張 宇，王慧明，趙培琪，劉仁斌，李 瑞，張譯心

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870)

0 引言

隨著人口基數(shù)不斷擴(kuò)大、活動(dòng)地區(qū)快速擴(kuò)張以及對(duì)糧食與其他資源的需求急劇增加，土地荒漠化愈發(fā)嚴(yán)峻，我國有近三分之一的國土面積飽受風(fēng)沙襲擾，嚴(yán)重制約了我國西北部的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為解決上述問題，我國大規(guī)模進(jìn)行了草方格鋪設(shè)、防沙林種植等，耗費(fèi)大量人力，因此荒漠作業(yè)機(jī)械化必不可少。

荒漠作業(yè)機(jī)械化相較于人工種植具有種植效率高、工作迅速、操作簡便和治沙效果好等明顯優(yōu)勢(shì)，而固沙機(jī)械則是實(shí)現(xiàn)荒漠作業(yè)機(jī)械化的基礎(chǔ)，對(duì)我國沙漠治理的成功起決定性作用。因此，本文針對(duì)固沙機(jī)械展開分析與探討。

1 固沙機(jī)械的定義及分類

固沙機(jī)械是用于代替或輔助人工固沙的，為固沙工程提供動(dòng)力、送料、開溝和固定等幫助的，可自動(dòng)或半自動(dòng)運(yùn)行的機(jī)械裝置，其廣泛應(yīng)用于現(xiàn)階段荒漠治理。目前，我國的固沙機(jī)械通常是以防治沙漠化技術(shù)為依據(jù)，治沙技術(shù)主要分為工程固沙技術(shù)、生物固沙技術(shù)和化學(xué)固沙技術(shù)，與之對(duì)應(yīng)的固沙機(jī)械分別為工程固沙機(jī)械、生物固沙機(jī)械和化學(xué)固沙機(jī)械。

1.1 工程固沙機(jī)械

工程固沙機(jī)械是制造鋪設(shè)以蘆葦、尼龍網(wǎng)、鵝卵石等為原材料的沙障，阻擋沙礫移動(dòng)、改變風(fēng)沙流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防風(fēng)固沙的機(jī)械裝置，其主要應(yīng)用于長時(shí)期存在且不斷向外擴(kuò)張的沙漠[1]。

“防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器人”項(xiàng)目就是早期的工程固沙機(jī)械，其主要結(jié)構(gòu)有橫向插草裝置與縱向鋪設(shè)裝置[2]。橫向插草裝置是利用鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)定向送料，再通過不完全齒輪嚙合使三把插刀豎直移動(dòng)完成間歇性插草，由液壓馬達(dá)與另一組不完全齒輪使送料與插草過程相互配合、連貫作業(yè)，最終完成橫向鋪設(shè)；縱向鋪設(shè)裝置[3]結(jié)構(gòu)簡單、破壞性小、效率高，是采用自動(dòng)送草機(jī)構(gòu)將草均勻鋪設(shè)在行駛軌跡上，再利用液壓缸與壓形輪配合，完成縱向鋪設(shè)。

1.2 生物固沙機(jī)械

生物固沙機(jī)械是用于種植防沙林、梭梭等植物，利用植物根系來固土保水、修復(fù)生態(tài)的機(jī)械裝置。因生物固沙技術(shù)具有難以適應(yīng)極端風(fēng)沙環(huán)境、生長周期長、可修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)等特點(diǎn)[4]，所以通常應(yīng)用于工程固沙后的荒漠或者新形成的沙漠。

徐高興等[5]研發(fā)的梭梭播種機(jī)具有開溝器、排種器、排沙器和地輪結(jié)構(gòu)，并通過鏈條實(shí)現(xiàn)排種軸、排沙軸、地輪的同步傳動(dòng)，具有自動(dòng)出種出沙、高效播種、均勻行距等特點(diǎn)，通常與縱向草帶配合使用；曾祥平[6]發(fā)明的梭梭播種機(jī)包括驅(qū)動(dòng)輪、儲(chǔ)料箱、開溝器、伸縮桿以及下料筒，雖不能根據(jù)沙地特征調(diào)節(jié)種植深度，但也解決了開溝裝置不能伸縮的問題。

1.3 化學(xué)固沙機(jī)械

化學(xué)固沙機(jī)械是可儲(chǔ)存、噴灑化學(xué)粘合劑，形成固結(jié)層緊貼流沙表面，以隔絕氣流與沙層，從而固沙保水的機(jī)械裝置。由于傳統(tǒng)的化學(xué)粘合劑存在二次堿性污染、無法降解等問題，因此會(huì)造成植株燒苗的窘狀[7]，其主要針對(duì)特殊地域或小范圍的荒漠治理，難以大規(guī)模使用。

丁國棟等[8]研發(fā)的液體固沙劑噴施及固結(jié)層切割裝置利用儲(chǔ)存箱與壓力裝置噴灑作業(yè)，隨后通過軸向輪系切割片劃分，在化學(xué)固沙的同時(shí)保證沙地網(wǎng)格化，進(jìn)而形成網(wǎng)格固結(jié)層，可減小化學(xué)固沙技術(shù)的副作用，降低沙層溫度，利于植株生長。另外還存在以清潔能源為動(dòng)力的裝置，如繆江橋的太陽能固沙劑噴灑拖車[9]，以太陽能為供電源，將固沙劑與沙粒攪拌，壓成沙墻，并加熱固定，形成縱橫交錯(cuò)的沙墻陣，從而防風(fēng)固沙。

