沙漠草方格鋪設(shè)機的計算機輔助設(shè)計

劉思敏，晁顯志

（北方民族大學機電工程學院，寧夏 銀川 750021）

引言

目前我國的沙漠和沙漠化土地主要分布在西部及西北部的北緯37-42°之間，囊括了新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西、內(nèi)蒙古在內(nèi)的6 個省份，全國范圍內(nèi)大概有1/3 的國土面積正在面臨風沙侵害[1]。我國大約有4 億人直接或者間接受到荒漠化的影響，國家對沙化防治日益重視，先后推出相應(yīng)的法律法規(guī)和政策規(guī)劃，大力支持把科技創(chuàng)新加入到沙化治理中。經(jīng)過多年的不懈努力，中國土地荒漠化在全球范圍內(nèi)率先實現(xiàn)了零增長。

在對沙漠化及沙化規(guī)律研究和對國內(nèi)外防風固沙技術(shù)的對比中發(fā)現(xiàn)，削弱風沙侵蝕最有效的是工程治沙中的方格固定法。草方格沙障使用的原材料取材廣泛，多為稻草、秸稈等，沙障廢棄腐爛后能增加沙地的有機物含量，同時草方格沙障在沙面形成立體柵欄，可以截留沙漠的稀少降雨，間接為沙漠植物的生長涵養(yǎng)水分，草方格固沙與生物治沙相結(jié)合加科學有效的治理沙化。人工在沙漠和沙地的惡劣條件下鋪設(shè)草方格沙障具有很大的弊端，沙化治理速度遠小于沙漠化的速度，勞動強度大，工作效率低。無法在人沙的較量中取得優(yōu)勢，科學引用現(xiàn)代化機械裝備鋪設(shè)草方格沙障的方式取代人工鋪設(shè)方式，是在人沙較量中的合理選擇，故著手研究草方格沙障鋪設(shè)機具有重大意義。

一、主要技術(shù)指標

草方格的規(guī)格大小以地區(qū)風力而定，最常見且有效的規(guī)格為lm×lm，在地形起伏較小的沙面上lm×lm 草方格最為合理，也有一定的理論依據(jù)[2]。在部分地勢傾斜的迎風坡上，草方格可沿等高線適當加密處理。用插草刀將其從中部折壓入沙地里深度約20-25cm,沙面上露出20-30cm 就足以控制沙面風沙流動。出于安全考慮，草方格沙障每鋪設(shè)10m，另外人工隔離出一條寬度1m“Z”字型的防火通道，此寬度內(nèi)不埋設(shè)草料。

防風固沙草方格鋪設(shè)機主要由輪式牽引車與草方格鋪設(shè)機構(gòu)組成。輪式沙漠越野牽引車牽引輪式草方格鋪設(shè)機在沙漠中行走,牽引車的速度設(shè)定為0.5m/s。在計算機(中央控制器)控制協(xié)調(diào)下,安裝在草方格鋪設(shè)機上的縱向和橫向鋪設(shè)機構(gòu)完成沙地上的草方格沙障鋪設(shè)[3]。

表1 主要技術(shù)指標

二、橫向鋪草機構(gòu)和縱向鋪草機構(gòu)的改進

（一）輸送草機構(gòu)的改進

草方格縱向鋪草機構(gòu)和橫向鋪草機構(gòu)安裝在牽引車尾端,原利用草輥作為原材料，草輥上的草簾子根據(jù)引車輛每前進1 m 就由電動機輸送傳至橫向插草刀的底部鋪到沙面1m，剪切刀具將草簾子剪斷,橫向插草刀執(zhí)行插草動作一次。縱向鋪草機構(gòu)則安置在橫向鋪草機構(gòu)前方，只有壓草部分和橫向鋪草機構(gòu)不同?？v向鋪草機構(gòu)的壓草機構(gòu)采用一組同車輛前進方向一致的輪系實現(xiàn)，草簾被連續(xù)輸送平鋪到沙地表面，各組鋪設(shè)輪系沿著車輛前進的方向，從散草的中間部位將散草沿折起插入沙里。橫縱交叉就完成了草方格沙障的鋪設(shè)。當草輥上的草簾子用完時,液壓驅(qū)動橫向換草草輥實現(xiàn)一次自動換草[4]。

