梁發(fā)周 ， 梁士玉 ， 吳芳明

（南昌航空大學(xué)科技學(xué)院，江西 九江 332020）

0 引言

有關(guān)報告表明，我國沙漠和沙漠化面積約有1 680 849 020 hm2，占國土面積的17.59%[1]。我國是世界上土地沙漠化最嚴(yán)重的國家之一，土地沙漠化危害眾多，會使水土流失加快，大大降低土壤的質(zhì)量[2]。土地沙漠化還會對一些地區(qū)的交通、建筑等造成嚴(yán)重的影響，對人們財產(chǎn)造成損失。

荒漠化土地治理工程量巨大，任務(wù)艱巨，而且需要很長時間才能看到治理效果，在這個過程中還要耗費(fèi)大量的資源。人們一直在尋求有效治理土地沙漠化的方法。治沙方法有很多種，如工程防沙[3-4]、化學(xué)固沙[5-6]、植物固沙[7]等。鋪設(shè)草方格是其中的辦法之一。草方格沙障是將稻草、麥秸等材料預(yù)先制成所需要的長度，然后把它整齊地鋪在地上擺成縱橫交錯的線，再用平頭鐵鍬把它插入土里，形成方格形狀。在正常的條件下，草方格沙障能達(dá)到4～5年有效阻擋風(fēng)沙流動，當(dāng)時間久了后草方格沙障效果減弱，如果要保障草方格沙障作用的長久性，就要對一部分因受風(fēng)沙影響而被侵蝕壞的草方格沙障進(jìn)行及時修復(fù)。此時，埋在土里的草料會隨著時間的增長并在風(fēng)和雨水的侵蝕下漸漸腐爛，并轉(zhuǎn)化為富含各種營養(yǎng)的有機(jī)物，這些有機(jī)物可以促進(jìn)土壤中一些微生物的生長和繁衍。微生物種群的不斷增加，可促進(jìn)土壤中有機(jī)物的分解，讓土壤中各種植物的根系得到更多的營養(yǎng)物質(zhì)，從而反過來促進(jìn)荒漠中植物的生長，有利于防風(fēng)固沙。在沙漠化地區(qū)鋪設(shè)草方格沙障，可以使地表形成一堵“風(fēng)墻”，有效增大地表的摩擦力，使地表風(fēng)速減緩，從而抑制沙丘流動，起到防風(fēng)固沙的作用。因為整個過程中的用料都是天然的草料，所以對環(huán)境的污染很小或無污染。

鋪設(shè)草方格沙障不僅可以改良和提高土壤水分、固水保濕、保護(hù)土壤[8]，而且工作內(nèi)容比較簡單。傳統(tǒng)鋪設(shè)草方格沙障由人工來完成，先將草料鋪到地面，再通過專用的平頭鐵鍬將其壓入沙中，壓入的深度也很講究，具體情況要考慮到多種因素，如地勢地形等。但這種方法存在一定的局限性，如只能在特定的地區(qū)鋪設(shè)，并且會消耗大量的人力、物力，不僅效率低而且鋪設(shè)質(zhì)量普遍不高，不適合大規(guī)模鋪設(shè)作業(yè)?；诓莘礁裆痴现紊车挠行?，課題組設(shè)計出了一款能夠替代人工鋪設(shè)草方格沙障的機(jī)器，并使用SolidWorks軟件對其進(jìn)行三維實體建模。

1 設(shè)計分析

1.1 SolidWorks簡介

SolidWorks具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的計算機(jī)輔助設(shè)計的軟件之一。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤并提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。SolidWorks 不僅提供強(qiáng)大的功能環(huán)境，而且對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用?；赟olidWorks軟件諸多的優(yōu)點(diǎn)，課題組使用該軟件對草方格沙障鋪設(shè)機(jī)器進(jìn)行三維建模設(shè)計[9]。

1.2 方案設(shè)想

從動力元件出發(fā)，考慮到機(jī)器鋪設(shè)草方格沙障時需要進(jìn)行靈活的調(diào)頭、轉(zhuǎn)彎等動作，并且工作環(huán)境是在沙漠中，因此選用兩個發(fā)動機(jī)，分別對左右車輪進(jìn)行控制。機(jī)器的輪子選用履帶式。這樣能在實現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)彎的同時保證機(jī)器在沙漠中行駛的平穩(wěn)性。發(fā)動機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與減速箱的輸入軸相連，減速箱減速后的輸出軸通過聯(lián)軸器與車后驅(qū)動輪軸相連。同一側(cè)的各車輪由履帶相連。中間的車輪延伸出一個傳動軸，上裝有皮帶輪，鋪設(shè)機(jī)構(gòu)兩滾筒軸分別裝有皮帶輪、齒輪。皮帶輪尺寸相同。兩個皮帶輪由皮帶直接連接，再設(shè)置一根傳動軸，上裝有齒輪，尺寸與滾筒齒輪相同并與齒輪嚙合。這樣就可以完成鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的工作任務(wù)，即車在前進(jìn)的時候車輪帶動一個滾筒轉(zhuǎn)動，然后再通過齒輪帶動另一個滾筒同速異向轉(zhuǎn)動。在車輪與滾動的連接中還應(yīng)該設(shè)計一個簡單的變速箱，像汽車一樣，擁有空擋和多個變速擋位。當(dāng)處于空擋時，車輪與滾筒之間的連接將斷開，只有當(dāng)擋位處于工作擋時，車輪才與滾筒之間建立連接，這樣就可以使車輛單純移動位置，并非進(jìn)行壓草工作時節(jié)省能源損耗，而且可以適應(yīng)機(jī)器的不同移動速度，以便提高鋪設(shè)的效率。設(shè)計在車尾部的壓草機(jī)構(gòu)通過電磁換向液壓裝置進(jìn)行單獨(dú)控制，車輛動作且非壓草工作時保持抬起，在進(jìn)行壓草工作時控制其壓入沙中，隨車輛運(yùn)動，完成整個鋪設(shè)壓草任務(wù)。

