一種自動(dòng)化草方格沙障鋪設(shè)裝置

楊根福，蘇光富，林嘉興，吳世明，林 權(quán)

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

固定移動(dòng)的沙丘是治理荒漠的第一步，草方格是一種防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水分的治沙方法，對(duì)固定流動(dòng)沙丘有奇效，但目前鋪設(shè)草方格主要有2種方式，一種是采用人工鋪設(shè)的方式，其主要步驟是清理選擇麥草、碼放麥草和踩壓整形，該方式效率較低，且由于荒漠條件較為惡劣，人工成本較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大；另一種是采用大型的鋪設(shè)車(chē)，不僅價(jià)格昂貴，而且需要3～4人同時(shí)操作，且要具備較強(qiáng)的特種車(chē)輛駕駛能力[1-5]。所以本課題提出研發(fā)一種易于單人操縱的自動(dòng)草方格鋪設(shè)裝置，以降低草方格鋪設(shè)成本，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)組成

半自動(dòng)草方格沙障鋪設(shè)裝置總裝如圖1所示，該裝置主要由草料輸送機(jī)構(gòu)、草料擠壓機(jī)構(gòu)、草料切斷結(jié)構(gòu)、裝置行走機(jī)構(gòu)和裝置動(dòng)力源等組成。草料輸送機(jī)構(gòu)由送料電機(jī)11、小滾筒36、滑槽37、小實(shí)心輪35、送料從動(dòng)軸6、皮帶34、送料主動(dòng)軸19、大實(shí)心輪51、下層滑槽25、滾筒31、D大帶輪29、DA皮帶1和D小皮帶輪等零部件構(gòu)成。裝置行走機(jī)構(gòu)包括行走電機(jī)3、鏈輪12、行走驅(qū)動(dòng)軸13、右輪連接件21、底盤(pán)左側(cè)板5、左輪連接件28、鏈輪固定釘30、行走轉(zhuǎn)軸23、一號(hào)彈簧16、二號(hào)彈簧52、承重輪24、彈簧固定釘15和履帶22等零部件構(gòu)成。草料擠壓機(jī)構(gòu)包括擠壓電機(jī)46、絲桿40、機(jī)械臂41、擠壓電機(jī)支架43、擠壓轉(zhuǎn)軸38、擠壓輪18及蝸輪蝸桿升降機(jī)等零部件構(gòu)成。草料切斷結(jié)構(gòu)包括圓盤(pán)鋸42、切割電機(jī)44、滑槽37、切割電機(jī)支架45、切割電機(jī)44、下層滑槽25、小帶輪49、滑塊48、導(dǎo)軌47及步進(jìn)電機(jī)等零部件構(gòu)成。綜合分析結(jié)合成本與工況考慮，行走電機(jī)選用直流減速電機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ矗驗(yàn)楸狙b置運(yùn)行在沙地，難免遇到較為極端的路況。

圖1 半自動(dòng)草方格沙障鋪設(shè)裝置總裝

2 裝置方案設(shè)計(jì)

2.1 裝置行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置行走機(jī)構(gòu)如圖2所示，在此考慮到荒漠環(huán)境惡劣，路況復(fù)雜，輪式車(chē)輛對(duì)復(fù)雜路況的應(yīng)對(duì)能力較差，承載能力差，雖然其經(jīng)濟(jì)性較好，但為了保證其在荒漠中的通過(guò)性，采用履帶式設(shè)計(jì)。由于荒漠路況平整度較低，為降低路面不平對(duì)車(chē)身造成沖擊導(dǎo)致故障，因此需要設(shè)計(jì)懸掛系統(tǒng)，參考選用克里斯蒂懸掛，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，同時(shí)具有較好的柔軟性，適應(yīng)車(chē)輛工況需求。

圖2 裝置行走機(jī)構(gòu)

2.2 草料輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

草料輸送機(jī)構(gòu)如圖3所示，圖中將滾筒設(shè)計(jì)成一大一小，位于上方的小滾筒減短了力矩，減小了扭矩，位于下方的大滾筒增大接觸面積，能夠更好地帶動(dòng)草料。同時(shí)將2個(gè)滾筒設(shè)計(jì)于同一平面，使得2個(gè)滾筒線速度一致，保證草料在2個(gè)滑槽上的運(yùn)動(dòng)一致性，設(shè)計(jì)的帶輪的大小滾筒的大小成等比例。另外為了增加摩擦力，滾筒上增加一定量的條紋，又因?yàn)榭紤]到草料與草料之間的厚度可能會(huì)有所差異，因此將側(cè)板處的開(kāi)槽從圓孔改為槽孔，增加一定的調(diào)節(jié)空間，固定方式采用法蘭盤(pán)，將滑槽分為上下2個(gè)部分主要是為了在切割后還能夠通過(guò)電動(dòng)機(jī)與帶輪實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料。

