一種多功能立體固沙車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制

韓凱旋 馬子康 張?jiān)犁?張 震 付嘉鵬 王 銳

(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

本研究通過設(shè)計(jì)一種基于Arduino 控制的多功能立體固沙車，與橫向插草機(jī)構(gòu)、縱向壓草機(jī)構(gòu)的有效配合，可完成對草方格沙障的一次性鋪設(shè)，同時泥草漿噴灑機(jī)構(gòu)將草籽噴灑到沙障中，其工作效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)對沙漠化地區(qū)流動沙丘的固定和綜合治理［1］。多功能立體固沙車可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作，在節(jié)省大量人力、物力的同時，還可極大地提高治沙的效率，對我國沙漠治理工作有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 總體結(jié)構(gòu)

多功能立體固沙車（見圖1）主要由前、中、后三部分組成。固沙車前段設(shè)有縱向插草裝置以及核心控制系統(tǒng)；固沙車中端設(shè)有橫向插草裝置，由橫向輸草機(jī)構(gòu)及上下運(yùn)動的切刀組成，實(shí)現(xiàn)對沙障的縱向設(shè)置。通過橫向和縱向壓刀的配合，來完成草方格沙障的一次性設(shè)置；固沙車后段設(shè)有泥漿混勻噴灑裝置，在設(shè)置完沙障后，后部噴灑裝置可進(jìn)行草籽的播種作業(yè)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意簡圖

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車體結(jié)構(gòu)和底盤設(shè)計(jì)

多功能立體固沙車采用的是沙漠越野專用底盤，該底盤適用于在沙漠腹地作業(yè)的大型越野車輛，全驅(qū)底盤不僅可通過柴油發(fā)動機(jī)為固沙車提供充足的動力，還可搭配可變形履帶系統(tǒng)及扭矩車架，使固沙車轉(zhuǎn)向更靈活、可靠性更高，從而具有良好的承載能力。多功能立體固沙車的車輪采用履帶輪，扁長式的履帶能夠有效減小其對地面的壓強(qiáng)，在沙漠地區(qū)具有較好的牽引性能與通過性能，使車輛能在沙漠與浮土地區(qū)暢通無阻。固沙車的四條履帶輪均由柴油機(jī)驅(qū)動的液壓馬達(dá)來提供動力，在驅(qū)動力矩的作用下，輪胎與沙土接觸部分會產(chǎn)生足夠大的牽引力，在牽引力的作用下，固沙車可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步前進(jìn)［2］。

2.2 草方格布置機(jī)構(gòu)

2.2.1 縱向壓草機(jī)構(gòu)。對于縱向鋪草任務(wù)，固沙車的前進(jìn)速度即為縱向鋪草機(jī)構(gòu)的鋪草速度?？v向切刀采用電機(jī)驅(qū)動的方式，可實(shí)現(xiàn)固定角度的可控?cái)[動，使切刀支撐機(jī)構(gòu)帶動切刀實(shí)現(xiàn)上下擺動。草料箱中的草席按一定速率沿小車行進(jìn)的軌跡均勻鋪開，再通過安裝在兩側(cè)的縱向切刀將草席壓入沙土中，其壓草深度設(shè)計(jì)為40 cm。壓草時，兩側(cè)切刀落下，實(shí)現(xiàn)壓草。通過設(shè)置在左右兩側(cè)的縱向切刀，來實(shí)現(xiàn)對草方格兩側(cè)的同時布置。

2.2.2 橫向插草機(jī)構(gòu)。橫向插草裝置由輸草機(jī)構(gòu)和插刀機(jī)構(gòu)組成。輸草機(jī)構(gòu)為偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，利用其急回的特性，通過鉤草耙將草席快速平鋪在壓草門上。為實(shí)現(xiàn)1 m×1 m 規(guī)格的草方格布置，橫向鋪草機(jī)構(gòu)一次鋪草長度應(yīng)為1 m，則在該偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，滑塊移動距離xc=100 cm，設(shè)計(jì)偏心距為60 cm，則L1=95 cm、L2=205 cm。插刀機(jī)構(gòu)通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)將草壓入并切斷草卷。該齒輪齒條機(jī)構(gòu)由齒輪和齒條構(gòu)成，電機(jī)將動力施加在齒輪上，該機(jī)構(gòu)將齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X條的往復(fù)直線運(yùn)動［3］。通過控制系統(tǒng)來控制電機(jī)的周期性正反轉(zhuǎn)來帶動齒條底端的T 形切刀，從而實(shí)現(xiàn)周期性上下往復(fù)運(yùn)動，將草卷切斷，并插入沙土中。為保證草卷的鋪設(shè)，齒條底端的T 形切刀的橫端為稍突起的鋒利刀頭，可實(shí)現(xiàn)對草卷的切斷，其刀長為草卷的寬度，即為50～70 cm，豎端為鈍刀頭，可將切斷的草簾壓入沙土15～20 cm 中，其刀長為草方格的寬度，即為100 cm。橫向輸草機(jī)構(gòu)與插刀機(jī)構(gòu)相互配合，最終實(shí)現(xiàn)橫向鋪草的功能。

