梭梭苗自动化种植设备研发需求与核心零部件设计研究

葛占福 张保海

（武威职业学院，武威 733000）

防沙治沙既有利于改善生态环境、保护土地资源，又有利于促进生态和经济的可持续发展。梭梭树利用庞大的根茎系统，能够到达地下水层稳固土壤，起到防风固沙、改良土壤、改善小气候和维持生物多样性等生态作用，所以特别适合种植在荒漠、半荒漠地区[1]。目前，市场上适用于沙生梭梭树苗木种植的自动化机械设备较少，能够实际推广使用的设备更少，原因多为适用性较差，操作复杂，质量较大，或者为简易型设计，功能单一，根本无法解决问题，致使使用受限。因此，基于梭梭苗自动化种植需求设计了一种沙生苗木种植设备，对该设备的核心零部件结构及优势进行详细解读，旨在为经济发展和生态治理保护做出贡献。

1 梭梭苗自动化种植设备研发需求

1.1 梭梭苗种植要求

梭梭苗种植尽量采用深栽的方式，以保证根系充分伸展，使根系处于湿沙层[2]。要想根系生长进度大于湿沙层下降速度，必须保证栽植深度不得低于30 cm。挖坑时尽量保证湿沙层不被破坏，并将沙子中的杂物拣出。种植时先将苗木放入定植坑内，填入坑深1/3的湿沙。若有条件可浇水3～4 kg，然后再回填湿沙，边扶正梭梭苗边踏实，直到与地面沙面齐平，保证根系伸展[3]。最后，在最上层覆盖一层干沙，防止水分大量蒸发，保证梭梭苗的成活率。

1.2 沙生苗木种植设备研发注意事项

1.2.1 耐高温需求

沙漠极端干旱，地表裸露没有植被，全年降雨稀少，空气十分干燥。夏季炎热，白昼最高气温可达50 ℃以上。所以，对设备的耐高温运行和材料选择要求较高。

1.2.2 密封性需求

沙漠整体地势平坦，空气不稳定，遍布的沙、尘源分布极易形成沙尘气候，导致设备工况多为强风和沙尘，所以对设备的密封性和防尘要求较高。

1.2.3 动力性需求

一般机械设备质量较大，由于沙子结构松散易陷入沙子，在沙漠环境中行走、转向困难，要靠强大的动力驱动行走或转向。因此，转向机构等部件受力较大，对材质的要求较高。

2 梭梭苗种植设备设计分析

2.1 散热系统

设备在高温环境中工作，执行机构采用液压传动系统对系统中的传动液压系统、工作液压系统和发动机冷却系统进行热平衡，以保证设备不因过热而停机。对于梭梭苗种植设备，可以通过增大散热器散热面积、增大风扇转速和风量、加速泵体流速以及改进散热器内部结构等方法，实现发动机与各系统之间的热平衡。

2.2 进气系统

设备在大风和沙尘的恶劣环境中工作，对空气滤清器和机油滤清器提出了较高要求。针对发动机的进气系统，需要对进入发动机的进气部分增加过滤装置，升级空气滤清器，加装沙尘过滤装置、多级滤芯和自动排尘装置等。但是，过滤装置的增加会影响进气量，因此要增大进气口口径，消除进气口狭窄部位不合理的结构设计[4]。可采用光滑的壁道减小空气阻力，并做好各连接部位的密封设计，在保证流量的情况下降低进气阻力。

2.3 行走机构

高温过热风沙大是沙漠环境的主要特征，温度可达50 ℃，且地表温度更高。沙漠地表全部为颗粒均匀的沙粒，结构松散，受到外力时具有很强的流动性，故而车辆行驶阻力很大[5]。为保证设备能够正常行走作业，驱动功率至少应是正常路面驱动功率的5倍。

在转向机构设计方面，应该充分考虑扭矩问题。因为行走机构中的轮胎会陷入松散的沙子，无法轻松完成转向，所以需要较大的扭矩。在动力选择方面，应高于正常设备的设计需求，否则会因为扭矩转速的不足影响设备其他部分的匹配性能，进而影响整个设备的生产效率和正常运行。

