我国草方格沙障铺设机械研发现状与展望

孔德荣， 孙步功， 张克平， 张 鹏， 祁 渊， 张 林

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

荒漠化现象是全球亟待解决的重要生态问题，干旱、风沙危害和水土流失的灾害致使农业生产效率低而不稳、农村经济发展缓慢、人民生活水平低下，对粮食安全、生态安全乃至生命安全造成了严重威胁。我国荒漠化防治工作相对于世界其他国家开展时间较早。1958年，中央政府在成立治沙领导小组并进行防治调查和监测工作后，动员和带领群众走上了防沙治沙之路[1]。同时积极开展国际合作，推广国内成熟的防治技术和经验，成为全球荒漠化治理的参与者、贡献者、引领者[2]。在60多年的荒漠化治理中我国取得了较为显著的成绩，推进科学防沙治沙工作成为全社会共识。减少裸露地表面积、减缓沙表风速、阻止流沙迁徙是防沙治沙的根本要求。草方格沙障因其对风沙流具有较好防阻作用而应用广泛。研究表明，风沙流过境时输沙率沿草方格布置的方向逐层降低，最初四层草方格单元可阻挡95%以上的来流沙粒，沙粒落入草方格沙障中就会沉积下来，从而为沙障内植被的生长提供了相对稳定的环境，促进了植物物种的入侵和生长[3]。传统草方格沙障铺设由人工完成，作业人员采用铁锨等工具将稻草等植物秸秆插入沙层，形成半隐蔽式沙障以起到降低或阻挡风沙流动的作用，如图1所示。但由于防治地区远离城市，交通条件差、环境恶劣，每人每天平均最多仅可铺设300 m2左右(以1 m×1 m草方格沙障为例)[4]，劳动强度大、铺设速度慢、沙障不均匀且质量不稳定。在此背景下，更多的人们意识到，采用机械化铺设草方格沙障，更具科学性和高效性，是我国荒漠化治理技术水平提升的关键所在，更是环境保护和生态建设趋向成熟、达到更高水平的必经之途。因此，对草方格沙障铺设机械研究进行基础性地梳理、辨析与反思十分必要。

图1 人工铺设草方格作业

1 草方格沙障铺设机械的研究现状

1.1 防风固沙草方格铺设机器人的研究

东北林业大学承担的国家“863”计划项目《防风固沙草方格铺设机器人研究》(课题编号2002AA 422170)，开启了草沙障铺设机械研发的先河[5]，为我国草沙障铺设机械研发提供了有力的理论支撑，具有奠基性作用。

陆怀民[6]等给出了该机器人的切线牵引力和行驶阻力的计算公式，赵志国[7]等建立了预测牵引力系数和牵引效率的理论模型，并指出提高机器人通过能力应采用大型宽断面超低压轮胎[8]。舒庆[9]分析了牵引车主要性能并编写了轮胎文件和路谱文件，并采用理论分析与模拟计算验证了机器人通过性。

潘海兵[10]在车辆振动系统研究的基础上分析了草方格铺设机器人各大主要振动来源及其影响，并以该机器人垂直方向的振动为研究重点，建立了6自由度振动力学模型以分析其振动特性，对后续研究提供了参考和借鉴。

刘永臣[11]等确定了草方格铺设机器人铺设轮系仿真优化设计与试验方案，杨博[12]等对机器人纵向铺设轮系在特定沙质条件下进行了试验研究，得出草的折断率与压入深度以及轮宽之间的关系，并在进行尺寸优化和有限元分析之后得出了最优设计方案，实现了牵引车与纵向铺设机构之间的动力匹配[13]。

李跃娟[14]基于动力学仿真分析，通过优化铺设机器人横向气动插草机构气缸的位置参数，得出了最终优化设计方案。姜雪松[15]对机器人纵向压草机构的液压系统进行仿真后，分析了沙地切入阻力冲击变化或软硬不同的沙地情况下对纵向压草深度变化及草破折率的影响情况。

孙术发[16-18]等应用计算机仿真技术成功设计出应用于草方格铺设机器人的非标准剪切机构，并通过对关键部位的速度及位移等参数的测定和动力性、受力变形方面模拟仿真后进行优化设计，在理论上确保了剪切机构的可行性和合理性。

