王紅軍,廖 滔,張嘉謀,林子鈞,尤德安,彭志鋒

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院;b.電子工程學(xué)院(人工智能學(xué)院),廣州 510642)

0 引言

我國是世界上荒漠化最嚴重的國家之一,全國沙化土地面積約占國土的27%,除上海、臺灣及香港和澳門特別行政區(qū)沒有荒漠化土地外,其余地區(qū)均有分布,且主要分布在青海、新疆、內(nèi)蒙古、西藏、甘肅、陜西、寧夏、河北八省(自治區(qū))。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,我國每年因荒漠化造成的經(jīng)濟損失高達640多億元(截至2020年),而種植草方格是目前最有效的防風固沙方法之一。草方格種植即將廢棄麥草呈方格狀鋪在沙上,再用鐵鍬軋進沙中,留麥草的1/3自然堅立在四邊,再將方格中心的沙子撥向四周麥草根部,使麥草牢牢地堅立在沙地上。相比于人工種植草方格,研發(fā)一種草方格固沙機,采用機械化種植草方格的效率與經(jīng)濟性將大大提高。

近年來,防風固沙領(lǐng)域發(fā)展迅速,草方格固沙機作為防風固沙的主力之一,國內(nèi)已進行眾多研究與研發(fā)。在國內(nèi),由北京林業(yè)大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)承擔的國家863計劃“防風固沙草方格鋪設(shè)機器人”項目開啟了固沙造林機械研發(fā)的先河。李躍娟等人對草方格鋪設(shè)機器人的橫向插草機構(gòu)進行了動力學(xué)仿真分析[1],楊博等人確定了草方格鋪設(shè)機器人縱向鋪設(shè)輪的最優(yōu)設(shè)計方案[2],李玉印等人研究與設(shè)計了草方格鋪設(shè)機構(gòu)。上述研究雖然在理論上獲得了大量成果,但因研發(fā)與實踐脫節(jié),草方格機器人并未在防沙治沙實踐中得到有效的推廣應(yīng)用[3]。而國外所應(yīng)用的草方格固沙機多為國內(nèi)引進,中國的草方格固沙機也被國外稱為“中國魔方”。目前,國外并未在草方格固沙機的研究方面有重大突破,也并未有能適應(yīng)多種沙地類型與功能完備的草方格固沙機問世。

綜合國內(nèi)外對草方格固沙機的研究,筆者提出了一種集底盤、開溝機構(gòu)、草箱機構(gòu)、插草機構(gòu)、覆壓沙機構(gòu)、播種及灑水機構(gòu)及升降機構(gòu)與一體的多功能自動巡航草方格固沙機。

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作流程

目前,仍有不少地區(qū)的草方格鋪設(shè)利用人工作業(yè)完成,作業(yè)時需兩人共同工作,經(jīng)過擺放、軋草、撥沙、壓沙等步驟,先縱向后橫向,形成1m×1m的沙障?，F(xiàn)有的草方格固沙機將人工草方格鋪設(shè)方式通過機械實現(xiàn),相比于人工作業(yè)大大提升了作業(yè)效率與穩(wěn)定性,降低了勞動力消耗;但鋪設(shè)過程多采用已扎好的草皮進行鋪設(shè),且按照人工作業(yè)方式先進行完縱向鋪設(shè)再進行橫向鋪設(shè)。橫向鋪設(shè)時對已鋪設(shè)的麥草碾壓率高,破壞性強,整體而言經(jīng)濟效益提升不大。人工鋪設(shè)作業(yè)如圖1所示。

1.1 “T+一”式草方格創(chuàng)新鋪設(shè)方式

草方格鋪設(shè)方式創(chuàng)新性設(shè)計為“T+一”式鋪設(shè),具體方法為:當固沙車走第1條直線時,縱橫向同時進行種草工作;當固沙車轉(zhuǎn)彎走第2條直線時,僅進行橫向插草工作,持續(xù)“T”式與“一”式種草方式交替進行,完成草方格種植[4]。本鋪設(shè)方式每次直線行走只會單側(cè)輪子對橫向草沙障造成碾壓,而縱橫向分開鋪設(shè)的傳統(tǒng)鋪設(shè)方式會使兩側(cè)輪子都碾壓到草沙障。“T+一”式鋪設(shè)方式在鋪設(shè)效率幾乎相同的情況下,有效降低了對沙障的碾壓率,大大提升了草方格鋪設(shè)的經(jīng)濟效益?！癟+一”式鋪設(shè)方式如圖2所示。

