沙漠沙柳濕法種植機

王 鵬， 權(quán)江坤， 胡 俊， 胡志剛， 陳君寶*

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442000)

在沙化地區(qū)，由于風(fēng)沙侵蝕等作用，對土地造成嚴(yán)重破壞，引發(fā)農(nóng)田減產(chǎn)、土壤貧瘠、土壤流失，對人們的生活生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。 隨著荒漠化防治工作的持續(xù)推進(jìn)，我國沙化土地面積不斷縮小、沙化速率不斷降低，但防風(fēng)治沙工作依然任重道遠(yuǎn)[1]。

沙柳生長迅速，枝葉茂密，根系龐大，固沙保土力強，利用價值高，是中國沙荒地區(qū)用于造林種植面積最大的樹種之一。 它的嫩枝、鮮葉可作為畜牧的飼料；枝條可用于框簍等的編織；樹皮可用于革材料的制?。粯淦?、根味苦性寒，具有較好的藥用價值，可綜合應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)[2]。 目前沙柳種植以人工種植為主，人工種植可分為濕法和干法兩種，濕法種植的成活率高達(dá)90%[3]，遠(yuǎn)高于干法種植。

本文設(shè)計的沙漠沙柳濕法種植機，其工作流程是參考人工種植的方法進(jìn)行種植，可完全代替人力在沙漠這種惡劣的環(huán)境中工作，具有較大的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

1 功能需求分析

沙漠沙柳濕法種植機的工作流程:沖水打洞→同步沙柳苗送入苗槽→沙柳苗落進(jìn)苗洞里→覆土并且進(jìn)行二次沖水。 為實現(xiàn)精準(zhǔn)高效的種植，需要確認(rèn)最終的功能需求:

(1)為保證沙柳苗的種植深度，需要保證苗洞的深度和直徑比在15～30 mm 左右。

(2)為保證沙柳苗能精準(zhǔn)地落入苗洞內(nèi)，需要保證落苗裝置落苗時和打洞裝置打的洞重合度在?10 mm 以內(nèi)。

(3)為保證落入苗洞的沙柳苗數(shù)量是固定的，需要確保從苗箱進(jìn)入落苗裝置的數(shù)量是恒定的。

(4)為保證沙柳苗的成活率，需要保證覆土是能將沙柳苗地下的部分完全覆蓋住，同時還要保證土壤的透水率。

2 沙漠沙柳濕法種植機設(shè)計

2.1 整體說明

沙漠沙柳濕法種植機整體結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2 所示。 動作流程及機構(gòu)選擇如圖3 所示。 設(shè)計采用簡單的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了柳苗的精準(zhǔn)種植，整機的制造成本較低。

圖1 沙漠沙柳濕法種植機俯視圖

圖2 沙漠沙柳濕法種植機三維圖(去除苗箱)

圖3 動作流程及機構(gòu)選擇

2.2 工作流程

種植機包括沖水打洞裝置、傳送裝置、落苗裝置和二次沖水裝置。 沖水裝置通過齒輪齒條傳動實現(xiàn)打洞，同時傳送裝置將沙柳苗輸送到落苗裝置上。沖水裝置將洞打好之后通過絲杠將沖水裝置移開露出種植坑，落苗裝置將沙柳苗送入種植坑中。 最后二次沖水裝置二次沖水并實現(xiàn)覆土功能，同時落苗裝置和沖水打洞裝置恢復(fù)原位，準(zhǔn)備進(jìn)行下次循環(huán)。其工作流程是參考人工種植的方法進(jìn)行，在保障了成活率的前提下還可以大大降低人工的勞動量，并且對原有土壤植被破壞率很低。

2.3 使用方法

種植機可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程化控制，設(shè)定好路線后即可實現(xiàn)自動化種植，當(dāng)機器檢測到苗箱沒有樹苗或水箱沒有水的時候，會自動到附近補給點進(jìn)行補充。如果所在沙漠含有溪水，將溪水通過水管接入水箱將能實現(xiàn)更大的種植覆蓋面積。

