自動巡航草方格固沙機結構設計分析及試驗

王紅軍,廖 滔,張嘉謀,林子鈞,尤德安,彭志鋒

(華南農業大學 a.工程學院;b.電子工程學院(人工智能學院),廣州 510642)

0 引言

我國是世界上荒漠化最嚴重的國家之一,全國沙化土地面積約占國土的27%,除上海、臺灣及香港和澳門特別行政區沒有荒漠化土地外,其余地區均有分布,且主要分布在青海、新疆、內蒙古、西藏、甘肅、陜西、寧夏、河北八省(自治區)。據統計數據顯示,我國每年因荒漠化造成的經濟損失高達640多億元(截至2020年),而種植草方格是目前最有效的防風固沙方法之一。草方格種植即將廢棄麥草呈方格狀鋪在沙上,再用鐵鍬軋進沙中,留麥草的1/3自然堅立在四邊,再將方格中心的沙子撥向四周麥草根部,使麥草牢牢地堅立在沙地上。相比于人工種植草方格,研發一種草方格固沙機,采用機械化種植草方格的效率與經濟性將大大提高。

近年來,防風固沙領域發展迅速,草方格固沙機作為防風固沙的主力之一,國內已進行眾多研究與研發。在國內,由北京林業大學、東北林業大學承擔的國家863計劃“防風固沙草方格鋪設機器人”項目開啟了固沙造林機械研發的先河。李躍娟等人對草方格鋪設機器人的橫向插草機構進行了動力學仿真分析[1],楊博等人確定了草方格鋪設機器人縱向鋪設輪的最優設計方案[2],李玉印等人研究與設計了草方格鋪設機構。上述研究雖然在理論上獲得了大量成果,但因研發與實踐脫節,草方格機器人并未在防沙治沙實踐中得到有效的推廣應用[3]。而國外所應用的草方格固沙機多為國內引進,中國的草方格固沙機也被國外稱為“中國魔方”。目前,國外并未在草方格固沙機的研究方面有重大突破,也并未有能適應多種沙地類型與功能完備的草方格固沙機問世。

綜合國內外對草方格固沙機的研究,筆者提出了一種集底盤、開溝機構、草箱機構、插草機構、覆壓沙機構、播種及灑水機構及升降機構與一體的多功能自動巡航草方格固沙機。

1 整機結構設計與工作流程

目前,仍有不少地區的草方格鋪設利用人工作業完成,作業時需兩人共同工作,經過擺放、軋草、撥沙、壓沙等步驟,先縱向后橫向,形成1m×1m的沙障?，F有的草方格固沙機將人工草方格鋪設方式通過機械實現,相比于人工作業大大提升了作業效率與穩定性,降低了勞動力消耗;但鋪設過程多采用已扎好的草皮進行鋪設,且按照人工作業方式先進行完縱向鋪設再進行橫向鋪設。橫向鋪設時對已鋪設的麥草碾壓率高,破壞性強,整體而言經濟效益提升不大。人工鋪設作業如圖1所示。

1.1 “T+一”式草方格創新鋪設方式

草方格鋪設方式創新性設計為“T+一”式鋪設,具體方法為:當固沙車走第1條直線時,縱橫向同時進行種草工作;當固沙車轉彎走第2條直線時,僅進行橫向插草工作,持續“T”式與“一”式種草方式交替進行,完成草方格種植[4]。本鋪設方式每次直線行走只會單側輪子對橫向草沙障造成碾壓,而縱橫向分開鋪設的傳統鋪設方式會使兩側輪子都碾壓到草沙障?！癟+一”式鋪設方式在鋪設效率幾乎相同的情況下,有效降低了對沙障的碾壓率,大大提升了草方格鋪設的經濟效益?！癟+一”式鋪設方式如圖2所示。

圖1 人工鋪設現場Fig.1 Manual laying site

圖2 “T+一”式鋪設方式Fig.2"T + 一" type laying method

1.2 整體方案設計

自動巡航草方格固沙機主要由7部分組成,分別為開溝機構、草箱機構、插草機構、覆壓沙機構、播種及灑水機構、升降機構及底盤,如圖3所示[5-14]。

1.開溝機構 2.草箱機構 3.升降機構 4.覆壓沙機構 5.播種及灑水機構 6.插草機構 7.底盤圖3 自動巡航草方格固沙機整體方案設計Fig.3 Overall scheme design of automatic cruise grass square sand fixing machine

