一種防風固沙植被培養機械的設計

陳翔 曹占龍 彭立軍 龔青山 譚浩

摘要：為治理土地荒漠化，實現防風、固沙、植被培養功能，基于三維軟件設計了一種防風固沙、植被種植培養機械裝置。該裝置主要由種子植入裝置、配套種植機械等組成，經過各部分平穩、連續的作業，最終將培育好的幼苗及特制種子倉植入沙地中，幼苗在種子倉的保護下成長，達到治理土地荒漠化的效果。對本裝置進行了總體電控系統設計，使用有限元軟件對裝置關鍵結構進行了分析和優化，根據最終優化結構制造了裝置實物樣機，并進行了試驗和測試。結果表明，該裝置能實現設計功能，種子植入裝置能正常展開工作，配套種植機械可實現自動夾取、植入等動作，對治理土地荒漠化具有較高實用價值。

關鍵詞：生態防護；防風；固沙；植被培養；有限元分析

中圖分類號：S223 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.008

文章編號：1006-0316 （2024） 02-0046-07

The Design of a Windbreak and Sand Fixation Vegetation Cultivation Machine

CHEN Xiang¹，CAO Zhanlong²，PENG Lijun¹，GONG Qingshan²，TAN Hao³

（ 1.?Science and Technology College， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442000，?China;?2.?College of Mechanical Engineering，?Hubei University of Automotive Technology，?Shiyan 442000，?China;?3.?Digital Department，?Dongfeng Commercial Vehicle Co.， Ltd.， Shiyan 442000，?China?）

Abstract：In order to control land desertification and realize the functions of windbreak， sand fixation and vegetation cultivation， a mechanical device is designed based on three-dimensional software. The machine?is mainly composed of seed implantation device， supporting planting machinery and other modules. After smooth and continuous operation of each module， the cultivated seedlings and special seed storehouse are finally implanted into the sandy land. The seedlings grow under the protection of the seed storehouse， which?finally achieve the effect of controlling land desertification. The overall electronic control system of the device was designed， and the key structure of the device was analyzed and optimized by using finite element software. According to the final optimized structure， the physical prototype of the device was manufactured and experiments?and tests?were carried out. The results show that the device can realize the corresponding function， the seed implantation device can work normally， and the supporting planting machinery can implement automatic clamping， implantation and other actions.?The designed machine?has high practical application value for controlling land desertification.

Key words：ecological protection；wind-breaking；sand-fixing；vegetation cultivation；finite element analysis

隨著土地荒漠化侵蝕情況劇增，可用土地急劇減少，嚴重影響生活環境。工程固沙是目前國內外解決土地荒漠化最直接有效的方法^[1]。對于工程固沙，國內外多采用人工治理，效率低、工作環境惡劣，而機械化治理少有將防風固沙、植被培養同時結合的機械裝置實例，更缺少與之相配套的投放機械?，F今此類機械裝置，如仰鈞毅等^[2]設計的新型防風固沙植物種子噴播車，基本只專注于一種治理功能。在沙漠、荒漠較為惡劣的環境下，種子生長初期不受保護，種子噴播法治理種子成活率低。李衛衛等^[3]設計了一種多功能沙漠壓沙種草機，通過在沙地中鋪設草方格，并在埋入的秸稈附近進行播種，達到鋪設草方格沙障和種草的目的。但單一鋪設草方格治理效果不顯著，草方格衰敗周期短，不利長期治理，需定期鋪設，治標不治本。李小東等^[4]提出，依靠人海戰術、人工治理這一傳統方式在荒漠化面前是力不從心的。為此，本文設計了一種種子植入裝置，能在防風固沙的同時，保障裝置內預設的原生植物生長的集成一體化裝置，并且提出一種配套種植機械，使該裝置實現機械化自動投放。

1 總體機械結構設計

1.1 總體結構

該防風固沙植被培養機械如圖1所示，主要包含種子植入裝置、配套種植機械、沙漠地形車。配套種植機械通過橫向抓手機構，批量抓取種子植入裝置實現機械化植入工作?？紤]到裝置工作環境較為惡劣，配套種植機械為模塊化設計，以沙漠地形車為載體，所有控制采用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）和單片機系統結合進行，以提高穩定性^[5]。整體機械尺寸為：總高度1520 mm，總寬度250 mm，最大長度1090 mm，最小長度650 mm。

模塊化設計的配套種植機械可安裝在多種類車型上。當安裝在沙漠地形車上時，可直接開展工作，將創新設計的種子植入裝置機械化植入沙壤。工作流程如圖2所示。

按照工作要求和工況條件，采用的動力系統設計拆分每個功能，每個電機對應一個功能。出于試驗安全考慮，五個電機均采用24 V直流電機，使用電源轉換器將220 V交流電轉換為24 V所需電壓。算得參數如表1、表2所示。