刘晋浩、王宝昌[19-20]等设计完成了基于PLC的草方格铺设机器人的控制系统，实现对各种功能进行过程控制，对倒车雷达进行改造使其与PLC兼容，使机器人能自动测距并实时调整横向随动机构高度。庞博[21]提出了防风固沙机器人整体的控制方案，研制了基于嵌入式单片机的高度模糊控制器从而控制横向机构距地面的高度，并设计给出了一种基于电液伺服控制草方格纵向插草系统的自动控制方案。

1.2 大型草方格铺设固沙车的研发

2010年，北京林业大学在防风固沙草方格铺设机器人研究成果的基础上进行整机技术优化，提出功能更加完善的多功能立体固沙车[22]。刘晋浩[23]等发明了一种将工程治沙与生物治沙结合的多功能立体固沙车，以此来实现对沙漠化地区的综合治理；一种固沙车底盘副车架，以改善固沙车主车架的承载情况，避免了集中载荷的产生[24]；一种用于固沙车的多功能车身，以此提高固沙车空间利用率、增加载草量，实现简单高效、大面积植草的功能[25]；一种间歇式固沙机横向插草机构，理论上解决了固沙车行进过程中横向铺设草沙障的问题[26]；一种多间距自适应滚压式沙障铺设装置，以此实现在复杂沙地情况下路面自适应、多间距可调铺设的功能[27]；一种对地表破坏小、可进行大面积高效治理的牵引式单节助力行走固沙机，以此实现对沙漠化地区流动沙丘的固定和综合治理[28]。

唐伟国[29]等将六连杆机构应用在立体固沙车横向插草系统中，建立了横向插刀机构模型，并以此为研究对象进行仿真，直观地描述了该机构的运动规律并为其动力学设计提供了依据。隋婷婷[30]等对步进式横向插刀机构进行分析后认为，步进式插刀机构具有良好的作业效率与精度，能够满足铺设草方格的作业要求。易跃[31]等针对沙土-草带-刀盘构成的复杂系统问题，基于离散元法建立了其数值模型，定性分析了插草阻力与刀盘运动速度间的关系，为立体固沙车合理工作参数的选取提供了可靠的理论依据。

雷凯龙[32]等设计的固沙车工作原理是利用草料装载模块将散草装载好后由输送模块持续输出，再由作业装置压入草料形成草方格以实现防风固沙目的。赵增耀[33]等针对固沙车插草机构液压回路中液压缸运动速度快、换向频率高、负载变化剧烈、系统冲击振动大的现象，搭建了基于AMESim模型仿真的液压回路，为固沙车液压回路中相关液压元件选型设计及优化匹配提供了参考。

2014年，甘肃建投联合北京林业大学共同研制的世界首台LGSV-200型多功能立体固沙车，如图2所示，在腾格里沙漠中通过了样机试验，正式引领了机械化治沙的革命[34]。甘肃建投通过技术改进研制了第二代产品GSDQ750-132L单项牵引式固沙机，如图3所示，该设备每小时可铺设8.5亩草方格，每天可铺设草方格约50亩，效率可达到人工治沙的50～80倍[35]，大幅节省了人力、减少了人工成本、提高了草方格铺设的效率。

图2 LGSV-200型多功能立体固沙车

图3 GSDQ750-132L单项牵引式固沙机

王述洋[36]等发明了一种既能完成连续纵向多行草方格沙障铺设又可完成按一定间距横向草沙障的全自动铺设栽植联合机，佘永卫[37]等发明了一种可在坡度小于25°的坡面上完成作业的悬挂式散长草草方格固沙机，牛向辉[38]等开发出一种可在大范围沙漠作业的新型沙漠固沙网格铺设机，洪晶[39]发明了一种可实现自动化作业的机械式麦草方格机，张吉树[40]等发明了一种沙障铺设机，柳军[41]等提供了一种简单高效的草方格种植机械，张彪[42]等发明了一种牵引式草卷草方格铺设机，韩琪[43]等发明了一种可铺设菱形草方格的铺草机，李妍[44]发明了一种自动化生态修复用草方格辅助成型机。上述草沙障铺设机械工作时，都需要与外接的牵引设备配合使用。

