一種新型防風(fēng)固沙植物種子噴播車(chē)的設(shè)計(jì)

仰鈞毅，徐論，孫康，夏普松，鄧財(cái)，羅子涵，盧學(xué)玉

一種新型防風(fēng)固沙植物種子噴播車(chē)的設(shè)計(jì)

仰鈞毅，徐論，孫康，夏普松，鄧財(cái)，羅子涵，盧學(xué)玉

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

針對(duì)土地荒漠化治理、公路護(hù)坡、礦山恢復(fù)的需求，采用植物種子播種的方式進(jìn)行防風(fēng)固沙和植被恢復(fù)。本文設(shè)計(jì)一種新型防風(fēng)固沙植物種子噴播車(chē)，該裝置主要由行進(jìn)越障機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、噴播機(jī)構(gòu)、絲杠平臺(tái)機(jī)構(gòu)、機(jī)電控制機(jī)構(gòu)和物料存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)等組成，其中噴播機(jī)構(gòu)使用文丘里管?chē)娚?，行進(jìn)越障機(jī)構(gòu)自主設(shè)計(jì)了特殊的偏心連桿機(jī)構(gòu)來(lái)更好地越障。通過(guò)三維軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，并結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，證明該裝置設(shè)計(jì)方案可行。

噴播車(chē)；文丘里管；噴播平臺(tái)；機(jī)電控制

目前，植被恢復(fù)、防風(fēng)固沙成為了環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù)之一，護(hù)坡草籽因價(jià)格低廉、生長(zhǎng)周期較短、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用。本文設(shè)計(jì)了一種新型防風(fēng)固沙植物種子噴播車(chē)，具有多種環(huán)境的適用性，并克服了傳統(tǒng)噴播機(jī)體積龐大、裝置笨重、價(jià)格昂貴、自動(dòng)化程度低的弊端。

1 噴播車(chē)方案設(shè)計(jì)

1.1 裝配圖與工作流程

如圖1所示，新型防風(fēng)固沙植物種子噴播車(chē)主要由越障行進(jìn)機(jī)構(gòu)[1]、噴播機(jī)構(gòu)、絲杠平臺(tái)機(jī)構(gòu)、機(jī)電控制機(jī)構(gòu)和物料存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)等組成。該噴播車(chē)可通過(guò)機(jī)構(gòu)完成兩種模式噴播，包括對(duì)地面的覆蓋式噴播和對(duì)斜坡的攢射式噴播。

圖1 噴播車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

越障行進(jìn)機(jī)構(gòu)由前鉸接車(chē)架、后固定車(chē)架、電機(jī)和越障車(chē)輪組成，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，前鉸接車(chē)架抬起，就可平穩(wěn)越過(guò)較高障礙物?？刂茩C(jī)構(gòu)選用BODVISION智能云臺(tái)攝像機(jī)通過(guò)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。噴播機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂、管道、噴頭組成，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)噴頭上下和旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行多角度噴播。絲杠平臺(tái)機(jī)構(gòu)由兩根絲杠、兩根光桿和兩個(gè)電機(jī)組成，可使機(jī)械臂停留在二維平面內(nèi)的任意位置，實(shí)現(xiàn)噴播的多自由度。物料存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)由水箱、水泵、文丘里管、種子營(yíng)養(yǎng)液存儲(chǔ)箱組成，水泵與文丘里管安置在車(chē)體尾部，距離機(jī)械臂較近，保證噴播的射程。

該噴播車(chē)的工作流程如圖2所示，通過(guò)攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控，噴播車(chē)行進(jìn)越障至指定位置，進(jìn)而機(jī)械臂與絲杠平臺(tái)配合，使噴頭對(duì)準(zhǔn)需噴播位置，然后水泵啟動(dòng)，水流經(jīng)過(guò)文丘里管使得種子、營(yíng)養(yǎng)液與水混合，最后由萬(wàn)向鴨嘴噴頭實(shí)現(xiàn)地面覆蓋式噴播，或者經(jīng)增壓式噴頭進(jìn)行斜坡攢射式噴播。

1.2 越障行進(jìn)機(jī)構(gòu)

如圖3所示，該越障行進(jìn)機(jī)構(gòu)由鋁合金板、亞克力板、對(duì)鎖螺釘、軸套、軸承等為主要框架構(gòu)成。車(chē)架與底座連接采用符合GB/T 9074.13－1988[2]的M10×40對(duì)鎖螺釘，采用10×14×20軸套使車(chē)架外延。前鉸接車(chē)架寬270 mm，后固定車(chē)架寬400 mm，前后車(chē)架均高150 mm，采用4 mm厚鋁合金板與2 mm亞克力板制成。

圖2 工作流程圖

圖3 越障行進(jìn)機(jī)構(gòu)