在這些機構的集成作用下,設備可以實現縱向鋪草開溝、縱橫向草料輸送、縱橫向扎草、縱橫向覆土壓沙、播種、灑水的動作,各個功能協調運作,自動巡航且全自動完成草方格鋪設全工作過程。

1.3 工作流程

自動巡航草方格固沙機工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖Fig.4 Work flow chart

開始工作前,先在兩草箱放入較整齊的散草,種子箱放種子,水箱中補水。啟動機器后,升降機構平臺下降,使縱向插草機構與縱向覆壓沙機構下降,且帶動繞線輪轉動,通過滑輪組與鋼繩使縱向開溝機構向下傾斜,插入沙面進行開槽,從而實現縱向開溝機構、縱向插草機構、縱向覆壓沙機構聯動。

當固沙機以“T”式鋪草時,連接減速箱的電機正轉,通過減速箱與同步帶同時驅動兩個草箱機構中的推草板、滾筒。此時,縱橫向同時鋪設沙障,即橫向草箱通過連桿機構間歇式推草,橫向插刀間歇式插草,橫向覆壓沙機構工作,使沙障更加牢固;縱向草箱通過滾筒持續送草,縱向鋪設輪持續滾動進行插草,縱向覆壓沙機構工作。

當固沙機以“一”式鋪草時,電機反轉,減速箱齒輪組與單向軸承的組合設計實現輸入軸換向而一個輸出軸轉向恒定,另一個輸出軸不轉,從而實現以“一”式鋪設草方格時橫向繼續插草,而縱向停止插草。

鋪設草方格時同時,通過播種及灑水機構進行播種與灑水工作。

2 主要機構方案及工作原理分析

2.1 開溝機構設計

開溝器結構如圖5所示。開溝機構設置于縱向草箱下方,通過繞線輪與鋼絲繩和升降機構共用一個動力源。當升降機構下降時,鋼絲繩拉緊,使開溝器向下傾斜插入沙面,為縱向沙障鋪設刮開溝槽;當升降機構上升時,鋼絲繩松開,開溝機構通過拉簧的作為歸位。開溝機構整個工作過程無需額外動力源,通過設計聯動機構實現共同運動。

8.連接型材 9.開溝器 10.法蘭聯軸器 11.軸承座 12.拉簧圖5 開溝機構結構設計Fig.5 Structural design of the trench opening mechanism

2.2 草箱機構設計

草箱機構結構設計如圖6所示。其功能是:當控制電機正轉時,同時為縱向和橫向沙障鋪設提供草料,即為“T”式種草提供草料;當控制電機反轉時,僅為橫向沙障鋪設提供草料,即為“一”式種草提供草料。

13.減速箱 14.橫向推草板 15.連桿機構 16.橫向草箱 17.縱向草箱 18.縱向滾草筒圖6 草箱機構結構設計Fig.6 Design of trunk mechanism

該機構縱向草箱通過滾筒轉動,使草箱內草料被連續送出;橫向草箱通過具急回特性的推草板上的釘子,把草箱內的草料間歇性推出。

縱向推草的滾筒與橫向具有急回特性的多連桿推草機構配合使用自主設計的減速箱,共用1個電機驅動,控制簡單,節省動力源。減速箱中,將齒輪組與單向軸承組合設計,實現輸入軸換向時一輸出軸轉向恒定、另一輸出軸停止轉動。當電機正轉時,通過齒輪傳動、同步帶傳動,同時驅動滾筒和推草板運動;當電機反轉時,滾筒不轉,推草板維持原來運動狀態,符合“T+一”式草方格鋪設工作模式。草箱機構結構簡圖如圖7所示。

2.3 插草機構設計

插草機構結構設計如圖8所示。其功能是:將草箱機構所提供的草料插進沙面,完成縱向與橫向沙障的鋪設。

圖7 草箱機構結構簡圖Fig.7 Structural structure of trunk mechanism

19.超聲波傳感器 20.縱向插草刀 21.橫向插草刀圖8 草插草機構結構設計Fig.8 Structural design of the intubation mechanism

插草機構由縱向插草機構與橫向插草機構組成?？v向插草機構采用鋪設輪持續壓入沙中進行插草,所設計鋪設輪可繞軸做旋轉運動(可在沙地滾動),便于鋪設輪持續不斷地進行插草。同時,安裝超聲波傳感器,檢測并反饋沙面到車底距離,通過升降平臺實時調整縱向插草深度。其中,縱向插草刀下陷深度計算公式為

(1)

式中n—深陷指數;

k—沙地特性指數(N/cm3);

D—縱向插草刀直徑(m);

b—縱向插草刀寬度(m);