2.4 部件說明

人工濕法種植中因為無法控制打洞的深度而造成水的浪費，而且苗洞打的太深在一定程度上是沒有必要的。 經(jīng)過對比，放棄了鉆頭打洞水管下探注水的方案，確定了齒輪旋轉(zhuǎn)帶著和齒條裝配在一起的硬質(zhì)水管向下沖水的打洞方案。 沖水裝置機構(gòu)運動簡圖如圖4 所示，這樣既節(jié)約了時間還能精準(zhǔn)控制打孔深度節(jié)約水資源，沖水時水泵抽水加壓，水壓約為1.1 MPa，水泵通過軟管與硬質(zhì)水管相連，邊下壓打洞邊沖水，這樣在增加土壤透水率的同時也完成苗洞的成型。 當(dāng)硬質(zhì)水管下壓到一定深度時，觸動限位開關(guān)(如圖5 所示)，水泵停止抽水，同時齒輪反轉(zhuǎn)，硬質(zhì)水管上升，上升到初始位置后同樣會觸發(fā)限位開關(guān)，齒輪停止轉(zhuǎn)動，同時電機帶動絲杠將沖水打洞機構(gòu)移開，讓出落苗位。 沖水水管壓頭上裝有壓力傳感器，當(dāng)遇到硬物時，壓力傳感器檢測到壓力超過1.8 MPa 時齒輪齒條機構(gòu)就會停止，齒輪反轉(zhuǎn)將硬質(zhì)水管帶回，機器自動前行1.5 m 左右，此時位置成為新的種植位。

圖4 齒輪齒條機構(gòu)運動簡圖

圖5 沖水打洞裝置示意圖

齒輪的設(shè)計及受力分析的流程如下:

(1)確定傳動裝置的傳動比ia＝＝28.92。

(2)齒輪齒條傳動的設(shè)計計算

①選精度等級、材料及齒數(shù)

材料選擇:由表選小齒輪材料為40Cr 調(diào)質(zhì)處理，硬度范圍取為280 HBS，大齒輪材料為45＃鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度范圍取為240 HBS。 速度不高，故選用7 級精度。 選小齒輪齒數(shù)Z＝17。

②按齒面接觸疲勞強度設(shè)計

試算齒輪分度圓直徑d1t≥3齒條的彎曲強度極限σFE1＝380MPa；彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1＝1.1，KFN2＝1.2。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S ＝1.4，故 [σF]1＝392.86； [σF]2＝325.71。 計算得載荷系數(shù)K ＝2.22，查表計算得。 最終計算得；圓周速度vm＝0.25m/s；當(dāng)量齒輪的齒寬系數(shù)b ＝30mm；齒輪模數(shù)mt＝2.125mm；齒高h(yuǎn) ＝4.78；

③計算實際載荷系數(shù)

查表得使用系數(shù)KA＝1.25；動載系數(shù)KV＝1；KFβ＝1.25； KHa＝KFa＝1 由此，得到實際載荷系數(shù)KH＝KAKVKHaKFβ＝1.5625

④分度圓直徑為d1＝180mm，故模數(shù)m ＝2.25，所以模數(shù)m＝2

(3)按齒根彎曲強度校核

查得齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE1＝500 MPa；3.55 mm。

由于齒輪模數(shù)m 的大小主要決定彎曲強度，而齒面接觸疲勞強度主要取決于齒輪直徑。 可由彎曲強度算得的模數(shù)2.25 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m ＝2 mm，按接觸強度算得的分度圓直徑d ＝170 mm，算出齒輪齒數(shù)z1＝＝85

