散放稻草草方格鋪設機器人的機構設計*

□ 袁杰潮 □ 常同立 □ 張玉豪 □ 閆路誠 □ 李晗杰 □ 左 晨

東北林業大學 機電工程學院 哈爾濱 150040

1 設計背景

防治沙漠化是一項長期重要的工作,世界各國都在研究防沙、治沙技術。在沙漠中鋪設草方格進行固沙,是我國人民在長期治沙工作中總結出來的防風固沙技術,也是工程固沙法中被實踐證明最為有效的一種方法[1]。在沙漠和沙地惡劣環境中人工鋪設草方格,勞動量大,效率低,成本高,由機械代替人工鋪設草方格,成為一種合理的選擇。

目前,對于草方格鋪設機器的研究,國內外都處于起步階段。現有為數不多的草方格鋪設機器普遍特點是比較笨重,不太適應復雜的沙漠地形,并且自動化程度較低。由此,草方格鋪設機器尚未得到普及[2]。唐偉國[3]提出多連桿式并聯橫向插草裝置,采用步進式插草作業。舒慶[4]設計了防風固沙草方格鋪設機器人,并進行動力學分析,表明沙漠環境中阻力較大,沙的流動性較大。陸懷民等[5]對防風固沙草方格鋪設機器人的沙漠通過性進行研究,采用預先編織成卷的草簾進行插草作業,作業繁重。司凱[6]設計了立體固沙車,進行縱向和橫向插草作業,確認采用散狀麥草進行插草較為困難,在作業時機構會經常被稻草纏繞。李躍娟[7]通過研究表明,目前草方格插草機構的設計難點是橫向插草機構的設計。筆者設計了具有創新性的散放稻草草方格鋪設機器人,體積小,實用性強,草方格鋪設效率高,適應沙漠行走。

2 總體結構

散放稻草草方格鋪設機器人的整體結構如圖1所示,主要由儲料倉體、稻草分離打散機構、輸送機構、壓草機構、步行機構、電機驅動裝置、固定及連接機架等組成。

儲料倉體是依據散放稻草草方格鋪設機器人總體布置設計的一個箱體,設置于散放稻草草方格鋪設機器人的上部。儲料倉體上部開有進料口,下部設有出料口。儲料倉體內有稻草分離打散機構,主要由打散滾筒、布草擺板組成。打散滾筒橫置于儲料倉體內中下部,布草擺板橫置于儲料倉體底部出料口上方,位于打散滾筒下方。輸送機構一部分設置于儲料倉體出料口下方,另一部分設置于壓草機構下方。壓草機構位于輸送機構上方、儲料倉體后部。步行機構位于散放稻草草方格鋪設機器人的下部。電機驅動裝置為各組成部分的運動與控制提供動力。

3 草方格鋪設工作原理

將散放的稻草原料從儲料倉體進料口投入,稻草分離打散機構對稻草原料進行處理。打散滾筒撥散稻草原料,布草擺板將撥散后的稻草原料撒布在輸送機構上,輸送機構將稻草撥送至壓草機構正下方,壓草機構進行壓草,將輸送帶上的稻草原料壓入沙土一定深度。步行機構每轉一個步距對應1/6圓周,壓草機構壓草一次,實現草方格機械化鋪設。

依據實際沙地草方格鋪設工藝要求,采用1 m×1 m的正方形草方格,治沙效果最好。草方格需要露出沙地的高度為10～20 cm,沙中稻草的深度為15～25 cm[8]。

4 稻草分離打散機構

對于散放稻草草方格鋪設機器人,稻草原料的分離打散處理是關鍵,對此設計了稻草分離打散機構。稻草分離打散機構主要由五個特殊結構的打散滾筒和四組布草擺板排列組成,如圖2所示。

4.1 打散滾筒

打散滾筒如圖3所示,由中心傳動軸、分料桿、活動鉸鏈、外滾動軸承、筒壁滾動軸承、軸承擋圈、筒壁、傳動鏈輪組成。分料桿包括一根主動分料桿和五根從動分料桿。

中心傳動軸與主動分料桿固定連接,與從動分料桿采用活動鉸鏈連接,從動分料桿可以繞鉸鏈自由擺動。筒壁沿壁周均分為六個部分,每個部分筒壁的中心線上等間隔設置方形孔,分料桿以可通過筒壁上的方形孔伸出筒外。筒壁首尾設有擋塊,與滾動軸承相接觸,防止筒壁左右滑動。傳動鏈輪為中心傳動軸提供動力,軸承擋圈用于防止外滾動軸承左右滑動,起限位作用。

