陳翔 曹占龍 彭立軍 龔青山 譚浩

摘要：為治理土地荒漠化，實(shí)現(xiàn)防風(fēng)、固沙、植被培養(yǎng)功能，基于三維軟件設(shè)計(jì)了一種防風(fēng)固沙、植被種植培養(yǎng)機(jī)械裝置。該裝置主要由種子植入裝置、配套種植機(jī)械等組成，經(jīng)過各部分平穩(wěn)、連續(xù)的作業(yè)，最終將培育好的幼苗及特制種子倉植入沙地中，幼苗在種子倉的保護(hù)下成長(zhǎng)，達(dá)到治理土地荒漠化的效果。對(duì)本裝置進(jìn)行了總體電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用有限元軟件對(duì)裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，根據(jù)最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)制造了裝置實(shí)物樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)和測(cè)試。結(jié)果表明，該裝置能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，種子植入裝置能正常展開工作，配套種植機(jī)械可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾取、植入等動(dòng)作，對(duì)治理土地荒漠化具有較高實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：生態(tài)防護(hù)；防風(fēng)；固沙；植被培養(yǎng)；有限元分析

中圖分類號(hào)：S223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.008

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 02-0046-07

The Design of a Windbreak and Sand Fixation Vegetation Cultivation Machine

CHEN Xiang¹，CAO Zhanlong²，PENG Lijun¹，GONG Qingshan²，TAN Hao³

（ 1.?Science and Technology College， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442000，?China;?2.?College of Mechanical Engineering，?Hubei University of Automotive Technology，?Shiyan 442000，?China;?3.?Digital Department，?Dongfeng Commercial Vehicle Co.， Ltd.， Shiyan 442000，?China?）

Abstract：In order to control land desertification and realize the functions of windbreak， sand fixation and vegetation cultivation， a mechanical device is designed based on three-dimensional software. The machine?is mainly composed of seed implantation device， supporting planting machinery and other modules. After smooth and continuous operation of each module， the cultivated seedlings and special seed storehouse are finally implanted into the sandy land. The seedlings grow under the protection of the seed storehouse， which?finally achieve the effect of controlling land desertification. The overall electronic control system of the device was designed， and the key structure of the device was analyzed and optimized by using finite element software. According to the final optimized structure， the physical prototype of the device was manufactured and experiments?and tests?were carried out. The results show that the device can realize the corresponding function， the seed implantation device can work normally， and the supporting planting machinery can implement automatic clamping， implantation and other actions.?The designed machine?has high practical application value for controlling land desertification.

Key words：ecological protection；wind-breaking；sand-fixing；vegetation cultivation；finite element analysis

隨著土地荒漠化侵蝕情況劇增，可用土地急劇減少，嚴(yán)重影響生活環(huán)境。工程固沙是目前國(guó)內(nèi)外解決土地荒漠化最直接有效的方法^[1]。對(duì)于工程固沙，國(guó)內(nèi)外多采用人工治理，效率低、工作環(huán)境惡劣，而機(jī)械化治理少有將防風(fēng)固沙、植被培養(yǎng)同時(shí)結(jié)合的機(jī)械裝置實(shí)例，更缺少與之相配套的投放機(jī)械。現(xiàn)今此類機(jī)械裝置，如仰鈞毅等^[2]設(shè)計(jì)的新型防風(fēng)固沙植物種子噴播車，基本只專注于一種治理功能。在沙漠、荒漠較為惡劣的環(huán)境下，種子生長(zhǎng)初期不受保護(hù)，種子噴播法治理種子成活率低。李衛(wèi)衛(wèi)等^[3]設(shè)計(jì)了一種多功能沙漠壓沙種草機(jī)，通過在沙地中鋪設(shè)草方格，并在埋入的秸稈附近進(jìn)行播種，達(dá)到鋪設(shè)草方格沙障和種草的目的。但單一鋪設(shè)草方格治理效果不顯著，草方格衰敗周期短，不利長(zhǎng)期治理，需定期鋪設(shè)，治標(biāo)不治本。李小東等^[4]提出，依靠人海戰(zhàn)術(shù)、人工治理這一傳統(tǒng)方式在荒漠化面前是力不從心的。為此，本文設(shè)計(jì)了一種種子植入裝置，能在防風(fēng)固沙的同時(shí)，保障裝置內(nèi)預(yù)設(shè)的原生植物生長(zhǎng)的集成一體化裝置，并且提出一種配套種植機(jī)械，使該裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)投放。