在上述的鋪草機構(gòu)中運用草輥雖然方便，但草簾需要在草簾編制機上編織厚度為8mm 的簾子，且由0.5m 的兩根尼龍繩扎起來。每個草輥卷起纏繞的草簾子長100m，草輥的直徑大約為1-1.2m。這樣的草輥需要向?qū)ｉT的草廠定制，且草輥上的尼龍繩需有專門的剪切機構(gòu)剪斷，草簾輸出到沙地上插壓時候需要剪切機構(gòu)將草簾剪斷，無形中會增加草方格沙障的鋪設(shè)成本和控制難度、精準度。草簾的厚度在編織時候就已經(jīng)固定，無法滿足多樣的作業(yè)環(huán)境對厚度的鋪設(shè)要求。采取散草直接鋪設(shè)，可以實時調(diào)整控制鋪草厚度，但是散草輸送也存在一定的難度，散草輸送過程中可能會出現(xiàn)梳理堵塞、輸送不連續(xù)、不均勻等問題。

因此本論文通過多方面研究在結(jié)合我國沙漠化具體情況，對防風固沙草方格鋪設(shè)機的橫向和縱向鋪設(shè)系統(tǒng)進行改進設(shè)計。

改進的新機構(gòu)主要由散草箱、間歇送草裝置、散草梳理裝置、傾斜承草口、履沙輪、旋轉(zhuǎn)式氣動插草部分等組成。散草箱在工作前裝滿待輸送的相對整齊的散草，這些散草經(jīng)間歇送草裝置作用下，相繼輸送到由馬達驅(qū)動的刮草刺輪處，旋轉(zhuǎn)的刮草刺輪對散草梳理，梳理過的優(yōu)質(zhì)散草經(jīng)由雙面齒形同步帶傳輸機構(gòu)送到傾斜承草板上。齒輪嚙合帶動輔助滾輪驅(qū)動裝置在牽引車到達給定1m 距離之后，傾斜成承草板調(diào)整角度將傾斜承草板上的散草滑送至沙面，鋪到縱向草方格沙障的寬為1m 空檔中，后由氣動插刀對準散草的中間部位，將散草沿折起插入沙里，完成這一動作后，插草刀迅速復位。散草輸送量、間斷時間與厚度的控制均由鏈傳動帶動草箱底部的間歇送草機構(gòu)實現(xiàn)對。散草壓下去會稍微散開，需用履沙輪由兩邊向中間攏沙，對已插入的草料進行加固處理，因風沙作用而將其拔起。圖1為橫向鋪草機構(gòu)三維模型

圖1 改進后橫向鋪草機構(gòu)三維模型

縱向機構(gòu)和橫向機構(gòu)改進一致，工作時，同橫向鋪草機構(gòu)中一樣將散草處理完畢，連續(xù)輸送散草平鋪到沙地表面，隨著牽引車輛的前進，鋪設(shè)輪系滾壓在散草上連續(xù)將散草從中間部位折起插入沙里，鋪設(shè)輪系后部的履沙輪壟起沙土將插壓完畢沙障進行加固。

（二）橫向插草機構(gòu)的改進

防風固沙草方格鋪設(shè)機的橫向插草采用元件結(jié)構(gòu)簡單適用性強的氣動技術(shù)，該氣動插草機構(gòu)由氣缸、連桿、導筒、插刀等機構(gòu)組成。為減小散草鋪下時被風吹亂的可能性，草方格沙障鋪草需要即鋪即壓，若插刀拔出速度較慢會將插入沙地里的草沙障帶出，破壞已完成的工作。為此插草機構(gòu)需要在速度和力度上進行提高。氣缸驅(qū)動插刀，位移、速度采用連桿進行放大，將插刀垂直插入，以提高插入速度。鋪設(shè)過程中牽引車向前行駛，在插刀垂直插入時，在接觸沙地的一瞬間，加速度的突然增大，將會對插刀產(chǎn)生剛性沖擊，進而導致整個橫向鋪設(shè)系統(tǒng)，乃至牽引車整車的振動。當插刀插入沙子后，插刀會受到沙子對施加的阻力，且阻力較大，容易造成插刀連桿無法承受過大的作用力而產(chǎn)生變形或彎曲。經(jīng)過多次仿真分析得出，旋轉(zhuǎn)式橫向插刀可加快插拔速度和減小因速度突然增大而產(chǎn)生的剛性沖擊，大幅降低設(shè)備工作過程中的振動，以延長產(chǎn)品的使用壽命，降低成本。

