一種應(yīng)用生態(tài)固沙劑的沙漠種植機(jī)設(shè)計(jì)*

廖 滔，王 昕，肖 瑤，歐陽(yáng)青，劉錦梁，王紅軍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

0 引言

我國(guó)作為世界上受荒漠化影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，沙漠生態(tài)修復(fù)治理長(zhǎng)期以來(lái)都是國(guó)家最看重的一項(xiàng)工程。當(dāng)今治沙工程多以人工或機(jī)械化在沙地上鋪設(shè)草方格的方式進(jìn)行，但人工草方格種植耗時(shí)耗力、機(jī)械化草方格種植也存在著預(yù)處理成本大、設(shè)備笨重以及種植過(guò)程碾壓率高等問(wèn)題，成效并不理想。且同時(shí)播種的牧草和蓖麻等沙漠經(jīng)濟(jì)作物的種子，幼苗死亡率達(dá)30%～40%，某些作物甚至高達(dá)60%，需多次補(bǔ)種，效果欠佳。

隨著我國(guó)在固沙工程上的不斷研究與突破，2016年，中國(guó)石油大學(xué)開(kāi)發(fā)完成并成功應(yīng)用了一種新型生態(tài)固沙劑，標(biāo)志著我國(guó)在沙漠固沙技術(shù)領(lǐng)域有了新的突破?？祷莘业萚1]制備了一種新型高分子環(huán)保固沙劑，具有較強(qiáng)的保水性，抗風(fēng)蝕性、耐水蝕性和抗壓性，意味著固沙劑逐漸成為未來(lái)固沙工程的發(fā)展方向。在沙漠栽種治沙植被時(shí)，播種后向沙土表面噴灑一層生態(tài)固沙劑，噴灑的固沙劑裹挾沙面沙礫凝固形成一個(gè)固化膜層，當(dāng)有自然降水時(shí)，該固化膜層逐漸下滲增厚，并可長(zhǎng)時(shí)間維持，厚度最大可達(dá)3～5 cm，能有效地防止風(fēng)蝕，且起到吸濕和減少土壤水分蒸發(fā)的作用，最終實(shí)現(xiàn)固定、綠化沙丘，改善生態(tài)環(huán)境的目的。當(dāng)沙漠植物抵抗風(fēng)沙侵蝕順利發(fā)芽成活后，該固化膜層又可逐步溶于雨水回歸自然，無(wú)毒無(wú)害[2-4]。

目前國(guó)內(nèi)外并未在固沙劑與沙漠種植結(jié)合上取得較大突破。在國(guó)內(nèi)，李衛(wèi)衛(wèi)等[5]設(shè)計(jì)了一種沙漠壓沙種草機(jī)，利用種草輪插入沙面的阻力與復(fù)位彈簧開(kāi)合播種，但并未進(jìn)行覆沙、壓沙等步驟，使種子暴露在沙面；梁建平等[6]設(shè)計(jì)了一種固沙劑灌草種子噴播一體機(jī)，但采用風(fēng)中混合倉(cāng)的噴播方式，未能較好保證播種的均勻性。而且國(guó)外并未有集生態(tài)固沙機(jī)噴灑及固沙種子播種一體化的機(jī)械設(shè)備問(wèn)世。

綜合當(dāng)前世界對(duì)生態(tài)固沙劑與沙漠播種機(jī)的研究，本文提出了一種基于慧魚(yú)模型的集底盤(pán)、松沙機(jī)構(gòu)、播種機(jī)構(gòu)、開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、覆壓沙機(jī)構(gòu)、固沙劑噴灑機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)于一體的應(yīng)用生態(tài)固沙劑的沙漠種植機(jī)。

1 沙漠種植機(jī)整體方案設(shè)計(jì)與工作流程

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

該沙漠種植機(jī)主要由7大機(jī)構(gòu)組成，分別是底盤(pán)、松沙機(jī)構(gòu)、開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、播種機(jī)構(gòu)、覆壓沙機(jī)構(gòu)、固沙劑噴灑機(jī)構(gòu)以及升降機(jī)構(gòu)[7-13]。在這些機(jī)構(gòu)的集成作用下，該機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)松沙、開(kāi)溝、播種、覆沙、壓沙、噴灑生態(tài)固沙劑等功能，各個(gè)功能協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，全自動(dòng)完成應(yīng)用生態(tài)固沙劑的沙漠種植工作，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沙漠種植機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