圖1 人工鋪設(shè)現(xiàn)場Fig.1 Manual laying site

圖2 “T+一”式鋪設(shè)方式Fig.2"T + 一" type laying method

1.2 整體方案設(shè)計

自動巡航草方格固沙機主要由7部分組成,分別為開溝機構(gòu)、草箱機構(gòu)、插草機構(gòu)、覆壓沙機構(gòu)、播種及灑水機構(gòu)、升降機構(gòu)及底盤,如圖3所示[5-14]。

1.開溝機構(gòu) 2.草箱機構(gòu) 3.升降機構(gòu) 4.覆壓沙機構(gòu) 5.播種及灑水機構(gòu) 6.插草機構(gòu) 7.底盤圖3 自動巡航草方格固沙機整體方案設(shè)計Fig.3 Overall scheme design of automatic cruise grass square sand fixing machine

在這些機構(gòu)的集成作用下,設(shè)備可以實現(xiàn)縱向鋪草開溝、縱橫向草料輸送、縱橫向扎草、縱橫向覆土壓沙、播種、灑水的動作,各個功能協(xié)調(diào)運作,自動巡航且全自動完成草方格鋪設(shè)全工作過程。

1.3 工作流程

自動巡航草方格固沙機工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖Fig.4 Work flow chart

開始工作前,先在兩草箱放入較整齊的散草,種子箱放種子,水箱中補水。啟動機器后,升降機構(gòu)平臺下降,使縱向插草機構(gòu)與縱向覆壓沙機構(gòu)下降,且?guī)永@線輪轉(zhuǎn)動,通過滑輪組與鋼繩使縱向開溝機構(gòu)向下傾斜,插入沙面進行開槽,從而實現(xiàn)縱向開溝機構(gòu)、縱向插草機構(gòu)、縱向覆壓沙機構(gòu)聯(lián)動。

當固沙機以“T”式鋪草時,連接減速箱的電機正轉(zhuǎn),通過減速箱與同步帶同時驅(qū)動兩個草箱機構(gòu)中的推草板、滾筒。此時,縱橫向同時鋪設(shè)沙障,即橫向草箱通過連桿機構(gòu)間歇式推草,橫向插刀間歇式插草,橫向覆壓沙機構(gòu)工作,使沙障更加牢固;縱向草箱通過滾筒持續(xù)送草,縱向鋪設(shè)輪持續(xù)滾動進行插草,縱向覆壓沙機構(gòu)工作。

當固沙機以“一”式鋪草時,電機反轉(zhuǎn),減速箱齒輪組與單向軸承的組合設(shè)計實現(xiàn)輸入軸換向而一個輸出軸轉(zhuǎn)向恒定,另一個輸出軸不轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)以“一”式鋪設(shè)草方格時橫向繼續(xù)插草,而縱向停止插草。

鋪設(shè)草方格時同時,通過播種及灑水機構(gòu)進行播種與灑水工作。

2 主要機構(gòu)方案及工作原理分析

2.1 開溝機構(gòu)設(shè)計

開溝器結(jié)構(gòu)如圖5所示。開溝機構(gòu)設(shè)置于縱向草箱下方,通過繞線輪與鋼絲繩和升降機構(gòu)共用一個動力源。當升降機構(gòu)下降時,鋼絲繩拉緊,使開溝器向下傾斜插入沙面,為縱向沙障鋪設(shè)刮開溝槽;當升降機構(gòu)上升時,鋼絲繩松開,開溝機構(gòu)通過拉簧的作為歸位。開溝機構(gòu)整個工作過程無需額外動力源,通過設(shè)計聯(lián)動機構(gòu)實現(xiàn)共同運動。

8.連接型材 9.開溝器 10.法蘭聯(lián)軸器 11.軸承座 12.拉簧圖5 開溝機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.5 Structural design of the trench opening mechanism

2.2 草箱機構(gòu)設(shè)計

草箱機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。其功能是:當控制電機正轉(zhuǎn)時,同時為縱向和橫向沙障鋪設(shè)提供草料,即為“T”式種草提供草料;當控制電機反轉(zhuǎn)時,僅為橫向沙障鋪設(shè)提供草料,即為“一”式種草提供草料。

