引言

目前,我國大約有1/3的國土面積正面臨風(fēng)沙侵害,約4億人直接或間接受到荒漠化的影響,因此國家十分重視沙化防治工作,大力支持沙化治理方向的科技創(chuàng)新。

在對沙漠化及沙化規(guī)律的研究和對國內(nèi)外防風(fēng)固沙技術(shù)的對比中發(fā)現(xiàn),削弱風(fēng)沙侵蝕最有效的是工程治沙中的草方格固定法。然而,在沙漠的惡劣條件下人工鋪設(shè)草方格沙障效率極低,治理速度遠(yuǎn)小于沙漠化的速度。因此,科學(xué)使用現(xiàn)代化機(jī)械裝備鋪設(shè)草方格沙障是防風(fēng)固沙更為合理的選擇,故著手研究草方格沙障鋪設(shè)機(jī)具有重大意義。

1研制背景和意義

1.1防風(fēng)固沙方法

目前國內(nèi)外固沙主要有3種方法,即生物固沙、化學(xué)固沙和沙障固沙。生物固沙一般需要結(jié)合其他固沙方式使用,化學(xué)固沙效果通常不如另兩種方法。而沙障固沙是目前防風(fēng)固沙設(shè)計(jì)中最為成熟、普遍的一種防治手段,即通過沙障的建設(shè)對風(fēng)沙起到固、阻、輸、導(dǎo)的作用,達(dá)到防止風(fēng)沙侵害的目的,其中最具代表性的一種就是草方格沙障(圖1)。

圖1 沙漠中的草方格

1.2草方格的作用

(1)改良土壤:草方格沙障設(shè)置好1~2年之后,沙障之間就會形成比較穩(wěn)定的凹曲面,除了面對風(fēng)向部分的沙障,其他部分一般可以避免被風(fēng)侵蝕,但露在外面的部分草障經(jīng)過日曬雨淋,會慢慢變黑腐化,變成豐富的營養(yǎng)素和有機(jī)物,可以促進(jìn)流沙中微生物的繁衍和成長,而伴隨著微生物群落的加大,有機(jī)物的分解又得到進(jìn)一步的促進(jìn),為沙土中生長的各種植物提供了更多、更營養(yǎng)的物質(zhì),從而形成一個(gè)良好的生態(tài)系統(tǒng),使固沙的效果更加顯著。

(2)固水保濕:草方格沙障可以吸收保留雨水,減緩沙土中水分蒸發(fā)的速度。據(jù)測量,在流動的沙丘上種設(shè)草方格以后,沙層2m以內(nèi)的濕度可上升2%~3%,沙土含水量有明顯的改善,在草方格里栽種的各種固沙的植物,成活率較以前傳統(tǒng)的種植方法有了極大的提高。

(3)風(fēng)沙防護(hù):草方格沙障可增大地表的粗糙度,減緩氣流貼近地表的流動速度,減少氣流帶動的沙土總量。以1m2的草方格沙障為例,其粗糙度為流沙區(qū)的200~400倍,沙土輸送率僅為流沙區(qū)的0.25%~1%,其內(nèi)風(fēng)速比流沙區(qū)降低25%。

由此可見,草方格沙障對于風(fēng)沙防護(hù)起到了極其重要的作用。

2現(xiàn)有產(chǎn)品和設(shè)計(jì)分析

2.1現(xiàn)有大型機(jī)械產(chǎn)品分析

現(xiàn)有投入使用的設(shè)備(圖2)以重型卡車為載體,在車后部載貨部分安裝草料倉和鋪設(shè)機(jī)構(gòu),在車后安裝將草按壓進(jìn)沙地的壓輪(圖3)。

圖2 現(xiàn)有重型草方格鋪設(shè)設(shè)備

圖3 壓草從動滾輪機(jī)構(gòu)

此種設(shè)備鋪設(shè)效率較高,但有一些局限性:

(1)此設(shè)備僅適合在平坦的沙漠邊緣地帶工作,而在沙漠腹地以及起伏的地段需要小型機(jī)械來彌補(bǔ)空白。

(2)此設(shè)備的壓草從動滾輪機(jī)構(gòu),決定了在工作中只能使用編制好的草料,否則,稻草之間缺乏連接,在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滾刀推著前進(jìn)。而使用編制好的草簾會增加前期成本,降低實(shí)用性。

從以上幾點(diǎn)出發(fā),此次設(shè)計(jì)的機(jī)械應(yīng)該以輕量化、靈活性和實(shí)用性為目標(biāo),以期在重型機(jī)械無法工作的環(huán)境下提高沙漠治理的工作效率,填補(bǔ)現(xiàn)有空白。

2.2現(xiàn)有小型機(jī)械設(shè)計(jì)分析

2.2.1設(shè)計(jì)1(圖4)

(1)該機(jī)械是一個(gè)鋪草機(jī)而非插草機(jī)。其中用到大量皮帶傳動機(jī)構(gòu),將草料從料倉傳送到地面后再鋪設(shè),但缺乏插草機(jī)構(gòu)。實(shí)際防風(fēng)固沙中,鋪草是一個(gè)相對簡單的工作,而插草效率較低。因此,該機(jī)械的側(cè)重點(diǎn)設(shè)計(jì)不妥。

(2)該機(jī)械體積過大且為純機(jī)械結(jié)構(gòu),人力驅(qū)動費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

(3)該機(jī)械采用輪式結(jié)構(gòu),在沙漠中,起伏的地形容易使其行進(jìn)困難,局限性較大。

圖4 現(xiàn)有部分設(shè)計(jì)1

2.2.2設(shè)計(jì)2(圖5)

(1)這是一個(gè)自動化遠(yuǎn)程控制機(jī)械,而沙漠中信號覆蓋率低,導(dǎo)致其實(shí)用性下降。

(2)該機(jī)械體積過大而料倉過小,補(bǔ)料時(shí)間間隔短,實(shí)用性低,無法體現(xiàn)自動化的意義。

(3)該機(jī)械采用從動滾刀式插草機(jī)構(gòu),必須使用編制好的草簾,增加了前期成本。若使用未編織的草料,在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滾刀推著前進(jìn),使最終插草效果不均勻。

(4)該機(jī)械采用從動滾刀式插草機(jī)構(gòu),插草過程中刀將在路面上開辟出一道溝,插草后草難以立穩(wěn),需要攏沙裝置。而此機(jī)械沒有設(shè)計(jì)攏沙裝置,會使插草質(zhì)量變差。

圖5 現(xiàn)有部分設(shè)計(jì)2

以上兩個(gè)設(shè)計(jì)的滾輪進(jìn)料機(jī)構(gòu)值得借鑒,相比其他機(jī)構(gòu),此送料機(jī)構(gòu)更加合理、高效。此外,使用履帶行進(jìn)也是值得借鑒的方案。

2.3現(xiàn)有其他設(shè)計(jì)分析

目前還有橫向、縱向同時(shí)鋪設(shè)的設(shè)計(jì)方案,這種結(jié)構(gòu)確實(shí)可以大大提高效率,但是忽略了以下幾點(diǎn):第一,草方格沙障必須具有"編織性",如同布料一樣橫向、縱向相互編制交錯(cuò),而交叉點(diǎn)是草方格受力最大的點(diǎn),如果兩個(gè)方向一同鋪設(shè),在交叉點(diǎn)處必然只有一層草料,甚至?xí)驗(yàn)椴萘现丿B而無法實(shí)現(xiàn)交點(diǎn)編織,故不可行。第二,草方格尺寸多樣,且有方形和菱形等不同形狀,由地形和沙質(zhì)決定,固定了列與列的距離無疑降低了產(chǎn)品的適用性。第三,經(jīng)查閱資料,發(fā)現(xiàn)小型機(jī)械才是當(dāng)下沙漠治理的發(fā)展趨勢,增加結(jié)構(gòu)等于縮小了貨倉,降低了機(jī)械的靈活性,補(bǔ)充草料的次數(shù)增加也會大大降低效率和實(shí)用性。因此,不推薦使用這種形式鋪設(shè)草方格。