當傳動鏈輪驅動中心傳動軸進行轉動時,與中心傳動軸固定連接的主動分料桿帶動筒壁沿外滾動軸承外圈圓周運動。筒壁轉動時,筒壁上的方形孔與從動分料桿的接觸點處傳力,活動鉸鏈隨中心傳動軸做圓周運動,從而帶動其余五根從動分料桿共同運動。由打散滾筒結構不難發現,在打散滾筒動作過程中,筒壁上的方形孔與中心傳動軸軸心距離越小,分料桿伸出筒壁的部分越長。伸出部分可以實現對稻草原料的分離、刮落。當筒壁上的方形孔與中心傳動軸軸心距離最大時,分料桿完全縮回筒內,完成稻草的分離、刮落處理。

4.2 布草擺板

布草擺板由傳動軸、布料板、滾動軸承、軸承擋圈、傳動鏈輪組成,如圖4所示。傳動軸與兩塊布料板的中心孔固定連接,首尾設有滾動軸承,便于與外界支承和連接。軸承擋圈用于防止傳動軸上的滾動軸承左右滑動,起限位作用。

四組布草擺板并排橫置于儲料倉體底部,當稻草原料經打散滾筒打散、分離,掉落至布草擺板周圍時,布草擺板傳動鏈輪驅動傳動軸來回轉動,轉動角度范圍為50°～60°,布料板隨傳動軸左右擺動,加速周圍稻草原料掉落,防止稻草原料相互纏繞。

5 輸送機構

輸送機構如圖5所示,主要由六條帶撥料齒的同步轉運輸送帶并排組成,同步轉運輸送帶間有兩兩重合和兩兩分離的距離設置裝置。輸送機構前后分別設有主動傳動軸和從動傳動軸,傳動軸穿插于同步轉運輸送帶帶輪的中心孔。主動傳動軸通過聯軸器與電機驅動裝置連接,實現傳動。在輸送機構尾部同步轉運輸送帶之間設有分料隔板。主動傳動軸和從動傳動軸首尾設有支撐座,用于支撐同步轉運輸送帶。傳動軸上設有滾動軸承和軸承擋圈,用于傳動軸的支承連接和限位。

稻草原料經由打散分離機構處理后,撒布于同步轉運輸送帶的前部。同步轉運輸送帶的撥料齒將稻草原料撥出一層,將撥出的稻草原料運輸至同步轉運輸送帶的尾部,從而實現稻草原料的撥料和轉運。分料隔板可將同步轉運輸送帶上未利用的稻草原料分離轉運至機構外,防止多余的稻草原料堆積及稻草原料與機構相互纏繞。

6 壓草機構

壓草機構的設計思路來自于敦煌治沙工人鐵鍬壓草制作草方格的工藝過程[9]。壓草機構如圖6所示,由壓草鍬板和導向裝置組成,導向裝置與儲料倉體固定連接。

當輸送機構將撥出的稻草原料運輸至壓草機構下方時,壓草鍬板通過導向裝置向下壓住稻草原料中部,進一步將稻草原料從同步轉運輸送帶間直接下壓,插入沙土中,并達到一定深度,完成插草作業。壓草機構壓草動作如圖7所示。

7 步行機構

在沙漠中,地形環境復雜,傳統的輪行式或履帶式機動性有限[10],難以適應復雜沙漠地形的行走,并且會在行走時破壞已鋪設好的草方格。

散放稻草草方格鋪設機器人的步行機構采用四個特殊形狀的步行輪,每個步行輪有六個輪足,輪足底部由特殊形狀仿生設計得到[11],可以增大沙地接地面積,更好地適應沙地行走。步行輪如圖8所示。四個步行輪通過傳動軸與機架相連,每個步行輪獨立驅動,步行輪每轉一個步距,對應1/6圓周,壓草機構壓草一次。

8 結束語

筆者設計了具有創新性的散放稻草草方格鋪設機器人,介紹了散放稻草草方格鋪設機器人的總體結構和各機構設計。

這一散放稻草草方格鋪設機器人可以直接使用散放稻草原料鋪設草方格,解決稻草纏繞等問題,處理稻草方便高效,實用性強。這一散放稻草草方格鋪設機器人整機體積較小,作業時不會破壞已鋪設好的草方格,適用于沙漠環境,應用后能夠解決人工鋪設草方格治沙勞動強度大、效率低等問題。