基于ADAMS的多功能種草機的設計研究*

胡志豪 ， 段 波 ， 吳易澤 ， 尹光鋒 ， 陳蕭登 ， 李 靜 ， 蔡 力

（湖北大學知行學院，湖北 武漢 430011）

0 引言

全球荒漠化土地面積約為4 600萬km2，占土地總面積的35%[1]，我國地大物博，資源豐富，南北地域的氣候隨緯度變化有著顯著的區別：南方雨水充足，土壤肥沃，而西北等多地卻飽受土地荒漠化的侵蝕，每年造成的經濟損失高達640多億元[2]。隨著工業和城市化不斷發展，土地荒漠化使西北干旱和半干旱地區[3]原本就脆弱的生態環境雪上加霜。

草方格鋪設是一種國際所公認的修復環境、遏制土地荒漠化的有效途徑。然而，在很多荒漠化地區，傳統的人工鋪設設備無法在惡劣的自然環境與復雜的地表狀況下正常工作，導致鋪設效率低下、固沙成本上升和對已鋪設好的草方格維護困難。因此，亟需設計一種新型的不受地表狀況限制的機械化、自動化的多功能固沙機械[4]來替代人工操作。

目前，市場上的機械治沙設備主要有沙丘上水器、掘苗機、大苗栽植機等，這些設備在一定程度上提高了草方格鋪設的質量與速度，但只能選擇橫向或縱向其中一種進行鋪設，自動化程度低，功能性明顯不足且操作難度大[5]。近幾年，我國雖然成功研制出效率高、質量好的立體固沙車，但其昂貴的造價及對于工作場地的限制，使得該設備沒能得到大面積的推廣與使用，沙障布置還依靠人工、畜力完成，效率極低，在布置沙障機械的自動化、智能化研究領域還屬空白[6]。加上全球各國受到荒漠化威脅程度不同，各地沙質狀況、沙漠特征等存在差異，各國治沙機械的研制進程無法統一，使得治沙機械的通用性受到了局限，進而限制了治沙機械研發技術的交流與合作。

為了解決上述問題，課題組設計了一款集草方格橫縱鋪設技術、草籽播撒、自動澆水于一體的多功能種草機。仿真結果表明，該裝置實現了草方格鋪設的可控化、參數化、智能化、集成化，簡化了工作流程，提高了鋪設效率，為全國乃至全世界的荒漠的治理增添了新的力量[7]。

1 系統設計

1.1 創新點

本裝置相對于傳統的治沙設備來說具有如下創新點：1）配備多個種草裝置，通過起重臂調節鋪草機在作業時的鋪草數量。相對于單一品種的種草機，本裝置大大提升了鋪草設備的工作效率。2）設置了橫縱向鋪草功能，解決了傳統種草機橫向鋪草時采用蠻力強行橫向鋪設的問題，降低了機器的損耗，延長了使用壽命。3）采用超聲波測距模塊，可以嚴格控制破沙鋸盤與縱向麥草的距離，防止碰撞干涉。4）可實現不同大小的草方格鋪設，適用范圍更廣，操作靈活方便。

1.2 原理設計

本裝置由車體、鋪草機構和控制系統三部分組成。車體上配置有撒籽裝置、澆水裝置、草料倉、草籽倉和水箱，可進行草籽播撒、自動澆水和原料儲存等工作。鋪草機構由縱向破沙輪、橫向破沙輪、傳草帶、壓草輪和攏土刀組成，可進行挖槽、鋪草、壓草和固定麥草等工作。控制系統通過單機片實現對種草機的控制，超聲波模塊用于監測破沙鋸盤與縱向麥草的距離。種草機上裝有三臺鋪草機構，可自由調整草方格的數量，實現1至3組草方格的同時鋪設。通過抬升桿將車體與鋪草機構相連，實現對鋪草機構的收放。

