梭梭苗自動(dòng)化種植設(shè)備研發(fā)需求與核心零部件設(shè)計(jì)研究

葛占福 張保海

（武威職業(yè)學(xué)院，武威 733000）

防沙治沙既有利于改善生態(tài)環(huán)境、保護(hù)土地資源，又有利于促進(jìn)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。梭梭樹利用龐大的根莖系統(tǒng)，能夠到達(dá)地下水層穩(wěn)固土壤，起到防風(fēng)固沙、改良土壤、改善小氣候和維持生物多樣性等生態(tài)作用，所以特別適合種植在荒漠、半荒漠地區(qū)[1]。目前，市場(chǎng)上適用于沙生梭梭樹苗木種植的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備較少，能夠?qū)嶋H推廣使用的設(shè)備更少，原因多為適用性較差，操作復(fù)雜，質(zhì)量較大，或者為簡(jiǎn)易型設(shè)計(jì)，功能單一，根本無法解決問題，致使使用受限。因此，基于梭梭苗自動(dòng)化種植需求設(shè)計(jì)了一種沙生苗木種植設(shè)備，對(duì)該設(shè)備的核心零部件結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)解讀，旨在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)治理保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

1 梭梭苗自動(dòng)化種植設(shè)備研發(fā)需求

1.1 梭梭苗種植要求

梭梭苗種植盡量采用深栽的方式，以保證根系充分伸展，使根系處于濕沙層[2]。要想根系生長(zhǎng)進(jìn)度大于濕沙層下降速度，必須保證栽植深度不得低于30 cm。挖坑時(shí)盡量保證濕沙層不被破壞，并將沙子中的雜物揀出。種植時(shí)先將苗木放入定植坑內(nèi)，填入坑深1/3的濕沙。若有條件可澆水3～4 kg，然后再回填濕沙，邊扶正梭梭苗邊踏實(shí)，直到與地面沙面齊平，保證根系伸展[3]。最后，在最上層覆蓋一層干沙，防止水分大量蒸發(fā)，保證梭梭苗的成活率。

1.2 沙生苗木種植設(shè)備研發(fā)注意事項(xiàng)

1.2.1 耐高溫需求

沙漠極端干旱，地表裸露沒有植被，全年降雨稀少，空氣十分干燥。夏季炎熱，白晝最高氣溫可達(dá)50 ℃以上。所以，對(duì)設(shè)備的耐高溫運(yùn)行和材料選擇要求較高。

1.2.2 密封性需求

沙漠整體地勢(shì)平坦，空氣不穩(wěn)定，遍布的沙、塵源分布極易形成沙塵氣候，導(dǎo)致設(shè)備工況多為強(qiáng)風(fēng)和沙塵，所以對(duì)設(shè)備的密封性和防塵要求較高。

1.2.3 動(dòng)力性需求

一般機(jī)械設(shè)備質(zhì)量較大，由于沙子結(jié)構(gòu)松散易陷入沙子，在沙漠環(huán)境中行走、轉(zhuǎn)向困難，要靠強(qiáng)大的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)行走或轉(zhuǎn)向。因此，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等部件受力較大，對(duì)材質(zhì)的要求較高。

2 梭梭苗種植設(shè)備設(shè)計(jì)分析

2.1 散熱系統(tǒng)

設(shè)備在高溫環(huán)境中工作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)中的傳動(dòng)液壓系統(tǒng)、工作液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡，以保證設(shè)備不因過熱而停機(jī)。對(duì)于梭梭苗種植設(shè)備，可以通過增大散熱器散熱面積、增大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和風(fēng)量、加速泵體流速以及改進(jìn)散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與各系統(tǒng)之間的熱平衡。

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)

設(shè)備在大風(fēng)和沙塵的惡劣環(huán)境中工作，對(duì)空氣濾清器和機(jī)油濾清器提出了較高要求。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，需要對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣部分增加過濾裝置，升級(jí)空氣濾清器，加裝沙塵過濾裝置、多級(jí)濾芯和自動(dòng)排塵裝置等。但是，過濾裝置的增加會(huì)影響進(jìn)氣量，因此要增大進(jìn)氣口口徑，消除進(jìn)氣口狹窄部位不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]?？刹捎霉饣谋诘罍p小空氣阻力，并做好各連接部位的密封設(shè)計(jì)，在保證流量的情況下降低進(jìn)氣阻力。