1 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該防風(fēng)固沙植被培養(yǎng)機(jī)械如圖1所示，主要包含種子植入裝置、配套種植機(jī)械、沙漠地形車。配套種植機(jī)械通過橫向抓手機(jī)構(gòu)，批量抓取種子植入裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械化植入工作?？紤]到裝置工作環(huán)境較為惡劣，配套種植機(jī)械為模塊化設(shè)計(jì)，以沙漠地形車為載體，所有控制采用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）和單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行，以提高穩(wěn)定性^[5]。整體機(jī)械尺寸為：總高度1520 mm，總寬度250 mm，最大長(zhǎng)度1090 mm，最小長(zhǎng)度650 mm。

模塊化設(shè)計(jì)的配套種植機(jī)械可安裝在多種類車型上。當(dāng)安裝在沙漠地形車上時(shí)，可直接開展工作，將創(chuàng)新設(shè)計(jì)的種子植入裝置機(jī)械化植入沙壤。工作流程如圖2所示。

按照工作要求和工況條件，采用的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)拆分每個(gè)功能，每個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)功能。出于試驗(yàn)安全考慮，五個(gè)電機(jī)均采用24 V直流電機(jī)，使用電源轉(zhuǎn)換器將220 V交流電轉(zhuǎn)換為24 V所需電壓。算得參數(shù)如表1、表2所示。

1.2 種子植入裝置結(jié)構(gòu)

該裝置的防風(fēng)固沙設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是通過增大荒漠的表面粗糙程度，使風(fēng)的流經(jīng)過程受到阻礙，將空氣中的機(jī)械能轉(zhuǎn)為裝置的機(jī)械能。通過機(jī)械能的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的降低，達(dá)到防風(fēng)效果。為使種子植入裝置實(shí)現(xiàn)鉆入容易、安置后展開固沙，其工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況如圖3（a）所示。當(dāng)種子植入裝置上方的防風(fēng)罩受到風(fēng)力時(shí)，構(gòu)件4向上移動(dòng)，擬設(shè)為原動(dòng)件，帶動(dòng)構(gòu)件3繞轉(zhuǎn)動(dòng)副C做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件2隨之繞轉(zhuǎn)動(dòng)副A做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)構(gòu)件3與構(gòu)件2運(yùn)動(dòng)到互相垂直的位置時(shí)，蹼爪張到最大，處于預(yù)設(shè)死點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)停止。此時(shí)構(gòu)件3受到沙土較大的反作用力，使整個(gè)裝置停止向上移動(dòng)，較為牢靠地固定在沙地、土壤中。

對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度計(jì)算：

F＝3n－（2P_L＋P_H） ????????????????（1）

式中：F為自由度；n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量；P_L為低副數(shù)量；P_H為高副數(shù)量。

該機(jī)構(gòu)共有：n＝3，P_L＝4，P_H＝0。

計(jì)算得：F＝1。

為增加穩(wěn)定性，該機(jī)構(gòu)設(shè)有虛約束。為提高裝置在荒漠的耐用度、減少機(jī)械故障，該機(jī)構(gòu)為低副機(jī)構(gòu)。經(jīng)過模擬分析，該裝置能按照預(yù)設(shè)情況，實(shí)現(xiàn)確定的展開運(yùn)動(dòng)。

