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，湖北 武漢 430011）

0 引言

全球荒漠化土地面積約為4 600萬km2，占土地總面積的35%[1]，我國(guó)地大物博，資源豐富，南北地域的氣候隨緯度變化有著顯著的區(qū)別：南方雨水充足，土壤肥沃，而西北等多地卻飽受土地荒漠化的侵蝕，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)640多億元[2]。隨著工業(yè)和城市化不斷發(fā)展，土地荒漠化使西北干旱和半干旱地區(qū)[3]原本就脆弱的生態(tài)環(huán)境雪上加霜。

草方格鋪設(shè)是一種國(guó)際所公認(rèn)的修復(fù)環(huán)境、遏制土地荒漠化的有效途徑。然而，在很多荒漠化地區(qū)，傳統(tǒng)的人工鋪設(shè)設(shè)備無法在惡劣的自然環(huán)境與復(fù)雜的地表狀況下正常工作，導(dǎo)致鋪設(shè)效率低下、固沙成本上升和對(duì)已鋪設(shè)好的草方格維護(hù)困難。因此，亟需設(shè)計(jì)一種新型的不受地表狀況限制的機(jī)械化、自動(dòng)化的多功能固沙機(jī)械[4]來替代人工操作。

目前，市場(chǎng)上的機(jī)械治沙設(shè)備主要有沙丘上水器、掘苗機(jī)、大苗栽植機(jī)等，這些設(shè)備在一定程度上提高了草方格鋪設(shè)的質(zhì)量與速度，但只能選擇橫向或縱向其中一種進(jìn)行鋪設(shè)，自動(dòng)化程度低，功能性明顯不足且操作難度大[5]。近幾年，我國(guó)雖然成功研制出效率高、質(zhì)量好的立體固沙車，但其昂貴的造價(jià)及對(duì)于工作場(chǎng)地的限制，使得該設(shè)備沒能得到大面積的推廣與使用，沙障布置還依靠人工、畜力完成，效率極低，在布置沙障機(jī)械的自動(dòng)化、智能化研究領(lǐng)域還屬空白[6]。加上全球各國(guó)受到荒漠化威脅程度不同，各地沙質(zhì)狀況、沙漠特征等存在差異，各國(guó)治沙機(jī)械的研制進(jìn)程無法統(tǒng)一，使得治沙機(jī)械的通用性受到了局限，進(jìn)而限制了治沙機(jī)械研發(fā)技術(shù)的交流與合作。

為了解決上述問題，課題組設(shè)計(jì)了一款集草方格橫縱鋪設(shè)技術(shù)、草籽播撒、自動(dòng)澆水于一體的多功能種草機(jī)。仿真結(jié)果表明，該裝置實(shí)現(xiàn)了草方格鋪設(shè)的可控化、參數(shù)化、智能化、集成化，簡(jiǎn)化了工作流程，提高了鋪設(shè)效率，為全國(guó)乃至全世界的荒漠的治理增添了新的力量[7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的治沙設(shè)備來說具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：1）配備多個(gè)種草裝置，通過起重臂調(diào)節(jié)鋪草機(jī)在作業(yè)時(shí)的鋪草數(shù)量。相對(duì)于單一品種的種草機(jī)，本裝置大大提升了鋪草設(shè)備的工作效率。2）設(shè)置了橫縱向鋪草功能，解決了傳統(tǒng)種草機(jī)橫向鋪草時(shí)采用蠻力強(qiáng)行橫向鋪設(shè)的問題，降低了機(jī)器的損耗，延長(zhǎng)了使用壽命。3）采用超聲波測(cè)距模塊，可以嚴(yán)格控制破沙鋸盤與縱向麥草的距離，防止碰撞干涉。4）可實(shí)現(xiàn)不同大小的草方格鋪設(shè)，適用范圍更廣，操作靈活方便。

1.2 原理設(shè)計(jì)

本裝置由車體、鋪草機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。車體上配置有撒籽裝置、澆水裝置、草料倉(cāng)、草籽倉(cāng)和水箱，可進(jìn)行草籽播撒、自動(dòng)澆水和原料儲(chǔ)存等工作。鋪草機(jī)構(gòu)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)行挖槽、鋪草、壓草和固定麥草等工作?？刂葡到y(tǒng)通過單機(jī)片實(shí)現(xiàn)對(duì)種草機(jī)的控制，超聲波模塊用于監(jiān)測(cè)破沙鋸盤與縱向麥草的距離。種草機(jī)上裝有三臺(tái)鋪草機(jī)構(gòu)，可自由調(diào)整草方格的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)1至3組草方格的同時(shí)鋪設(shè)。通過抬升桿將車體與鋪草機(jī)構(gòu)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪草機(jī)構(gòu)的收放。

