一種手扶式草方格沙障鋪設(shè)機(jī)的設(shè)計研究

胡恩鍇 陳承杰 蘭斐 李炎 顏思成

摘 要：鑒于設(shè)置草方格沙障是防風(fēng)固沙的重要手段之一，設(shè)計了一種用于鋪設(shè)草方格的手扶式一體機(jī)械裝置，用于完成理草、鋪草、插草和攏沙的工作。其既可以有效提高草方格鋪設(shè)效率，又具備輕便、實用性強(qiáng)等優(yōu)點，可以彌補(bǔ)大型機(jī)械的局限性，有效助力防風(fēng)固沙的相關(guān)工程。

關(guān)鍵詞：手扶式;草方格;實用性;小型機(jī)械

中圖分類號：S775 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0045-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.012

0 ? ?引言

目前，我國大約有1/3的國土面積正面臨風(fēng)沙侵害[1]，約4億人直接或間接受到荒漠化的影響，因此國家十分重視沙化防治工作，大力支持沙化治理方向的科技創(chuàng)新。

在對沙漠化及沙化規(guī)律的研究和對國內(nèi)外防風(fēng)固沙技術(shù)的對比中發(fā)現(xiàn)，削弱風(fēng)沙侵蝕最有效的是工程治沙中的草方格固定法[2]。然而，在沙漠的惡劣條件下人工鋪設(shè)草方格沙障效率極低，治理速度遠(yuǎn)小于沙漠化的速度。因此，科學(xué)使用現(xiàn)代化機(jī)械裝備鋪設(shè)草方格沙障是防風(fēng)固沙更為合理的選擇，故著手研究草方格沙障鋪設(shè)機(jī)具有重大意義。

1 ? ?研制背景和意義

1.1 ? ?防風(fēng)固沙方法

目前國內(nèi)外固沙主要有3種方法，即生物固沙、化學(xué)固沙和沙障固沙[3]。生物固沙一般需要結(jié)合其他固沙方式使用，化學(xué)固沙效果通常不如另兩種方法。而沙障固沙是目前防風(fēng)固沙設(shè)計中最為成熟、普遍的一種防治手段，即通過沙障的建設(shè)對風(fēng)沙起到固、阻、輸、導(dǎo)的作用，達(dá)到防止風(fēng)沙侵害的目的[4]，其中最具代表性的一種就是草方格沙障（圖1）。

1.2 ? ?草方格的作用

（1）改良土壤：草方格沙障設(shè)置好1～2年之后，沙障之間就會形成比較穩(wěn)定的凹曲面，除了面對風(fēng)向部分的沙障，其他部分一般可以避免被風(fēng)侵蝕，但露在外面的部分草障經(jīng)過日曬雨淋，會慢慢變黑腐化，變成豐富的營養(yǎng)素和有機(jī)物，可以促進(jìn)流沙中微生物的繁衍和成長，而伴隨著微生物群落的加大，有機(jī)物的分解又得到進(jìn)一步的促進(jìn)，為沙土中生長的各種植物提供了更多、更營養(yǎng)的物質(zhì)，從而形成一個良好的生態(tài)系統(tǒng)，使固沙的效果更加顯著[5]。

（2）固水保濕：草方格沙障可以吸收保留雨水，減緩沙土中水分蒸發(fā)的速度。據(jù)測量，在流動的沙丘上種設(shè)草方格以后，沙層2 m以內(nèi)的濕度可上升2%～3%，沙土含水量有明顯的改善，在草方格里栽種的各種固沙的植物，成活率較以前傳統(tǒng)的種植方法有了極大的提高[5]。

（3）風(fēng)沙防護(hù)：草方格沙障可增大地表的粗糙度，減緩氣流貼近地表的流動速度，減少氣流帶動的沙土總量。以1 m2的草方格沙障為例，其粗糙度為流沙區(qū)的200～400倍，沙土輸送率僅為流沙區(qū)的0.25%～1%，其內(nèi)風(fēng)速比流沙區(qū)降低25%[5]。

