一種應用生態固沙劑的沙漠種植機設計*

廖 滔，王 昕，肖 瑤，歐陽青，劉錦梁，王紅軍

（華南農業大學工程學院，廣州 510642）

0 引言

我國作為世界上受荒漠化影響最嚴重的國家之一，沙漠生態修復治理長期以來都是國家最看重的一項工程。當今治沙工程多以人工或機械化在沙地上鋪設草方格的方式進行，但人工草方格種植耗時耗力、機械化草方格種植也存在著預處理成本大、設備笨重以及種植過程碾壓率高等問題，成效并不理想。且同時播種的牧草和蓖麻等沙漠經濟作物的種子，幼苗死亡率達30%～40%，某些作物甚至高達60%，需多次補種，效果欠佳。

隨著我國在固沙工程上的不斷研究與突破，2016年，中國石油大學開發完成并成功應用了一種新型生態固沙劑，標志著我國在沙漠固沙技術領域有了新的突破。康惠芬等[1]制備了一種新型高分子環保固沙劑，具有較強的保水性，抗風蝕性、耐水蝕性和抗壓性，意味著固沙劑逐漸成為未來固沙工程的發展方向。在沙漠栽種治沙植被時，播種后向沙土表面噴灑一層生態固沙劑，噴灑的固沙劑裹挾沙面沙礫凝固形成一個固化膜層，當有自然降水時，該固化膜層逐漸下滲增厚，并可長時間維持，厚度最大可達3～5 cm，能有效地防止風蝕，且起到吸濕和減少土壤水分蒸發的作用，最終實現固定、綠化沙丘，改善生態環境的目的。當沙漠植物抵抗風沙侵蝕順利發芽成活后，該固化膜層又可逐步溶于雨水回歸自然，無毒無害[2-4]。

目前國內外并未在固沙劑與沙漠種植結合上取得較大突破。在國內，李衛衛等[5]設計了一種沙漠壓沙種草機，利用種草輪插入沙面的阻力與復位彈簧開合播種，但并未進行覆沙、壓沙等步驟，使種子暴露在沙面；梁建平等[6]設計了一種固沙劑灌草種子噴播一體機，但采用風中混合倉的噴播方式，未能較好保證播種的均勻性。而且國外并未有集生態固沙機噴灑及固沙種子播種一體化的機械設備問世。

綜合當前世界對生態固沙劑與沙漠播種機的研究，本文提出了一種基于慧魚模型的集底盤、松沙機構、播種機構、開溝機構、覆壓沙機構、固沙劑噴灑機構、升降機構于一體的應用生態固沙劑的沙漠種植機。

1 沙漠種植機整體方案設計與工作流程

1.1 整體方案設計

該沙漠種植機主要由7大機構組成，分別是底盤、松沙機構、開溝機構、播種機構、覆壓沙機構、固沙劑噴灑機構以及升降機構[7-13]。在這些機構的集成作用下，該機器可以實現松沙、開溝、播種、覆沙、壓沙、噴灑生態固沙劑等功能，各個功能協調運轉，全自動完成應用生態固沙劑的沙漠種植工作，其整體結構如圖1所示。

圖1 沙漠種植機整體方案設計

1.2 工作流程

該沙漠種植機工作流程如圖2所示。工作人員啟動沙漠種植機，機器通過超聲波傳感器先后對種子箱和固沙劑箱剩余量進行一次檢測。若剩余量不足，種子箱和固沙劑箱對應指示燈亮起，蜂鳴器響起提醒工作人員添加種子或固沙劑；若剩余量充足，則工作人員根據工作地沙漠化程度選擇固沙劑的噴灑模式（模式1及模式2），完成工作預處理。

圖2 工作流程

完成工作預處理后，松沙機構下降開始松沙工作，隨后升降機構下降，帶動開溝機構、覆壓沙機構，壓沙裝置氣缸進氣，使壓沙滾輪壓緊沙面。種植機前行，播種機構開始工作，通過凸輪運動推出種子，最后處于機器尾部的固沙劑噴灑機構開始工作，對已完成壓沙步驟的沙面進行固沙劑噴灑，使沙面沙礫凝固形成固化膜層，便于種子生長。

種植機工作期間持續對種子箱和固沙劑箱進行實時檢測與反饋，當種子箱內種子或固沙劑箱內固沙劑剩余量小于所設定值時，將提醒工作人員及時補充種子或固沙劑。當人們通過顯示屏確定補充種子時，種子箱通過螺桿下降，便于工作人員補充種子。當機器工作環境亮度低于所設定值時，照明燈亮起，保證夜間工作的安全性。如圖3所示。

圖3 人機交互流程

2 主要機構方案及工作原理分析

2.1 松沙機構設計

松沙機構結構設計如圖4所示，其功能是鋪平且松動種植機前進方向上的沙子，以達到優化播種效果與降低對開溝機構、覆壓沙機構的損傷。

圖4 松沙機構結構設計

松沙機構位于種植機最前端，設計行星輪系統，將行星輪作為松沙刀，對行進方向上的沙面進行松動作業。該機構工作時，減速箱電機前進，通過連桿機構與固定在環形內齒圈上的轉動副，將行星輪松沙刀頭部通過連桿壓入沙面，通過鏈傳動帶動太陽輪，使行星輪松沙刀進行公轉運動，對其接觸到的沙面進行松沙工作。當結束工作時，減速箱電機向后運動，通過連桿機構將行星輪松沙刀帶離沙面。行星輪系統及傳動原理如圖5所示。

