多功能草方格沙障自动铺设机械车
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第52卷㊀第4期2024年4月
㊀㊀
林业机械与木工设备
FORESTRYMACHINERY&WOODWORKINGEQUIPMENT
Vol52No.4Apr.2024
研究与设计
多功能草方格沙障自动铺设机械车
张佳丽ꎬ㊀刘海平∗ꎬ㊀王庆力ꎬ㊀高㊀鹏ꎬ㊀张世龙ꎬ㊀曾㊀番
(空军工程大学防空反导学院ꎬ陕西西安710051)
摘㊀要:为有效提高草方格铺设的效率和质量㊁促进草方格铺设由机械化向自动化㊁智能化迈进ꎬ根据人工铺设草方格流程ꎬ以散草作为原材料ꎬ设计了一种自动进行草方格铺设的机械车ꎬ用于完成分草㊁送草㊁插草和固草动作ꎬ并在此基础上赋予机械车播种和喷洒土壤改良剂功能ꎬ解决人工铺草工序繁多的问题ꎬ将工程治沙㊁生物治沙和土壤改良剂使用相结合实现综合治沙ꎮ另外ꎬ进行路径优化ꎬ创新铺设模式ꎬ通过三边错位铺设模式和单边模式相结合ꎬ有效避免对已铺设草方格的破坏ꎮ为铺设散草㊁机械化向智能化转变提供解决思路ꎮ
关键词:草方格铺设ꎻ多功能ꎻ散草ꎻ路径优化
中图分类号:S776㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:2095-2953(2024)04-0027-04
Multifunctionalgrassgridsandbarrierautomaticlayingmechanicalvehicle
ZHANGJia ̄liꎬLIUHai ̄ping∗ꎬWANGQing ̄liꎬGAOPengꎬZHANGShi ̄longꎬZENGFan
(AirandMissileDefenseCollegeꎬAirForceEngineeringUniversityꎬXi anShanxi710051ꎬChina)
Abstract:Inordertoeffectivelyimprovetheefficiencyandqualityofgrassgridlayingꎬandpromotetheprogressofgrassgridlayingfrommechanizationtoautomationandintelligenceꎬamechanicalvehicleforautomaticgrassgridlayingwasdesignedbasedonthemanualgrassgridlayingprocessꎬusingscatteredgrassasrawmaterial.Itisusedtocompletegrasscompositionꎬfeedingꎬplantingꎬandfixingactionsꎬandonthisbasisꎬthemechanicalvehicleisen ̄dowedwiththefunctionsofsowingandsprayingsoilamendmentsꎬtosolvetheproblemofnumerousmanualgrasslayingprocessesꎬacomprehensivesandcontrolapproachisachievedbycombiningengineeringsandcontrolꎬbiologi ̄calsandcontrolꎬandtheuseofsoilamendments.Inadditionꎬpathoptimizationiscarriedoutꎬinnovativelaying
modesareinnovatedꎬandacombinationofthreesidedstaggeredlayingmodeandsinglesidedmodeisusedtoeffec ̄tivelyavoiddamagetothelaidgrassgrid.Providesolutionsfortheuseofloosegrassandthetransitionfrommechani ̄zationtointelligence.