由此可見，草方格沙障對于風(fēng)沙防護(hù)起到了極其重要的作用。

2 ? ?現(xiàn)有產(chǎn)品和設(shè)計分析

2.1 ? ?現(xiàn)有大型機(jī)械產(chǎn)品分析

現(xiàn)有投入使用的設(shè)備（圖2）以重型卡車為載體，在車后部載貨部分安裝草料倉和鋪設(shè)機(jī)構(gòu)，在車后安裝將草按壓進(jìn)沙地的壓輪（圖3）。

此種設(shè)備鋪設(shè)效率較高，但有一些局限性：

（1）此設(shè)備僅適合在平坦的沙漠邊緣地帶工作，而在沙漠腹地以及起伏的地段需要小型機(jī)械來彌補(bǔ)空白。

（2）此設(shè)備的壓草從動滾輪機(jī)構(gòu)，決定了在工作中只能使用編制好的草料，否則，稻草之間缺乏連接，在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滾刀推著前進(jìn)。而使用編制好的草簾會增加前期成本，降低實用性。

從以上幾點出發(fā)，此次設(shè)計的機(jī)械應(yīng)該以輕量化、靈活性和實用性為目標(biāo)，以期在重型機(jī)械無法工作的環(huán)境下提高沙漠治理的工作效率，填補(bǔ)現(xiàn)有空白。

2.2 ? ?現(xiàn)有小型機(jī)械設(shè)計分析

2.2.1 ? ?設(shè)計1（圖4）

（1）該機(jī)械是一個鋪草機(jī)而非插草機(jī)。其中用到大量皮帶傳動機(jī)構(gòu)，將草料從料倉傳送到地面后再鋪設(shè)，但缺乏插草機(jī)構(gòu)。實際防風(fēng)固沙中，鋪草是一個相對簡單的工作，而插草效率較低。因此，該機(jī)械的側(cè)重點設(shè)計不妥。

（2）該機(jī)械體積過大且為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，人力驅(qū)動費時費力。

（3）該機(jī)械采用輪式結(jié)構(gòu)，在沙漠中，起伏的地形容易使其行進(jìn)困難，局限性較大。

2.2.2 ? ?設(shè)計2（圖5）

（1）這是一個自動化遠(yuǎn)程控制機(jī)械，而沙漠中信號覆蓋率低，導(dǎo)致其實用性下降。

（2）該機(jī)械體積過大而料倉過小，補(bǔ)料時間間隔短，實用性低，無法體現(xiàn)自動化的意義。

（3）該機(jī)械采用從動滾刀式插草機(jī)構(gòu)，必須使用編制好的草簾，增加了前期成本。若使用未編織的草料，在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滾刀推著前進(jìn)，使最終插草效果不均勻。

（4）該機(jī)械采用從動滾刀式插草機(jī)構(gòu)，插草過程中刀將在路面上開辟出一道溝，插草后草難以立穩(wěn)，需要攏沙裝置。而此機(jī)械沒有設(shè)計攏沙裝置，會使插草質(zhì)量變差。

以上兩個設(shè)計的滾輪進(jìn)料機(jī)構(gòu)值得借鑒，相比其他機(jī)構(gòu)，此送料機(jī)構(gòu)更加合理、高效。此外，使用履帶行進(jìn)也是值得借鑒的方案。