圖5 行星輪系統及傳動原理

2.2 播種機構設計

播種機構結構設計如圖6所示。其功能是利用復位彈簧、凸輪的遠行程與近行程原理，恒速、衡量地進行三行播種。為利用重力勢能與方便工作人員補充種子，將播種機構的種子箱設計在微型升降平臺上。當工作人員需補充種子時，種子箱通過螺桿運動下降，且此時種子箱蓋將通過連桿打開，方便工作人員補充種子。

圖6 播種機構結構設計

播種器將凸輪與滑塊相結合，利用凸輪的遠行程與近行程原理，凸輪電機的旋轉速度為ω，此時推板在復位彈簧的作用下以速度v做往返運動，即保證了恒速與恒量的需求。并且利用重力勢能，將推出的種子沿著三行與開溝機構相連接的管道下落，保證了播種的準確性。播種器原理如圖7所示。

圖7 播種原理

2.3 開溝機構設計

開溝機構結構設計如圖8所示。其功能是在沙面刮開連續的凹槽溝槽，為播種工作提供前提條件。

圖8 開溝機構結構設計

開溝機構整體為避免因長期在沙面以下工作導致受損嚴重，設計了懸掛式緩沖裝置；開溝刀由主開溝刀和仿生分沙器組成。當開溝機構遇到松沙機構未能完全處理的硬質沙塊或石頭時，懸掛式緩沖裝置會依靠彈簧的作用降低對開溝機構的損傷。

因藍鰓金槍魚具有很大的高速耐力，魚體呈紡錘形，近似于魚雷，前2/3基本為剛性。經千萬年演變，藍鰭金槍魚下顎形成了流線型曲線，在其快速前進時，降低工作阻力且水流快速從兩側流開，適合于開溝機構分沙器的應用要求。因此保留藍鰭金槍魚下顎曲線的基礎上，將原有仿生曲線重構為三維曲面。分沙器仿生曲面受力分析如圖9所示。

圖9 分沙器曲面受力分析

2.4 覆壓沙機構設計

覆壓沙機構結構設計如圖10所示。其功能是將已播好種子的溝槽回填且進行鎮壓工作。

圖10 覆壓沙機構結構設計

覆沙輪由成銳角的兩被動滾動輪組成，當種植機前進時，與沙面接觸的覆沙輪因摩擦力的作用而產生滾動，因其成銳角而將溝槽兩側的散沙推回溝槽中，完成覆沙工作。

壓沙裝置由橫向仿形輪和帶彈簧式氣缸組成。當升降平臺下降時，仿形輪并未接觸沙面，處于初始位。此時氣泵工作，使氣缸活塞桿推出，通過轉動副和連桿將仿形輪下壓，使其壓緊沙面，處于工作位。使用帶彈簧式氣缸作為壓緊源，即保證了對沙面的壓緊力一定，降低了仿形輪連接架受損的可能性，又當結束工作時，氣缸因彈簧作用自然上升，且存在自鎖功能。覆壓沙原理如圖11所示。

圖11 覆壓沙原理

2.5 固沙劑噴灑機構設計

固沙劑噴灑機構結構設計如圖12所示。其功能是為已完成覆壓沙工作步驟的沙面噴灑固沙劑，使沙面形成固化膜層，保證種子的發芽率。

圖12 覆壓沙機構結構設計

固沙機噴灑機構設計了基于蝸輪蝸桿的調節器，用根據工作地點的沙漠化程度來選擇不同的模式，以避免固沙劑的浪費。并且利用霧化噴頭作為噴灑口，保證噴灑的均勻性。同時還設計了超聲波傳感器用以監控固沙劑的剩余量，及時提醒工作人員添加固沙劑。兩種固沙劑噴灑模式參數如表1所示。

表1 固沙劑噴灑模式參數

2.6 升降機構設計

升降機構機構結構設計如圖13所示。其功能是將固定在升降平臺上的開溝機構以及覆壓沙機構壓入沙面進行工作。

圖13 升降機構結構設計

升降機構通過4根螺桿連接，并且兩根螺桿之間使用鏈傳動，中間部分使用鋁型材連接。升降平臺下安裝有開溝機構和覆壓沙機構。該機構使用鏈傳動，傳動比準確、無滑動、效率高、結構比較緊湊、能傳遞更大的功率。使用螺桿實現上升與下降，運動準確且能實現升降平臺的自鎖功能。

3 控制系統設計

3.1 控制模塊

本沙漠種植機核心控制部件為3塊慧魚TXT控制器，并通過接觸屏幕控制。1塊用于控制小車的整體運動（運動控制器），2塊用于控制小車整體功能（工作控制器）。用戶可通過工作控制器顯示屏來選擇車子的播種模式，當選擇好模式后，可通過運動控制器來使種植機沿規定路線工作及停止。