三、監(jiān)控設(shè)施

為確保鋪草機在工作中執(zhí)行動作的準確性,現(xiàn)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，以便同時兼顧各個機構(gòu)執(zhí)行情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，減小失誤。此監(jiān)控系統(tǒng)一共4 個攝像頭、1 個4 分割監(jiān)控畫面用分割器、1 個顯示器組成。4 個攝像頭布置在需要監(jiān)控的位置,把采集到的視頻信號傳輸回駕駛室的顯示器,工作人員可以根據(jù)視頻信息實時地監(jiān)控各個機構(gòu)的執(zhí)行情況，其中2 個布置在縱向機構(gòu)中,一個監(jiān)控縱向鋪草機構(gòu)散草處理及輸送情況，另外一個監(jiān)控鋪設(shè)輪系的壓草執(zhí)行動作和沙面情況，其余2 個設(shè)置在橫向機構(gòu)中,用以監(jiān)控橫向機構(gòu)中散草梳理、輸送、插草和履沙等動作的執(zhí)行情況。橫向鋪草機構(gòu)在整車前進過程中每隔1m 插一次草，為控制縱向供草電動機的速度以及橫向供草電動機的輸送速度和橫向插刀執(zhí)行，將采用位移傳感器采集信號傳輸給計算機,以計算合理的插入時機。

沙漠中地面起伏不平，車輛行駛過程中，橫向鋪草機構(gòu)距離地面的高度會受到影響，進而影響鋪草質(zhì)量，鋪草機構(gòu)距離地面過低時會將已插入的散草刮到或帶起，過高時，插入深度不夠，在風沙的作用下容易被拔起。因此橫向插草機構(gòu)與沙地間距要實時調(diào)整,為解決此問題，需在橫向插草機構(gòu)底部安裝測距雷達并將信號反饋到計算機將其與設(shè)定的距離進行比較,通過控制氣缸升降進而控制橫向插草機構(gòu)來排除橫向鋪草機構(gòu)距離地面的高度問題影響到插草深度和質(zhì)量。

四、Pro/E 技術(shù)輔助設(shè)計

（一）Pro/E 軟件進行三維建模

在草方格鋪設(shè)機的設(shè)計中，借助了Pro/E 軟件進行三維建模及仿真分析，分別對各零部件進行建模，通過相應(yīng)的約束關(guān)系將其連接起來，形成一個裝配體，在對其設(shè)置材料等可以便捷反映出來的幾何參數(shù)和質(zhì)量、力學特性等在綜合實際情況對設(shè)計方案進行調(diào)整得到最優(yōu)方案。

（二）主要部分設(shè)計

除去梳理草料部分，最主要的部分即為插草部分的設(shè)計，該部分可調(diào)節(jié)承草板具有一定的調(diào)節(jié)角度，當插草刀執(zhí)行插草動作時草料輸送到水平懸持的承草板上，當執(zhí)行完一次插草動作時，插草刀收回，承草板沿y 軸負方向旋轉(zhuǎn)60°位置時，草料自行下滑鋪到沙面。履沙輪進行一次履沙動作時下方輕壓沙面，由整機前進帶動垅沙完成動作之后，履沙輪收回水平懸置。圖2 主要體現(xiàn)插草部分的三維模型。

圖2 插草部分三維模型

圖3 所示的鋸齒狀二維剖面圖為插草刀的形狀，鋸齒狀刀鋒部分留有間隙一方面減少了草料被插入折斷的情況另一方面減小了刀具插入沙子里沙對刀具的阻力，延長了其使用壽命。

圖3 呈鋸齒狀的插草刀尺寸圖

五、結(jié)論

本文通過將原基礎(chǔ)的橫向鋪草機構(gòu)的草輥鋪設(shè)改成散草鋪設(shè)、插草機構(gòu)的改進和履沙機構(gòu)的增設(shè)，可以降低鋪設(shè)成本、提高插草的精準度；草料由散草替換草輥，在降低鋪設(shè)的成本的同時實現(xiàn)了對草沙障鋪設(shè)厚度的控制，能在多種作業(yè)環(huán)境下展開鋪設(shè)工作；此外，采用散草鋪設(shè)摘除剪斷草輥繩的剪切機構(gòu)，提高了設(shè)備的協(xié)同工作能力和可控性。其中氣動橫向插刀，可加快插拔速度和減小因速度突然增大而產(chǎn)生的剛性沖擊，極大的減小了鋪設(shè)機構(gòu)在工作過程中的振動，達到延長鋪設(shè)機使用壽命和降低成本的要求。而且，通過Pro/E 建立草方格橫向鋪設(shè)機構(gòu)三維實體模型，對橫向鋪草機構(gòu)裝配模型進行了運動仿真和力學分析，可以發(fā)現(xiàn)其中的問題并及時改進。