圖3 草料輸送機(jī)構(gòu)

2.3 草料擠壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

草料擠壓機(jī)構(gòu)如圖4所示，依據(jù)草方格鋪設(shè)的工藝需求和鋪設(shè)工況，設(shè)計(jì)采用最簡(jiǎn)單的圓盤(pán)擠壓式，其主要優(yōu)點(diǎn)是故障率低，維修檢修方便，造價(jià)低廉，稍有不足是通用性較差，只能鋪設(shè)韌性較好的作物，但對(duì)于本裝置而言，主要應(yīng)用于柔軟的沙面上，擠壓對(duì)象為韌性較好的草料，其專(zhuān)用性強(qiáng)，符合設(shè)計(jì)使用要求。另外設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)配合具備自鎖能力的蝸輪蝸桿升降機(jī)，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)擠壓深度，能較好地勝任擠壓工作。

圖4 草料擠壓機(jī)構(gòu)

2.4 草料切斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

草料切斷結(jié)構(gòu)如圖5所示，切斷裝置主要由2部分組成，分別是負(fù)責(zé)橫向移動(dòng)刀具和負(fù)責(zé)切割作業(yè)。由于草料切斷裝置需要一定精度的定位，避免誤切，在此切割電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，配合同步帶，通過(guò)橫向移動(dòng)完成切割任務(wù)。由于切斷裝置中的圓盤(pán)鋸鋸片，需要定期更換，因此電機(jī)支架滑塊支架適合采用快拆設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 草料切斷結(jié)構(gòu)

3 裝置工作原理

由圖1可知，裝置由位于前方的2個(gè)電動(dòng)機(jī)提供行走動(dòng)力，同時(shí)利用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。車(chē)輛的行走作業(yè)主要由遙控進(jìn)行操作。在裝料后，且由人工設(shè)定好鋪設(shè)長(zhǎng)度等參數(shù)后，車(chē)輛可自動(dòng)進(jìn)行鋪設(shè)作業(yè)。主要作業(yè)流程是車(chē)輛直線行走，位于后方的擠壓輪在電機(jī)的帶動(dòng)下，配合自重插入沙地一定的深度。草料由傳輸機(jī)構(gòu)鋪設(shè)在車(chē)輛的正下方，隨著車(chē)輛的前進(jìn)將草料壓入沙地。在完成設(shè)定的鋪設(shè)長(zhǎng)度后，草料傳輸機(jī)構(gòu)停止工作，草料切斷裝置開(kāi)始工作。切斷草料后，車(chē)輛再行駛一段距離確保所有草料都埋入。最后擠壓裝置升起，車(chē)輛倒車(chē)回到原地完成一次作業(yè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

市面上草方格沙障鋪設(shè)裝置目前主要的鋪設(shè)方式還是人工鋪設(shè)，僅有的鋪設(shè)機(jī)械也需要多人操作，且還需要較高的操作水平。本課題從降低工人工作強(qiáng)度，節(jié)約人力成本角度出發(fā)，研發(fā)一種草方格沙障鋪設(shè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)草料埋入沙地的整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化，人工參與程度少，草料埋入效率高。該裝置還依據(jù)沙漠地帶陽(yáng)光充沛，在車(chē)輛的兩端鋪設(shè)了一定長(zhǎng)度的太陽(yáng)能板，以利用其太陽(yáng)能作為動(dòng)力源。此外，以往的草方格鋪設(shè)一般是在鋪設(shè)后再澆少量的水，而本裝置提出在草料輸送機(jī)構(gòu)末端加上了幾個(gè)霧化噴頭，在鋪設(shè)初期就能潤(rùn)濕草料，減少草料因?yàn)檫^(guò)于干燥導(dǎo)致韌性過(guò)低而被切斷的可能。另外設(shè)計(jì)的履帶式行走機(jī)構(gòu)能夠大幅度地增加車(chē)輛在荒漠中的脫困能力，減小了作業(yè)車(chē)輛被困的尷尬情形，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。