1.2 種子植入裝置結構

該裝置的防風固沙設計，本質上是通過增大荒漠的表面粗糙程度，使風的流經過程受到阻礙，將空氣中的機械能轉為裝置的機械能。通過機械能的轉移，實現風速的降低，達到防風效果。為使種子植入裝置實現鉆入容易、安置后展開固沙，其工作時的運動情況如圖3（a）所示。當種子植入裝置上方的防風罩受到風力時，構件4向上移動，擬設為原動件，帶動構件3繞轉動副C做逆時針轉動，構件2隨之繞轉動副A做順時針轉動。當構件3與構件2運動到互相垂直的位置時，蹼爪張到最大，處于預設死點，運動停止。此時構件3受到沙土較大的反作用力，使整個裝置停止向上移動，較為牢靠地固定在沙地、土壤中。

對該機構進行自由度計算：

F＝3n－（2P_L＋P_H） ????????????????（1）

式中：F為自由度；n為活動構件數量；P_L為低副數量；P_H為高副數量。

該機構共有：n＝3，P_L＝4，P_H＝0。

計算得：F＝1。

為增加穩定性，該機構設有虛約束。為提高裝置在荒漠的耐用度、減少機械故障，該機構為低副機構。經過模擬分析，該裝置能按照預設情況，實現確定的展開運動。

以上述機械原理進行建模設計，種子植入裝置結構如圖3（b）所示。改良的沙地鉆頭位于底部，通過配套種植機械的電機傳輸的扭矩，帶動鉆頭旋轉，將種子植入裝置鉆入沙地。保護罩起到保護蹼爪連接處脆弱部分的作用。含種子的種子倉隨種子植入裝置一起鉆入土壤，種子倉采用可降解材料制成，分解后可成為種子的營養成分。仿生設計的蹼爪機構可增大在沙地、土壤中的受力面積。

1.3?配套種植機械的方案

配套種植機械上方設有上機架，能帶動電機沿Z軸進給，并承受電機進行旋轉的主運動。夾手和上機架同步沿Z軸移動，輸出給種子植入裝置一個向下鉆入的軸力和扭矩，使種子植入裝置鉆入沙壤。其主要功能是實現水平夾取動作和植入動作。

如圖4（a）所示，絲杠2在電機的作用下帶動上機架在Z軸方向運動，與上機架通過螺柱連接的下機架也同步在Z軸方向運動。安裝在下機架上的絲杠6在電機的作用下帶動滾輪式機械夾手在X軸方向運動，進行夾取。

如圖4（b）所示，上機架安裝在對角分布的兩對絲杠導軌機構上，實現Z軸方向進給，上機架上安裝有鉆頭電機，為種子植入裝置提供扭矩。安裝在下機架上的絲杠機構提供同樣安裝在下機架上的滾輪式機械夾手沿X方向的進給，夾取等待的種子植入裝置，移動到鉆頭電機下方等待植入。

相較于單絲杠進給設計，雙絲杠進給設計可抵消進給時的扭轉力，進而提高系統動剛度，軸向固有頻率提升了38%^[6]。由于使用雙絲杠進給機構，為提高兩軸同步，避免因負載變化出現上機架歪斜，采用許向榮等^[7]提出的模糊自適應PID（Proportional-Integral-Derivative，比例－積分－微分）交叉耦合控制算法，有效減少進給機構系統的誤差。

為實現植入功能，設計了一種能夾住旋轉桿的滾輪式機械夾手^[8]。在夾手上設計了三層、十二個對心排布的滾輪，以滾動摩擦代替滑動摩擦，使夾手夾持種子植入裝置時，還能保留種子植入裝置旋轉的自由度。

如何將配套種植機械電機的動力、扭矩傳遞到植入機構，并實現穩定的嚙合和隨時分離的要求，是本研究的重點之一。初期，根據汽車離合器設計原理，并結合預設工作要求，設計了兩種方案的摩擦嚙合盤結構，如圖5所示。

方案1設計預采用平面接觸方式，通過接觸平面上設計的卡槽實現嚙合，進行動力傳遞，并且可以隨時嚙合、脫離。方案2采用仿錐齒輪外形設計，下方的仿錐齒輪外形部件為上小下大設計，使在兩部分還未接觸時，上方部件就能覆蓋下方部件。在兩零件存在同軸度誤差的情況下，夾取下方部件的夾手手臂處受力后可產生輕微彈性形變，使摩擦嚙合盤的中心軸線可以微調，進而保證兩部件的完整嚙合。