1.2 工作流程

該沙漠種植機(jī)工作流程如圖2所示。工作人員啟動(dòng)沙漠種植機(jī)，機(jī)器通過(guò)超聲波傳感器先后對(duì)種子箱和固沙劑箱剩余量進(jìn)行一次檢測(cè)。若剩余量不足，種子箱和固沙劑箱對(duì)應(yīng)指示燈亮起，蜂鳴器響起提醒工作人員添加種子或固沙劑；若剩余量充足，則工作人員根據(jù)工作地沙漠化程度選擇固沙劑的噴灑模式（模式1及模式2），完成工作預(yù)處理。

圖2 工作流程

完成工作預(yù)處理后，松沙機(jī)構(gòu)下降開(kāi)始松沙工作，隨后升降機(jī)構(gòu)下降，帶動(dòng)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、覆壓沙機(jī)構(gòu)，壓沙裝置氣缸進(jìn)氣，使壓沙滾輪壓緊沙面。種植機(jī)前行，播種機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，通過(guò)凸輪運(yùn)動(dòng)推出種子，最后處于機(jī)器尾部的固沙劑噴灑機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，對(duì)已完成壓沙步驟的沙面進(jìn)行固沙劑噴灑，使沙面沙礫凝固形成固化膜層，便于種子生長(zhǎng)。

種植機(jī)工作期間持續(xù)對(duì)種子箱和固沙劑箱進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與反饋，當(dāng)種子箱內(nèi)種子或固沙劑箱內(nèi)固沙劑剩余量小于所設(shè)定值時(shí)，將提醒工作人員及時(shí)補(bǔ)充種子或固沙劑。當(dāng)人們通過(guò)顯示屏確定補(bǔ)充種子時(shí)，種子箱通過(guò)螺桿下降，便于工作人員補(bǔ)充種子。當(dāng)機(jī)器工作環(huán)境亮度低于所設(shè)定值時(shí)，照明燈亮起，保證夜間工作的安全性。如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互流程

2 主要機(jī)構(gòu)方案及工作原理分析

2.1 松沙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

松沙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，其功能是鋪平且松動(dòng)種植機(jī)前進(jìn)方向上的沙子，以達(dá)到優(yōu)化播種效果與降低對(duì)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、覆壓沙機(jī)構(gòu)的損傷。

圖4 松沙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

松沙機(jī)構(gòu)位于種植機(jī)最前端，設(shè)計(jì)行星輪系統(tǒng)，將行星輪作為松沙刀，對(duì)行進(jìn)方向上的沙面進(jìn)行松動(dòng)作業(yè)。該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，減速箱電機(jī)前進(jìn)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)與固定在環(huán)形內(nèi)齒圈上的轉(zhuǎn)動(dòng)副，將行星輪松沙刀頭部通過(guò)連桿壓入沙面，通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)太陽(yáng)輪，使行星輪松沙刀進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)其接觸到的沙面進(jìn)行松沙工作。當(dāng)結(jié)束工作時(shí)，減速箱電機(jī)向后運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)將行星輪松沙刀帶離沙面。行星輪系統(tǒng)及傳動(dòng)原理如圖5所示。

圖5 行星輪系統(tǒng)及傳動(dòng)原理

2.2 播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

播種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。其功能是利用復(fù)位彈簧、凸輪的遠(yuǎn)行程與近行程原理，恒速、衡量地進(jìn)行三行播種。為利用重力勢(shì)能與方便工作人員補(bǔ)充種子，將播種機(jī)構(gòu)的種子箱設(shè)計(jì)在微型升降平臺(tái)上。當(dāng)工作人員需補(bǔ)充種子時(shí)，種子箱通過(guò)螺桿運(yùn)動(dòng)下降，且此時(shí)種子箱蓋將通過(guò)連桿打開(kāi)，方便工作人員補(bǔ)充種子。

