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)。
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。
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
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
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
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
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
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。