2.2.3 橫向插草機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方案可行性分析。為了使橫向插草機(jī)構(gòu)能夠順利完成鋪草任務(wù)，要保證橫向插草機(jī)構(gòu)中的輸草機(jī)構(gòu)與插刀機(jī)構(gòu)在有限的空間內(nèi)不發(fā)生碰撞，且二者能夠相互配合，順利完成工作任務(wù)。故需要對此結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方案進(jìn)行可行性分析。首先將橫向插草機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，并等效為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，建立如圖2 所示的數(shù)學(xué)模型。通過對輸草機(jī)構(gòu)與插刀機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行分析可知，在曲柄主軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，會出現(xiàn)兩個極限位置，即在其運(yùn)動過程中輸草機(jī)構(gòu)的最右側(cè)坐標(biāo)與插刀機(jī)構(gòu)最左側(cè)坐標(biāo)相等。此時，會出現(xiàn)輸草機(jī)構(gòu)與插刀恰好將要接觸的情況。由于兩個極限位置出現(xiàn)的時間間隔較短，所以預(yù)設(shè)在第二個極限位置后使插刀從最高位置下落，并在曲柄旋轉(zhuǎn)至下一周之前完成插草動作的往復(fù)運(yùn)動。其次，根據(jù)上述運(yùn)動分析以及設(shè)定的草方格數(shù)據(jù)來建立數(shù)學(xué)坐標(biāo)方程，求出曲柄滑塊在兩個極限位置處的坐標(biāo)Xc，以及對應(yīng)位置相較于初始位置曲柄滑塊旋轉(zhuǎn)的角度θ1和θ2。在曲柄滑塊旋轉(zhuǎn)至θ2時，插刀機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行一次插草動作的往復(fù)運(yùn)動，并在曲柄旋轉(zhuǎn)至下一周之前，完成一次完整的插草動作。通過已知的曲柄角速度w，計(jì)算出旋轉(zhuǎn)360°-θ2所需要的時間t，根據(jù)時間t來合理設(shè)置插刀機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動的速度v，從而保證輸草機(jī)構(gòu)與插刀機(jī)構(gòu)在工作過程中不發(fā)生碰撞，保證二者能夠正常工作。通過上述分析過程，可以計(jì)算得出插刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的時間間隔Δt，進(jìn)而可以對小車前進(jìn)的速度v1進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可完成預(yù)設(shè)的草方格鋪設(shè)任務(wù)。最后，在SolidWorks 軟件中建立三維模型，并對橫向插草機(jī)構(gòu)進(jìn)行Motion 運(yùn)動仿真分析，以驗(yàn)證上述分析的正確性，以及橫向插草機(jī)構(gòu)中輸草機(jī)構(gòu)與插刀機(jī)構(gòu)相互配合，實(shí)現(xiàn)橫向鋪草功能的可行性。

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 泥草漿噴灑裝置

在多功能立體固沙車鋪設(shè)草方格沙障的同時，可利用固沙車后段的噴灑裝置進(jìn)行草籽的播種工作。該裝置包括錐形料斗、兩根攪拌軸、齒輪箱、電機(jī)。攪拌軸位于齒輪箱和錐形料斗之間；攪拌軸葉片與錐形料斗的下表面之間留有用于出料的間隔；攪拌軸由下至上分為下攪拌葉片、螺旋攪拌葉片和上攪拌葉片［4］，上攪拌葉片為豎直的三角形狀，與動力齒輪箱連接在一起，且相鄰的兩上攪拌葉片采用上下交錯的方式，螺旋鉸刀及下攪拌葉片可對物料進(jìn)行有效的混合鋪灑。該錐形料斗內(nèi)設(shè)有兩個攪拌軸，在開始工作后，攪拌軸可高速轉(zhuǎn)動，將物料從出料口排出，并在下攪拌葉片的作用下，將草料鋪灑在沙漠表面，完成鋪漿工作。