2.3 ? ?現(xiàn)有其他設(shè)計分析

目前還有橫向、縱向同時鋪設(shè)的設(shè)計方案，這種結(jié)構(gòu)確實可以大大提高效率，但是忽略了以下幾點：第一，草方格沙障必須具有“編織性”，如同布料一樣橫向、縱向相互編制交錯，而交叉點是草方格受力最大的點，如果兩個方向一同鋪設(shè)，在交叉點處必然只有一層草料，甚至?xí)驗椴萘现丿B而無法實現(xiàn)交點編織，故不可行。第二，草方格尺寸多樣，且有方形和菱形等不同形狀，由地形和沙質(zhì)決定，固定了列與列的距離無疑降低了產(chǎn)品的適用性。第三，經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)小型機(jī)械才是當(dāng)下沙漠治理的發(fā)展趨勢，增加結(jié)構(gòu)等于縮小了貨倉，降低了機(jī)械的靈活性，補(bǔ)充草料的次數(shù)增加也會大大降低效率和實用性。因此，不推薦使用這種形式鋪設(shè)草方格。

針對現(xiàn)有大型機(jī)械的缺陷和小型機(jī)械不成熟、不全面的問題，結(jié)合沙漠治理機(jī)械化、機(jī)械輕型化的趨勢，我團(tuán)隊設(shè)計了一款手扶式草方格沙障鋪設(shè)機(jī)。

3 ? ?我團(tuán)隊設(shè)計方案

3.1 ? ?整體設(shè)計方案

本設(shè)計方案考慮到以下4個關(guān)鍵點：

（1）實用性：為了使設(shè)計方案能夠最終轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，在設(shè)計之初就應(yīng)當(dāng)考慮實用性。沙漠地帶人力運送草料較為困難，大型機(jī)械難以進(jìn)入，故將大料倉作為設(shè)計要求之一，以實現(xiàn)減少裝料次數(shù)、增加鋪設(shè)距離的目的。此外，為增加實用性，將采用盡可能簡潔的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)運動需求，這一要素也將在設(shè)計中體現(xiàn)。

（2）適用性：設(shè)計的適用性對最后成品的應(yīng)用場景至關(guān)重要，為實現(xiàn)在起伏的沙漠地形中運作，將該機(jī)械設(shè)計為手扶式小型機(jī)械，以彌補(bǔ)大型機(jī)械不能深入沙漠的缺陷。同時，考慮到實際草方格有多種材質(zhì)，如秸稈、稻草等，不同材質(zhì)的草料或者不同濕度、密度的草料會影響送料的均勻性，故設(shè)計了“1輪2帶”送料機(jī)構(gòu)，將在3.3詳細(xì)介紹。

（3）緊湊性：為提高設(shè)計的可行性，在小空間內(nèi)實現(xiàn)多功能和大料倉，產(chǎn)品的緊湊性便顯得尤為重要。本設(shè)計創(chuàng)新地將行進(jìn)履帶同時用作送料履帶，以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的緊湊性，后期將繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)料倉結(jié)構(gòu)，使設(shè)計更為緊湊。

（4）合理性：根據(jù)設(shè)計背景所提到的我國現(xiàn)有大型機(jī)械投入運行后，運行效率相當(dāng)高，但存在成本高、對地形要求高等缺陷，將設(shè)計重點定為克服大型機(jī)械的局限性，實現(xiàn)深入沙漠腹地，并在起伏的沙地鋪設(shè)草方格。因此，不應(yīng)當(dāng)盲目追求效率，而應(yīng)將大料倉和機(jī)構(gòu)合理作為設(shè)計依據(jù)。

根據(jù)以上關(guān)鍵點，設(shè)計了如圖6所示的手扶式草方格沙障鋪設(shè)機(jī)。

此機(jī)械主要分為三個部分：料倉、插草機(jī)構(gòu)和送草機(jī)構(gòu)。在3.2和3.3中將主要介紹插草和送草機(jī)構(gòu)。

3.2 ? ?插草機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

3.2.1 ? ?結(jié)構(gòu)

插草機(jī)構(gòu)建模圖如圖7所示，原動件1和曲柄2同軸裝配在機(jī)架上，曲柄2和連桿3通過銷4連接，連桿3和刀桿5通過銷6連接，在刀桿5上裝有彈簧7。