本裝置的工作過程以鋪設(shè)1 m×1 m[8]草方格為例，設(shè)備工作時(shí)鋪草機(jī)構(gòu)的橫向與縱向破沙輪轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器前進(jìn)切割出兩條相距1 m、深15 cm的縱向溝槽，溝槽深度根據(jù)土質(zhì)硬度可調(diào)節(jié)?？v向破沙輪向前移動(dòng)的同時(shí)，橫向破沙輪橫向切割出一條長(zhǎng)1 m、深15 cm的溝槽，完成動(dòng)作后升起回到初始位置，循環(huán)交替工作，保證兩橫向溝槽之間為恒定的1 m距離。傳草帶將草料送到溝槽之上，由鋪草機(jī)構(gòu)上的壓刀輪壓到溝槽當(dāng)中，隨后由攏土刀將沙土攏到麥草根部為其提供支撐，同時(shí)完成橫向和縱向的草方格鋪設(shè)，最后撒籽裝置和澆水裝置進(jìn)行撒草籽和澆水工作。系統(tǒng)通過單片機(jī)控制，預(yù)先調(diào)整好草方格的鋪設(shè)方向，設(shè)備在進(jìn)行第一行鋪設(shè)時(shí)只需要直線行駛，在行駛到其預(yù)設(shè)距離后自動(dòng)轉(zhuǎn)向，通過超聲波測(cè)距模塊測(cè)定破沙輪與縱向麥草的距離，通過不斷微調(diào)前進(jìn)方向?qū)崿F(xiàn)兩者間距恒定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鋪設(shè)草方格，種草機(jī)整車如圖1所示。

圖1 種草機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

鋪草機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由支架、壓草輪、橫向破沙鋸盤、往復(fù)橫桿、壓草刀、上升齒條等部分組成。在車體向前行駛的時(shí)候，橫向破沙鋸盤轉(zhuǎn)動(dòng)在地面鋸出一條寬度為1 m的溝槽，上升齒條在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下控制溝槽的深度15 cm~20 cm，同時(shí)往復(fù)橫桿在往復(fù)齒條與驅(qū)動(dòng)齒輪的嚙合下進(jìn)行與車身行進(jìn)方向相反的速度補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，以減輕土地對(duì)鋸盤的磨損。伸縮桿將壓草刀垂直推下，將原本鋪好的麥草插進(jìn)土里并固定，再由壓草輪將縱向的麥草壓進(jìn)預(yù)先挖好的縱向溝槽中。

圖2 鋪草模塊三維圖

縱向破土裝置如圖3所示，通過破沙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)在沙地挖出深度為15 cm~20 cm的溝槽，為后面草方格的縱邊鋪設(shè)做準(zhǔn)備。工作結(jié)束后，轉(zhuǎn)向器中的3個(gè)錐齒輪可以通過相互的嚙合使得連接軸以液壓桿下半部分為旋轉(zhuǎn)軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，同時(shí)液壓桿收回至液壓缸中，如圖4所示，以防止機(jī)器在非工作狀態(tài)下對(duì)裝置造成損壞并節(jié)約空間。

圖3 縱向破土裝置

圖4 縱向破土裝置收攏狀態(tài)

1.3 三維模型導(dǎo)入及參數(shù)設(shè)置

本次設(shè)計(jì)中通過三維軟件Creo對(duì)本裝置進(jìn)行建模[9]，再結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS[10]對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，將起重臂模型導(dǎo)入ADAMS軟件。為鋪草機(jī)的9個(gè)運(yùn)動(dòng)部件添加約束，其結(jié)構(gòu)約束方式如表1所示。

表1 各部件間約束方式

1.4 ADAMS仿真分析

針對(duì)鋪草機(jī)構(gòu)的速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與下刀裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真并進(jìn)行后處理導(dǎo)出結(jié)果，設(shè)置仿真時(shí)間20 s，步長(zhǎng)100步。

1）在機(jī)器運(yùn)行時(shí)，往復(fù)橫桿會(huì)在驅(qū)動(dòng)作用下，往與機(jī)器相背離的方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖5和圖6可以得出其行程范圍為200 mm，小于預(yù)留長(zhǎng)度210 mm，在可允許的誤差范圍內(nèi)，即機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生相互干涉，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 往復(fù)橫桿行程變化曲線

圖6 速度曲線

2）由圖7和圖8可以得出，壓草刀工作行程為150 mm，小于預(yù)定深度155 mm，處于可允許的誤差范圍內(nèi)。同理，機(jī)構(gòu)可以正常運(yùn)作，不會(huì)相互干涉。

圖7 壓草刀行程變化曲線

圖8 速度曲線

通過ADAMS對(duì)機(jī)器運(yùn)行時(shí)主要工作部件的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，本裝置符合設(shè)計(jì)要求，可以很好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)該具備的功能。

2 總結(jié)

通過多功能種草機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真分析，本裝置基本滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)彌補(bǔ)了治沙機(jī)械通用性受限的問題，有效地提高了鋪草設(shè)備的生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)后期還可應(yīng)用有限元分析軟件與輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，完善多功能種草機(jī)功能和結(jié)構(gòu)，為我國(guó)乃至全球治沙領(lǐng)域提供智能化、多功能化技術(shù)和實(shí)施方案，加快改善我國(guó)的土地荒漠化現(xiàn)狀，促進(jìn)全球土地荒漠化治理。