以上述機(jī)械原理進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，種子植入裝置結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。改良的沙地鉆頭位于底部，通過配套種植機(jī)械的電機(jī)傳輸?shù)呐ぞ兀瑤?dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，將種子植入裝置鉆入沙地。保護(hù)罩起到保護(hù)蹼爪連接處脆弱部分的作用。含種子的種子倉隨種子植入裝置一起鉆入土壤，種子倉采用可降解材料制成，分解后可成為種子的營(yíng)養(yǎng)成分。仿生設(shè)計(jì)的蹼爪機(jī)構(gòu)可增大在沙地、土壤中的受力面積。

1.3?配套種植機(jī)械的方案

配套種植機(jī)械上方設(shè)有上機(jī)架，能帶動(dòng)電機(jī)沿Z軸進(jìn)給，并承受電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的主運(yùn)動(dòng)。夾手和上機(jī)架同步沿Z軸移動(dòng)，輸出給種子植入裝置一個(gè)向下鉆入的軸力和扭矩，使種子植入裝置鉆入沙壤。其主要功能是實(shí)現(xiàn)水平夾取動(dòng)作和植入動(dòng)作。

如圖4（a）所示，絲杠2在電機(jī)的作用下帶動(dòng)上機(jī)架在Z軸方向運(yùn)動(dòng)，與上機(jī)架通過螺柱連接的下機(jī)架也同步在Z軸方向運(yùn)動(dòng)。安裝在下機(jī)架上的絲杠6在電機(jī)的作用下帶動(dòng)滾輪式機(jī)械夾手在X軸方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行夾取。

如圖4（b）所示，上機(jī)架安裝在對(duì)角分布的兩對(duì)絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)Z軸方向進(jìn)給，上機(jī)架上安裝有鉆頭電機(jī)，為種子植入裝置提供扭矩。安裝在下機(jī)架上的絲杠機(jī)構(gòu)提供同樣安裝在下機(jī)架上的滾輪式機(jī)械夾手沿X方向的進(jìn)給，夾取等待的種子植入裝置，移動(dòng)到鉆頭電機(jī)下方等待植入。

相較于單絲杠進(jìn)給設(shè)計(jì)，雙絲杠進(jìn)給設(shè)計(jì)可抵消進(jìn)給時(shí)的扭轉(zhuǎn)力，進(jìn)而提高系統(tǒng)動(dòng)剛度，軸向固有頻率提升了38%^[6]。由于使用雙絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)，為提高兩軸同步，避免因負(fù)載變化出現(xiàn)上機(jī)架歪斜，采用許向榮等^[7]提出的模糊自適應(yīng)PID（Proportional-Integral-Derivative，比例－積分－微分）交叉耦合控制算法，有效減少進(jìn)給機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的誤差。

為實(shí)現(xiàn)植入功能，設(shè)計(jì)了一種能夾住旋轉(zhuǎn)桿的滾輪式機(jī)械夾手^[8]。在夾手上設(shè)計(jì)了三層、十二個(gè)對(duì)心排布的滾輪，以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，使夾手夾持種子植入裝置時(shí)，還能保留種子植入裝置旋轉(zhuǎn)的自由度。

如何將配套種植機(jī)械電機(jī)的動(dòng)力、扭矩傳遞到植入機(jī)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的嚙合和隨時(shí)分離的要求，是本研究的重點(diǎn)之一。初期，根據(jù)汽車離合器設(shè)計(jì)原理，并結(jié)合預(yù)設(shè)工作要求，設(shè)計(jì)了兩種方案的摩擦嚙合盤結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

方案1設(shè)計(jì)預(yù)采用平面接觸方式，通過接觸平面上設(shè)計(jì)的卡槽實(shí)現(xiàn)嚙合，進(jìn)行動(dòng)力傳遞，并且可以隨時(shí)嚙合、脫離。方案2采用仿錐齒輪外形設(shè)計(jì)，下方的仿錐齒輪外形部件為上小下大設(shè)計(jì)，使在兩部分還未接觸時(shí)，上方部件就能覆蓋下方部件。在兩零件存在同軸度誤差的情況下，夾取下方部件的夾手手臂處受力后可產(chǎn)生輕微彈性形變，使摩擦嚙合盤的中心軸線可以微調(diào)，進(jìn)而保證兩部件的完整嚙合。