本裝置的工作過程以鋪設1 m×1 m[8]草方格為例，設備工作時鋪草機構的橫向與縱向破沙輪轉動，機器前進切割出兩條相距1 m、深15 cm的縱向溝槽，溝槽深度根據土質硬度可調節。縱向破沙輪向前移動的同時，橫向破沙輪橫向切割出一條長1 m、深15 cm的溝槽，完成動作后升起回到初始位置，循環交替工作，保證兩橫向溝槽之間為恒定的1 m距離。傳草帶將草料送到溝槽之上，由鋪草機構上的壓刀輪壓到溝槽當中，隨后由攏土刀將沙土攏到麥草根部為其提供支撐，同時完成橫向和縱向的草方格鋪設，最后撒籽裝置和澆水裝置進行撒草籽和澆水工作。系統通過單片機控制，預先調整好草方格的鋪設方向，設備在進行第一行鋪設時只需要直線行駛，在行駛到其預設距離后自動轉向，通過超聲波測距模塊測定破沙輪與縱向麥草的距離，通過不斷微調前進方向實現兩者間距恒定，實現自動化鋪設草方格，種草機整車如圖1所示。

圖1 種草機結構示意圖

鋪草機構如圖2所示，主要由支架、壓草輪、橫向破沙鋸盤、往復橫桿、壓草刀、上升齒條等部分組成。在車體向前行駛的時候，橫向破沙鋸盤轉動在地面鋸出一條寬度為1 m的溝槽，上升齒條在電機的驅動下控制溝槽的深度15 cm~20 cm，同時往復橫桿在往復齒條與驅動齒輪的嚙合下進行與車身行進方向相反的速度補償運動，以減輕土地對鋸盤的磨損。伸縮桿將壓草刀垂直推下，將原本鋪好的麥草插進土里并固定，再由壓草輪將縱向的麥草壓進預先挖好的縱向溝槽中。

圖2 鋪草模塊三維圖

縱向破土裝置如圖3所示，通過破沙輪的轉動在沙地挖出深度為15 cm~20 cm的溝槽，為后面草方格的縱邊鋪設做準備。工作結束后，轉向器中的3個錐齒輪可以通過相互的嚙合使得連接軸以液壓桿下半部分為旋轉軸，順時針旋轉90°，同時液壓桿收回至液壓缸中，如圖4所示，以防止機器在非工作狀態下對裝置造成損壞并節約空間。

圖3 縱向破土裝置

圖4 縱向破土裝置收攏狀態

1.3 三維模型導入及參數設置

本次設計中通過三維軟件Creo對本裝置進行建模[9]，再結合動力學分析軟件ADAMS[10]對相關零部件進行運動仿真，將起重臂模型導入ADAMS軟件。為鋪草機的9個運動部件添加約束，其結構約束方式如表1所示。

表1 各部件間約束方式

1.4 ADAMS仿真分析

針對鋪草機構的速度補償機構與下刀裝置進行結構仿真并進行后處理導出結果，設置仿真時間20 s，步長100步。

1）在機器運行時，往復橫桿會在驅動作用下，往與機器相背離的方向運動，根據圖5和圖6可以得出其行程范圍為200 mm，小于預留長度210 mm，在可允許的誤差范圍內，即機構運動時不會發生相互干涉，滿足設計要求。

圖5 往復橫桿行程變化曲線

圖6 速度曲線

2）由圖7和圖8可以得出，壓草刀工作行程為150 mm，小于預定深度155 mm，處于可允許的誤差范圍內。同理，機構可以正常運作，不會相互干涉。

圖7 壓草刀行程變化曲線

圖8 速度曲線

通過ADAMS對機器運行時主要工作部件的運動情況進行分析，結果顯示，本裝置符合設計要求，可以很好地實現應該具備的功能。

2 總結

通過多功能種草機的設計與仿真分析，本裝置基本滿足設計要求，同時彌補了治沙機械通用性受限的問題，有效地提高了鋪草設備的生產效率。本設計后期還可應用有限元分析軟件與輕量化設計，同時結合人工智能、互聯網技術，不斷優化設計，完善多功能種草機功能和結構，為我國乃至全球治沙領域提供智能化、多功能化技術和實施方案，加快改善我國的土地荒漠化現狀，促進全球土地荒漠化治理。