越障車(chē)輪如圖4所示，偏心輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)偏心輪軸孔與偏心輪軸固定保持不動(dòng)，多個(gè)外輪在連接定位孔處通過(guò)犁爪軸向定位，使用M4×39的對(duì)鎖螺絲進(jìn)行軸向固定并進(jìn)行傳力，通過(guò)外輪軸孔與電機(jī)軸連接，按圖4（b）所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)多個(gè)外輪轉(zhuǎn)動(dòng)。外輪帶動(dòng)犁爪和連桿使偏心輪連桿繞偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)偏心輪的遠(yuǎn)端始終向下，保證犁爪在最下端伸出，以便在惡劣環(huán)境中進(jìn)行越障，鉸接處均采用了壓鉚螺柱與平頭螺栓（在適當(dāng)位置增加墊片保證間隙）。當(dāng)在平穩(wěn)環(huán)境中行駛時(shí)，偏心輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°，使偏心輪遠(yuǎn)端朝上，地面接觸端的犁爪收回輪子內(nèi)部，此時(shí)越障車(chē)輪相當(dāng)于普通車(chē)輪，可在平穩(wěn)地面正常行駛。

由偏心輪連桿、外輪和犁爪組成的連桿機(jī)構(gòu)的自由度為：

＝3－(2P＋P) （1）

式中：為連桿個(gè)數(shù)；P為低副；P為高副。

該機(jī)構(gòu)中：＝3，P＝4，P＝0。

計(jì)算得：＝1

故該連桿機(jī)構(gòu)合理。

1.偏心輪軸孔；2.偏心輪連桿；3.偏心輪；4.連桿；5.犁爪；6.外輪；7.連接定位孔；8.外輪軸孔；9.連接孔；10.轉(zhuǎn)向；11.電機(jī)軸；12.對(duì)鎖螺釘；13.犁爪；14.偏心輪軸。

1.3 機(jī)械臂與絲杠平臺(tái)機(jī)構(gòu)

噴播機(jī)構(gòu)機(jī)械臂與絲杠平臺(tái)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)噴播功能的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)[3]，工作原理為：水泵制造高壓水流經(jīng)過(guò)文丘里管，在文丘里管中部形成真空度，壓力差將種子與營(yíng)養(yǎng)液吸入文丘里管，由高壓水流送至噴口處，在四自由度機(jī)械臂和雙絲杠平臺(tái)的配合下完成全自由度噴播。

（1）機(jī)械臂的設(shè)計(jì)[4]。為保證機(jī)械臂的耐用程度，選用了較為常見(jiàn)的連桿式四自由度機(jī)械臂，材質(zhì)為鋁合金，如圖5所示。舵機(jī)1控制噴頭前后移動(dòng)，舵機(jī)2控制上下，舵機(jī)3負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂需要工作穩(wěn)定的伺服電動(dòng)機(jī)，且模型中的機(jī)械臂較小，所以需要體積小、力矩適中的舵機(jī)，經(jīng)過(guò)分析選擇MG90S型舵機(jī)[5]。

（2）絲杠平臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。絲杠螺距與平臺(tái)靈敏度密切相關(guān)，還和電動(dòng)機(jī)性能相關(guān)，因選用了型號(hào)GA12-N20、轉(zhuǎn)速150 r/min的電動(dòng)機(jī)，平臺(tái)長(zhǎng)寬均為300 mm，考慮電機(jī)和絲杠架的放置空間，最終選用外徑12 mm、導(dǎo)成4 mm、長(zhǎng)度230 mm的絲杠，由于絲杠座寬15 mm，所以有效距離為200 mm，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際參考，32 s就可完成一根絲杠上的來(lái)回運(yùn)動(dòng)。

圖5 機(jī)械臂

（3）文丘里管與水泵的選擇。文丘里[6-7]管需要保證種子順利通過(guò)，種子的平均大小為1.2～1.5 mm，所以選用DN15型號(hào)，具體尺寸如圖6所示，經(jīng)測(cè)量最窄處直徑仍有6 mm，不會(huì)造成種子堵塞。由于車(chē)體攜帶電源為12 V，故水泵受到較大限制，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最終選用流量為32 L/min的12 V水泵。

圖6 文丘里管基本尺寸（單位：mm）

1.4 物料存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)了物料存儲(chǔ)箱，如圖7所示，用于存儲(chǔ)草籽及營(yíng)養(yǎng)液。該存儲(chǔ)箱是將種子箱（圖8）固定在水箱中，種子箱采用3D打印，有許多鏤空設(shè)計(jì)，并在內(nèi)里放置了100目的尼龍網(wǎng)紗。這樣設(shè)計(jì)的好處是可以使水自由流動(dòng)，并保障種子的聚攏，有利于種子的噴播。尼龍網(wǎng)紗邊緣用防水膠固定，使網(wǎng)紗底部呈漏斗狀，保證即使車(chē)體傾斜或出現(xiàn)顛簸時(shí)，噴播車(chē)仍可以正常噴播。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)比對(duì)，在使用氣泵的情況下種子與水的體積消耗比大約為1:5，所以設(shè)計(jì)的水箱和種子箱尺寸如表1所示。

圖7 物料存儲(chǔ)箱

圖8 種子箱

表1 水箱和種子箱尺寸

1.5 機(jī)電控制機(jī)構(gòu)

