劉智豪，石佳磊，郭朝陽，魏若旭，李 兵

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，西安 710300）

隨著我國綠色環(huán)保事業(yè)的不斷發(fā)展，植樹造林工作不斷深入，沙漠戈壁植樹工作大力開展，各類種植機(jī)械層出不窮。沈陽大學(xué)的關(guān)佳征[1]設(shè)計了一款戈壁沙漠植樹機(jī)器人，可在各類復(fù)雜地形中實現(xiàn)樹苗的轉(zhuǎn)運(yùn)、樹坑挖掘、樹苗栽種和土壤夯實等一系列作業(yè)。南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院的殷勁松等[2]設(shè)計了一款小型全自動植樹機(jī)，通過對電機(jī)的控制完成鉆孔、植苗和填土等一系列種植工作。遼寧科技大學(xué)的馬浩欽等[3]對沙漠自動植樹機(jī)器人進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，該植樹機(jī)器人以太陽能為能量來源，設(shè)計的可改裝底盤裝置可適應(yīng)沙漠地形作業(yè)；設(shè)計的分選轉(zhuǎn)盤裝置可實現(xiàn)分苗作業(yè)；設(shè)計的澆水儲水裝置可實現(xiàn)種植完成后對樹苗進(jìn)行噴水作業(yè)。新疆石河子炮臺土壤改良試驗站的朱擁軍等[4]針對新疆戈壁沙漠環(huán)境特點，采用滴灌方法對榆樹進(jìn)行種植，實現(xiàn)對荒漠環(huán)境改良的目的。甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院的白仕瓏等[5]針對山地丘陵等復(fù)雜地形，設(shè)計了一款多功能自動鋪膜裝置，可有效解決薄膜拉緊、節(jié)省工時等問題，極大地提高了鋪膜效率。蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院的李衛(wèi)衛(wèi)等[6]設(shè)計了一種多功能立體沙漠壓沙種草機(jī)，可實現(xiàn)秸稈鋪設(shè)和種草的目的。

基于以上研究，本文介紹一款轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)，可很好地完成機(jī)械設(shè)備在沙漠中鉆孔、儲苗、植樹和覆土一系列作業(yè)。

1 轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)由鉆孔單元、旋轉(zhuǎn)盤植樹單元、覆土單元和設(shè)備車體構(gòu)成。以直徑為1～2 cm、高35～55 cm 的樹苗作為研究對象，整體結(jié)構(gòu)尺寸均以此作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。圖1 為轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)設(shè)計圖。圖2為整機(jī)運(yùn)動流程圖。

圖1 轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)設(shè)計圖

圖2 整機(jī)運(yùn)動流程圖

首先，將栽植樹苗放置在旋轉(zhuǎn)盤植樹單元的儲苗管內(nèi)，開啟電源，鉆孔單元在地面打孔；其次，驅(qū)動電機(jī)啟動，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)前進(jìn)，將旋轉(zhuǎn)盤植樹單元的出苗口移動至鉆孔上方，旋轉(zhuǎn)盤植樹單元中轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)至樹苗儲苗管、出苗管與地面空洞三者同軸心時，輸苗落入孔洞內(nèi)；然后，驅(qū)動電機(jī)再次啟動，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)前進(jìn)，覆土單元將兩側(cè)沙土覆蓋在樹苗兩側(cè)固定樹苗，完成1 次種植，后續(xù)重復(fù)以上流程；最后，種植結(jié)束，關(guān)閉電源。

1.1 鉆孔單元設(shè)計

鉆孔單元需在沙漠中進(jìn)行鉆孔作業(yè)，由步進(jìn)電機(jī)、連桿、直桿、軸用軸承和鉆頭5 部分組成。整體運(yùn)動采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)帶動曲柄連桿運(yùn)動，鉆頭與直流電機(jī)連接固定在一起，鉆頭進(jìn)行豎直方向往復(fù)運(yùn)動，從而實現(xiàn)在沙漠種植時鉆孔作業(yè)。根據(jù)樹苗尺寸范圍，孔深最大可達(dá)30 cm。圖3 為鉆孔單元。

