一种防风固沙植被培养机械的设计

陈翔 曹占龙 彭立军 龚青山 谭浩

摘要：为治理土地荒漠化，实现防风、固沙、植被培养功能，基于三维软件设计了一种防风固沙、植被种植培养机械装置。该装置主要由种子植入装置、配套种植机械等组成，经过各部分平稳、连续的作业，最终将培育好的幼苗及特制种子仓植入沙地中，幼苗在种子仓的保护下成长，达到治理土地荒漠化的效果。对本装置进行了总体电控系统设计，使用有限元软件对装置关键结构进行了分析和优化，根据最终优化结构制造了装置实物样机，并进行了试验和测试。结果表明，该装置能实现设计功能，种子植入装置能正常展开工作，配套种植机械可实现自动夹取、植入等动作，对治理土地荒漠化具有较高实用价值。

关键词：生态防护；防风；固沙；植被培养；有限元分析

中图分类号：S223 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.008

文章编号：1006-0316 （2024） 02-0046-07

The Design of a Windbreak and Sand Fixation Vegetation Cultivation Machine

CHEN Xiang¹，CAO Zhanlong²，PENG Lijun¹，GONG Qingshan²，TAN Hao³

（ 1. Science and Technology College， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442000， China; 2. College of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442000， China; 3. Digital Department， Dongfeng Commercial Vehicle Co.， Ltd.， Shiyan 442000， China ）

Abstract：In order to control land desertification and realize the functions of windbreak， sand fixation and vegetation cultivation， a mechanical device is designed based on three-dimensional software. The machine is mainly composed of seed implantation device， supporting planting machinery and other modules. After smooth and continuous operation of each module， the cultivated seedlings and special seed storehouse are finally implanted into the sandy land. The seedlings grow under the protection of the seed storehouse， which finally achieve the effect of controlling land desertification. The overall electronic control system of the device was designed， and the key structure of the device was analyzed and optimized by using finite element software. According to the final optimized structure， the physical prototype of the device was manufactured and experiments and tests were carried out. The results show that the device can realize the corresponding function， the seed implantation device can work normally， and the supporting planting machinery can implement automatic clamping， implantation and other actions. The designed machine has high practical application value for controlling land desertification.

Key words：ecological protection；wind-breaking；sand-fixing；vegetation cultivation；finite element analysis

隨着土地荒漠化侵蚀情况剧增，可用土地急剧减少，严重影响生活环境。工程固沙是目前国内外解决土地荒漠化最直接有效的方法^[1]。对于工程固沙，国内外多采用人工治理，效率低、工作环境恶劣，而机械化治理少有将防风固沙、植被培养同时结合的机械装置实例，更缺少与之相配套的投放机械。现今此类机械装置，如仰钧毅等^[2]设计的新型防风固沙植物种子喷播车，基本只专注于一种治理功能。在沙漠、荒漠较为恶劣的环境下，种子生长初期不受保护，种子喷播法治理种子成活率低。李卫卫等^[3]设计了一种多功能沙漠压沙种草机，通过在沙地中铺设草方格，并在埋入的秸秆附近进行播种，达到铺设草方格沙障和种草的目的。但单一铺设草方格治理效果不显著，草方格衰败周期短，不利长期治理，需定期铺设，治标不治本。李小东等^[4]提出，依靠人海战术、人工治理这一传统方式在荒漠化面前是力不从心的。为此，本文设计了一种种子植入装置，能在防风固沙的同时，保障装置内预设的原生植物生长的集成一体化装置，并且提出一种配套种植机械，使该装置实现机械化自动投放。

1 总体机械结构设计

1.1 总体结构

该防风固沙植被培养机械如图1所示，主要包含种子植入装置、配套种植机械、沙漠地形车。配套种植机械通过横向抓手机构，批量抓取种子植入装置实现机械化植入工作。考虑到装置工作环境较为恶劣，配套种植机械为模块化设计，以沙漠地形车为载体，所有控制采用PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）和单片机系统结合进行，以提高稳定性^[5]。整体机械尺寸为：总高度1520 mm，总宽度250 mm，最大长度1090 mm，最小长度650 mm。