2.4 草卷輸送裝置

縱向鋪草機(jī)構(gòu)的后備草卷安放在相應(yīng)的機(jī)構(gòu)上方。草卷依靠自重下落，并由傳送帶將草卷輸送到正確的位置上。

由于車輛整體高度不宜過高，所以將橫向鋪草機(jī)構(gòu)的后備草卷懸掛在車體兩側(cè)，采用帶有可折疊支架的網(wǎng)格式傳送帶將草卷逐個送入正確位置。在草卷放到支架上后，由于支架與水平面存在一定的角度以及末端帶有凸起，為了使支架能安穩(wěn)牢固地?cái)y帶草卷上升，在草卷落位后，帶有扭轉(zhuǎn)彈簧的支架便折疊進(jìn)傳送帶內(nèi)，在節(jié)省空間的同時也不影響鋪草機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。傳送帶的動力傳送采用鏈條式傳動，傳動效率穩(wěn)定。但鏈條傳動容易受草料的影響，所以在草卷輸送裝置與傳送機(jī)構(gòu)之間安裝隔板，在避免草卷意外卡住的同時，也保護(hù)了傳送機(jī)構(gòu)的安全，降低了機(jī)構(gòu)日常養(yǎng)護(hù)難度。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Arduino是一個以AVR單片機(jī)為核心的開源硬件平臺［5］，可以向外擴(kuò)展所需的功能模塊。使用C語言編寫各個功能模塊所需的運(yùn)行代碼，并配合其自帶的開發(fā)環(huán)境Arduino IDE，可高效地完成模塊所需代碼編寫并上傳至Arduino中。

按照多功能立體固沙車的功能要求，所需擴(kuò)展的功能模塊包括驅(qū)動模塊、植草模塊、送料模塊、噴灑模塊、視覺模塊以及遠(yuǎn)程控制模塊。各模塊的程序編寫都可在Arduino IDE 中完成，編譯成二進(jìn)制文件后再燒錄至Arduino 中，即可搭建出各模塊間最基本的程序配合框架。其控制系統(tǒng)的工作流程為：系統(tǒng)啟動，各模塊初始化，連接遠(yuǎn)程控制模塊，發(fā)出開始指令，驅(qū)動模塊開始工作，帶動小車按既定路線行駛，送料模塊輸送草料，植草模塊與噴灑模塊按照一定的時間間隔進(jìn)行工作，二者相互配合，最終完成草方格固沙工作。詳細(xì)流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖

4 工作模式

面對沙漠中復(fù)雜多變的地形，多功能立體固沙車的工作模式可分為兩種。一種為自動控制模式，適用于地形較為平坦的大面積固沙，可提前劃分固沙車的工作區(qū)域，規(guī)劃行進(jìn)路線，并排除工作路徑上較為明顯的障礙物及流沙區(qū)域。按照工作路線將固沙車工作所需的動作代碼提前進(jìn)行編譯，并上傳至控制中心，在啟動后，固沙車就可按照既定路線完成在該區(qū)域的固沙工作。另一種為遠(yuǎn)程手動控制模式，適用于地形較為惡劣且工作面積不大的沙漠區(qū)域，在完成裝填草料等準(zhǔn)備工作后，可通過遠(yuǎn)程控制模塊啟動固沙車，視覺模塊可采集路況信息，并利用遠(yuǎn)程控制手柄手動控制固沙車完成固沙工作。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一款多功能立體固沙車，利用SolidWorks 軟件對多功能立體固沙車進(jìn)行三維建模，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了多功能立體固沙車的橫向插草機(jī)構(gòu)。通過對橫向插草機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真模擬，驗(yàn)證了橫向插草機(jī)構(gòu)中輸草機(jī)構(gòu)與插刀機(jī)構(gòu)同時工作的可行性，并通過Arduino 系統(tǒng)的控制，可一次性完成草方格的鋪設(shè)工作，能大幅度提升沙漠治理工作的效率。