一款機(jī)械化固沙設(shè)備固沙車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雷凱龍 楊兵 任國濤 付才 嚴(yán)鵬鵬

陜西汽車控股集團(tuán)有限公司 陜西西安 710200

1 前言

荒漠化是重大的全球性環(huán)境問題，一直困擾著人類社會的生存和發(fā)展，而中國是受其危害最嚴(yán)重的國家之一。根據(jù)第五次全國荒漠化和沙化檢測報(bào)告，截至2014年我國荒漠化土地面積達(dá)261.16萬平方公里，沙化土地面積172.12萬平方公里，并且沙化面積以每年幾萬平方公里的速度還在繼續(xù)擴(kuò)大，因此為了更好維系我們的生態(tài)文明，治理沙漠刻不容緩。2017年9月，“聯(lián)合國防治荒漠化公約第13次締約方大會”在我國鄂爾多斯市舉行，與會代表共商全球防治荒漠化大計(jì)。大會主題：“攜手防治荒漠，共謀人類福祉”，大會體現(xiàn)了我國履行荒漠化防治責(zé)任和義務(wù)的積極態(tài)度，表達(dá)了我國愿與國際社會共同努力、全力推進(jìn)全球荒漠化防治的良好愿望。

2 治理背景

2.1 沙漠治理背景

在治沙方法上，我國經(jīng)過多年反復(fù)試驗(yàn)，摸索出鋪設(shè)草方格可有效地實(shí)現(xiàn)防沙治沙的經(jīng)驗(yàn)方法，這種方式把工程和生物治沙的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，快速地解決了沙害侵蝕和沙漠治理問題。這項(xiàng)技術(shù)首先在寧夏中衛(wèi)沙坡頭的鐵路保護(hù)治沙工程中應(yīng)用，取得了巨大的成果，被推廣到內(nèi)蒙、新疆等多個(gè)沙化嚴(yán)重的省份。鋪設(shè)草方格技術(shù)是用麥草、稻草、蘆葦?shù)炔萘显谏衬性煞礁?，網(wǎng)狀的草方格有效地降低了近地面風(fēng)速，阻擋了風(fēng)吹沙揚(yáng)，同時(shí)還可涵養(yǎng)水分，然后在草方格中種植耐旱植被，達(dá)到治沙的目的。

目前，草方格鋪設(shè)主要利用人工作業(yè)完成，施工時(shí)一個(gè)人首先將運(yùn)來的散草沿著草方格線整齊均勻地鋪撒在沙地上，另一個(gè)工人再用板鍬之類的工具置于草料中間，用力插入沙地，使麥草兩端翹起，直立在沙面上，麥草露出地面的高度約20～25 cm，縱橫向全部鋪設(shè)完成后，就形成了1 m×1 m的草方格沙障。人工鋪設(shè)作業(yè)如圖1～2所示。

圖1 人工鋪設(shè)現(xiàn)場

圖2 鋪設(shè)完成的草方格

2.2 機(jī)械化治理前景

人工鋪設(shè)草方格不但作業(yè)效率低下、勞動強(qiáng)度大、作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定，且固沙作業(yè)成本比較高。我國甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆等地都已規(guī)劃了防沙治沙任務(wù)，任務(wù)繁重、工程浩大，很顯然人工作業(yè)完全不能滿足高效、大面積地治沙任務(wù)，研發(fā)機(jī)械化固沙設(shè)備成為重要課題。固沙車作業(yè)和人工作業(yè)的效率與成本對比如表1所示。

表1 固沙車作業(yè)和人工作業(yè)的對比

3 固沙車設(shè)計(jì)要求及工作原理

3.1 車輛開發(fā)要求

研發(fā)之初設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)作業(yè)環(huán)境、用戶需求提出6項(xiàng)指標(biāo)：

a.作業(yè)效率每天不少于65畝（按8 h作業(yè)時(shí)間計(jì)）；

b.作業(yè)用料為散裝稻草、麥草或蘆葦；

c.作業(yè)車輛可滿足80%的沙漠地形；

d.作業(yè)過程中連續(xù)性好；

e.鋪設(shè)深度約20 cm，草障高度15～20 cm；

f.草方格縱橫向鋪設(shè)一次完成，避免碾壓。

3.2 車輛工作原理介紹

整車主要分為沙漠越野底盤、草料裝載、草料輸送、作業(yè)裝置四大模塊。整車結(jié)構(gòu)如圖3所示。

沙漠越野底盤主要為車輛行駛和固沙作業(yè)提供動力。草料裝載模塊是將提前準(zhǔn)備好的散草添加到作業(yè)草箱中，裝載過程主要由液壓系統(tǒng)進(jìn)行動力輸出，模塊化裝載草料，大大縮短了添加草料的時(shí)間。草料輸送模塊是將草箱中的草料連續(xù)性輸出，輸出效率高，作業(yè)流線性好，并運(yùn)用生物仿生刮草技術(shù)，在液壓馬達(dá)的驅(qū)動下，將散草平穩(wěn)地鋪設(shè)到沙地上。作業(yè)裝置模塊是由液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)無縫配合，帶動插草裝置作業(yè)，實(shí)現(xiàn)草料的壓入功能，壓草深度完全符合輸入指標(biāo)。