摩擦嚙合盤是關(guān)鍵傳動(dòng)部件，通過嚙合起到傳遞扭矩和軸力的作用，校核并優(yōu)化該部分極為重要。通過ANSYS對(duì)該部位進(jìn)行真實(shí)工況的瞬態(tài)分析，進(jìn)行強(qiáng)度校核，并基于1.4節(jié)數(shù)據(jù)選定兩種設(shè)計(jì)方案中較優(yōu)的一個(gè)。

1.4?摩擦嚙合盤關(guān)鍵傳動(dòng)部位瞬態(tài)分析

設(shè)置運(yùn)動(dòng)副和摩擦，給上下設(shè)置為對(duì)地旋轉(zhuǎn)，模擬電機(jī)工作，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，施加載荷。對(duì)上側(cè)施加0.185 N·m的扭矩及131 N的力，模擬電機(jī)傳遞的扭矩和機(jī)架施加的軸力；下側(cè)施加360°的旋轉(zhuǎn)及131 N的支反力，模擬種子植入裝置工作時(shí)受到的沙土反作用力。結(jié)果如表3、圖6所示。可以看出，方案2的最大應(yīng)力比方案1降低約60%，方案2的最大應(yīng)變比方案1降低約43%。方案2各項(xiàng)性能優(yōu)于方案1，因此采用方案2為最終設(shè)計(jì)。

2 總體電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制方面選用了PLC控制，設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件如圖7所示。設(shè)計(jì)PLC的輸入點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)，包括上下限位開關(guān)（3點(diǎn)）、前后限位開關(guān)（3點(diǎn)）、夾手位置檢測(cè)（1點(diǎn)）、總開關(guān)控制（1點(diǎn)）；輸出點(diǎn)數(shù)為7點(diǎn)，包括電機(jī)1（2點(diǎn)）、電機(jī)2（2點(diǎn)）、電機(jī)3（1點(diǎn)）、電機(jī)4（2點(diǎn)）?？刂破鬟x用FX3U-16MR/ES-A機(jī)型，該P(yáng)LC I/O點(diǎn)分配為8輸入、8輸出，以滿足本次機(jī)械裝置控制的需要。

控制系統(tǒng)通過PLC實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)及動(dòng)作控制，自動(dòng)裝置控制系統(tǒng)流程^[9]，如圖8所示，主要分為系統(tǒng)控制電機(jī)啟動(dòng)、停止、檢測(cè)信號(hào)、循環(huán)運(yùn)行等。其中，T＝3 s為留給光電傳感器的檢測(cè)時(shí)間，同時(shí)讓系統(tǒng)擁有一定的安全裕度。

PLC主程序部分片段和控制系統(tǒng)實(shí)際接線如圖9、圖10所示。

3 實(shí)物樣機(jī)制造及測(cè)試

按照上述設(shè)計(jì)，制作了總體裝置實(shí)物樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖11所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，配套種植機(jī)械工作時(shí)需要向種子植入裝置傳遞較大的軸力，但鉆頭電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間承受軸力^[10]。為解決此問題，設(shè)計(jì)一種承受軸向力的結(jié)構(gòu)，如圖12所示。在摩擦嚙合盤上、聯(lián)軸器與電機(jī)支架之前，安裝一對(duì)推力圓柱滾子軸承，由推力圓柱滾子與聯(lián)軸器代替電機(jī)軸承受軸向力。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)不僅間接延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命，同時(shí)也使電機(jī)傳遞的扭矩恢復(fù)正常。

對(duì)改進(jìn)后的防風(fēng)固沙植被培養(yǎng)機(jī)械實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，在1 m×1 m×1 m的模擬沙箱一側(cè)每隔100 mm標(biāo)上標(biāo)記線，機(jī)械通電后，每隔50 s通過計(jì)時(shí)器和試驗(yàn)員的記錄進(jìn)行計(jì)算，模擬植入工作裝置的時(shí)間－植入深度數(shù)據(jù)，并與計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真誤差不大，完全植入需245 s，相較仿真快12%，存在土壤情況等誤差，實(shí)際植入效率比預(yù)計(jì)更高。