3.2 程序設計總思路

本沙漠種植機的程序設計由工作總程序及運動總程序兩部分組成。工作總程序如圖14所示。該總程序圖由檢測種子是否足夠子程序、添加種子子程序、檢測溶液是否足夠子程序、添加溶液子程序、中間平臺下降子程序、開始調節模式高子程序、后調節模式子程序、中間平臺上升子程序等組成。種植機的運動總程序如圖15所示。

圖14 工作總程序設計

圖15 運動總程序設計

3.3 松沙裝置模塊設計

松沙機構升降是由兩個同步的減速箱電機通過并聯，連接到慧魚TXT控制器的M1端口，當程序通過檢測部分后，兩個電機同步啟動，并在1.5 s后到達指定位置并停止。行星輪通過一個連接O3的迷你電機來帶動，并運行到程序結束。

3.4 播種裝置模塊設計

播種機構由種子箱和播種器組成，種子箱上裝有超聲波測距儀與慧魚TXT控制器的IF1 L6連接，當測距器測得的距離超過5 cm時，會觸發連接在EM1 O4上的警報燈和警報器，并且程序會自動跳轉到添加種子子程序。工作控制器彈出“AD”和“RE”，按下AD后連接在EM1 M3上的電機會正轉300個脈沖距離，使種子箱向下移動。當裝好種子后，可按下RE，此時連接在EM1 M3上的電機會反轉300個脈沖距離，使種子箱回到原位，此時程序會跳轉到下一個子程序。如圖16所示。

圖16 播種裝置程序設計

3.5 壓沙裝置模塊設計

在壓沙裝置上，帶彈簧式的氣缸接有一個氣壓閥和氣泵，氣壓閥和氣泵分別連接在慧魚TXT控制器上的EM1 O1 O3上，當升降機構下降到指定位置時，氣泵和氣壓閥同時被供電，使氣泵推桿前進，仿形輪緊貼地面。當按下ST時，氣壓閥和氣泵同時關閉，氣缸收縮，仿形輪歸位。

3.6 固沙劑噴灑裝置模塊設計

在裝有固沙劑的儲存箱上面有超聲波測距儀通過連接到慧魚TXT控制器的L1端口，當超聲波測距儀測得的距離超過5 cm，連接在EM1 O4上的警報燈和蜂鳴器會開始工作，且程序會跳轉到添加溶液子程序，待添加完固沙劑后可按下AW，警報燈和蜂鳴器會停止工作且程序會繼續向下執行。如圖17所示。

圖17 固沙劑剩余量檢測程序設計

在慧魚TXT控制器上EM1 M3上接有一個電機，通過蝸輪蝸桿結構連接到調節器上，可以通過按下“HI”和“LO”來調節模式，當按下HI時，電機會反轉到達功率較大的噴嘴，當按下LO時，電機會正轉到功率較小的噴嘴，也可以按下ST來結束程序，此時噴嘴會歸位到原來的位置。如圖18所示。

圖18 固沙劑模式調節程序設計

3.7 升降裝置模塊設計

升降機構采用兩個同步的步進電機分別接在了M3和M4上，當松沙機構下降到指定位置后，中間平臺會同步反轉，使工作平臺下降到工作位置，當按下ST時，M3、M4電機會正轉，使工作平臺復位到原來的高度。如圖19所示。

圖19 升降裝置程序設計

4 整機實地實驗驗證

為了驗證設計的合理性與可行性，同時也為了更好地進行測試，故對整機進行了慧魚模型的組裝，完成了硬件系統的搭建。部分零件采用3D打印技術制作，實地測試如圖20所示。

圖20 實地測試

在實地測試中，主要考察指標為開溝深度以及每次播種的種子粒數。根據設計方案，開溝深度應處于25～35 mm之間，每次播種數量應為10～15粒（以檸條種子為例）。實驗設置種植機前進速度為0.2 m/s，播種速度為1 r/s，令種植機工作前行10 m，按隨機取樣原則，利用米尺及鋼卷尺收集5組數據，開溝深度數據記錄如表2所示，播種粒數數據記錄如表3所示。將實驗數據與開溝深度以及播種粒數的性能指標對比，開溝深度及播種粒數均滿足性能指標要求，沙漠種植機主要性能達到設計需求，設計合理。

表2 開溝深度數據

表3 播種粒數數據

5 結束語

本文將生態固沙劑與沙漠種植工程相結合，依照所需的功能要求，基于慧魚模型設計出結構簡單、功能齊全的沙漠種植機。相比于傳統的草方格固沙方式，利用生態固沙劑進行沙漠種植的方式具有社會效益性高、固沙能力強、可持續發展性好等特點。在實驗中表明，本機器能實現新型沙漠種植的松沙、開溝、播種、覆沙、壓沙以及噴灑固沙劑等步驟。本文整機的設計方案與各功能機構的模塊化設計組合具有創新性的意義，智能化、人機交互性的設計更符合當今社會發展的主題，模塊化的編程程序可移植性強大，可以進行商業化生產。因此，本沙漠種植機具有良好的現實意義和推廣應用價值。