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)
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、固沙成本上升和對已鋪設(shè)好的草方格維護(hù)困難。因此,亟需設(shè)計一種新型的不受地表狀況限制的機(jī)械化、自動化的多功能固沙機(jī)械[4]來替代人工操作。
目前,市場上的機(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),自動化程度低,功能性明顯不足且操作難度大[5]。近幾年,我國雖然成功研制出效率高、質(zhì)量好的立體固沙車,但其昂貴的造價及對于工作場地的限制,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)械的自動化、智能化研究領(lǐng)域還屬空白[6]。加上全球各國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)計了一款集草方格橫縱鋪設(shè)技術(shù)、草籽播撒、自動澆水于一體的多功能種草機(jī)。仿真結(jié)果表明,該裝置實現(xiàn)了草方格鋪設(shè)的可控化、參數(shù)化、智能化、集成化,簡化了工作流程,提高了鋪設(shè)效率,為全國乃至全世界的荒漠的治理增添了新的力量[7]。
本裝置相對于傳統(tǒng)的治沙設(shè)備來說具有如下創(chuàng)新點:1)配備多個種草裝置,通過起重臂調(diào)節(jié)鋪草機(jī)在作業(yè)時的鋪草數(shù)量。相對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,延長了使用壽命。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距離,防止碰撞干涉。4)可實現(xiàn)不同大小的草方格鋪設(shè),適用范圍更廣,操作靈活方便。
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、草籽倉和水箱,可進(jìn)行草籽播撒、自動澆水和原料儲存等工作。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)片實現(xiàn)對種草機(jī)的控制,超聲波模塊用于監(jiān)測破沙鋸盤與縱向麥草的距離。種草機(jī)上裝有三臺鋪草機(jī)構(gòu),可自由調(diào)整草方格的數(shù)量,實現(xiàn)1至3組草方格的同時鋪設(shè)。通過抬升桿將車體與鋪草機(jī)構(gòu)相連,實現(xiàn)對鋪草機(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)備工作時鋪草機(jī)構(gòu)的橫向與縱向破沙輪轉(zhuǎn)動,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向破沙輪向前移動的同時,橫向破沙輪橫向切割出一條長1 m、深15 cm的溝槽,完成動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)時只需要直線行駛,在行駛到其預(yù)設(shè)距離后自動轉(zhuǎn)向,通過超聲波測距模塊測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,實現(xiàn)自動化鋪設(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候,橫向破沙鋸盤轉(zhuǎn)動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)動下控制溝槽的深度15 cm~20 cm,同時往復(fù)橫桿在往復(fù)齒條與驅(qū)動齒輪的嚙合下進(jìn)行與車身行進(jìn)方向相反的速度補(bǔ)償運(yùn)動,以減輕土地對鋸盤的磨損。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,順時針旋轉(zhuǎn)90°,同時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)
本次設(shè)計中通過三維軟件Creo對本裝置進(jìn)行建模[9],再結(jié)合動力學(xué)分析軟件ADAMS[10]對相關(guān)零部件進(jìn)行運(yùn)動仿真,將起重臂模型導(dǎo)入ADAMS軟件。為鋪草機(jī)的9個運(yùn)動部件添加約束,其結(jié)構(gòu)約束方式如表1所示。
表1 各部件間約束方式
針對鋪草機(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)置仿真時間20 s,步長100步。
1)在機(jī)器運(yùn)行時,往復(fù)橫桿會在驅(qū)動作用下,往與機(jī)器相背離的方向運(yùn)動,根據(jù)圖5和圖6可以得出其行程范圍為200 mm,小于預(yù)留長度210 mm,在可允許的誤差范圍內(nèi),即機(jī)構(gòu)運(yùn)動時不會發(fā)生相互干涉,滿足設(shè)計要求。
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對機(jī)器運(yùn)行時主要工作部件的運(yùn)動情況進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,本裝置符合設(shè)計要求,可以很好地實現(xiàn)應(yīng)該具備的功能。
通過多功能種草機(jī)的設(shè)計與仿真分析,本裝置基本滿足設(shè)計要求,同時彌補(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)計后期還可應(yīng)用有限元分析軟件與輕量化設(shè)計,同時結(jié)合人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),不斷優(yōu)化設(shè)計,完善多功能種草機(jī)功能和結(jié)構(gòu),為我國乃至全球治沙領(lǐng)域提供智能化、多功能化技術(shù)和實施方案,加快改善我國的土地荒漠化現(xiàn)狀,促進(jìn)全球土地荒漠化治理。