13.減速箱 14.橫向推草板 15.連桿機構(gòu) 16.橫向草箱 17.縱向草箱 18.縱向滾草筒圖6 草箱機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.6 Design of trunk mechanism

該機構(gòu)縱向草箱通過滾筒轉(zhuǎn)動,使草箱內(nèi)草料被連續(xù)送出;橫向草箱通過具急回特性的推草板上的釘子,把草箱內(nèi)的草料間歇性推出。

縱向推草的滾筒與橫向具有急回特性的多連桿推草機構(gòu)配合使用自主設(shè)計的減速箱,共用1個電機驅(qū)動,控制簡單,節(jié)省動力源。減速箱中,將齒輪組與單向軸承組合設(shè)計,實現(xiàn)輸入軸換向時一輸出軸轉(zhuǎn)向恒定、另一輸出軸停止轉(zhuǎn)動。當電機正轉(zhuǎn)時,通過齒輪傳動、同步帶傳動,同時驅(qū)動滾筒和推草板運動;當電機反轉(zhuǎn)時,滾筒不轉(zhuǎn),推草板維持原來運動狀態(tài),符合“T+一”式草方格鋪設(shè)工作模式。草箱機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

2.3 插草機構(gòu)設(shè)計

插草機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示。其功能是:將草箱機構(gòu)所提供的草料插進沙面,完成縱向與橫向沙障的鋪設(shè)。

圖7 草箱機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Structural structure of trunk mechanism

19.超聲波傳感器 20.縱向插草刀 21.橫向插草刀圖8 草插草機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.8 Structural design of the intubation mechanism

插草機構(gòu)由縱向插草機構(gòu)與橫向插草機構(gòu)組成。縱向插草機構(gòu)采用鋪設(shè)輪持續(xù)壓入沙中進行插草,所設(shè)計鋪設(shè)輪可繞軸做旋轉(zhuǎn)運動(可在沙地滾動),便于鋪設(shè)輪持續(xù)不斷地進行插草。同時,安裝超聲波傳感器,檢測并反饋沙面到車底距離,通過升降平臺實時調(diào)整縱向插草深度。其中,縱向插草刀下陷深度計算公式為

(1)

式中n—深陷指數(shù);

k—沙地特性指數(shù)(N/cm3);

D—縱向插草刀直徑(m);

b—縱向插草刀寬度(m);

G—縱向插草刀載荷(N);

Z0—下陷深度(m)。

由式(1)可知,縱向插草刀下陷深度Z0由縱向插草刀載荷G、縱向插草刀直徑D、縱向插草刀寬度b決定,深陷指數(shù)n、沙地特性指數(shù)k、縱向插草刀直徑D、縱向插草刀寬度b影響縱向插草刀所受的摩擦力。試驗中,在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下,縱向插草刀設(shè)計為直徑D=600mm、厚度b=4mm的金屬圓盤。

橫向插草機構(gòu)將舵機與氣缸結(jié)合,使插草刀走近似擺線路徑,大大降低橫向插草時的阻力問題。橫向插草機構(gòu)運動示意圖如圖9所示。

圖9 橫向插草機構(gòu)運動示意圖Fig.9 Schematic diagram of the lateral intubation mechanism movement

2.4 覆壓沙機構(gòu)設(shè)計

覆壓沙機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖10所示。其功能是:將已插入沙面的麥草兩側(cè)的沙子撥向麥草的根部,再將其壓緊,使麥草牢牢地堅立在沙地上,使草方格沙障更牢固,不易被風吹散。

22.縱向覆沙手掌 23.縱向壓沙滾輪 24.懸掛彈簧 25.機械限位裝置 26.橫向覆沙刀 27.橫向壓沙滾輪圖10 覆壓沙機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.10 Structural design of the sand covering mechanism

覆壓沙機構(gòu)由覆沙與壓沙種功能結(jié)構(gòu)組成。其中,縱向采用仿生手掌覆沙及雙側(cè)壓沙滾輪實現(xiàn),并可以根據(jù)縱向草沙障的寬度調(diào)整覆沙仿生手掌的角度及兩側(cè)壓沙輪的間距,以適應(yīng)不同寬度的草沙障,在不破壞草沙障的前提下達較好的覆沙效果。橫向覆壓沙機構(gòu)因需頻繁進行往復(fù)的上下運動,且插覆沙刀插入沙面存在沖擊力,故使用氣缸驅(qū)動覆沙刀及懸掛式壓沙滾輪上下運動,結(jié)合機械限位裝置實現(xiàn)三位置運動,完成橫向覆壓沙。三位置運動示意圖如圖11所示。