圖6 播種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

播種器將凸輪與滑塊相結(jié)合，利用凸輪的遠(yuǎn)行程與近行程原理，凸輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為ω，此時(shí)推板在復(fù)位彈簧的作用下以速度v做往返運(yùn)動(dòng)，即保證了恒速與恒量的需求。并且利用重力勢(shì)能，將推出的種子沿著三行與開(kāi)溝機(jī)構(gòu)相連接的管道下落，保證了播種的準(zhǔn)確性。播種器原理如圖7所示。

圖7 播種原理

2.3 開(kāi)溝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。其功能是在沙面刮開(kāi)連續(xù)的凹槽溝槽，為播種工作提供前提條件。

圖8 開(kāi)溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)溝機(jī)構(gòu)整體為避免因長(zhǎng)期在沙面以下工作導(dǎo)致受損嚴(yán)重，設(shè)計(jì)了懸掛式緩沖裝置；開(kāi)溝刀由主開(kāi)溝刀和仿生分沙器組成。當(dāng)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)遇到松沙機(jī)構(gòu)未能完全處理的硬質(zhì)沙塊或石頭時(shí)，懸掛式緩沖裝置會(huì)依靠彈簧的作用降低對(duì)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的損傷。

因藍(lán)鰓金槍魚(yú)具有很大的高速耐力，魚(yú)體呈紡錘形，近似于魚(yú)雷，前2/3基本為剛性。經(jīng)千萬(wàn)年演變，藍(lán)鰭金槍魚(yú)下顎形成了流線(xiàn)型曲線(xiàn)，在其快速前進(jìn)時(shí)，降低工作阻力且水流快速?gòu)膬蓚?cè)流開(kāi)，適合于開(kāi)溝機(jī)構(gòu)分沙器的應(yīng)用要求。因此保留藍(lán)鰭金槍魚(yú)下顎曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上，將原有仿生曲線(xiàn)重構(gòu)為三維曲面。分沙器仿生曲面受力分析如圖9所示。

圖9 分沙器曲面受力分析

2.4 覆壓沙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

覆壓沙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示。其功能是將已播好種子的溝槽回填且進(jìn)行鎮(zhèn)壓工作。

圖10 覆壓沙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

覆沙輪由成銳角的兩被動(dòng)滾動(dòng)輪組成，當(dāng)種植機(jī)前進(jìn)時(shí)，與沙面接觸的覆沙輪因摩擦力的作用而產(chǎn)生滾動(dòng)，因其成銳角而將溝槽兩側(cè)的散沙推回溝槽中，完成覆沙工作。

壓沙裝置由橫向仿形輪和帶彈簧式氣缸組成。當(dāng)升降平臺(tái)下降時(shí)，仿形輪并未接觸沙面，處于初始位。此時(shí)氣泵工作，使氣缸活塞桿推出，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副和連桿將仿形輪下壓，使其壓緊沙面，處于工作位。使用帶彈簧式氣缸作為壓緊源，即保證了對(duì)沙面的壓緊力一定，降低了仿形輪連接架受損的可能性，又當(dāng)結(jié)束工作時(shí)，氣缸因彈簧作用自然上升，且存在自鎖功能。覆壓沙原理如圖11所示。

圖11 覆壓沙原理

2.5 固沙劑噴灑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

固沙劑噴灑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖12所示。其功能是為已完成覆壓沙工作步驟的沙面噴灑固沙劑，使沙面形成固化膜層，保證種子的發(fā)芽率。

圖12 覆壓沙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固沙機(jī)噴灑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于蝸輪蝸桿的調(diào)節(jié)器，用根據(jù)工作地點(diǎn)的沙漠化程度來(lái)選擇不同的模式，以避免固沙劑的浪費(fèi)。并且利用霧化噴頭作為噴灑口，保證噴灑的均勻性。同時(shí)還設(shè)計(jì)了超聲波傳感器用以監(jiān)控固沙劑的剩余量，及時(shí)提醒工作人員添加固沙劑。兩種固沙劑噴灑模式參數(shù)如表1所示。