此模型運(yùn)用了模塊化設(shè)計，把總功能分解成鋪設(shè)功能、壓草功能等幾個部分。再根據(jù)草方格沙障各個功能制作的相關(guān)要求來完成每個部分的設(shè)計。

2 鋪設(shè)機(jī)構(gòu)

鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的主要作用是把草料按照特定的要求鋪在沙地上，這也是制作草方格沙障的第一步。對于鋪設(shè)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計，首先分析鋪設(shè)的主要對象——草稈。為了便于運(yùn)輸和收集，這種草稈都是提前整理加工好的，將一根根草稈編制成“草席”，與生活中的涼席一樣，一捆一捆地打包好，每捆直徑達(dá)到1 m左右[10]，草稈的長度按照實際鋪設(shè)草方格的需要而加工整理出來。運(yùn)用因果異同聯(lián)想創(chuàng)新設(shè)計，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工作業(yè)進(jìn)行鋪設(shè)。經(jīng)過觀察分析，家中壓面條機(jī)器的工作原理或許可以滿足該設(shè)計需求。在壓面條時，將醒好的面團(tuán)放在機(jī)器兩個滾筒之間，然后轉(zhuǎn)動手柄通過齒輪傳動帶動兩個滾筒轉(zhuǎn)動，面團(tuán)與滾筒之間的有益摩擦力很大，所以滾筒對面皮會有向下的力，加上面皮自身的重力，就能將它“拉”下來平鋪在下面。下來的同時需要有人接住，不然就會堆在一起，剛好機(jī)器也是邊走邊鋪設(shè)，只要保證二者速度一致，就不會出現(xiàn)草料堆積、無法下壓的情況了。

提前整理編制好的草料可以當(dāng)作將要下壓的面團(tuán)，根據(jù)壓面條機(jī)的原理進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，可以達(dá)到想要的效果。設(shè)計兩個相互平行并且直徑相同的滾筒，保證兩個滾筒之間有一定的縫隙能使鋪設(shè)草方格沙障的材料通過。

綜上所述，對鋪設(shè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，要實現(xiàn)鋪草的功能，兩個滾筒應(yīng)該轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反。對此，可以在兩個滾筒的同一端加裝兩個完全相同而且相互嚙合的齒輪，以滿足轉(zhuǎn)動同步且轉(zhuǎn)向相反的需求?？紤]到草料和滾筒間的摩擦力很小，為防止鋪設(shè)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時草料打滑無法卷入，使鋪設(shè)草方格沙障效果更好，在兩滾筒表面增加了許多凸起的疙瘩。在鋪設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時，兩個滾筒間的疙瘩會卡住草料并將草拉入，隨草方格鋪設(shè)機(jī)器的直線運(yùn)動將草料平鋪到地面上?？紤]到鋪設(shè)草料的速度要與機(jī)器行走速度相匹配，故需要滾筒表面的線速度要與機(jī)器前進(jìn)的速度大小相同，即與履帶行駛的線速度大小相同。由于滾筒和動力源之間的傳動比都是1∶1的關(guān)系，沒有進(jìn)行變速設(shè)計，所以只要保證滾筒的直徑和履帶輪的尺寸相同就可以實現(xiàn)鋪設(shè)草料的速度與機(jī)器前進(jìn)的速度大小相同。滾筒的長度是根據(jù)鋪設(shè)草方格沙障所用草料的長度來設(shè)計的，一般在1 m左右。