圖11 橫向覆壓沙機構(gòu)三位置運動示意圖Fig.11 Schematic diagram of the three-position motion of the lateral sand covering mechanism

2.5 升降機構(gòu)設(shè)計

升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖12所示。其功能是:將縱向插草機構(gòu)、縱向覆壓沙機構(gòu)壓入沙面,并使開溝機構(gòu)向下傾斜插入沙面,為縱向沙障鋪設(shè)進行準備工作。

28.蝸輪蝸桿組合 29.繞線輪 30.鏈輪鏈條組合 31.升降平臺 32.直線導(dǎo)軌圖12 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.12 Structural design of the lifting mechanism

升降機構(gòu)通過兩個連接件將升降平臺與直線導(dǎo)軌連接,再利用直板鏈條接頭將其中一個連接件與鏈條連接。升降平臺下安裝有縱向插草機構(gòu)、縱向覆壓沙機構(gòu),當鏈輪轉(zhuǎn)動時,鏈條其中一邊上升(下降),升降平臺也隨之上升(下降),隨之帶動縱向插草機構(gòu)與縱向覆壓沙機構(gòu)上升(下降);同時帶動繞線輪轉(zhuǎn)動,鋼絲繩拉緊,使開溝器向下傾斜插入沙面,且通過超聲波傳感器測量固沙機底部相對沙面的距離,實時調(diào)整升降平臺的高度,控制縱向插草機構(gòu)與縱向覆壓沙機構(gòu)壓入沙面的深度,保證縱向插草深度大致不變。升降機構(gòu)機構(gòu)簡圖如圖13所示。

圖13 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.13 General drawing of lifting mechanism(Including pulley group of opening mechanism)

2.6 播種及灑水機構(gòu)

播種及灑水機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖14所示。其功能是:在已鋪設(shè)好的沙障上播下種子并灑水,以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

33.螺桿 34.種子箱 35.壓力傳感器 36.分播器 37.灑水箱圖14 播種及灑水機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.14 Structural design of sowing and sprinkling mechanism

播種及灑水機構(gòu)通過設(shè)計螺桿把螺旋運動變換為種子的直線運動,種子由漏種孔落下,還可以通過控制螺桿轉(zhuǎn)動的圈數(shù)來實現(xiàn)定量播種,并通過壓力傳感器實時反饋種子的剩余量。種子箱下方設(shè)計有變流器灑水箱,在完成播種作業(yè)后及時為種子灑水,保證種子的存活率。

3 主要機構(gòu)運動仿真分析

3.1 多連桿橫向推草機構(gòu)運動仿真

為滿足橫向草箱間歇性高效送草的使用要求,在平面連桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計多連桿橫向推草機構(gòu),具備急回特性和間歇特性。通過Motion運動學(xué)仿真分析,得到其運動軌跡和速度等參數(shù)曲線,如圖15、圖16所示。其中,AB段為送草階段,對應(yīng)v-t圖中峰值附近,速度較大,推草效率高;CD段為回程階段,由運動軌跡可以看出推草L型板與散草脫離,不會將散草帶回。設(shè)計采用兩平行軸依靠同步帶傳動同時驅(qū)動的方式,從而幫助連桿機構(gòu)中的平行雙曲柄機構(gòu)度過死點。

圖15 橫向推草機構(gòu)速度(X分量)Fig.15 Horizontal grass pushing mechanism speed (Component X)

圖16 推草機構(gòu)運動軌跡圖Fig.16 Movement trajectory diagram of thegrass-pushing mechanism

3.2 橫向插草機構(gòu)運動仿真

典型的直插式氣動插草機構(gòu)存在的問題是:插刀在機器行駛過程中插入沙地時,易使插刀受力過大彎曲、剛性沖擊大,同時帶來整機振動的問題,故結(jié)合擺線運動規(guī)律進行橫向插草機構(gòu)的設(shè)計。因橫向插草機構(gòu)固定在機座上,驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn),同時隨機器向前移動,插刀運動軌跡與擺線很相似,因此稱為擺線式插草方式。設(shè)橫向插草機構(gòu)以旋轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)角速度為ω,固沙機前進速度為v,當v/ω等于旋轉(zhuǎn)半徑r時,插刀軌跡即為擺線。橫向插草機構(gòu)仿真運動曲線如圖17所示。