表1 固沙劑噴灑模式參數(shù)

2.6 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖13所示。其功能是將固定在升降平臺(tái)上的開(kāi)溝機(jī)構(gòu)以及覆壓沙機(jī)構(gòu)壓入沙面進(jìn)行工作。

圖13 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)通過(guò)4根螺桿連接，并且兩根螺桿之間使用鏈傳動(dòng)，中間部分使用鋁型材連接。升降平臺(tái)下安裝有開(kāi)溝機(jī)構(gòu)和覆壓沙機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)使用鏈傳動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確、無(wú)滑動(dòng)、效率高、結(jié)構(gòu)比較緊湊、能傳遞更大的功率。使用螺桿實(shí)現(xiàn)上升與下降，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確且能實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)的自鎖功能。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊

本沙漠種植機(jī)核心控制部件為3塊慧魚(yú)TXT控制器，并通過(guò)接觸屏幕控制。1塊用于控制小車(chē)的整體運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)控制器），2塊用于控制小車(chē)整體功能（工作控制器）。用戶(hù)可通過(guò)工作控制器顯示屏來(lái)選擇車(chē)子的播種模式，當(dāng)選擇好模式后，可通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)使種植機(jī)沿規(guī)定路線(xiàn)工作及停止。

3.2 程序設(shè)計(jì)總思路

本沙漠種植機(jī)的程序設(shè)計(jì)由工作總程序及運(yùn)動(dòng)總程序兩部分組成。工作總程序如圖14所示。該總程序圖由檢測(cè)種子是否足夠子程序、添加種子子程序、檢測(cè)溶液是否足夠子程序、添加溶液子程序、中間平臺(tái)下降子程序、開(kāi)始調(diào)節(jié)模式高子程序、后調(diào)節(jié)模式子程序、中間平臺(tái)上升子程序等組成。種植機(jī)的運(yùn)動(dòng)總程序如圖15所示。

圖14 工作總程序設(shè)計(jì)

圖15 運(yùn)動(dòng)總程序設(shè)計(jì)

3.3 松沙裝置模塊設(shè)計(jì)

松沙機(jī)構(gòu)升降是由兩個(gè)同步的減速箱電機(jī)通過(guò)并聯(lián)，連接到慧魚(yú)TXT控制器的M1端口，當(dāng)程序通過(guò)檢測(cè)部分后，兩個(gè)電機(jī)同步啟動(dòng)，并在1.5 s后到達(dá)指定位置并停止。行星輪通過(guò)一個(gè)連接O3的迷你電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，并運(yùn)行到程序結(jié)束。

3.4 播種裝置模塊設(shè)計(jì)

播種機(jī)構(gòu)由種子箱和播種器組成，種子箱上裝有超聲波測(cè)距儀與慧魚(yú)TXT控制器的IF1 L6連接，當(dāng)測(cè)距器測(cè)得的距離超過(guò)5 cm時(shí)，會(huì)觸發(fā)連接在EM1 O4上的警報(bào)燈和警報(bào)器，并且程序會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到添加種子子程序。工作控制器彈出“AD”和“RE”，按下AD后連接在EM1 M3上的電機(jī)會(huì)正轉(zhuǎn)300個(gè)脈沖距離，使種子箱向下移動(dòng)。當(dāng)裝好種子后，可按下RE，此時(shí)連接在EM1 M3上的電機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)300個(gè)脈沖距離，使種子箱回到原位，此時(shí)程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)子程序。如圖16所示。

圖16 播種裝置程序設(shè)計(jì)

3.5 壓沙裝置模塊設(shè)計(jì)

在壓沙裝置上，帶彈簧式的氣缸接有一個(gè)氣壓閥和氣泵，氣壓閥和氣泵分別連接在慧魚(yú)TXT控制器上的EM1 O1 O3上，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)下降到指定位置時(shí)，氣泵和氣壓閥同時(shí)被供電，使氣泵推桿前進(jìn)，仿形輪緊貼地面。當(dāng)按下ST時(shí)，氣壓閥和氣泵同時(shí)關(guān)閉，氣缸收縮，仿形輪歸位。