圖3 鉆孔單元

1.2 旋轉(zhuǎn)盤種植單元

旋轉(zhuǎn)盤種植單元分為儲苗部分與出苗部分，由儲苗管、空心轉(zhuǎn)盤、主動輪、從動輪、步進(jìn)電機(jī)、出苗管和支架幾部分組成。

空心轉(zhuǎn)盤分為上下2 部分，下部分通過支架固定，連接主動輪、步進(jìn)電機(jī)及出苗管，上部分連接儲苗管、從動輪。將輸苗存儲在儲苗管內(nèi)，設(shè)備運(yùn)動，使得出苗管出口運(yùn)動至與鉆孔單元孔洞同軸心。步進(jìn)電機(jī)提供動力，連接主動輪帶動從動輪使空心轉(zhuǎn)盤上部分旋轉(zhuǎn)，當(dāng)儲苗管與出苗管同軸心時，即此時存有樹苗的儲苗管、出苗管及孔洞3 者同軸心，儲苗管內(nèi)樹苗通過出苗管落入孔洞中，完成樹苗種植作業(yè)。圖4 為旋轉(zhuǎn)盤種植單元。

圖4 旋轉(zhuǎn)盤種植單元

1.3 覆土單元設(shè)計

覆土單元主要負(fù)責(zé)在樹苗種植后的沙土回填，覆土單元由U 型支架、立方桿及覆土盤幾部分組成，兩側(cè)的覆土盤通過U 型支架固定在車體后側(cè)，傾斜角度可根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整。由車體運(yùn)動從而帶動覆土盤前進(jìn)，將兩側(cè)的沙土回填到樹苗孔洞內(nèi)固定樹苗，減少人工成本。圖5 為覆土單元。

圖5 覆土單元

1.4 設(shè)備車體設(shè)計

設(shè)備車體包括驅(qū)動輪和車架，安裝有供電設(shè)備與控制裝置，整體通過要以保證整體設(shè)備的控制運(yùn)動。由邁克MC 遙控器發(fā)射信號，作用于電子調(diào)速器，電子調(diào)速器將12 V 電流轉(zhuǎn)為可控電流作用于直流電機(jī)，實現(xiàn)了對直流電機(jī)的控制，進(jìn)而可實現(xiàn)對車體的運(yùn)動控制。圖6 為設(shè)備車體設(shè)計。

圖6 設(shè)備車體

2 運(yùn)動仿真分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，使用Adams 2016 軟件對鉆孔單元，進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，以確定其最終合理設(shè)計尺寸[7]。根據(jù)樹苗長度直徑及種植深度，確定曲柄長度LAB=12.5 cm，連桿長度LBC=17.5 cm，滑塊最大行程為Smax=LAB+LBC，最小行程為Smin=|LAB-LBC|，即打孔作業(yè)時，鉆頭在5～30 cm 范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。圖7 為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)原理圖。

圖7 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)原理圖

在給定連桿尺寸情況下進(jìn)行動態(tài)仿真分析，仿真時間設(shè)置為60 s，步數(shù)為700。最終得到曲柄搖桿的位移、速度和加速度的曲線圖，根據(jù)經(jīng)驗分析可知設(shè)計滿足要求。圖8 為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性分析。

圖8 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析圖

通過對轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)各單元機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及對打孔單元的運(yùn)動分析，裝配后得到沙漠種植機(jī)的整體模型。該設(shè)備不受場地的限制，可以適應(yīng)多種環(huán)境，應(yīng)用廣泛；自動化程度高，大量地減少了人工的成本，操作簡單后期維修保養(yǎng)成本底；使用遙控控制整體機(jī)械可操作空間，容錯率大大提高；采用科學(xué)的方式精準(zhǔn)計算打孔深度提高了樹苗的存活率。圖9 為轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)整體三維模型。

圖9 轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)三維模型

3 結(jié)束語

設(shè)計的轉(zhuǎn)盤式沙漠種植機(jī)代替了人工，可在更少時間內(nèi)完成更多工作，提高沙漠植樹效率。在技術(shù)實現(xiàn)方面，該裝置的結(jié)構(gòu)按照現(xiàn)有車體的尺寸及設(shè)計的空間布局進(jìn)行設(shè)計，適用性強(qiáng)。采用常見的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制成本更低，實用性高。動力及運(yùn)動方面，消耗功率小，整體操作方便，簡單靈活，后期維護(hù)成本低。其由打孔單元、旋轉(zhuǎn)羅盤單元、驅(qū)動單元和覆土單元組成，操作簡單種植效率高、樹苗存活率高，極大地減少人工成本。不僅對我國防風(fēng)固沙、沙漠綠化有很大益處，還可以產(chǎn)生較大的社會效益。