圖17 橫向插草機構(gòu)仿真運動曲線Fig.17 Simulation motion curve of lateral intubation mechanism

4 性能試驗

4.1 試驗條件

基于GNSS自動巡航,在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)進行了沙地試驗,設(shè)定車速為0.72km/h,理論插草深度為100～150mm;設(shè)定“T式”插草為縱向持續(xù)不斷,橫向插幅為0.2m,“一式”插草僅進行橫向,插幅為0.2m;播種速率為0.12r/s,主要測試性能為橫向草箱推草數(shù)量、插草的準確性以及散草插入沙面的深度。

1)試驗工具:試驗樣機(1臺),散草,相機(1部),鋼卷尺(1個),米尺(1個)。

2)試驗方法:在試驗樣機縱向、橫向草箱中放入充足的散草,在沙地上啟動試驗樣機,要求樣機以0.2m/s速度進行工作,直線行駛距離為10m,依次進行兩次“T式”插草、兩次“一式”插草;然后,用隨機取樣的方法數(shù)出每次橫向插草所推出的散草數(shù)目、測量散草插入沙面的深度、散草露出沙面的高度和“T式”與“一式”對位的誤差,取8組實驗數(shù)據(jù),與表1、表2和表3性能指標做對比,看是否符合要求。試驗現(xiàn)場圖如圖18所示。

圖18 試驗現(xiàn)場圖Fig.18 Test field diagram

表1 性能指標1Table 1 Performance indicator 1

表2 性能指標2

表3 性能指標3

4.2 試驗結(jié)果與分析

當試驗樣機行駛速度為0.2m/s、直線行駛距離為10m時,“T式”插草共進行50次橫向插草,“一式”插草共進行50次(即50次對位)。利用鋼卷尺與米尺,測得所插沙障深度、高度數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 試驗測量數(shù)據(jù)(深度、高度)

通過試驗測量數(shù)據(jù),與表2性能指標對比,散草插入沙面的深度H1主要集中于110～140mm之內(nèi),達到了散草插入深度H1的性能指標(100～150mm)要求;沙障露出沙面的高度H2主要集中于130～170mm之內(nèi),達到了沙障露出沙面的高度H2的性能指標(110～180mm)要求。

利用鋼卷尺與米尺,隨即抽取8組“T式”與“一式”的對位組,測量其偏差值,結(jié)果如表5所示。

表5 試驗測量數(shù)據(jù)(對位偏差)

通過試驗測量數(shù)據(jù),與表3性能指標對比,“T式”插草與“一式”插草對位的偏差L1主要集中于-30～30mm之間,達到了對位允許偏差L1的性能指標(-50～50mm)要求。

隨機抽取8份橫向沙障,將其從沙面中拔出,并記錄其散草根數(shù),所記錄數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 試驗測量數(shù)據(jù)(推草根數(shù))

通過試驗測量數(shù)據(jù),與表1性能指標對比,橫向推草機構(gòu)每次推出的散草數(shù)量主要集中于40～60根之間,達到了橫向推草機構(gòu)每次推草數(shù)量的性能指標(40～60根)要求。

5 結(jié)論

1)自動巡航草方格固沙機是集機械、電子和控制多學(xué)科領(lǐng)域知識融合的復(fù)雜機電系統(tǒng),機構(gòu)選型設(shè)計需要綜合考慮沙漠固草的作業(yè)環(huán)境特點、種草方式、機構(gòu)種草運動特性及播種灑水多功能特點。

2)自動巡航草方格固沙機集開溝機構(gòu)、草箱機構(gòu)、插草機構(gòu)、覆壓沙機構(gòu)、升降機構(gòu)、播種及灑水機構(gòu)、底盤于一體,整體結(jié)構(gòu)簡單,能滿足實際的作業(yè)需求,工作效率高,適應(yīng)性強。

3)自動巡航草方格固沙機通過多種機構(gòu)的協(xié)調(diào)作用,能良好地運用“T+一式”草方格鋪設(shè)方式完成鋪設(shè)工作,為小型化自動巡航種草固沙機的研制提供了理論依據(jù)。