胡志豪 ， 段 波 ， 吳易澤 ， 尹光鋒 ， 陳蕭登 ， 李 靜 ， 蔡 力

（湖北大學(xué)知行學(xué)院機(jī)械與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430011）

0 引言

在提倡“綠水青山就是金山銀山”的今天，對土地沙漠化的有效治理被越來越多的國家所重視，同時我國的土地沙漠化狀況比較嚴(yán)重，極大地影響了人們的生存環(huán)境[1]，由此產(chǎn)生了各種各樣的治沙方案，不少治沙新技術(shù)之間相輔相成，治沙效果逐步顯現(xiàn)?！耙虻刂埔耍偷厝〔?，因害設(shè)防，綜合防治”是內(nèi)蒙古包頭市采取的綜合措施[2]，其防護(hù)體系讓該地區(qū)成為了道路風(fēng)沙危害防治的首個成功案例。通過查閱大量的文獻(xiàn)，課題組發(fā)現(xiàn)機(jī)械沙障的運(yùn)用可以對沙漠化的治理起到較為明顯的效果，不過高昂的成本、大量的人力與較低的效率是限制其無法大范圍實(shí)施的主要因素。但是隨著科技的不斷進(jìn)步與新材料的應(yīng)用，治理手段一代代升級，“生物防治為主，機(jī)械防治為輔”的理念也逐步深入人心。從采用無機(jī)而功能單一的低立式礫石沙障[3]，到采用有機(jī)并可固土保濕的草方格沙障[4]，再到采用新型材料的高密度聚乙烯（HDPE）蜂巢式沙障[5]，一代代防治方法正源源不斷地被提出與試驗(yàn)。由此可見，沙漠化治理方案和防治措施正不斷發(fā)展，旨在全力緩解土地沙漠化問題。

設(shè)置沙障可以有效固定沙丘，但設(shè)置時需要合理利用周圍的有利條件。沙障設(shè)置的主要原理是增加沙丘表面的粗糙程度，在一定程度上降低風(fēng)力，防止沙被風(fēng)帶走，起到防風(fēng)固沙的作用[6]，因此鋪設(shè)草方格是一種目前國內(nèi)常見的修復(fù)環(huán)境、治理土地沙漠化的有效方法。然而，在很多沙漠化地區(qū)，惡劣的自然環(huán)境與復(fù)雜的地表狀況使傳統(tǒng)的人工鋪設(shè)存在勞動強(qiáng)度大、工作效率低、固沙成本高以及對已鋪設(shè)好的草方格維護(hù)困難等問題。因此，亟需一種新型的不受地表狀況限制的機(jī)械式防風(fēng)固沙種草機(jī)來取代傳統(tǒng)的治沙機(jī)械。

1 種草機(jī)工作原理

本裝置由車架、鋪設(shè)裝置、控制系統(tǒng)和動力單元4 部分組成，種草車整機(jī)示意圖如圖1 所示。

圖1 種草機(jī)整機(jī)示意圖

車架上設(shè)置有草料箱、草籽箱和水箱，集多種功能于一體可完成草籽播撒、草方格鋪設(shè)和自動澆水工作，解決人工鋪草工序繁多的問題。鋪設(shè)裝置由縱向破沙輪、橫向破沙輪、傳草帶、壓草輪和攏土刀組成，可進(jìn)行開槽、鋪草、夯實(shí)工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對草方格的鋪設(shè)?？刂葡到y(tǒng)用來精確控制種草機(jī)的各個動作。動力單元安裝于車架內(nèi)部，為種草機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定且充足的動力來源。種草機(jī)工作過程以鋪設(shè)1m×1 m 草方格為例[7]，工作時鋪草模塊的橫向破土鋸盤與縱向破沙輪會按照規(guī)定的方向轉(zhuǎn)動，機(jī)器切割出兩條相距1 m 深15 cm 的縱向溝槽，在縱向溝槽切割的同時，橫向破土鋸盤通過齒輪齒條的嚙合向下切割出一條1 m 長15 cm 深的溝槽。溝槽深度可根據(jù)土質(zhì)堅(jiān)硬程度自由調(diào)節(jié)，保證麥草能樹立固定即可。為減少橫向破土鋸盤的磨損，課題組增加了速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，即在機(jī)器整體向前移動的同時，破土鋸盤可以在滑軌上利用齒輪與齒條的嚙合向機(jī)器的相反方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)破土鋸盤在工作時相對靜止的功能。該功能可以保證機(jī)器能在土質(zhì)堅(jiān)硬的地方以最小的損耗完成同樣的工作。草帶傳輸機(jī)構(gòu)將草料送到溝槽之上，再由鋪設(shè)裝置上的壓刀輪壓到溝槽當(dāng)中，隨后由攏土刀將麥草樹立固定，完成整體的草方格鋪設(shè)工作。控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制，超聲波測距模塊安裝在車架尾部，通過不斷調(diào)整方向保持種草車直線行駛而不受不平整地形的影響，最終完成草方格的鋪設(shè)工作。該裝置有效降低了種草機(jī)的使用難度，自動化程度高，極大地提高了工作效率[8]。