沙土表面風(fēng)速是荒漠化的動(dòng)力因素^[11]，經(jīng)受2.7 m/s沙漠平均風(fēng)速后，測(cè)量該裝置與同等高度、面積的樹苗及草方格的流經(jīng)風(fēng)速，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中，每隔5 min測(cè)草方格的流經(jīng)風(fēng)速作為參考風(fēng)速。得到圖14?？梢钥闯觯瑒偘仓玫姆N子植入裝置的防風(fēng)效果最佳，剛植入的樹苗容易被吹倒，效果最差。

測(cè)試結(jié)果證明，各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足工作需要，使該機(jī)械能較好地完成預(yù)設(shè)功能。種子植入裝置能在自動(dòng)控制的配套種植機(jī)械的工作下，批量植入土壤，在受到外力時(shí)，種子植入裝置打開，進(jìn)行防風(fēng)固沙工作。

4 結(jié)論

在荒漠、沙漠地區(qū)采用單一的治理模式如防風(fēng)、固沙、植被培養(yǎng)，效果不顯著。宜利用垂直空間同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上三種功能，并通過采用可降解材料、可回收裝置的重復(fù)使用，及機(jī)械化鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)成本降低。通過PLC控制電機(jī)，對(duì)空間上四根平行絲杠同時(shí)啟動(dòng)、停止，存在較大的不同步。經(jīng)過試驗(yàn)，采用對(duì)角排布設(shè)計(jì)并將其中兩根平行絲杠換成導(dǎo)軌，能降低絲杠運(yùn)行時(shí)的不同步。另外，對(duì)雙絲杠機(jī)構(gòu)采用模糊PID交叉耦合控制，減小不同步誤差。當(dāng)存在同軸度誤差時(shí)，需對(duì)兩軸進(jìn)行軸力和扭矩傳遞，設(shè)計(jì)的仿錐齒輪外形的摩擦嚙合盤結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸且能快速嚙合、瞬間分離，能較好地完成預(yù)設(shè)功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]何稼，吳敏，孟浩，等. 生物固土用于防風(fēng)固沙的研究進(jìn)展[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2021，27（6）：687-696.

[2]仰鈞毅，徐論，孫康，等. 一種新型防風(fēng)固沙植物種子噴播車的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2022，49（7）：54-58.

[3]李衛(wèi)衛(wèi)，張偉偉，趙振智. 一種多功能沙漠壓沙種草機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2019，299（20）：137-138.

[4]李小東，牟瑞，戴敏，等. 基于機(jī)械化的防沙治沙新模式[J]. 溫帶林業(yè)研究，2018，1（4）：58-62.

[5]趙文銳，劉晉浩，朱晨，等. 基于PLC的沙漠苗條栽植機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（4）：105-107.

[6]鹿群鵬，許向榮. 單、雙絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給單元建模和有限元模態(tài)分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（10）：48-50.

[7]許向榮，尚彤. 雙絲杠同步控制誤差建模與仿真分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2022，578（4）：52-56.

[8]李昊軒，王清巖，金贈(zèng)伍，等. 單機(jī)械手夾持狀態(tài)下鉆桿運(yùn)移平穩(wěn)性分析[J]. 鉆探工程，2022，49（3）：76-82.

[9]崔國(guó)華，王延強(qiáng)，蔡超志，等. 基于PLC的軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（1）：107-110.

[10]關(guān)麗坤，范增，任學(xué)平. 出鋼沖擊對(duì)不同傾角萬向接軸連接電機(jī)軸的影響[J]. 重型機(jī)械，2021（6）：47-51.

[11]李文濤，金阿芳，李虎，等. 不同類型風(fēng)沙環(huán)境下高速列車氣動(dòng)特性分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2022（6）：1-5.