3 壓草機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)人工制作草方格沙障是將草料先均勻地鋪在地上，然后用平頭鐵鍬一腳一腳地把草扎進(jìn)土里完成壓草工作。需要人工反復(fù)使用平頭鐵鍬把鋪設(shè)好的草料扎入沙中這個動作，可想而知效率會非常低。而且人工壓草不能保證每次使用的力度都相同，這樣鋪設(shè)出來的草方格可能會使草插入土里的深度不同，從而影響草方格沙障的質(zhì)量。這個步驟相對來說動作比較單一，完全可以用一個機(jī)構(gòu)來代替完成。對于壓草機(jī)構(gòu)的設(shè)計，根據(jù)人工的工作方式去思考如何把草扎進(jìn)土里：設(shè)想用一個圓盤代替鐵鍬來完成這一工作，即圓盤繞其中心軸轉(zhuǎn)動，將其固定到鋪設(shè)機(jī)器的后方，當(dāng)前面鋪設(shè)機(jī)構(gòu)鋪草進(jìn)行的同時，隨著機(jī)器的向前運(yùn)動，加上機(jī)器自身的重力和前進(jìn)的拉力，即可將前面鋪設(shè)好的草料壓進(jìn)沙里。這樣就可以連續(xù)把草壓進(jìn)土里，并且保證壓入的深淺一致。在圓盤與機(jī)身的連接處加上一個液壓缸，它可以根據(jù)不同的環(huán)境需求來調(diào)整草料被壓入的深度，同時在不工作時把壓草機(jī)構(gòu)抬起，減小機(jī)器運(yùn)動的阻力。通過與電磁換向液壓缸連接，實時進(jìn)行控制。

4 推土機(jī)構(gòu)

考慮到沙漠化地區(qū)風(fēng)沙流動性比較大，導(dǎo)致出現(xiàn)地面凹凸不平的情況。所以本設(shè)計增加了推土機(jī)構(gòu)。推土機(jī)構(gòu)工作時把它的底面降至與履帶和地面接觸面在同一水平線，主要作用是在機(jī)器工作時可以把機(jī)器前面凹凸不平的沙土盡量推得平整些，提高鋪設(shè)草方格沙障的質(zhì)量，同時也要盡可能地降低阻力，減小能耗。在傳統(tǒng)推鏟的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)，把前面的平板設(shè)計成V型，這樣前進(jìn)時能使土向兩邊分散，從而達(dá)到降低阻力、節(jié)約能源的效果。通過與電磁換向液壓缸連接，實時進(jìn)行控制。

5 整體裝配

鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的兩個滾筒尺寸相同，把它們水平放置，二者之間保留較小的間隙，工作時保證同速異向轉(zhuǎn)動，對兩滾筒兩側(cè)進(jìn)行包裹保護(hù)，防止草料意外卷入導(dǎo)致堵塞，上下設(shè)置保護(hù)導(dǎo)向板，讓草料有明確的進(jìn)出方向。草方格鋪設(shè)機(jī)裝配模型如圖1所示。

圖1 草方格鋪設(shè)機(jī)裝配模型

壓草圓盤1為從邊緣到圓心逐漸加厚的圓盤。這樣能夠在保證一定強(qiáng)度的前提下使壓草阻力減小，便于草料的壓入。將支架2連接到箱體上，支架2中放有彈簧減震裝置，以便在機(jī)器工作時對壓草機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。液壓缸3一端連接箱體4，另一端液壓桿與支架2連接，液壓缸3伸縮，使支架2繞著與箱體4連接處的插銷軸線上下轉(zhuǎn)動，對圓盤1的高度進(jìn)行調(diào)整。箱體4為長方形的板子。變速箱5由齒輪副和變速箱外殼組成，變速箱5通過聯(lián)軸器與驅(qū)動輪11的軸連接，變速箱5有兩個，分別驅(qū)動機(jī)器左右履帶，可以單獨(dú)控制。料倉6由兩塊傾斜放置的長方形擋板和兩旁的箱體擋板組成。料倉下面安裝有保護(hù)罩7。鋪草裝置主要由兩個表面粗糙的滾筒8組成。兩個滾筒為空心的，且軸線在水平面內(nèi)平行。兩個滾筒中間留有一定的距離，此距離可以根據(jù)鋪草的情況進(jìn)行調(diào)整。滾筒8上面安裝有兩個保護(hù)罩7。滾筒8軸的一端安裝一個皮帶輪，皮帶輪使用V型帶與下方的皮帶輪連接。兩個滾筒的同一端裝有一對嚙合的齒輪，保證滾筒8轉(zhuǎn)動時方向相反。驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時帶動滾筒轉(zhuǎn)動。機(jī)器工作時通過液壓系統(tǒng)把推鏟9放下，并調(diào)整到合適位置。將整理好的草料放入料倉，滾筒8轉(zhuǎn)動把料倉中的草料鋪在地上。隨后在圓盤1的壓力作用下，草被壓入沙中。部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 部分技術(shù)參數(shù)

6 結(jié)語

本設(shè)計通過并行設(shè)計、因果異同聯(lián)想創(chuàng)新、還原創(chuàng)新原理和功能集成等現(xiàn)代設(shè)計方法在設(shè)計原則的約束下利用了液壓傳動等技術(shù)，同時結(jié)合PLC控制器與電磁換向閥控制相關(guān)機(jī)構(gòu)，使機(jī)器能自動完成草方格沙障的鋪設(shè)作業(yè)，實現(xiàn)了機(jī)械自動化。在解放勞動力的同時提高治沙速度和質(zhì)量。其體積在1.5 m*1.2 m*1.2 m（長*寬*高）之內(nèi)，實現(xiàn)小巧靈活便于運(yùn)輸?shù)耐瑫r降低成本。