Keywords:grassgridlayingꎻmultifunctionalꎻscatteredgrassꎻpathoptimization
㊀㊀收稿日期:2023-12-12
第一作者简介:张佳丽ꎬ副教授ꎬ硕士ꎬ主要从事机械设计和机械制造相关方面的研究ꎬE-mail:zhang65zhang@163.comꎮ
∗通讯作者:刘海平ꎬ副教授ꎬ硕士ꎬ主要从事机械设计相关方面的研究ꎬE-mail:780264077@qq.comꎮ
中国是世界上荒漠化最严重的国家之一ꎬ荒漠化面积达264万km2ꎬ占国土面积的27.5%ꎬ给国家社会经济造成巨大损失ꎮ我国经过长期的沙漠治理ꎬ发明1mˑ1m麦草方格固沙法ꎬ即将修剪整齐的麦草等材料横放在方格线上ꎬ用铁锹之类的工具用
力插下去ꎬ插入深度约15cmꎬ使草的两端翘起直立于沙面上ꎬ露出地面的高度约20cmꎮ这种方法可有效削弱风力侵蚀ꎬ截留水分ꎬ阻止沙丘的蔓延流动ꎮ
目前铺设草方格多采用人工铺设ꎬ但存在人力成本高㊁铺设效率低等问题ꎬ部分地区采用立体固沙
林业机械与木工设备第52卷
车或手扶式固沙车ꎬ极大地提高铺设效率ꎬ但是会对已铺设草方格造成破坏等ꎮ相关文献表明ꎬ目前铺设草方格存在两项技术瓶颈ꎮ一是将散草作为原材料进行铺设的装置无成熟案例ꎬ二是横向草方格的铺设尚待研究ꎮ另外ꎬ草方格铺设处于机械化ꎬ没有向自动化智能化方向转变ꎮ
针对以上不足ꎬ本文将散草作为原材料ꎬ设计了分草机构㊁送草机构㊁插草机构自动进行草方格铺设ꎬ并设计固草机构对纵向草方格进行加固ꎮ此外设计播种机构和喷洒机构ꎬ分别实现播种和喷洒土壤改良剂功能ꎬ实现综合治沙ꎮ
1㊀材料选择
目前草方格铺设多采用散草编制而成的草帘子
作为原材料ꎬ此做法增加了加工成本ꎮ以购买编制好的草帘子为例ꎬ长1m㊁宽80cm单头草帘价格4.5元ꎬ而一个完整的草方格需要4m长草帘ꎬ即草帘成本18元ꎮ散稻草为6元/kgꎬ一个完整的草方格需要
1kg稻草ꎬ即完成一个草方格散草成本为6元ꎮ因此选择散草作为原材料将极大降低铺设成本ꎬ材料成本对比如表1所示ꎮ
表1㊀材料成本对比
材料单价完成一个草方格所需数目一个草方格成本
单头草帘4.5元/m4m18元散草
6元/kg
1kg
6元
2㊀设计方案
2.1㊀总体机械结构设计
机械车整体按功能分为六个主要机械机构部分ꎬ分别为分草机构㊁送草机构㊁插草机构㊁固草机构㊁播种机构和喷洒机构ꎮ通过链条传动实现后轮驱
动ꎬ分草机构㊁送草机构和插草机构相互配合自动完成横向和纵向草方格的铺设ꎮ为提高横向草方格铺设质量ꎬ采取断续行走方式ꎬ即车辆行进1m过程中完成分草㊁送草动作ꎬ行进1m后车辆停止前进ꎬ完成插草动作ꎬ之后继续前进完成下一组草方格铺设ꎮ车辆在行进过程中完成播种和土壤改良剂的全域喷洒ꎮ总体结构示意图如图1所示
ꎮ
图1㊀总体结构示意图
2.2㊀分草机构