摩擦嚙合盤是關鍵傳動部件，通過嚙合起到傳遞扭矩和軸力的作用，校核并優化該部分極為重要。通過ANSYS對該部位進行真實工況的瞬態分析，進行強度校核，并基于1.4節數據選定兩種設計方案中較優的一個。

1.4?摩擦嚙合盤關鍵傳動部位瞬態分析

設置運動副和摩擦，給上下設置為對地旋轉，模擬電機工作，摩擦系數設置為0.15，施加載荷。對上側施加0.185 N·m的扭矩及131 N的力，模擬電機傳遞的扭矩和機架施加的軸力；下側施加360°的旋轉及131 N的支反力，模擬種子植入裝置工作時受到的沙土反作用力。結果如表3、圖6所示?？梢钥闯?，方案2的最大應力比方案1降低約60%，方案2的最大應變比方案1降低約43%。方案2各項性能優于方案1，因此采用方案2為最終設計。

2 總體電控系統設計

控制方面選用了PLC控制，設計的自動控制系統硬件如圖7所示。設計PLC的輸入點數為8點，包括上下限位開關（3點）、前后限位開關（3點）、夾手位置檢測（1點）、總開關控制（1點）；輸出點數為7點，包括電機1（2點）、電機2（2點）、電機3（1點）、電機4（2點）。控制器選用FX3U-16MR/ES-A機型，該PLC I/O點分配為8輸入、8輸出，以滿足本次機械裝置控制的需要。

控制系統通過PLC實現信號檢測及動作控制，自動裝置控制系統流程^[9]，如圖8所示，主要分為系統控制電機啟動、停止、檢測信號、循環運行等。其中，T＝3 s為留給光電傳感器的檢測時間，同時讓系統擁有一定的安全裕度。

PLC主程序部分片段和控制系統實際接線如圖9、圖10所示。

3 實物樣機制造及測試

按照上述設計，制作了總體裝置實物樣機，并進行實驗，如圖11所示。實驗發現，配套種植機械工作時需要向種子植入裝置傳遞較大的軸力，但鉆頭電機不能長時間承受軸力^[10]。為解決此問題，設計一種承受軸向力的結構，如圖12所示。在摩擦嚙合盤上、聯軸器與電機支架之前，安裝一對推力圓柱滾子軸承，由推力圓柱滾子與聯軸器代替電機軸承受軸向力。改進后的設計不僅間接延長了電機使用壽命，同時也使電機傳遞的扭矩恢復正常。

對改進后的防風固沙植被培養機械實物樣機進行實際測試，在1 m×1 m×1 m的模擬沙箱一側每隔100 mm標上標記線，機械通電后，每隔50 s通過計時器和試驗員的記錄進行計算，模擬植入工作裝置的時間－植入深度數據，并與計算機仿真進行對比。結果如圖13所示?？梢钥闯?，實驗結果與仿真誤差不大，完全植入需245 s，相較仿真快12%，存在土壤情況等誤差，實際植入效率比預計更高。

沙土表面風速是荒漠化的動力因素^[11]，經受2.7 m/s沙漠平均風速后，測量該裝置與同等高度、面積的樹苗及草方格的流經風速，進行對比試驗，其中，每隔5 min測草方格的流經風速作為參考風速。得到圖14?？梢钥闯觯瑒偘仓玫姆N子植入裝置的防風效果最佳，剛植入的樹苗容易被吹倒，效果最差。

測試結果證明，各結構設計滿足工作需要，使該機械能較好地完成預設功能。種子植入裝置能在自動控制的配套種植機械的工作下，批量植入土壤，在受到外力時，種子植入裝置打開，進行防風固沙工作。

4 結論

在荒漠、沙漠地區采用單一的治理模式如防風、固沙、植被培養，效果不顯著。宜利用垂直空間同時實現以上三種功能，并通過采用可降解材料、可回收裝置的重復使用，及機械化鋪設，實現成本降低。通過PLC控制電機，對空間上四根平行絲杠同時啟動、停止，存在較大的不同步。經過試驗，采用對角排布設計并將其中兩根平行絲杠換成導軌，能降低絲杠運行時的不同步。另外，對雙絲杠機構采用模糊PID交叉耦合控制，減小不同步誤差。當存在同軸度誤差時，需對兩軸進行軸力和扭矩傳遞，設計的仿錐齒輪外形的摩擦嚙合盤結構能實現動力傳輸且能快速嚙合、瞬間分離，能較好地完成預設功能。

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