1.1 本裝置創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置有以下創(chuàng)新之處：

1）與傳統(tǒng)鋪草機(jī)相比，設(shè)置了橫向和縱向同時鋪草功能，工作效率更高。

2）鋪草數(shù)量可根據(jù)地形情況自由調(diào)節(jié)，對于地形復(fù)雜不平整且土質(zhì)堅(jiān)硬的工況，可選擇性使用鋪草模塊；對于地形平坦且土質(zhì)疏松的工況，可使用多個鋪草模塊。相比于其他機(jī)器，操作更靈活方便，適應(yīng)性更廣泛。

3）采用超聲波測距模塊，可以嚴(yán)格控制破沙鋸盤與縱向麥草的間距，這是普通的鋪草機(jī)不能達(dá)到的。

4）通過修改編程即可實(shí)現(xiàn)不同大小的草方格鋪設(shè)，使設(shè)備的實(shí)用性更上一個臺階。

5）機(jī)器配置有起重臂，可以實(shí)現(xiàn)對鋪草模塊的收放，節(jié)約空間，方便裝置結(jié)束工作后的回收過程。

1.2 模型建立與仿真

本裝置的設(shè)計(jì)通過運(yùn)用整合了自由式與參數(shù)化這兩種建模方式[9]的Creo Parametric 軟件對多功能防風(fēng)固沙種草機(jī)進(jìn)行建模，再結(jié)合具備優(yōu)化處理、計(jì)算求解、模型創(chuàng)建等多種功能[10]的動力學(xué)分析軟件ADAMS 對相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成的同時，能對其結(jié)構(gòu)運(yùn)動合理性有一個預(yù)先的檢測，從而大大提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)后出現(xiàn)干涉或運(yùn)動無法達(dá)到預(yù)期效果的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 運(yùn)動仿真過程

將模型導(dǎo)入ADAMS 軟件，對一些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖2 所示。其中坐標(biāo)系選擇為笛卡爾坐標(biāo)系，設(shè)置重力加速度G＝9.8 m/s2，單位制為MMKS，設(shè)置起重臂部件之間的約束，約束方式如表1 所示。

圖2 起重臂模型圖

表1 起重臂各部件間約束方式

1.4 ADAMS仿真結(jié)果及其分析

本文針對起重臂的速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與下刀裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真及后處理并導(dǎo)出結(jié)果，設(shè)置仿真時間1s轉(zhuǎn)動運(yùn)行30°，對運(yùn)動仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

在機(jī)器運(yùn)行時，起重臂1 s 旋轉(zhuǎn)30°，同時起重臂完成升起或下降動作，且保證伸縮桿的運(yùn)動距離不超過氣缸行程，從圖3 和圖4 可以看出，其行程范圍為400 mm，在可允許的誤差范圍內(nèi)。即起重臂旋轉(zhuǎn)時，起重臂的升起或下降運(yùn)動不會發(fā)生相互干涉，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖3 往復(fù)橫梁工作情況

圖4 速度曲線

2 總結(jié)

課題組設(shè)計(jì)了一款多功能防風(fēng)固沙種草機(jī)，該裝置具有更多的功能，包括可控?cái)?shù)量草方格的鋪設(shè)、鋪草模塊的收放、超聲波測距自動控制行駛等。為了進(jìn)一步確定該機(jī)器的可行性，課題組使用ADAMS 軟件進(jìn)行鋪草模塊的虛擬樣機(jī)構(gòu)建，對機(jī)器運(yùn)行時主要工作部件的運(yùn)動情況進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，該裝置可以順利地對預(yù)期過程進(jìn)行仿真，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，可以很好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)該具備的功能。

課題組通過對多功能防風(fēng)固沙種草機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓沙漠化治理有了更多的方向，同時有效恢復(fù)了沙區(qū)植被并提高了沙區(qū)生態(tài)功能，遏制了我國土地沙漠化蔓延的進(jìn)程。而在防風(fēng)固沙種草機(jī)不斷發(fā)展的同時，還需結(jié)合有限元分析與輕量化設(shè)計(jì)，這樣不僅可以滿足使用的需要，還可以提高設(shè)計(jì)精度與效率，進(jìn)一步促進(jìn)我國環(huán)境治理領(lǐng)域向著智能化、多功能化、多元化的方向發(fā)展，加快改善我國的沙漠化現(xiàn)狀，造福人類。