模块化设计的配套种植机械可安装在多种类车型上。当安装在沙漠地形车上时，可直接开展工作，将创新设计的种子植入装置机械化植入沙壤。工作流程如图2所示。

按照工作要求和工况条件，采用的动力系统设计拆分每个功能，每个电机对应一个功能。出于试验安全考虑，五个电机均采用24 V直流电机，使用电源转换器将220 V交流电转换为24 V所需电压。算得参数如表1、表2所示。

1.2 种子植入装置结构

该装置的防风固沙设计，本质上是通过增大荒漠的表面粗糙程度，使风的流经过程受到阻碍，将空气中的机械能转为装置的机械能。通过机械能的转移，实现风速的降低，达到防风效果。为使种子植入装置实现钻入容易、安置后展开固沙，其工作时的运动情况如图3（a）所示。当种子植入装置上方的防风罩受到风力时，构件4向上移动，拟设为原动件，带动构件3绕转动副C做逆时针转动，构件2随之绕转动副A做顺时针转动。当构件3与构件2运动到互相垂直的位置时，蹼爪张到最大，处于预设死点，运动停止。此时构件3受到沙土较大的反作用力，使整个装置停止向上移动，较为牢靠地固定在沙地、土壤中。

对该机构进行自由度计算：

F＝3n－（2P_L＋P_H）                 （1）

式中：F为自由度；n为活动构件数量；P_L为低副数量；P_H为高副数量。

该机构共有：n＝3，P_L＝4，P_H＝0。

计算得：F＝1。

为增加稳定性，该机构设有虚约束。为提高装置在荒漠的耐用度、减少机械故障，该机构为低副机构。经过模拟分析，该装置能按照预设情况，实现确定的展开运动。

以上述机械原理进行建模设计，种子植入装置结构如图3（b）所示。改良的沙地钻头位于底部，通过配套种植机械的电机传输的扭矩，带动钻头旋转，将种子植入装置钻入沙地。保护罩起到保护蹼爪连接处脆弱部分的作用。含种子的种子仓随种子植入装置一起钻入土壤，种子仓采用可降解材料制成，分解后可成为种子的营养成分。仿生设计的蹼爪机构可增大在沙地、土壤中的受力面积。

1.3 配套种植机械的方案

配套种植机械上方设有上机架，能带动电机沿Z轴进给，并承受电机进行旋转的主运动。夹手和上机架同步沿Z轴移动，输出给种子植入装置一个向下钻入的轴力和扭矩，使种子植入装置钻入沙壤。其主要功能是实现水平夹取动作和植入动作。

如图4（a）所示，丝杠2在电机的作用下带动上机架在Z轴方向运动，与上机架通过螺柱连接的下机架也同步在Z轴方向运动。安装在下机架上的丝杠6在电机的作用下带动滚轮式机械夹手在X轴方向运动，进行夹取。

如图4（b）所示，上机架安装在对角分布的两对丝杠导轨机构上，实现Z轴方向进给，上机架上安装有钻头电机，为种子植入装置提供扭矩。安装在下机架上的丝杠机构提供同样安装在下机架上的滚轮式机械夹手沿X方向的进给，夹取等待的种子植入装置，移动到钻头电机下方等待植入。

相较于单丝杠进给设计，双丝杠进给设计可抵消进给时的扭转力，进而提高系统动刚度，轴向固有频率提升了38%^[6]。由于使用双丝杠进给机构，为提高两轴同步，避免因负载变化出现上机架歪斜，采用许向荣等^[7]提出的模糊自适应PID（Proportional-Integral-Derivative，比例－積分－微分）交叉耦合控制算法，有效减少进给机构系统的误差。

为实现植入功能，设计了一种能夹住旋转杆的滚轮式机械夹手^[8]。在夹手上设计了三层、十二个对心排布的滚轮，以滚动摩擦代替滑动摩擦，使夹手夹持种子植入装置时，还能保留种子植入装置旋转的自由度。

如何将配套种植机械电机的动力、扭矩传递到植入机构，并实现稳定的啮合和随时分离的要求，是本研究的重点之一。初期，根据汽车离合器设计原理，并结合预设工作要求，设计了两种方案的摩擦啮合盘结构，如图5所示。

方案1设计预采用平面接触方式，通过接触平面上设计的卡槽实现啮合，进行动力传递，并且可以随时啮合、脱离。方案2采用仿锥齿轮外形设计，下方的仿锥齿轮外形部件为上小下大设计，使在两部分还未接触时，上方部件就能覆盖下方部件。在两零件存在同轴度误差的情况下，夹取下方部件的夹手手臂处受力后可产生轻微弹性形变，使摩擦啮合盘的中心轴线可以微调，进而保证两部件的完整啮合。