針對現(xiàn)有大型機(jī)械的缺陷和小型機(jī)械不成熟、不全面的問題,結(jié)合沙漠治理機(jī)械化、機(jī)械輕型化的趨勢,我團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款手扶式草方格沙障鋪設(shè)機(jī)。

3我團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)方案

3.1整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案考慮到以下4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

(1)實(shí)用性:為了使設(shè)計(jì)方案能夠最終轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)用性。沙漠地帶人力運(yùn)送草料較為困難,大型機(jī)械難以進(jìn)入,故將大料倉作為設(shè)計(jì)要求之一,以實(shí)現(xiàn)減少裝料次數(shù)、增加鋪設(shè)距離的目的。此外,為增加實(shí)用性,將采用盡可能簡潔的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動需求,這一要素也將在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。

(2)適用性:設(shè)計(jì)的適用性對最后成品的應(yīng)用場景至關(guān)重要,為實(shí)現(xiàn)在起伏的沙漠地形中運(yùn)作,將該機(jī)械設(shè)計(jì)為手扶式小型機(jī)械,以彌補(bǔ)大型機(jī)械不能深入沙漠的缺陷。同時(shí),考慮到實(shí)際草方格有多種材質(zhì),如秸桿、稻草等,不同材質(zhì)的草料或者不同濕度、密度的草料會影響送料的均勻性,故設(shè)計(jì)了"1輪3帶"送料機(jī)構(gòu),將在3.3詳細(xì)介紹。

(3)緊湊性:為提高設(shè)計(jì)的可行性,在小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多功能和大料倉,產(chǎn)品的緊湊性便顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新地將行進(jìn)履帶同時(shí)用作送料履帶,以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的緊湊性,后期將繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)料倉結(jié)構(gòu),使設(shè)計(jì)更為緊湊。

(4)合理性:根據(jù)設(shè)計(jì)背景所提到的我國現(xiàn)有大型機(jī)械投入運(yùn)行后,運(yùn)行效率相當(dāng)高,但存在成本高、對地形要求高等缺陷,將設(shè)計(jì)重點(diǎn)定為克服大型機(jī)械的局限性,實(shí)現(xiàn)深入沙漠腹地,并在起伏的沙地鋪設(shè)草方格。因此,不應(yīng)當(dāng)盲目追求效率,而應(yīng)將大料倉和機(jī)構(gòu)合理作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

根據(jù)以上關(guān)鍵點(diǎn),設(shè)計(jì)了如圖6所示的手扶式草方格沙障鋪設(shè)機(jī)。

圖6 手扶式草方格沙障鋪設(shè)機(jī)建模圖

此機(jī)械主要分為三個(gè)部分:料倉、插草機(jī)構(gòu)和送草機(jī)構(gòu)。在3.3和3.3中將主要介紹插草和送草機(jī)構(gòu)。

3.2插草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.3.1結(jié)構(gòu)

插草機(jī)構(gòu)建模圖如圖7所示,原動件1和曲柄3同軸裝配在機(jī)架上,曲柄3和連桿3通過銷4連接,連桿3和刀桿5通過銷6連接,在刀桿5上裝有彈簧7。

1一原動件:3一曲柄:3一連桿:4一銷:5一刀桿:6一銷:7一彈簧。

圖7 插草機(jī)構(gòu)建模圖

3.3.3運(yùn)動

插草機(jī)構(gòu)固定在機(jī)身上,通過電機(jī)帶動實(shí)現(xiàn)間歇式插草。

上升階段:電機(jī)輸出的扭矩使原動件1勻速轉(zhuǎn)動,直至接觸到曲柄3上的凸起并帶動曲柄3一起轉(zhuǎn)動,從而使連桿3做平面運(yùn)動,使刀桿5向上做豎直方向的直線運(yùn)動,壓縮彈簧7,刀被提起。