3.6 固沙劑噴灑裝置模塊設(shè)計(jì)

在裝有固沙劑的儲(chǔ)存箱上面有超聲波測(cè)距儀通過(guò)連接到慧魚(yú)TXT控制器的L1端口，當(dāng)超聲波測(cè)距儀測(cè)得的距離超過(guò)5 cm，連接在EM1 O4上的警報(bào)燈和蜂鳴器會(huì)開(kāi)始工作，且程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到添加溶液子程序，待添加完固沙劑后可按下AW，警報(bào)燈和蜂鳴器會(huì)停止工作且程序會(huì)繼續(xù)向下執(zhí)行。如圖17所示。

圖17 固沙劑剩余量檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

在慧魚(yú)TXT控制器上EM1 M3上接有一個(gè)電機(jī)，通過(guò)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)連接到調(diào)節(jié)器上，可以通過(guò)按下“HI”和“LO”來(lái)調(diào)節(jié)模式，當(dāng)按下HI時(shí)，電機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)到達(dá)功率較大的噴嘴，當(dāng)按下LO時(shí)，電機(jī)會(huì)正轉(zhuǎn)到功率較小的噴嘴，也可以按下ST來(lái)結(jié)束程序，此時(shí)噴嘴會(huì)歸位到原來(lái)的位置。如圖18所示。

圖18 固沙劑模式調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)

3.7 升降裝置模塊設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)同步的步進(jìn)電機(jī)分別接在了M3和M4上，當(dāng)松沙機(jī)構(gòu)下降到指定位置后，中間平臺(tái)會(huì)同步反轉(zhuǎn)，使工作平臺(tái)下降到工作位置，當(dāng)按下ST時(shí)，M3、M4電機(jī)會(huì)正轉(zhuǎn)，使工作平臺(tái)復(fù)位到原來(lái)的高度。如圖19所示。

圖19 升降裝置程序設(shè)計(jì)

4 整機(jī)實(shí)地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性與可行性，同時(shí)也為了更好地進(jìn)行測(cè)試，故對(duì)整機(jī)進(jìn)行了慧魚(yú)模型的組裝，完成了硬件系統(tǒng)的搭建。部分零件采用3D打印技術(shù)制作，實(shí)地測(cè)試如圖20所示。

圖20 實(shí)地測(cè)試

在實(shí)地測(cè)試中，主要考察指標(biāo)為開(kāi)溝深度以及每次播種的種子粒數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，開(kāi)溝深度應(yīng)處于25～35 mm之間，每次播種數(shù)量應(yīng)為10～15粒（以檸條種子為例）。實(shí)驗(yàn)設(shè)置種植機(jī)前進(jìn)速度為0.2 m/s，播種速度為1 r/s，令種植機(jī)工作前行10 m，按隨機(jī)取樣原則，利用米尺及鋼卷尺收集5組數(shù)據(jù)，開(kāi)溝深度數(shù)據(jù)記錄如表2所示，播種粒數(shù)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與開(kāi)溝深度以及播種粒數(shù)的性能指標(biāo)對(duì)比，開(kāi)溝深度及播種粒數(shù)均滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求，沙漠種植機(jī)主要性能達(dá)到設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)合理。

表2 開(kāi)溝深度數(shù)據(jù)

表3 播種粒數(shù)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將生態(tài)固沙劑與沙漠種植工程相結(jié)合，依照所需的功能要求，基于慧魚(yú)模型設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全的沙漠種植機(jī)。相比于傳統(tǒng)的草方格固沙方式，利用生態(tài)固沙劑進(jìn)行沙漠種植的方式具有社會(huì)效益性高、固沙能力強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展性好等特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中表明，本機(jī)器能實(shí)現(xiàn)新型沙漠種植的松沙、開(kāi)溝、播種、覆沙、壓沙以及噴灑固沙劑等步驟。本文整機(jī)的設(shè)計(jì)方案與各功能機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)組合具有創(chuàng)新性的意義，智能化、人機(jī)交互性的設(shè)計(jì)更符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主題，模塊化的編程程序可移植性強(qiáng)大，可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。因此，本沙漠種植機(jī)具有良好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。