摩擦啮合盘是关键传动部件，通过啮合起到传递扭矩和轴力的作用，校核并优化该部分极为重要。通过ANSYS对该部位进行真实工况的瞬态分析，进行强度校核，并基于1.4节数据选定两种设计方案中较优的一个。

1.4 摩擦啮合盘关键传动部位瞬态分析

设置运动副和摩擦，给上下设置为对地旋转，模拟电机工作，摩擦系数设置为0.15，施加载荷。对上侧施加0.185 N·m的扭矩及131 N的力，模拟电机传递的扭矩和机架施加的轴力；下侧施加360°的旋转及131 N的支反力，模拟种子植入装置工作时受到的沙土反作用力。结果如表3、图6所示。可以看出，方案2的最大应力比方案1降低约60%，方案2的最大应变比方案1降低约43%。方案2各项性能优于方案1，因此采用方案2为最终设计。

2 总体电控系统设计

控制方面选用了PLC控制，设计的自动控制系统硬件如图7所示。设计PLC的输入点数为8点，包括上下限位开关（3点）、前后限位开关（3点）、夹手位置检测（1点）、总开关控制（1点）；输出点数为7点，包括电机1（2点）、电机2（2点）、电机3（1点）、电机4（2点）。控制器选用FX3U-16MR/ES-A机型，该PLC I/O点分配为8输入、8输出，以满足本次机械装置控制的需要。

控制系统通过PLC实现信号检测及动作控制，自动装置控制系统流程^[9]，如图8所示，主要分为系统控制电机启动、停止、检测信号、循环运行等。其中，T＝3 s为留给光电传感器的检测时间，同时让系统拥有一定的安全裕度。

PLC主程序部分片段和控制系统实际接线如图9、图10所示。

3 实物样机制造及测试

按照上述设计，制作了总体装置实物样机，并进行实验，如图11所示。实验发现，配套种植机械工作时需要向种子植入装置传递较大的轴力，但钻头电机不能长时间承受轴力^[10]。为解决此问题，设计一种承受轴向力的结构，如图12所示。在摩擦啮合盘上、联轴器与电机支架之前，安装一对推力圆柱滚子轴承，由推力圆柱滚子与联轴器代替电机轴承受轴向力。改进后的设计不仅间接延长了电机使用寿命，同时也使电机传递的扭矩恢复正常。

对改进后的防风固沙植被培养机械实物样机进行实际测试，在1 m×1 m×1 m的模拟沙箱一侧每隔100 mm标上标记线，机械通电后，每隔50 s通过计时器和试验员的记录进行计算，模拟植入工作装置的时间－植入深度数据，并与计算机仿真进行对比。结果如图13所示。可以看出，实验结果与仿真误差不大，完全植入需245 s，相较仿真快12%，存在土壤情况等误差，实际植入效率比预计更高。

沙土表面風速是荒漠化的动力因素^[11]，经受2.7 m/s沙漠平均风速后，测量该装置与同等高度、面积的树苗及草方格的流经风速，进行对比试验，其中，每隔5 min测草方格的流经风速作为参考风速。得到图14。可以看出，刚安置的种子植入装置的防风效果最佳，刚植入的树苗容易被吹倒，效果最差。

测试结果证明，各结构设计满足工作需要，使该机械能较好地完成预设功能。种子植入装置能在自动控制的配套种植机械的工作下，批量植入土壤，在受到外力时，种子植入装置打开，进行防风固沙工作。

4 结论

在荒漠、沙漠地区采用单一的治理模式如防风、固沙、植被培养，效果不显著。宜利用垂直空间同时实现以上三种功能，并通过采用可降解材料、可回收装置的重复使用，及机械化铺设，实现成本降低。通过PLC控制电机，对空间上四根平行丝杠同时启动、停止，存在较大的不同步。经过试验，采用对角排布设计并将其中两根平行丝杠换成导轨，能降低丝杠运行时的不同步。另外，对双丝杠机构采用模糊PID交叉耦合控制，减小不同步误差。当存在同轴度误差时，需对两轴进行轴力和扭矩传递，设计的仿锥齿轮外形的摩擦啮合盘结构能实现动力传输且能快速啮合、瞬间分离，能较好地完成预设功能。

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