2.4 液压装置

液压系统在正常工作时的油温一般在50 ℃左右，此时系统性能较稳定。如果外界温度继续攀升，油温也会随之升高，所以在沙漠高温环境中工作的种植设备应采取以下措施。

（1）保证液压系统元器件的外表面清洁，散热面积足够，散热方式合理，管理平行或交叉间距在10 mm以上。

（2）由于油温升高加剧了液压系统渗漏油的可能，对元器件的气密提出了更高的要求，要选用质量较好的管路接头或者尽量减少接头数。

（3）管路布置不易太长或折弯幅度过大，油管尽量粗而短。

（4）液压油应选用耐高温的高性能油品。

（5）做好液压油的过滤工作，勤换过滤器或定期检修和维护。

2.5 电气系统

2.5.1 解决高温致使电路元器件老化加速问题

沙漠白昼气温较高，紫外线强烈，风沙大，致使电气控制部分线路和元件容易老化、短路。所以，在元件选择上优先选用质量较好的耐高温、抗老化的元器件。

2.5.2 解决紫外线强光反射对设备操控员的影响问题

强烈的紫外线光照会产生刺眼的反光，容易造成操作员难以辨识仪表指数，所以应当选择防炫目的仪表盘。为了减低设计成本，可以在仪表盘面上贴反光膜或者操作员佩戴偏光眼镜。

2.5.3 解决高温加速电池老化的问题

虽然略高的温度有助于增加蓄电池容量，更易起动发动机，但是也会加速电池老化。温度越高，导电极板的酸腐蚀越快，电池寿命越短。所以，应该选择免维护、快速充放电以及更加耐高温的电瓶。

2.5.4 解决静电对设备电路的影响问题

沙漠中风沙与设备和元器件摩擦极易产生静电，静电引起的放射易引起电路的随机故障。关于静电的消除问题，在计算机存储系统高密度固态电路中尤其严重，所以需适当增加消除静电的措施和装置。

2.6 附属装置

2.6.1 安全、生活装置

在沙漠进行作业时，交通和行走不便，不论是燃油还是物资补给都比较困难。所以，在设备设计中要充分考虑增加一些附属装置，如工具箱、灭火器以及置物架等。

2.6.2 防止烫伤装置

考虑到操作员要与金属构件经常接触，而被曝晒的金属件容易烫伤操作员，需在常接触的地方包裹皮革、隔热材料等保护材料，防止烫伤操作员。

2.6.3 导航和求救装置

沙漠环境中植被较少，参照物较少。较频繁的风沙很容易埋没车辙，导致驾驶员极易迷失方向。沙漠多变的气候条件，可能瞬时起风致使设备操控员身陷危险环境。设计安装有求救装置，能实时发送求救信号和设备所在位置，以保证驾驶员的生命安全。

2.6.4 密封件和胶管

沙漠作业中的高温和风沙环境，对设备的密封性要求较高。一般设备的密封多选用橡胶密封件，所以在选择时针对压力要求较高的场合可以选用常用的氟化橡胶FKM-1F，对压力要求较低的场合可以选择硅橡胶VMQ-1C，但硅橡胶VMQ-1C机械强度较差。

3 梭梭苗种植核心部分设计实现

3.1 梭梭苗种植部分创新设计

图1和图2分别为梭梭苗种植核心部分中的种植端牵引部分和种植端闭合部分结构设计。

该结构设计各部分的功能与创新之处在于：

（1）插入结构采用棱锥形状，相比于圆锥形结构能够减小设备插入沙子的阻力；

（2）该部分简单轻便，便于携带，总质量为1.46 kg；

（3）设备结构简单，操作方便，不需要太多技术使用指导；

（4）设备采用全机械轻质金属材料构造，不易损坏；

（5）设备设计有专门的梭梭苗木投放窗口；

（6）苗木投放窗口还可以用来充当浇水窗口；

（7）在牵引板和闭合板上段安装限位板，方便牵引板和闭合板精准闭合。

设备插入沙层一定深度后，通过棱锥尖头排开沙子，不影响沙层结构。当将梭梭苗木投入窗口且苗木根部到达指定位置后，通过抽拉杆上提滑块。此时，根部沙子将随着滑铁的移出而迅速掩埋梭梭苗木根部，再上提种植设备并不会带出梭梭苗木，不会影响根部沙层结构，能保证梭梭根部湿度较大的沙子维持在原位，避免了传统种植方式挖出湿沙、填入干沙的弊病。

3.2 梭梭苗种植部分关键技术指标

第一，整体结构设计采用轻质材料，减轻了设备质量，总质量为1.46 kg。第二，插入结构采用棱锥结构，承受阻力较小。第三，插入结构高度设计充分考虑梭梭掩埋深度为25～30 cm，所以窗口下边沿到锥顶的竖直距离为30 cm。种植时，窗口下位也是技术达标位置。第四，设备有上下两层导向装置，上段为导向杆和握力杆相互嵌套通过滑动控制种植端的开合，闭合板在导向前后板的间隙中滑动不会脱轨，保证导向板和闭合板两块板的闭合性。第五，系统要通过动力装置和传动装置配合驱动进行工作。在实际制造过程中，可根据实际种植需求实现单个和多个种植端的引用，从而适用于不同的种植场合。

4 结语

设计针对沙漠化治理中存在的沙生苗木种植问题，结合实际调研情况，根据种植技术要求，因时因地进行研究和设计，希望通过自动化设备提高沙漠治理效能，实现生态治理。