一种自动化草方格沙障铺设装置

杨根福，苏光富，林嘉兴，吴世明，林 权

（武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300）

固定移动的沙丘是治理荒漠的第一步，草方格是一种防风固沙、涵养水分的治沙方法，对固定流动沙丘有奇效，但目前铺设草方格主要有2种方式，一种是采用人工铺设的方式，其主要步骤是清理选择麦草、码放麦草和踩压整形，该方式效率较低，且由于荒漠条件较为恶劣，人工成本较高，劳动强度大；另一种是采用大型的铺设车，不仅价格昂贵，而且需要3～4人同时操作，且要具备较强的特种车辆驾驶能力[1-5]。所以本课题提出研发一种易于单人操纵的自动草方格铺设装置，以降低草方格铺设成本，减少工人的劳动强度，提高工作效率。

1 装置整体结构组成

半自动草方格沙障铺设装置总装如图1所示，该装置主要由草料输送机构、草料挤压机构、草料切断结构、装置行走机构和装置动力源等组成。草料输送机构由送料电机11、小滚筒36、滑槽37、小实心轮35、送料从动轴6、皮带34、送料主动轴19、大实心轮51、下层滑槽25、滚筒31、D大带轮29、DA皮带1和D小皮带轮等零部件构成。装置行走机构包括行走电机3、链轮12、行走驱动轴13、右轮连接件21、底盘左侧板5、左轮连接件28、链轮固定钉30、行走转轴23、一号弹簧16、二号弹簧52、承重轮24、弹簧固定钉15和履带22等零部件构成。草料挤压机构包括挤压电机46、丝杆40、机械臂41、挤压电机支架43、挤压转轴38、挤压轮18及蜗轮蜗杆升降机等零部件构成。草料切断结构包括圆盘锯42、切割电机44、滑槽37、切割电机支架45、切割电机44、下层滑槽25、小带轮49、滑块48、导轨47及步进电机等零部件构成。综合分析结合成本与工况考虑，行走电机选用直流减速电机作为主要动力源，因为本装置运行在沙地，难免遇到较为极端的路况。

图1 半自动草方格沙障铺设装置总装

2 装置方案设计

2.1 装置行走机构设计

装置行走机构如图2所示，在此考虑到荒漠环境恶劣，路况复杂，轮式车辆对复杂路况的应对能力较差，承载能力差，虽然其经济性较好，但为了保证其在荒漠中的通过性，采用履带式设计。由于荒漠路况平整度较低，为降低路面不平对车身造成冲击导致故障，因此需要设计悬挂系统，参考选用克里斯蒂悬挂，该结构简单，可靠性高，同时具有较好的柔软性，适应车辆工况需求。

图2 装置行走机构

2.2 草料输送机构设计

草料输送机构如图3所示，图中将滚筒设计成一大一小，位于上方的小滚筒减短了力矩，减小了扭矩，位于下方的大滚筒增大接触面积，能够更好地带动草料。同时将2个滚筒设计于同一平面，使得2个滚筒线速度一致，保证草料在2个滑槽上的运动一致性，设计的带轮的大小滚筒的大小成等比例。另外为了增加摩擦力，滚筒上增加一定量的条纹，又因为考虑到草料与草料之间的厚度可能会有所差异，因此将侧板处的开槽从圆孔改为槽孔，增加一定的调节空间，固定方式采用法兰盘，将滑槽分为上下2个部分主要是为了在切割后还能够通过电动机与带轮实现自动送料。

图3 草料输送机构

2.3 草料挤压机构设计

草料挤压机构如图4所示，依据草方格铺设的工艺需求和铺设工况，设计采用最简单的圆盘挤压式，其主要优点是故障率低，维修检修方便，造价低廉，稍有不足是通用性较差，只能铺设韧性较好的作物，但对于本装置而言，主要应用于柔软的沙面上，挤压对象为韧性较好的草料，其专用性强，符合设计使用要求。另外设计连杆机构配合具备自锁能力的蜗轮蜗杆升降机，可以根据实际需求调节挤压深度，能较好地胜任挤压工作。

图4 草料挤压机构

2.4 草料切断结构设计

草料切断结构如图5所示，切断装置主要由2部分组成，分别是负责横向移动刀具和负责切割作业。由于草料切断装置需要一定精度的定位，避免误切，在此切割电机采用步进电机，配合同步带，通过横向移动完成切割任务。由于切断装置中的圆盘锯锯片，需要定期更换，因此电机支架滑块支架适合采用快拆设计，如图5所示。

图5 草料切断结构

3 装置工作原理

由图1可知，装置由位于前方的2个电动机提供行走动力，同时利用电动机的转速差来实现转向。车辆的行走作业主要由遥控进行操作。在装料后，且由人工设定好铺设长度等参数后，车辆可自动进行铺设作业。主要作业流程是车辆直线行走，位于后方的挤压轮在电机的带动下，配合自重插入沙地一定的深度。草料由传输机构铺设在车辆的正下方，随着车辆的前进将草料压入沙地。在完成设定的铺设长度后，草料传输机构停止工作，草料切断装置开始工作。切断草料后，车辆再行驶一段距离确保所有草料都埋入。最后挤压装置升起，车辆倒车回到原地完成一次作业。

4 结束语

市面上草方格沙障铺设装置目前主要的铺设方式还是人工铺设，仅有的铺设机械也需要多人操作，且还需要较高的操作水平。本课题从降低工人工作强度，节约人力成本角度出发，研发一种草方格沙障铺设装置，可以实现草料埋入沙地的整个过程自动化，人工参与程度少，草料埋入效率高。该装置还依据沙漠地带阳光充沛，在车辆的两端铺设了一定长度的太阳能板，以利用其太阳能作为动力源。此外，以往的草方格铺设一般是在铺设后再浇少量的水，而本装置提出在草料输送机构末端加上了几个雾化喷头，在铺设初期就能润湿草料，减少草料因为过于干燥导致韧性过低而被切断的可能。另外设计的履带式行走机构能够大幅度地增加车辆在荒漠中的脱困能力，减小了作业车辆被困的尴尬情形，市场应用前景广阔。