2 固沙機(jī)械研究現(xiàn)狀

針對(duì)風(fēng)沙肆虐、水土流失嚴(yán)重、沙丘流動(dòng)性強(qiáng)及生態(tài)環(huán)境脆弱的環(huán)境現(xiàn)狀，我國制定政策并對(duì)防風(fēng)治沙的投入持續(xù)加大。以“防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機(jī)器人”項(xiàng)目為開端，眾多科研人員積極投身各類固沙機(jī)械設(shè)計(jì)與研發(fā)中，固沙機(jī)械產(chǎn)品層出不窮。

2.1 我國固沙機(jī)械研究現(xiàn)狀

2.1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

針對(duì)固沙機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，董麗[10]探討了氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人的可能性，并為草方格鋪設(shè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了氣動(dòng)系統(tǒng)，也可為其他氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供參考。針對(duì)草方格鋪設(shè)機(jī)器人的切割機(jī)構(gòu)，孫術(shù)發(fā)等[11]側(cè)重研究了橫向切割機(jī)構(gòu)，對(duì)切割機(jī)構(gòu)建模和動(dòng)力學(xué)仿真，確保切割機(jī)構(gòu)的可行性和合理性。針對(duì)固沙機(jī)械的輪系移動(dòng)系統(tǒng)，楊博[12]從輪寬尺寸出發(fā)，在保證鋪設(shè)機(jī)構(gòu)與牽引車動(dòng)力匹配的前提下，利用有限元分析，得到輪寬適用范圍，所建立的輪系有限元模型對(duì)在沙地的滾動(dòng)工作機(jī)具有參考意義。

2.1.2 性能分析及適應(yīng)性研究

陸懷民等[13]以我國北部荒漠為樣地，研究了防風(fēng)固沙草方格機(jī)器人的沙漠通過性，給出預(yù)測(cè)機(jī)器人通過性模型，供用戶購置參考。潘海兵[14]研究草方格鋪設(shè)機(jī)器人的振動(dòng)系統(tǒng)，分析振源并重點(diǎn)剖析垂直方向振動(dòng)，通過條件假設(shè)建立了六自由度的振動(dòng)力學(xué)模型，并轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，為振動(dòng)系統(tǒng)的通性研究提供參考，推進(jìn)了鋪設(shè)機(jī)器人的后續(xù)發(fā)展。

2.2 我國固沙機(jī)械存在的問題

雖然我國荒漠治理已經(jīng)取得初步成果，但仍存在如下問題：現(xiàn)階段對(duì)荒漠治理的持續(xù)投入不足，多數(shù)科研成果停留在論文、專利等理論階段[15]，未能形成實(shí)體產(chǎn)品。我國沙地多為流動(dòng)沙丘，常規(guī)大型機(jī)械難以進(jìn)入，多數(shù)以人工種植為主，耗費(fèi)大量人力且無法達(dá)到治理效果，因此需要小型固沙機(jī)械彌補(bǔ)空缺。我國各地沙地特征差異極大，同種裝置很難在不同沙地工作，無法實(shí)現(xiàn)治沙機(jī)械的通用化。

3 固沙機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)

為保證荒漠作業(yè)機(jī)械化水平逐步提升，實(shí)現(xiàn)固沙機(jī)械更好的發(fā)展，本文結(jié)合現(xiàn)階段固沙機(jī)械存在的問題，探究其未來的發(fā)展趨勢(shì)：

(1) 考慮到流沙環(huán)境中的通過性，固沙機(jī)械需由傳統(tǒng)的大型裝置逐漸向小型化、自動(dòng)化和智能化靠齊。

(2) 針對(duì)荒漠環(huán)境特征復(fù)雜等問題，需加強(qiáng)研制具有針對(duì)性的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝置的模塊化，即解決現(xiàn)有裝置缺乏針對(duì)性的問題且節(jié)約研發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)通用化。

(3) 針對(duì)機(jī)械裝置成本過高、難以形成固沙產(chǎn)業(yè)鏈、無法持續(xù)性發(fā)展等問題，我們需優(yōu)化機(jī)構(gòu)與改良原料，以降低成本，促進(jìn)固沙產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)語

固沙機(jī)械的設(shè)計(jì)研發(fā)在我國荒漠治理的進(jìn)程中起到了巨大的推進(jìn)作用，為實(shí)現(xiàn)沙漠變綠洲的目標(biāo)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著固沙機(jī)械未來逐步向小型化、模塊化和智能化方向發(fā)展，現(xiàn)階段存在的問題皆會(huì)迎刃而解；未來的固沙機(jī)械一定可以以最小的投入達(dá)到最佳的治理效果，更好地提高荒漠作業(yè)的機(jī)械化水平，形成良好的固沙工業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)荒漠變綠洲的夢(mèng)想！