比結(jié)果可以看出：隨著草厚度的增加，刀盤正下方土壓力在增加，且從中間到邊緣處增加量在減小。在鋪設(shè)草厚度增加、刀盤下降過程中，草稈在與刀盤接觸點處由于橫截面高度增加使得慣性矩增大，導(dǎo)致彎曲剛度增加，因此增加草稈厚度使得草稈彎曲變形需要的力更大，這個外力則正是刀盤作用于草稈上的力，此力與刀盤所受到的豎直方向插草阻力相平衡。因此，刀盤正下方的土壓力隨著草厚度的增加而增加，且由于刀盤中間位置處對土壤的擠壓作用更大，故受草厚度的影響更大，因此變化得更明顯。

圖8 不同草鋪設(shè)厚度的插草阻力對比

圖9 不同草鋪設(shè)厚度的刀盤正下方土壓力對比(插草速度30mm/s)

3 結(jié)論

1) 刀盤最大豎直插草阻力的最大值基本不受插草速度的影響，直刃刀盤和圓刃刀盤兩種刀盤在3種插草速度下的最大阻力分別約為158N、152N；插草速度20、30、50mm/s的條件下，直刃刀盤的最大豎直插草阻力比圓刃刀盤的最大豎直插草阻力分別大3.2%、3.1%、5.0%；直刃刀盤和圓刃刀盤不同鋪草厚度阻力對比發(fā)現(xiàn)：260g/m下的插草阻力比130g/m下的插草阻力分別大22.7%和20.9%。

2) 刀盤正下方的土壓力沿刀刃方向并非處處相等。不同刀型在中間位置處的刀盤正下方土壓力大小幾乎相同，但是其他位置處直刃刀盤下方的土壓力大于圓刃刀盤下方的土壓力。相同位置處的土壓力隨著插草速度的增大而增大，隨著草鋪設(shè)厚度的增加而加，且中間位置處變化得更快。