下降階段:原動件1接觸曲柄3轉(zhuǎn)動半周后,曲柄3因下方連接件的重力作用先于原動件1快速轉(zhuǎn)回,使刀桿5快速豎直下落,且下落過程中彈簧7釋放彈性勢能,使得刀桿5加速下落。兩者共同使刀快速下落,從而實(shí)現(xiàn)插草功能,模擬人插草的過程。

3.3送草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.3.1結(jié)構(gòu)

送草機(jī)構(gòu)斜視圖如圖8所示,其中機(jī)架與貨倉為保證視圖清晰而隱藏,輪1~6安裝于機(jī)架)已隱藏)上,位置固定,僅能旋轉(zhuǎn):履帶7安裝于大驅(qū)動輪1~3上,由類齒輪4限制其位置:皮帶8安裝于小驅(qū)動輪5、6上:貨倉(已隱藏)位于履帶7和皮帶8上方。

1、2、3一大驅(qū)動輪:4一類齒輪:5、6一小驅(qū)動輪:7一履帶:8一皮帶。

圖8送草機(jī)構(gòu)斜視圖

3.3.2運(yùn)動

履帶部分實(shí)現(xiàn)行進(jìn)與草料鋪設(shè)功能。工作時(shí),大驅(qū)動輪1~3驅(qū)動履帶7運(yùn)動,履帶7下表面接觸地面,推動整個(gè)機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動:同時(shí)履帶7上表面接觸貨倉中的草料,將草料帶向貨倉下方的出料口,進(jìn)而使草料平鋪在下部的水平履帶部分,等待插刀下插。小驅(qū)動輪5、6帶動皮帶8運(yùn)動,有上行與下行兩種運(yùn)動模式,取決于貨倉內(nèi)草料的密度和濕度:當(dāng)草料密度較低時(shí)下行,與履帶7共同將草料向下方帶動,保證出料量:當(dāng)草料密度較高時(shí)上行,將貨倉底部的部分草料翻至上層,避免底部草料密度過大堵塞出料口。類齒輪4位于貨倉出料口處,隨履帶7運(yùn)動而轉(zhuǎn)動,并在轉(zhuǎn)動的同時(shí)將輪齒插入下方履帶上的草料中,將草料分成小堆,保證出料通暢、均勻。

3.4其他機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為配合插草機(jī)構(gòu),在機(jī)械前端設(shè)置了開槽刀(圖9),實(shí)現(xiàn)預(yù)開槽,以提高插草機(jī)構(gòu)的可行性。

為保證插入地里的稻草的穩(wěn)定性,在機(jī)械尾端設(shè)置了攏沙輪(圖10),以保證插草的高質(zhì)量。

圖9 開槽刀建模圖

圖10 攏沙輪建模圖

4結(jié)語

此設(shè)計(jì)具有散草鋪設(shè)、插草和攏沙機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)全面且料倉容積大,可以降低鋪設(shè)成本,實(shí)現(xiàn)多地形插草,克服現(xiàn)有大型機(jī)械的局限性。

插草機(jī)構(gòu)利用原動件和彈簧實(shí)現(xiàn)對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)急回特性的加強(qiáng),以模擬人工插草的過程。送草機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同一履帶的行進(jìn)和送料雙重功能,提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性。料倉內(nèi)的履帶可根據(jù)草料情況調(diào)整轉(zhuǎn)速和方向,以保證送料過程均勻,避免草料堵塞的情況。

此設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性,加工可行性也比較高,能夠幫助實(shí)現(xiàn)沙漠治理,對于防范水土流失具有重要的理論及實(shí)踐意義。