3.2.2 ? ?運動

插草機(jī)構(gòu)固定在機(jī)身上，通過電機(jī)帶動實現(xiàn)間歇式插草。

上升階段：電機(jī)輸出的扭矩使原動件1勻速轉(zhuǎn)動，直至接觸到曲柄2上的凸起并帶動曲柄2一起轉(zhuǎn)動，從而使連桿3做平面運動，使刀桿5向上做豎直方向的直線運動，壓縮彈簧7，刀被提起。

下降階段：原動件1接觸曲柄2轉(zhuǎn)動半周后，曲柄2因下方連接件的重力作用先于原動件1快速轉(zhuǎn)回，使刀桿5快速豎直下落，且下落過程中彈簧7釋放彈性勢能，使得刀桿5加速下落。兩者共同使刀快速下落，從而實現(xiàn)插草功能，模擬人插草的過程。

3.3 ? ?送草機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

3.3.1 ? ?結(jié)構(gòu)

送草機(jī)構(gòu)斜視圖如圖8所示，其中機(jī)架與貨倉為保證視圖清晰而隱藏，輪1～6安裝于機(jī)架（已隱藏）上，位置固定，僅能旋轉(zhuǎn);履帶7安裝于大驅(qū)動輪1～3上，由類齒輪4限制其位置;皮帶8安裝于小驅(qū)動輪5、6上;貨倉（已隱藏）位于履帶7和皮帶8上方。

3.3.2 ? ?運動

履帶部分實現(xiàn)行進(jìn)與草料鋪設(shè)功能。工作時，大驅(qū)動輪1～3驅(qū)動履帶7運動，履帶7下表面接觸地面，推動整個機(jī)構(gòu)向前運動;同時履帶7上表面接觸貨倉中的草料，將草料帶向貨倉下方的出料口，進(jìn)而使草料平鋪在下部的水平履帶部分，等待插刀下插。小驅(qū)動輪5、6帶動皮帶8運動，有上行與下行兩種運動模式，取決于貨倉內(nèi)草料的密度和濕度：當(dāng)草料密度較低時下行，與履帶7共同將草料向下方帶動，保證出料量;當(dāng)草料密度較高時上行，將貨倉底部的部分草料翻至上層，避免底部草料密度過大堵塞出料口。類齒輪4位于貨倉出料口處，隨履帶7運動而轉(zhuǎn)動，并在轉(zhuǎn)動的同時將輪齒插入下方履帶上的草料中，將草料分成小堆，保證出料通暢、均勻。

3.4 ? ?其他機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

為配合插草機(jī)構(gòu)，在機(jī)械前端設(shè)置了開槽刀（圖9），實現(xiàn)預(yù)開槽，以提高插草機(jī)構(gòu)的可行性。

為保證插入地里的稻草的穩(wěn)定性，在機(jī)械尾端設(shè)置了攏沙輪（圖10），以保證插草的高質(zhì)量。

4 ? ?結(jié)語

此設(shè)計具有散草鋪設(shè)、插草和攏沙機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)全面且料倉容積大，可以降低鋪設(shè)成本，實現(xiàn)多地形插草，克服現(xiàn)有大型機(jī)械的局限性。

插草機(jī)構(gòu)利用原動件和彈簧實現(xiàn)對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)急回特性的加強(qiáng)，以模擬人工插草的過程。送草機(jī)構(gòu)實現(xiàn)同一履帶的行進(jìn)和送料雙重功能，提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性。料倉內(nèi)的履帶可根據(jù)草料情況調(diào)整轉(zhuǎn)速和方向，以保證送料過程均勻，避免草料堵塞的情況。

此設(shè)計具有創(chuàng)新性，加工可行性也比較高，能夠幫助實現(xiàn)沙漠治理，對于防范水土流失具有重要的理論及實踐意義。

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收稿日期：2022-03-02

作者簡介：胡恩鍇（2001—），男，上海人，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造技術(shù)。