分草机构主要由草箱㊁导引片㊁分草轴㊁分草刀㊁限位块㊁同步轮㊁补强角铁和张紧轮等构成ꎮ其中分草刀和分草轴通过键进行连接ꎬ分草刀之间用限位块阻隔限位ꎬ分草轴与固定座㊁法兰同轴ꎬ通过螺栓连接固定于草箱和车底盘上ꎮ电机固定片㊁补强角铁焊接于草箱上ꎬ同步带㊁张紧轮㊁同步轮用于传动ꎬ导引片通过螺栓连接在草箱上ꎮ分草刀的尖端将草分出并送至凹槽内ꎬ在导引片的导引作用下连续稳定地被运送至指定区域ꎬ分草机构示意图如图2所示ꎮ
当电机工作时ꎬ带动同步轮转动ꎬ通过同步带传动使分草轴转动ꎬ进而实现分草刀的匀速转动ꎬ将草箱中的草均匀分出并送至传动带上ꎮ另外ꎬ为避免分草过程中草的倾斜ꎬ应均匀安装3个分草刀于分草轴上
ꎮ
图2㊀分草机构示意图
1.草箱ꎻ2.固定座ꎻ3.分草刀ꎻ4.限位块ꎻ5.法兰ꎻ6.分草轴ꎻ7.同步轮ꎻ8.同步带ꎻ9.张紧轮ꎻ10.减速电机ꎻ
11.电机固定片ꎻ12.导引片ꎻ13.补强角铁
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第4期张佳丽ꎬ等:多功能草方格沙障自动铺设机械车
2.3㊀送草机构
送草机构主要由支架㊁传送带㊁滚筒㊁皮带支撑片构成ꎮ其中滚筒转轴与轴承孔同轴ꎬ用于固定滚筒ꎬ同时张紧传送带ꎮ轴承和支架通过螺栓螺母连接ꎬ皮带支撑片焊接在支架上ꎬ两条传送带套在滚筒两侧ꎬ中间预留一条20mm缝隙供插刀下落ꎬ将草压入沙土中ꎬ此过程中两侧皮带使草更易翘起ꎮ
散草经导引片落至传送带上后ꎬ电机工作ꎬ电机带动滚筒转动ꎬ进而使传送带工作ꎬ将散草送至指定区域ꎮ送草机构示意图如图3所示
ꎮ
图3㊀送草机构示意图
1.单轴直角减速电机ꎻ2.支架ꎻ3.传送带ꎻ
4.传送带支撑片ꎻ5.滚筒
2.4㊀插草机构
插草机构主要由插刀㊁丝杠㊁滑块㊁插刀固定架㊁导轨框架㊁电机固定片等构成ꎮ其中电机固定片与导轨框架通过螺栓连接ꎬ插刀固定架通过与插刀导轨连接板螺栓连接固定在滑块上ꎬ跟随滑块运动ꎮ另外ꎬ插刀和插刀固定架焊接ꎮ为了将草更好地插入沙土中ꎬ将插刀底部设计成锯齿状ꎬ两组滑块配合丝杠ꎬ防止刀出现倾斜ꎬ以便于更好地传递力矩ꎬ采用直角型大力矩减速电机ꎬ不占用空间ꎮ
当电机工作时ꎬ带动丝杠转动ꎬ进而实现插刀的上下运动ꎬ插刀落下从传送带空隙处接触散草ꎬ将草插入沙土中ꎮ通过控制电机转动时间调节插入深度ꎮ插草机构示意图如图4所示ꎮ2.5㊀固草机构
固草机构由固定架㊁铁盘和固定片构成ꎮ其中固定片焊接在车架上ꎬ与固定架通过螺栓连接ꎬ两个圆盘通过螺栓连接在固定架上形成一定角度ꎬ聚拢沙土和使草更易翘起ꎮ根据实际情况ꎬ
固定架可绕
图4㊀插草机构示意图
1.直角减速电机ꎻ2.电机固定片ꎻ3.导轨框架ꎻ4.丝杠ꎻ5.插刀ꎻ6.导轨ꎻ7.插刀固定架ꎻ8.插刀导轨连接板ꎻ9.丝杠连接片
固定片进行旋转ꎮ
将固草机构接地ꎬ机械车前进时ꎬ铁盘将沙土聚拢在草的两侧ꎮ固草机构示意图如图5所示
ꎮ
图5㊀固草机构示意图1.固定片ꎻ2.铁盘ꎻ3.固定架
2.6㊀播种机构
播种机构主要由种子仓㊁铲头㊁分种转盘㊁播种固定架㊁伸缩管等组成ꎬ其中种子仓放置在播种固定架内ꎬ下方方管与带齿条的伸缩管套在一起ꎮ铲头与伸缩管底部焊接ꎬ用于挖沟槽ꎮ分钟转盘放置在种子仓下方方管中ꎬ与减速电机转轴配合ꎬ用于控制种子下落ꎮ直角减速电机与齿轮配合ꎬ电机固定片与车底盘通过螺栓连接ꎬ用于控制伸缩管下移ꎮ在限位架上焊接一套固草机构ꎬ用于聚拢沙土ꎬ掩埋种子ꎮ