2.3 行走機(jī)構(gòu)

高溫過熱風(fēng)沙大是沙漠環(huán)境的主要特征，溫度可達(dá)50 ℃，且地表溫度更高。沙漠地表全部為顆粒均勻的沙粒，結(jié)構(gòu)松散，受到外力時(shí)具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，故而車輛行駛阻力很大[5]。為保證設(shè)備能夠正常行走作業(yè)，驅(qū)動(dòng)功率至少應(yīng)是正常路面驅(qū)動(dòng)功率的5倍。

在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該充分考慮扭矩問題。因?yàn)樾凶邫C(jī)構(gòu)中的輪胎會(huì)陷入松散的沙子，無法輕松完成轉(zhuǎn)向，所以需要較大的扭矩。在動(dòng)力選擇方面，應(yīng)高于正常設(shè)備的設(shè)計(jì)需求，否則會(huì)因?yàn)榕ぞ剞D(zhuǎn)速的不足影響設(shè)備其他部分的匹配性能，進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)效率和正常運(yùn)行。

2.4 液壓裝置

液壓系統(tǒng)在正常工作時(shí)的油溫一般在50 ℃左右，此時(shí)系統(tǒng)性能較穩(wěn)定。如果外界溫度繼續(xù)攀升，油溫也會(huì)隨之升高，所以在沙漠高溫環(huán)境中工作的種植設(shè)備應(yīng)采取以下措施。

（1）保證液壓系統(tǒng)元器件的外表面清潔，散熱面積足夠，散熱方式合理，管理平行或交叉間距在10 mm以上。

（2）由于油溫升高加劇了液壓系統(tǒng)滲漏油的可能，對(duì)元器件的氣密提出了更高的要求，要選用質(zhì)量較好的管路接頭或者盡量減少接頭數(shù)。

（3）管路布置不易太長(zhǎng)或折彎幅度過大，油管盡量粗而短。

（4）液壓油應(yīng)選用耐高溫的高性能油品。

（5）做好液壓油的過濾工作，勤換過濾器或定期檢修和維護(hù)。

2.5 電氣系統(tǒng)

2.5.1 解決高溫致使電路元器件老化加速問題

沙漠白晝氣溫較高，紫外線強(qiáng)烈，風(fēng)沙大，致使電氣控制部分線路和元件容易老化、短路。所以，在元件選擇上優(yōu)先選用質(zhì)量較好的耐高溫、抗老化的元器件。

2.5.2 解決紫外線強(qiáng)光反射對(duì)設(shè)備操控員的影響問題

強(qiáng)烈的紫外線光照會(huì)產(chǎn)生刺眼的反光，容易造成操作員難以辨識(shí)儀表指數(shù)，所以應(yīng)當(dāng)選擇防炫目的儀表盤。為了減低設(shè)計(jì)成本，可以在儀表盤面上貼反光膜或者操作員佩戴偏光眼鏡。

2.5.3 解決高溫加速電池老化的問題

雖然略高的溫度有助于增加蓄電池容量，更易起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是也會(huì)加速電池老化。溫度越高，導(dǎo)電極板的酸腐蝕越快，電池壽命越短。所以，應(yīng)該選擇免維護(hù)、快速充放電以及更加耐高溫的電瓶。

2.5.4 解決靜電對(duì)設(shè)備電路的影響問題

沙漠中風(fēng)沙與設(shè)備和元器件摩擦極易產(chǎn)生靜電，靜電引起的放射易引起電路的隨機(jī)故障。關(guān)于靜電的消除問題，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)高密度固態(tài)電路中尤其嚴(yán)重，所以需適當(dāng)增加消除靜電的措施和裝置。

2.6 附屬裝置

2.6.1 安全、生活裝置

在沙漠進(jìn)行作業(yè)時(shí)，交通和行走不便，不論是燃油還是物資補(bǔ)給都比較困難。所以，在設(shè)備設(shè)計(jì)中要充分考慮增加一些附屬裝置，如工具箱、滅火器以及置物架等。

2.6.2 防止?fàn)C傷裝置

考慮到操作員要與金屬構(gòu)件經(jīng)常接觸，而被曝曬的金屬件容易燙傷操作員，需在常接觸的地方包裹皮革、隔熱材料等保護(hù)材料，防止?fàn)C傷操作員。

