一種基于回旋凸輪機(jī)構(gòu)的沙漠植樹裝置

劉茗元 邢家旗 周文平 林凱熙 梁耘菘

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，阜新 123000）

傳統(tǒng)的沙漠植樹機(jī)械大多功能單一，僅能夠?qū)崿F(xiàn)沙漠鉆孔的功能，如圖1 所示。該植樹機(jī)械功能單一，沒有樹苗自動(dòng)分揀、傳送以及灌溉功能，一般需要3～4 人協(xié)作使用。基于回旋凸輪機(jī)構(gòu)的沙漠植樹裝置如圖2 所示，它采用三角履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu)，并將分揀、傳送、鉆孔、灌溉等功能集結(jié)一體，僅需一人將成捆的樹苗放置在上方儲(chǔ)苗斗中，便可完成全部的人工操作，之后通過(guò)機(jī)械實(shí)現(xiàn)自主巡航植樹，可應(yīng)用于沙漠、山地等多種地形環(huán)境[1-2]。

圖1 傳統(tǒng)的沙漠植樹機(jī)械

圖2 基于回旋凸輪機(jī)構(gòu)的沙漠植樹裝置

1 裝置的功能設(shè)計(jì)分析

本裝置采用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，包括機(jī)械車主體、儲(chǔ)苗斗、回旋凸輪盤、灌溉裝置以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等電氣類元件的三維建模。利用SolidWorks軟件的零件裝配功能，合理組裝各個(gè)零件、機(jī)構(gòu)，并使用Motion 分析功能，充分考慮馬達(dá)、彈簧、解除、引力、質(zhì)量、材料屬性及慣性等因素。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析，最終實(shí)現(xiàn)了沙漠自動(dòng)化植樹功能的模擬。基于回旋凸輪機(jī)構(gòu)的沙漠植樹裝置主要包含儲(chǔ)苗斗的自動(dòng)分揀、凸輪圓盤的循環(huán)傳送和扶正、雙層套筒金屬鉆的螺旋鉆孔以及阻沙伸縮植樹筒的栽種4 大功能，可廣泛應(yīng)用于各種沙漠地形，完成自動(dòng)植樹工作。

1.1 儲(chǔ)苗斗的自動(dòng)分揀過(guò)程

儲(chǔ)苗斗內(nèi)部安裝有分揀槽輪，其底部為條狀開口，分揀槽輪通過(guò)同步帶進(jìn)行傳動(dòng)[3]。當(dāng)需要植樹時(shí)，分揀槽輪可轉(zhuǎn)動(dòng)至缺口處對(duì)應(yīng)樹苗，使得樹苗落入缺口。分揀槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)苗斗中的后一根樹苗被分揀槽輪支撐，從而停止下落，而分揀槽輪缺口中的樹苗則會(huì)被順勢(shì)甩至樹苗分揀機(jī)構(gòu)下方，進(jìn)入后續(xù)的正苗接槽中。儲(chǔ)苗斗部分核心結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)苗斗部分核心結(jié)構(gòu)

1.2 凸輪傳送和扶正過(guò)程

當(dāng)樹苗進(jìn)入正苗接槽中后，被傾斜固定在接槽內(nèi)的平面上，如圖4 所示。中心圓盤帶動(dòng)10 個(gè)正苗接槽進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，正苗接槽上的開孔與大圓上的凸臺(tái)軌跡嚙合，從而受到向內(nèi)的力，如圖5 所示。兩個(gè)機(jī)械夾向內(nèi)發(fā)生位移，對(duì)樹苗輕微扶正，從而達(dá)到傳送和正苗的目的[4]。正苗接槽三維建模圖如圖6 所示。

圖4 樹苗傳送狀態(tài)

圖5 接槽與凸臺(tái)軌跡嚙合

圖6 正苗接槽三維建模圖

1.3 雙層套筒金屬鉆鉆孔過(guò)程

雙層套筒金屬鉆由柱形鉆筒、鉆頭、支架、握桿等零部件組成。當(dāng)機(jī)械行進(jìn)到樹苗栽種位置時(shí)，金屬鉆頭螺旋下降，可以在沙漠、山地等不同環(huán)境下快速鉆出栽植樹苗所需的孔洞。同時(shí)，柱形鉆筒外壁上刻有刻度線，可以針對(duì)不同類型的樹苗鉆出不同深度的孔洞，有效提高了樹苗的成活率。雙層套筒金屬鉆核心結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 雙層套筒金屬鉆核心結(jié)構(gòu)