当下方直角减速电机工作时ꎬ通过齿轮齿条传动ꎬ带动伸缩管下移ꎬ铲头进入沙土中ꎮ车辆前进过程中ꎬ挖出一条沟槽用于放置种子ꎮ上方减速电机工作ꎬ带动转盘转动ꎬ转盘凹槽内的种子随着转盘的匀速转动间断下落至沟槽内ꎬ由后方固草机构聚拢沙土进行掩埋ꎮ
对于不同的种子ꎬ播种时每株间隔的距离和种
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子掩埋深度都有所不同ꎬ可以通过改变减速电机转速和直角减速电机转动时间来实现ꎮ播种机构示意图如图6所示
ꎮ
图6㊀播种机构示意图
1.种子仓ꎻ2.播种固定架ꎻ3.分种转盘ꎻ4.电机固定片ꎻ5.单轴直角减速电机ꎻ6.限位架ꎻ7.铲头ꎻ8.铁盘ꎻ9.固定片ꎻ10.伸缩管ꎻ11.电机固定片ꎻ12.减速电机
2.7㊀喷洒机构
喷洒机构由水箱㊁水箱固定架㊁转接头㊁水泵和水管构成ꎮ其中水箱固定架通过螺栓连接固定在车底盘上ꎬ水管从水箱侧边开口接到水泵进水口ꎬ再由出水口接出延伸至车尾ꎬ转弯处用转接头换向ꎮ车尾处水管底侧开一定数量的小孔ꎬ用来喷洒土壤改良剂ꎮ土壤改良剂可以有效改善沙漠土壤质量ꎬ有利于土壤微生物的活动ꎮ
水泵工作时ꎬ将土壤改良剂从水箱中抽出ꎬ通过水管输送至车尾ꎬ由车尾管道小孔中喷出ꎬ可实现全域土壤改良剂的喷洒ꎮ喷洒机构示意图如图7所示
ꎮ
图7㊀喷洒机构示意图
1.水箱ꎻ2.水箱固定架ꎻ3.水泵ꎻ4.转接头ꎻ5.水管
3㊀路径优化
为了提高草方格铺设效率和铺设质量ꎬ本机械
车通过对各机构合理布局实现路径优化ꎮ采用两种
铺设模式ꎬ分别为三边错位铺设和单边铺设ꎮ三边错位铺设即同时进行两条侧边和后侧一边草方格铺设ꎬ单边铺设只进行后侧一条边草方格铺设ꎮ两种铺设模式相互配合实现总体铺设ꎬ可有效提高铺设效率ꎬ且可避免对已铺设草方格的破坏ꎮ实际铺设过程中根据需要铺设的距离选择对应的草方格数目即可ꎮ铺设模式展示如下:
三边错位铺设模式如图8所示
ꎮ
图8㊀三边错位铺设模式
单边铺设模式如图9所示
ꎮ
图9㊀单边铺设模式
总体铺设效果图如图10所示
ꎮ
图10㊀总体铺设
4㊀结束语
本文提出一种可以自动完成草方格沙障设置的
多功能机械车ꎬ根据需求设计了分草机构㊁送草机构㊁插草机构㊁固草机构㊁播种机构和喷洒机构实现草方格的自动铺设㊁种子的播撒和土壤改良剂的喷洒ꎬ使用散草作为原材料ꎬ极大降低原料成本ꎮ创新两种铺设模式ꎬ提高铺设的效率和质量ꎮ将工程治沙㊁生物治沙和土壤改良剂的使用相结合ꎬ实现综合治沙ꎮ
参考文献:
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技术瓶颈[J].林业机械与木工设备ꎬ2022ꎬ50(3):4-7.[2]㊀濮良贵ꎬ陈国定ꎬ吴立言.机械设计[M].北京:高等教育出版
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