2.6.3 導(dǎo)航和求救裝置

沙漠環(huán)境中植被較少，參照物較少。較頻繁的風(fēng)沙很容易埋沒車轍，導(dǎo)致駕駛員極易迷失方向。沙漠多變的氣候條件，可能瞬時(shí)起風(fēng)致使設(shè)備操控員身陷危險(xiǎn)環(huán)境。設(shè)計(jì)安裝有求救裝置，能實(shí)時(shí)發(fā)送求救信號(hào)和設(shè)備所在位置，以保證駕駛員的生命安全。

2.6.4 密封件和膠管

沙漠作業(yè)中的高溫和風(fēng)沙環(huán)境，對(duì)設(shè)備的密封性要求較高。一般設(shè)備的密封多選用橡膠密封件，所以在選擇時(shí)針對(duì)壓力要求較高的場(chǎng)合可以選用常用的氟化橡膠FKM-1F，對(duì)壓力要求較低的場(chǎng)合可以選擇硅橡膠VMQ-1C，但硅橡膠VMQ-1C機(jī)械強(qiáng)度較差。

3 梭梭苗種植核心部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 梭梭苗種植部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)

圖1和圖2分別為梭梭苗種植核心部分中的種植端牽引部分和種植端閉合部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各部分的功能與創(chuàng)新之處在于：

（1）插入結(jié)構(gòu)采用棱錐形狀，相比于圓錐形結(jié)構(gòu)能夠減小設(shè)備插入沙子的阻力；

（2）該部分簡(jiǎn)單輕便，便于攜帶，總質(zhì)量為1.46 kg；

（3）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，不需要太多技術(shù)使用指導(dǎo)；

（4）設(shè)備采用全機(jī)械輕質(zhì)金屬材料構(gòu)造，不易損壞；

（5）設(shè)備設(shè)計(jì)有專門的梭梭苗木投放窗口；

（6）苗木投放窗口還可以用來充當(dāng)澆水窗口；

（7）在牽引板和閉合板上段安裝限位板，方便牽引板和閉合板精準(zhǔn)閉合。

設(shè)備插入沙層一定深度后，通過棱錐尖頭排開沙子，不影響沙層結(jié)構(gòu)。當(dāng)將梭梭苗木投入窗口且苗木根部到達(dá)指定位置后，通過抽拉桿上提滑塊。此時(shí)，根部沙子將隨著滑鐵的移出而迅速掩埋梭梭苗木根部，再上提種植設(shè)備并不會(huì)帶出梭梭苗木，不會(huì)影響根部沙層結(jié)構(gòu)，能保證梭梭根部濕度較大的沙子維持在原位，避免了傳統(tǒng)種植方式挖出濕沙、填入干沙的弊病。

3.2 梭梭苗種植部分關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

第一，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用輕質(zhì)材料，減輕了設(shè)備質(zhì)量，總質(zhì)量為1.46 kg。第二，插入結(jié)構(gòu)采用棱錐結(jié)構(gòu)，承受阻力較小。第三，插入結(jié)構(gòu)高度設(shè)計(jì)充分考慮梭梭掩埋深度為25～30 cm，所以窗口下邊沿到錐頂?shù)呢Q直距離為30 cm。種植時(shí)，窗口下位也是技術(shù)達(dá)標(biāo)位置。第四，設(shè)備有上下兩層導(dǎo)向裝置，上段為導(dǎo)向桿和握力桿相互嵌套通過滑動(dòng)控制種植端的開合，閉合板在導(dǎo)向前后板的間隙中滑動(dòng)不會(huì)脫軌，保證導(dǎo)向板和閉合板兩塊板的閉合性。第五，系統(tǒng)要通過動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置配合驅(qū)動(dòng)進(jìn)行工作。在實(shí)際制造過程中，可根據(jù)實(shí)際種植需求實(shí)現(xiàn)單個(gè)和多個(gè)種植端的引用，從而適用于不同的種植場(chǎng)合。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)針對(duì)沙漠化治理中存在的沙生苗木種植問題，結(jié)合實(shí)際調(diào)研情況，根據(jù)種植技術(shù)要求，因時(shí)因地進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，希望通過自動(dòng)化設(shè)備提高沙漠治理效能，實(shí)現(xiàn)生態(tài)治理。