1.3 小型草沙障铺设机械的研发

近几年来，针对大型机械化铺设机器体型笨重、造价昂贵、无法适应复杂环境等问题，实用型、小型草沙障铺设机械成为更多科研工作者的研究重点。张永红[45]等针对轮式固沙车牵引附着性能较差的问题发明了一种沙漠履带式固沙机。高怀智[46]等发明了一种采用手扶式拖拉机驱动并安装带有几个缺口的圆盘型轮刀的轮刀式治沙草方格机。周永升[47]设计了一种单行固沙麦秆铺设装置，可以连续完成一行固沙麦秸的铺设作业。栾飞等发明了一种草方格治沙机[48]、一种草方格治沙用辅助设备[49]，整体结构简单、制造成本较低、适应性较强。常同立[50]等发明了一种基于PLC控制器、太阳能供电的无人驾驶式防风固沙草方格铺设机。陶志豪[51]等发明了一种可实现自动铺设功能的较小型红外遥控草方格铺设车。李伟[52]等发明了一种结构简单、便于沙漠地带运输的全自动便携式草方格铺种装置。白国动[53]针对人工铺设草方格易倒伏的问题发明了一种具有侧固功能的草方格沙障种植装置。张伟刚[54]等发明了一种避免压倒已铺设草方格的履带式草方格生成车。王良[55]等发明了一种可替换不同种轧刀的草方格沙障全自动铺设装置。

由甘肃省治沙研究所研发的A型202001-300手扶式沙障机，如图4所示，已投入八步沙林场治沙使用。该装置操作简单，可大大提高麦草沙障的铺设速度、减轻劳动强度，具有灵活高效、机动性强、价格低廉等特点，产品可推广面广[56]。在民勤县沙漠地带对该设备进行的沙丘坡度通过性测试和移动风洞测试表明，该设备可在33°以下迎风坡沙丘上作业，草方格沙障在风洞达到8级风力时质量依然稳定。

图4 A型202001-300手扶式沙障机

小型草沙障铺设机械工作过程中需要人工提前辅助划线铺草，为将麦草铺设与压沙耦合一体化，徐先英[57]等发明了一种适用于在不同地形条件下各种面积大小沙丘完成草方格沙障铺设的微型铺草压沙一体机。程稳[58]等发明了一种带有铺平组件和筛选较短较碎劣质麦草功能的防风固沙草方格铺设机。常桥墩[59]结合草方格作业模式，研究设计了一款以散长草为原材料、地轮作为驱动力并一次性完成取草、输送、栽插和镇压的小型草方格固沙机，并对草方格固沙机的关键部件进行了取草均匀性和连续性试验以及压草盘压草效果的性能试验。朱英杰[60]等发明了一种可防止麦草在出料通道内发生堵塞和卡顿现象的新型草方格治沙机。

2 草方格沙障铺设机械研发存在的主要问题

近年来，一大批草方格沙障铺设机械相继问世，部分也已进入样机测试阶段，并且在不断实验和改进中取得了较好的成绩，但距应用推广仍有较长的路要走。

2.1 理论成果丰富，实际应用较少

科研院所是草方格沙障铺设机械研发的主力军，但国内对草沙障铺设机械的研发组织相比于其他机械仍然零散单薄、研发后续人才难以补充，同时缺乏持续资金的支撑等问题使得研发多止于理论和专利成果，科技成果转化较慢。另一方面，大部分研发团队还未开始真正关注草沙障铺设机械的实际使用情况，特别是草方格沙障铺设机械与沙漠复杂地形地貌环境之间的复杂交互情况，致使装备研发与实践脱节、投入使用的机械效用不佳、推广应用程度低等诸多问题，绝大多数草方格沙障铺设工作仍由人工完成。

2.2 现有机械适应性较弱，产品推广较难

草方格铺设机器人可在坡度最大达20°的沙漠地区以30 km/h的最高行驶速度、1.5 km/h的作业速度铺设草方格沙障，每小时铺设1 m×1 m草方格5 706 m2，除在启动初期有较大振动外，在行驶和工作中有较好的通过性和平顺性[61]。但机器人全长达15.52 m，最小转弯半径也达到了9.5 m，在铺设过程中需要反复调整机器人与草方格之间的距离，对铺设效率具有一定影响。该机器人适用于大面积平原式沙漠地带铺设作业。

大型固沙车在铺设效率上高于人工铺设和小型铺设机，铺设质量也得到一定保证，但是由于沙区风沙活动频繁、地形高低落差大、破碎化程度高、面积大小不一等复杂的地形条件使其作业范围受到限制。以甘肃建投新能源科技股份有限公司研制的GSDQ750-132L单项牵引式固沙机为例，该设备在草沙障铺设工作时使用的是草帘子，需要采用草帘编织机对散草进行编制预制成草帘，且在完成一道草沙障铺设工作后需要停车人工剪断草帘，工序较为复杂、既不方便又增加了治沙成本；在大规模项目作业时，草帘供给速度慢于作业速度，工作效率受到一定的影响[62]；其庞大的体型使得转弯半径大，在调整草沙障铺设路径时耗费大量时间；在沙丘之间的沟底或沙丘坡度大于20°等较为复杂的沙地环境中难以施展身手，固沙车在通过时轮胎陷入沙中出现刨沙现象，使其爬坡和作业能力受到限制，且设备在两山丘间的沙沟里作业时，由于沟底形成的空隙，固沙车只能以缓慢速度通过，铺设质量也有所下降；大型固沙车昂贵的价格也限制了其推广应用。

