一種自動化草方格沙障鋪設裝置

楊根福，蘇光富，林嘉興，吳世明，林 權

（武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300）

固定移動的沙丘是治理荒漠的第一步，草方格是一種防風固沙、涵養水分的治沙方法，對固定流動沙丘有奇效，但目前鋪設草方格主要有2種方式，一種是采用人工鋪設的方式，其主要步驟是清理選擇麥草、碼放麥草和踩壓整形，該方式效率較低，且由于荒漠條件較為惡劣，人工成本較高，勞動強度大；另一種是采用大型的鋪設車，不僅價格昂貴，而且需要3～4人同時操作，且要具備較強的特種車輛駕駛能力[1-5]。所以本課題提出研發一種易于單人操縱的自動草方格鋪設裝置，以降低草方格鋪設成本，減少工人的勞動強度，提高工作效率。

1 裝置整體結構組成

半自動草方格沙障鋪設裝置總裝如圖1所示，該裝置主要由草料輸送機構、草料擠壓機構、草料切斷結構、裝置行走機構和裝置動力源等組成。草料輸送機構由送料電機11、小滾筒36、滑槽37、小實心輪35、送料從動軸6、皮帶34、送料主動軸19、大實心輪51、下層滑槽25、滾筒31、D大帶輪29、DA皮帶1和D小皮帶輪等零部件構成。裝置行走機構包括行走電機3、鏈輪12、行走驅動軸13、右輪連接件21、底盤左側板5、左輪連接件28、鏈輪固定釘30、行走轉軸23、一號彈簧16、二號彈簧52、承重輪24、彈簧固定釘15和履帶22等零部件構成。草料擠壓機構包括擠壓電機46、絲桿40、機械臂41、擠壓電機支架43、擠壓轉軸38、擠壓輪18及蝸輪蝸桿升降機等零部件構成。草料切斷結構包括圓盤鋸42、切割電機44、滑槽37、切割電機支架45、切割電機44、下層滑槽25、小帶輪49、滑塊48、導軌47及步進電機等零部件構成。綜合分析結合成本與工況考慮，行走電機選用直流減速電機作為主要動力源，因為本裝置運行在沙地，難免遇到較為極端的路況。

圖1 半自動草方格沙障鋪設裝置總裝

2 裝置方案設計

2.1 裝置行走機構設計

裝置行走機構如圖2所示，在此考慮到荒漠環境惡劣，路況復雜，輪式車輛對復雜路況的應對能力較差，承載能力差，雖然其經濟性較好，但為了保證其在荒漠中的通過性，采用履帶式設計。由于荒漠路況平整度較低，為降低路面不平對車身造成沖擊導致故障，因此需要設計懸掛系統，參考選用克里斯蒂懸掛，該結構簡單，可靠性高，同時具有較好的柔軟性，適應車輛工況需求。

圖2 裝置行走機構

2.2 草料輸送機構設計

草料輸送機構如圖3所示，圖中將滾筒設計成一大一小，位于上方的小滾筒減短了力矩，減小了扭矩，位于下方的大滾筒增大接觸面積，能夠更好地帶動草料。同時將2個滾筒設計于同一平面，使得2個滾筒線速度一致，保證草料在2個滑槽上的運動一致性，設計的帶輪的大小滾筒的大小成等比例。另外為了增加摩擦力，滾筒上增加一定量的條紋，又因為考慮到草料與草料之間的厚度可能會有所差異，因此將側板處的開槽從圓孔改為槽孔，增加一定的調節空間，固定方式采用法蘭盤，將滑槽分為上下2個部分主要是為了在切割后還能夠通過電動機與帶輪實現自動送料。

圖3 草料輸送機構

2.3 草料擠壓機構設計

草料擠壓機構如圖4所示，依據草方格鋪設的工藝需求和鋪設工況，設計采用最簡單的圓盤擠壓式，其主要優點是故障率低，維修檢修方便，造價低廉，稍有不足是通用性較差，只能鋪設韌性較好的作物，但對于本裝置而言，主要應用于柔軟的沙面上，擠壓對象為韌性較好的草料，其專用性強，符合設計使用要求。另外設計連桿機構配合具備自鎖能力的蝸輪蝸桿升降機，可以根據實際需求調節擠壓深度，能較好地勝任擠壓工作。

圖4 草料擠壓機構

2.4 草料切斷結構設計

草料切斷結構如圖5所示，切斷裝置主要由2部分組成，分別是負責橫向移動刀具和負責切割作業。由于草料切斷裝置需要一定精度的定位，避免誤切，在此切割電機采用步進電機，配合同步帶，通過橫向移動完成切割任務。由于切斷裝置中的圓盤鋸鋸片，需要定期更換，因此電機支架滑塊支架適合采用快拆設計，如圖5所示。

圖5 草料切斷結構

3 裝置工作原理

由圖1可知，裝置由位于前方的2個電動機提供行走動力，同時利用電動機的轉速差來實現轉向。車輛的行走作業主要由遙控進行操作。在裝料后，且由人工設定好鋪設長度等參數后，車輛可自動進行鋪設作業。主要作業流程是車輛直線行走，位于后方的擠壓輪在電機的帶動下，配合自重插入沙地一定的深度。草料由傳輸機構鋪設在車輛的正下方，隨著車輛的前進將草料壓入沙地。在完成設定的鋪設長度后，草料傳輸機構停止工作，草料切斷裝置開始工作。切斷草料后，車輛再行駛一段距離確保所有草料都埋入。最后擠壓裝置升起，車輛倒車回到原地完成一次作業。

4 結束語

市面上草方格沙障鋪設裝置目前主要的鋪設方式還是人工鋪設，僅有的鋪設機械也需要多人操作，且還需要較高的操作水平。本課題從降低工人工作強度，節約人力成本角度出發，研發一種草方格沙障鋪設裝置，可以實現草料埋入沙地的整個過程自動化，人工參與程度少，草料埋入效率高。該裝置還依據沙漠地帶陽光充沛，在車輛的兩端鋪設了一定長度的太陽能板，以利用其太陽能作為動力源。此外，以往的草方格鋪設一般是在鋪設后再澆少量的水，而本裝置提出在草料輸送機構末端加上了幾個霧化噴頭，在鋪設初期就能潤濕草料，減少草料因為過于干燥導致韌性過低而被切斷的可能。另外設計的履帶式行走機構能夠大幅度地增加車輛在荒漠中的脫困能力，減小了作業車輛被困的尷尬情形，市場應用前景廣闊。