圖3 固沙車整車結(jié)構(gòu)圖

固沙車到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場，進(jìn)行草方格鋪設(shè)作業(yè)時(shí)，首先將草料輸送模塊中最左側(cè)機(jī)構(gòu)收起，讓其不工作，完成一次三縱兩橫的鋪設(shè)作業(yè)，之后再將最左側(cè)機(jī)構(gòu)伸出，每次車輛按照逆時(shí)針方向完成三縱三橫的鋪設(shè)作業(yè)，就可以實(shí)現(xiàn)1 m×1 m規(guī)格的草方格鋪設(shè)。

3.3 車輛作業(yè)流程

固沙作業(yè)隊(duì)首先需要從農(nóng)戶家中購買作業(yè)草料（可為麥草、稻草、蘆葦?shù)龋?，運(yùn)至作業(yè)點(diǎn)附近后，利用裝載機(jī)將草料卸下，安排一兩名工人將草料整齊裝進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)草箱內(nèi)，草料裝滿后，再用小型拖拉機(jī)將該草箱運(yùn)至車輛作業(yè)現(xiàn)場，并利用草料裝載模塊完成草料添加等前期準(zhǔn)備工作，然后進(jìn)行最終固沙作業(yè)。

4 主要技術(shù)特點(diǎn)和參數(shù)

整車的技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

a、散草直接作業(yè)：符合用戶要求，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。

b、縱橫向鋪草同步作業(yè)：避免二次碾壓提高作業(yè)效率和鋪設(shè)質(zhì)量。

c、生物仿生刮草技術(shù)：實(shí)現(xiàn)草箱散草自動整齊輸送。

d、草料輸送模塊：保證傳輸中散草整齊不散落。

E、作業(yè)裝置模塊：作業(yè)響應(yīng)速度快，鋪設(shè)深度可隨地形調(diào)整。

F、草料裝載模塊：縮短作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間和草料拋灑遺漏。

g、草料輸送監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)測草料輸送情況。

h、作業(yè)裝置監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)測草料鋪設(shè)情況。

I、草料裝載監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)測草料裝載情況。

固沙車主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 固沙車主要技術(shù)參數(shù)表

5 車輛結(jié)構(gòu)

車輛主要由沙漠越野底盤、草料裝載模塊、草料輸送模塊、作業(yè)裝置模塊四大模塊組成。

5.1 沙漠越野底盤

固沙車采用6×6驅(qū)動形式316 kW沙漠專用底盤，該底盤是針對我國沙漠工況專門開發(fā)的一款用于沙漠腹地作業(yè)的大噸位越野型車輛底盤。該車在軍用底盤全驅(qū)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，采用某品牌發(fā)動機(jī)、超強(qiáng)抗扭車架、多級過濾系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向裝置等國內(nèi)頂級配置，在沙漠中作業(yè)動力充足、轉(zhuǎn)向靈活、可靠性高，完全能夠滿足我國沙漠腹地作業(yè)工況要求。綜合考慮作業(yè)裝置特點(diǎn)和每天固沙面積，在固沙作業(yè)時(shí)，車輛作業(yè)速度應(yīng)不大于3 km/h。

5.1.1 牽引力計(jì)算分析

根據(jù)上裝要求，整車功率應(yīng)達(dá)到300～400 kW，牽引力達(dá)到62～92 kN。整車牽引力計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)t為牽引力；Me為 發(fā)動機(jī)扭矩；ig為 變速器速比；if為分動器速比；i0為驅(qū)動橋速比；ηT為機(jī)械效率；rr為輪胎滾動半徑。

由計(jì)算可知Ft=157.613～161.439 kN，選用316 kW發(fā)動機(jī)。

5.1.2 取力分析

上裝要求采用分動器取力，功率為120 kW。按功率和扭矩?fù)Q算公式P=n×N/9550計(jì)算，要達(dá)到120 kW的功率，取力器轉(zhuǎn)速必須要在286 r/min以上?？紤]到取力時(shí)車輛還在以3 km/h的車速行駛，需要消耗一定的功率克服滾動阻力（按Pt=1/3600×G×f×u，干砂取f=0.1～0.3）。整車在水平路面時(shí)的滾動阻力功率：Pt=68 kW。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，功率最大為195 kW，高于120+68=188 kW。如果要爬坡，則需提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，才能保證車輛正常運(yùn)行。所以在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不低于1 000 r/min時(shí)，可滿足取力120 kW的功率要求。

5.1.3 輪距分析

該車選用超寬輪胎，車橋選用某品牌9t車橋，前橋輪輞安裝面距離為2 .329 mm，而中后橋輪輞安裝面距離為2 .211 mm，以使前橋最大轉(zhuǎn)角時(shí)，不與拉桿和油缸干涉，將輪輞偏心距設(shè)計(jì)為102 mm，車橋輪輞端面距（前/后）：2 .329 mm /2 .211 mm，輪距（前/后）：2 .249 mm /2 291 mm，輪胎外沿寬度（前 /后 ） ：2.8 44mm/2 .886 mm。車輛輪距分析如圖4所示。