小型草方格沙障铺设机械在一定程度上提高了铺设效率但仍然较低，其功能较为单一。以甘肃省治沙研究所设计的A型202001-300手扶式沙障机为例，该装置解决了人工铁锨压草劳动强度大、稻草压入深度不稳定的问题，但设备在工作前还存在人工划线确定草方格铺设间距和划线后人工铺放稻草的环节，人工铺草速度慢使得设备作业效率受到制约；虽然小巧的体型优势使其在作业时更加灵活，但因沙子流动性较大，所采用的汽车轮胎在较大坡度沙地工作时设备刨沙导致行进受阻，设备的效率依然较低；尽管设备可操作性较高，但由于操作人员行走操作才能维持设备行进工作，人力消耗依然很大，机械化程度较低且设备在运输时极不方便。三种草方格沙障铺设机械对比表见表1。

表1 三种草方格沙障铺设机械对比表

目前大多数草方格铺设机械不能一次性完成铺设稻草方格，只能铺设纵向的干草，在铺设横向的草沙障时需要转变方向，不仅费时费力，而且行驶过程中会对已经铺设好的草沙障造成破坏，导致草方格沙障不稳固、防风固沙效果不强，恢复沙漠生态系统的效果较差。部分草方格沙障铺设机所设计的取草器为传送带或链传动，取草装置在抓取散长草过程中容易出现散长草缠绕在传动轮或链条上而导致机器卡死无法工作的现象。

3 草沙障铺设机的发展趋势

3.1 注重实用功能的集成，加快科技成果转化

越来越多的研究人员已经深入调研沙漠实际情况，也更加注重与林业主管部门及治沙一线工作者之间的沟通合作。未来，将结合沙漠地形复杂、质地松软、机械行走困难等影响因素，着重突破现有铺设机械存在的技术问题，研发出更多经济又实用的草沙障铺设机械。草沙障铺设机械将也将会朝着功能集成化方向发展，在完成草方格取草、输送、栽插和镇压铺设沙障的同时向裸沙地播撒先锋草本植物的种子，加速其向稳定灌木群落的演替进程，为开展大苗深植等造林工作起到整体的铺垫作用。随着国家对科学防沙治沙、生态安全建设和沙区乡村振兴的重视，对沙产业的政策鼓励和资金支持持续加大，产学研深度融合发展，科技成果转化速度也将持续加快。

3.2 实现数字化、智能化铺设

不同沙漠地区所采用的草方格铺设规格不同，这就要求铺设装备能够实现在不同环境条件下铺设出大小适合的草方格。在草方格沙障铺设机械的研发应用中，设计者已经应用了如PLC控制技术、光电传感器、超声波探测器、测距雷达等的数字化、智能化设备。为了实现不同沙漠微地形环境中更高效率的草方格智能铺设作业，未来数字化技术、物联网技术、智能化技术将会在草方格沙障铺设机械装备的精细化研发中得到更多应用。通过使用射频识别、传感器、视频监控、全球定位系统等信息采集设备对数据进行收集、聚合、分析与应用，催生出更多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的草沙障铺设装备，以达到智能化识别、定位、跟踪和管理的目的，草沙障铺设的质量和效率也将会大大提升。

4 结束语

在60多年的荒漠化治理中我国取得了较为显著的成绩，但存在机械化程度布设不高、发展水平低等问题，推进科学防沙治沙工作成为全社会共识。机械化铺设草方格在降低人工劳动强度、提高铺设质量和效率等方面发挥着重要作用，是我国荒漠化治理水平提升的必经之途。通过对现有研究的梳理与反思，提出了草方格沙障铺设机械存在的问题和解决办法。将来，基于数字化、智能化技术设计研发出适应沙漠复杂地形条件下作业的草方格固沙车，对于防风固沙、建设生态安全屏障、保障经济社会发展、实现沙区乡村振兴均具有重要的意义和作用。