機(jī)電控制機(jī)構(gòu)工作原理如圖9所示。

圖9 機(jī)電控制示意圖

（1）主控板：機(jī)電控制機(jī)構(gòu)的主控機(jī)為Arduino R3，它具有14路輸出口，其中5路可作為PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制技術(shù)）模擬輸出，和6路模擬輸入。擁有SDA（Serial Data Line，串行數(shù)據(jù)線）和SCL（Serial Clock Line，串行時(shí)鐘線）端口，能夠兼容所有現(xiàn)存擴(kuò)展板，且能用它額外的端口適應(yīng)新的擴(kuò)展板，可以滿足噴播車(chē)的控制需要。

（2）通信接口：通信傳輸借助JDY-31藍(lán)牙透?jìng)髂K進(jìn)行Arduino數(shù)據(jù)透?jìng)?，工作頻率2.4 GHz、最大發(fā)射距離30 m。用戶使用個(gè)人終端藍(lán)牙連接到JDY-31，JDY-31再通過(guò)一個(gè)升壓電路連接到主控板的TX、RX接口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。

（3）機(jī)電接口：使用主控板的4個(gè)數(shù)字輸出接口，輸出的低壓控制信號(hào)每2個(gè)一組接入2組繼電器組中，再通過(guò)2組繼電器的控制高壓信號(hào)來(lái)控制左右側(cè)2組電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。

（4）機(jī)械臂部分：使用主控板的3個(gè)PWM模擬輸出接口，直接精確控制機(jī)械臂的3個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)3個(gè)模擬輸出信號(hào)的不同組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂不同的精確動(dòng)作。

2 關(guān)鍵部位的可靠性分析[8]

如圖10所示，底板的應(yīng)力集中在中部、變形集中在邊緣，容易脆斷，所以需要對(duì)底板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)討論，決定采用2 mm鋁合金板與3 mm亞克力板用螺栓螺母連接的復(fù)合板方式對(duì)底板脆弱部分進(jìn)行加強(qiáng)。如圖11所示，可知優(yōu)化后的底板變形均勻，沒(méi)有集中應(yīng)力，各項(xiàng)性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前的底板。

圖10 優(yōu)化前底板的位移云圖和應(yīng)力云圖

圖11 優(yōu)化后底板的位移云圖和應(yīng)力云圖

3 植物種子的選型

基于噴播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與防風(fēng)固沙的需求，對(duì)種子的要求有：①形狀規(guī)則，以方便采用文丘里管的方式進(jìn)行噴播不至于卡堵；②生長(zhǎng)周期短，存活率高，可適應(yīng)惡劣環(huán)境；③經(jīng)濟(jì)性良好，在保證防風(fēng)固沙的前提下降低成本。

經(jīng)過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，選擇了狗牙根[9]、白三葉[10]、百喜草[11]、馬蓮花、沙打旺。

4 結(jié)語(yǔ)

本噴播車(chē)通過(guò)遠(yuǎn)程操控、文丘里管代替泥漿泵、多種噴播方式結(jié)合等設(shè)計(jì)，為復(fù)雜地形的環(huán)保提供了有力的解決措施，有效解決了傳統(tǒng)噴播方式的普遍問(wèn)題。其主要優(yōu)勢(shì)為：

（1）該噴播車(chē)體積小巧、行動(dòng)靈活，可以到達(dá)傳統(tǒng)大型噴播車(chē)不能到達(dá)的角落作業(yè)；

（2）以文丘里管作為噴播裝置，相較于泥漿泵來(lái)說(shuō)，價(jià)格低廉、體積較小、結(jié)實(shí)可靠，對(duì)不同大小的種子顆粒可使用不同型號(hào)的文丘里管，可替換性高；

（3）采用月球車(chē)的六輪越障行進(jìn)機(jī)構(gòu)，越障性能優(yōu)越，越障車(chē)輪可以實(shí)現(xiàn)正常輪與越障輪兩用，外加兩種噴播方式，可以適應(yīng)多種地形的噴播。

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Design of a New Wind Prevention and Sand Fixation Plant Seed Spraying Vehicle

YANG Junyi，XU Lun，SUN Kang，XIA Pusong，DENG Cai，LUO Zihan，LU Xueyu

( School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

In view of the needs of land desertification control, road slope protection, and mine restoration, the method of plant seed sowing is employed for wind prevention, sand fixation and vegetation restoration. In this paper, a new wind prevention and sand fixation plant seed spraying vehicle is designed. The device is mainly composed of traveling obstacle crossing mechanism, control mechanism, spraying mechanism, lead screw platform mechanism, electromechanical control mechanism and material storage mechanism, etc. The Venturi tube is used for spraying, and a special eccentric linkage mechanism is independently designed for the traveling obstacle crossing mechanism to better cross the obstacle. The design by three-dimensional software model and several experimental verification and analysis prove that the device design scheme is feasible.

spraying vehicle；venturi tube；spraying platform；electromechanical control

S223.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.009

1006-0316 (2022) 07-0054-05

2022-01-06

第九屆“南高齒杯”江蘇省機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目（江南大學(xué)01）

仰鈞毅（2001－），男，陜西商洛人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，E-mail：jndxyangjunyi@163.com；盧學(xué)玉（1974－），女，江蘇淮安人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論。