圖4 車輛輪距分析圖

5.2 草料裝載模塊

草料裝載模塊位于車輛前端，是由大小舉升臂、草箱、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)組成。裝載時(shí)大臂油缸帶動大臂舉升，舉升至草箱上部時(shí)，小臂油缸完成草料的添加工作。該模塊是由變量柱塞泵提供液壓動力，變量柱塞泵采用壓力切斷加負(fù)載敏感復(fù)合控制，按需提供流量，節(jié)約能源，柱塞泵油液流入負(fù)載敏感多路閥，經(jīng)多路閥分配給草料裝載等執(zhí)行元件，該多路閥帶壓力補(bǔ)償功能，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求總流量不超出主泵最大流量時(shí)可實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)獨(dú)立動作，流量分配不受負(fù)載影響。而在電氣系統(tǒng)中加裝接近傳感器，在大臂運(yùn)動時(shí)對其進(jìn)行限位保護(hù)，防止大臂油缸到達(dá)極限位置，對該模塊工作造成損壞。

草料裝載模塊運(yùn)行位置如圖5所示。

圖5 草料裝載模塊運(yùn)行位置圖

5.3 草料輸送模塊

草料輸送模塊是將草箱中的草料平穩(wěn)輸送，然后整齊地鋪設(shè)到沙地上，該模塊同樣是由變量柱塞泵給輸草模塊提供液壓動力，柱塞泵油液流入負(fù)載敏感多路閥，經(jīng)多路閥分配給草料輸送等執(zhí)行元件，該多路閥帶壓力補(bǔ)償功能，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求總流量不超出主泵最大流量時(shí)可實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間獨(dú)立動作，流量分配不受負(fù)載影響。電氣系統(tǒng)以控制器為核心，通過傳感器采集車速、距離信息及液壓系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制器內(nèi)部程序計(jì)算后對草料輸送模塊進(jìn)行控制，輸送草量智能控制圖如圖6所示。

圖6 輸送草量智能控制圖

5.4 作業(yè)裝置模塊

作業(yè)裝置模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由縱向壓草輪、橫向插刀、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。該作業(yè)模塊能同時(shí)進(jìn)行縱向和橫向鋪設(shè)，并且隨著沙漠地形的變化，插入深度可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖7 固沙車作業(yè)裝置三維圖

5.4.1 縱向作業(yè)

縱向草料輸送模塊將草料均地的撒布在草方格縱邊，縱向壓草輪隨著車輛前進(jìn)，對鋪撒在前部的草料進(jìn)行連續(xù)滾壓，完成縱向插草作業(yè)功能。

5.4.2 橫向作業(yè)

橫向草料輸送模塊將草料均勻地撒布在草方格橫邊，每隔1 m間歇鋪撒一次，隨著車輛前進(jìn)，橫向插刀每隔1 m將草料插入沙地一次，完成橫向插草作業(yè)功能，車輛行駛速度與插草頻率關(guān)系如圖8所示，車輛行駛速度高了，相應(yīng)的插草頻率變高，反之減少。

圖8 車輛行駛速度與插草作業(yè)關(guān)系圖

在完成一次橫向插草動作時(shí)，液壓油缸快速伸出和縮回，系統(tǒng)在工作中會出現(xiàn)嚴(yán)重的沖擊和振動，因此在回路增加蓄能器吸收壓力沖擊，運(yùn)用仿真軟件對比分析不同規(guī)格蓄能器的緩沖效果，找出最優(yōu)的匹配參數(shù)。圖9是增加不同容積的蓄能器時(shí)，油缸壓力曲線圖，由圖9可知，采用恰當(dāng)容積蓄能器能有效的減小沖擊壓力峰值，綜合考慮蓄能器反應(yīng)速度和節(jié)約成本，系統(tǒng)中蓄能器的容積定為0.15 L。

6 結(jié)語

沙漠化不但影響農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)，同時(shí)也給人民健康帶來嚴(yán)重威脅，草方格固沙能夠有效改善沙漠環(huán)境，目前采用人工模式鋪設(shè)草方格，不能滿足大面積高效治理的需求。固沙車采用機(jī)、電、液一體化、智能化設(shè)計(jì)，完成草方格鋪設(shè)，具有安全、可靠、智能控制、作業(yè)效率高等特點(diǎn)，可滿足大面積綜合治理沙漠的需求，能夠快速有效地減緩沙漠化進(jìn)程，達(dá)到防風(fēng)、治沙、造林的目的。

圖9 油缸壓力曲線圖

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2]吳啟東.淺析草方格沙障措施在防風(fēng)固沙中的作用[J].農(nóng)技服務(wù),2014 (11):20.

[3]屠志方,李夢先,孫濤.第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果及分析[J].林業(yè)資源管理,2016(01):1-5+13.