淺析我國固沙機械現狀及發展趨勢

張 宇，王慧明，趙培琪，劉仁斌，李 瑞，張譯心

(沈陽工業大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110870)

0 引言

隨著人口基數不斷擴大、活動地區快速擴張以及對糧食與其他資源的需求急劇增加，土地荒漠化愈發嚴峻，我國有近三分之一的國土面積飽受風沙襲擾，嚴重制約了我國西北部的經濟發展。為解決上述問題，我國大規模進行了草方格鋪設、防沙林種植等，耗費大量人力，因此荒漠作業機械化必不可少。

荒漠作業機械化相較于人工種植具有種植效率高、工作迅速、操作簡便和治沙效果好等明顯優勢，而固沙機械則是實現荒漠作業機械化的基礎，對我國沙漠治理的成功起決定性作用。因此，本文針對固沙機械展開分析與探討。

1 固沙機械的定義及分類

固沙機械是用于代替或輔助人工固沙的，為固沙工程提供動力、送料、開溝和固定等幫助的，可自動或半自動運行的機械裝置，其廣泛應用于現階段荒漠治理。目前，我國的固沙機械通常是以防治沙漠化技術為依據，治沙技術主要分為工程固沙技術、生物固沙技術和化學固沙技術，與之對應的固沙機械分別為工程固沙機械、生物固沙機械和化學固沙機械。

1.1 工程固沙機械

工程固沙機械是制造鋪設以蘆葦、尼龍網、鵝卵石等為原材料的沙障，阻擋沙礫移動、改變風沙流動規律，進而實現防風固沙的機械裝置，其主要應用于長時期存在且不斷向外擴張的沙漠[1]。

“防風固沙草方格鋪設機器人”項目就是早期的工程固沙機械，其主要結構有橫向插草裝置與縱向鋪設裝置[2]。橫向插草裝置是利用鏈輪傳動實現定向送料，再通過不完全齒輪嚙合使三把插刀豎直移動完成間歇性插草，由液壓馬達與另一組不完全齒輪使送料與插草過程相互配合、連貫作業，最終完成橫向鋪設；縱向鋪設裝置[3]結構簡單、破壞性小、效率高，是采用自動送草機構將草均勻鋪設在行駛軌跡上，再利用液壓缸與壓形輪配合，完成縱向鋪設。

1.2 生物固沙機械

生物固沙機械是用于種植防沙林、梭梭等植物，利用植物根系來固土保水、修復生態的機械裝置。因生物固沙技術具有難以適應極端風沙環境、生長周期長、可修復生態系統等特點[4]，所以通常應用于工程固沙后的荒漠或者新形成的沙漠。

徐高興等[5]研發的梭梭播種機具有開溝器、排種器、排沙器和地輪結構，并通過鏈條實現排種軸、排沙軸、地輪的同步傳動，具有自動出種出沙、高效播種、均勻行距等特點，通常與縱向草帶配合使用；曾祥平[6]發明的梭梭播種機包括驅動輪、儲料箱、開溝器、伸縮桿以及下料筒，雖不能根據沙地特征調節種植深度，但也解決了開溝裝置不能伸縮的問題。

1.3 化學固沙機械

化學固沙機械是可儲存、噴灑化學粘合劑，形成固結層緊貼流沙表面，以隔絕氣流與沙層，從而固沙保水的機械裝置。由于傳統的化學粘合劑存在二次堿性污染、無法降解等問題，因此會造成植株燒苗的窘狀[7]，其主要針對特殊地域或小范圍的荒漠治理，難以大規模使用。

丁國棟等[8]研發的液體固沙劑噴施及固結層切割裝置利用儲存箱與壓力裝置噴灑作業，隨后通過軸向輪系切割片劃分，在化學固沙的同時保證沙地網格化，進而形成網格固結層，可減小化學固沙技術的副作用，降低沙層溫度，利于植株生長。另外還存在以清潔能源為動力的裝置，如繆江橋的太陽能固沙劑噴灑拖車[9]，以太陽能為供電源，將固沙劑與沙粒攪拌，壓成沙墻，并加熱固定，形成縱橫交錯的沙墻陣，從而防風固沙。

2 固沙機械研究現狀

針對風沙肆虐、水土流失嚴重、沙丘流動性強及生態環境脆弱的環境現狀，我國制定政策并對防風治沙的投入持續加大。以“防風固沙草方格鋪設機器人”項目為開端，眾多科研人員積極投身各類固沙機械設計與研發中，固沙機械產品層出不窮。

2.1 我國固沙機械研究現狀

2.1.1 機構設計與優化

針對固沙機器人的動力系統，董麗[10]探討了氣動技術應用于機器人的可能性，并為草方格鋪設機器人設計了氣動系統，也可為其他氣動系統設計者提供參考。針對草方格鋪設機器人的切割機構，孫術發等[11]側重研究了橫向切割機構，對切割機構建模和動力學仿真，確保切割機構的可行性和合理性。針對固沙機械的輪系移動系統，楊博[12]從輪寬尺寸出發，在保證鋪設機構與牽引車動力匹配的前提下，利用有限元分析，得到輪寬適用范圍，所建立的輪系有限元模型對在沙地的滾動工作機具有參考意義。

2.1.2 性能分析及適應性研究

陸懷民等[13]以我國北部荒漠為樣地，研究了防風固沙草方格機器人的沙漠通過性，給出預測機器人通過性模型，供用戶購置參考。潘海兵[14]研究草方格鋪設機器人的振動系統，分析振源并重點剖析垂直方向振動，通過條件假設建立了六自由度的振動力學模型，并轉化為數學模型，為振動系統的通性研究提供參考，推進了鋪設機器人的后續發展。

2.2 我國固沙機械存在的問題

雖然我國荒漠治理已經取得初步成果，但仍存在如下問題：現階段對荒漠治理的持續投入不足，多數科研成果停留在論文、專利等理論階段[15]，未能形成實體產品。我國沙地多為流動沙丘，常規大型機械難以進入，多數以人工種植為主，耗費大量人力且無法達到治理效果，因此需要小型固沙機械彌補空缺。我國各地沙地特征差異極大，同種裝置很難在不同沙地工作，無法實現治沙機械的通用化。

3 固沙機械發展趨勢

為保證荒漠作業機械化水平逐步提升，實現固沙機械更好的發展，本文結合現階段固沙機械存在的問題，探究其未來的發展趨勢：

(1) 考慮到流沙環境中的通過性，固沙機械需由傳統的大型裝置逐漸向小型化、自動化和智能化靠齊。

(2) 針對荒漠環境特征復雜等問題，需加強研制具有針對性的機構，實現裝置的模塊化，即解決現有裝置缺乏針對性的問題且節約研發成本，實現通用化。

(3) 針對機械裝置成本過高、難以形成固沙產業鏈、無法持續性發展等問題，我們需優化機構與改良原料，以降低成本，促進固沙產業發展。

4 結語

固沙機械的設計研發在我國荒漠治理的進程中起到了巨大的推進作用，為實現沙漠變綠洲的目標提供了堅實基礎。隨著固沙機械未來逐步向小型化、模塊化和智能化方向發展，現階段存在的問題皆會迎刃而解；未來的固沙機械一定可以以最小的投入達到最佳的治理效果，更好地提高荒漠作業的機械化水平，形成良好的固沙工業體系，實現荒漠變綠洲的夢想！