以上計算過程驗證了模數(shù)m ＝2，直徑d ＝170 mm的齒輪是符合強度要求的。

在沖水打洞裝置進(jìn)行沖水打動的同時傳送裝置將沙柳苗運輸?shù)铰涿缪b置上。 由于沙柳苗是長條狀，為了實現(xiàn)將苗精準(zhǔn)送入落苗槽采用特制同步帶傳動，同步帶上每隔一段距離就會有一個擋板，兩個擋板間的寬度約為1.2 倍苗的直徑，通過步進(jìn)電機驅(qū)動，這樣就能使苗能夠精準(zhǔn)且只有一根落入送苗機構(gòu)。 苗箱使用隔板式設(shè)計能夠最大量的容納沙柳苗。 苗箱與特制同步帶擋板頂端的間隙大約為1.2倍苗的直徑，這樣可以保證同步帶每兩個擋板上只有一根苗，苗箱下部為斜坡狀且裝有震動馬達(dá)，使其不易卡苗，如圖6 所示。 苗箱采用可拆卸設(shè)計，當(dāng)苗箱中沒有沙柳苗的時候，直接將裝好苗的苗箱更換上去即可。 苗箱和特制同步帶三維圖如圖7 所示。

圖6 苗箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 苗箱和特制同步帶三維圖

為了使細(xì)長沙柳苗能夠平穩(wěn)送入苗洞，選用了擺動導(dǎo)桿機構(gòu)(結(jié)構(gòu)簡圖如圖8 所示)。 滿足e ＝0，且LAC＜LAB。 擺動導(dǎo)桿機構(gòu)接住從傳送帶上落下來的沙柳苗，電機帶動導(dǎo)桿順時針轉(zhuǎn)動，導(dǎo)桿帶動滑塊沿著導(dǎo)軌移動，使苗槽旋轉(zhuǎn)至豎直，之后封口裝置打開讓苗落入至種植洞中，如圖9 所示。 速度分析如下:

圖8 擺動導(dǎo)桿機構(gòu)

圖9 擺動導(dǎo)桿機構(gòu)示意圖

沙漠沙柳濕法種植機采用四履帶驅(qū)動，既解決了沙漠車輪下陷的問題還擁有較好的機動性，如圖10 所示。 二次沖水裝置采用多出水口設(shè)計，出水口采用彎管設(shè)計，圓周分布于沖水裝置上，由水泵供水實現(xiàn)二次沖水，二次沖水的目的是將苗洞周圍的沙沖進(jìn)苗洞，實現(xiàn)掩埋的作用同時提高周圍土壤的透水率，可以有效地提高沙柳的成活率。 二次沖水結(jié)束后植樹機前進(jìn)至下個種植位進(jìn)行下次的種植工作。 二次沖水裝置結(jié)構(gòu)如圖11 所示，安裝于機器上的位置如圖10 所示。

圖10 沙漠沙柳濕法種植機仰視圖

3 主要受載零件的有限元分析

選取電機與搖桿連接的受力支撐架為分析零件，其材料為結(jié)構(gòu)鋼，零件主要受一個傾覆力矩，對其進(jìn)行理論加載，其應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料許用值，零件變形主要為上平面的扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)力變形圖如圖12所示。 為減小上平面變形，在內(nèi)側(cè)設(shè)計加強筋，對改進(jìn)后的零件進(jìn)行分析，應(yīng)力變形圖如圖13 所示。 根據(jù)分析得知，變形得到明顯改善并且應(yīng)力最大值有所減小，且符合材料需用應(yīng)力值。

圖12 變形放大2 000 倍的應(yīng)力變形圖

圖13 變形放大2 000 倍的應(yīng)力變形圖

4 結(jié)束語

設(shè)計的沙漠沙柳濕法種植機通過機械來實現(xiàn)人工濕法種植沙柳的過程。 還可利用移動通訊實時上報種植機的工作數(shù)據(jù)，方便未來集約化管理。 本產(chǎn)品可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，極大減少人工，只需一個人就可以監(jiān)控多臺機器運行，此機器平均種一個苗的時間為30 s，如果一個人同時監(jiān)管10 臺機器，就可以實現(xiàn)一小時覆蓋沙漠4 800 m2(株行距1.5 m×2.5 m)。