1.4 阻沙伸縮植樹筒栽種過(guò)程

阻沙伸縮植樹筒由方形伸縮輸送筒、五瓣錐形撐開器、電動(dòng)推桿和支撐架等零件組成。當(dāng)樹苗從正苗接槽通過(guò)下方孔洞掉落到伸縮植樹筒中時(shí)，伸縮植樹筒為收縮狀態(tài)。植樹筒在電動(dòng)推桿和自身重力的作用下向下插入已經(jīng)鉆好的孔洞，此時(shí)伸縮植樹筒為伸出狀態(tài)。五瓣錐形撐開器張開，樹苗掉落孔洞中，電動(dòng)推桿帶動(dòng)伸縮植樹筒向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)五瓣錐形撐開器收縮，完成樹苗栽種過(guò)程。阻沙伸縮植樹筒核心結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 阻沙伸縮植樹筒核心結(jié)構(gòu)

2 沙漠植樹裝置主要部件

2.1 凸輪傳送機(jī)構(gòu)

凸輪傳送機(jī)構(gòu)由正苗接槽、凸輪圓盤、鏈條、機(jī)械夾以及彈簧等零件組成。小型凸輪圓盤安裝于傳送機(jī)構(gòu)中心處，且內(nèi)部安裝有電機(jī)。大型凸輪圓盤與小型凸輪圓盤同軸心安裝，2 個(gè)凸輪圓盤外壁安裝有滑動(dòng)鏈條，其中11 個(gè)正苗接槽內(nèi)嵌2 個(gè)圓盤之間。當(dāng)電機(jī)提供電力時(shí)，滑動(dòng)鏈條帶動(dòng)正苗接槽在2 個(gè)凸輪圓盤間轉(zhuǎn)動(dòng)，2 個(gè)機(jī)械夾向內(nèi)發(fā)生位移，從而實(shí)現(xiàn)樹苗的扶正和傳送工作。凸輪傳送機(jī)構(gòu)核心結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 凸輪傳送機(jī)構(gòu)核心結(jié)構(gòu)

2.2 灌溉機(jī)構(gòu)

回旋凸輪機(jī)構(gòu)沙漠植樹裝置結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 回旋凸輪機(jī)構(gòu)沙漠植樹裝置結(jié)構(gòu)

在栽種裝置后方安裝有灌溉裝置（見圖11），其灌溉方式并非直接向栽種好的樹苗澆水，而是通過(guò)預(yù)先在樹苗兩側(cè)鋪設(shè)水管，采用滴漏的方式進(jìn)行灌溉。水管預(yù)先卷放在橫向支架上，車在行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)控制彈簧的壓縮量控制犁頭耕出溝壕深度，水管隨著車的行進(jìn)和行走輪的碾壓被填入溝壕，完成水管鋪設(shè)作業(yè)[5]。

圖11 灌溉裝置局部圖

3 凸輪圓盤的有限元分析

凸輪傳送裝置的凸輪圓盤部分材料采用Q235B，屈服強(qiáng)度為235 MPa，張力強(qiáng)度為390 MPa，彈性模量為210 GPa。通過(guò)使用SolidWorks 軟件中自帶的Simulation 功能，以大型圓盤為例，添加合適的約束和載荷并將模型網(wǎng)格化，通過(guò)運(yùn)算分析得出相應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)力分布和位移分布，分別如圖12 和圖13 所示。由圖12 可知，最大應(yīng)力主要分布在凸輪拐角最大處，為1.11×104N·m-2，小于屈服強(qiáng)度，因此滿足強(qiáng)度條件。分析圖13 可知，凸輪拐角最大處有明顯位移，且小于最大形變量2.221×10-6mm，同樣滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

圖12 凸輪圓盤的應(yīng)力分析

圖13 凸輪圓盤的位移分析

4 結(jié)語(yǔ)

文章研究設(shè)計(jì)一種基于回旋凸輪機(jī)構(gòu)的沙漠植樹裝置，不但能夠?qū)崿F(xiàn)揀苗、栽種、封土全自動(dòng)化，還可以灌溉樹苗，極大地提高了樹苗在沙漠中的存活率，有效解決了目前沙漠植樹機(jī)械功能單一，不能在沙漠、山地等多種惡劣環(huán)境中工作的弊端。