G—縱向插草刀載荷(N);

Z0—下陷深度(m)。

由式(1)可知,縱向插草刀下陷深度Z0由縱向插草刀載荷G、縱向插草刀直徑D、縱向插草刀寬度b決定,深陷指數n、沙地特性指數k、縱向插草刀直徑D、縱向插草刀寬度b影響縱向插草刀所受的摩擦力。試驗中,在滿足結構強度的前提下,縱向插草刀設計為直徑D=600mm、厚度b=4mm的金屬圓盤。

橫向插草機構將舵機與氣缸結合,使插草刀走近似擺線路徑,大大降低橫向插草時的阻力問題。橫向插草機構運動示意圖如圖9所示。

圖9 橫向插草機構運動示意圖Fig.9 Schematic diagram of the lateral intubation mechanism movement

2.4 覆壓沙機構設計

覆壓沙機構結構設計如圖10所示。其功能是:將已插入沙面的麥草兩側的沙子撥向麥草的根部,再將其壓緊,使麥草牢牢地堅立在沙地上,使草方格沙障更牢固,不易被風吹散。

22.縱向覆沙手掌 23.縱向壓沙滾輪 24.懸掛彈簧 25.機械限位裝置 26.橫向覆沙刀 27.橫向壓沙滾輪圖10 覆壓沙機構結構設計Fig.10 Structural design of the sand covering mechanism

覆壓沙機構由覆沙與壓沙種功能結構組成。其中,縱向采用仿生手掌覆沙及雙側壓沙滾輪實現,并可以根據縱向草沙障的寬度調整覆沙仿生手掌的角度及兩側壓沙輪的間距,以適應不同寬度的草沙障,在不破壞草沙障的前提下達較好的覆沙效果。橫向覆壓沙機構因需頻繁進行往復的上下運動,且插覆沙刀插入沙面存在沖擊力,故使用氣缸驅動覆沙刀及懸掛式壓沙滾輪上下運動,結合機械限位裝置實現三位置運動,完成橫向覆壓沙。三位置運動示意圖如圖11所示。

圖11 橫向覆壓沙機構三位置運動示意圖Fig.11 Schematic diagram of the three-position motion of the lateral sand covering mechanism

2.5 升降機構設計

升降機構結構設計如圖12所示。其功能是:將縱向插草機構、縱向覆壓沙機構壓入沙面,并使開溝機構向下傾斜插入沙面,為縱向沙障鋪設進行準備工作。

28.蝸輪蝸桿組合 29.繞線輪 30.鏈輪鏈條組合 31.升降平臺 32.直線導軌圖12 升降機構結構設計Fig.12 Structural design of the lifting mechanism

升降機構通過兩個連接件將升降平臺與直線導軌連接,再利用直板鏈條接頭將其中一個連接件與鏈條連接。升降平臺下安裝有縱向插草機構、縱向覆壓沙機構,當鏈輪轉動時,鏈條其中一邊上升(下降),升降平臺也隨之上升(下降),隨之帶動縱向插草機構與縱向覆壓沙機構上升(下降);同時帶動繞線輪轉動,鋼絲繩拉緊,使開溝器向下傾斜插入沙面,且通過超聲波傳感器測量固沙機底部相對沙面的距離,實時調整升降平臺的高度,控制縱向插草機構與縱向覆壓沙機構壓入沙面的深度,保證縱向插草深度大致不變。升降機構機構簡圖如圖13所示。

圖13 升降機構結構設計Fig.13 General drawing of lifting mechanism(Including pulley group of opening mechanism)

2.6 播種及灑水機構

播種及灑水機構結構設計如圖14所示。其功能是:在已鋪設好的沙障上播下種子并灑水,以實現可持續發展。

33.螺桿 34.種子箱 35.壓力傳感器 36.分播器 37.灑水箱圖14 播種及灑水機構結構設計Fig.14 Structural design of sowing and sprinkling mechanism

播種及灑水機構通過設計螺桿把螺旋運動變換為種子的直線運動,種子由漏種孔落下,還可以通過控制螺桿轉動的圈數來實現定量播種,并通過壓力傳感器實時反饋種子的剩余量。種子箱下方設計有變流器灑水箱,在完成播種作業后及時為種子灑水,保證種子的存活率。

3 主要機構運動仿真分析

3.1 多連桿橫向推草機構運動仿真

為滿足橫向草箱間歇性高效送草的使用要求,在平面連桿機構的基礎上設計多連桿橫向推草機構,具備急回特性和間歇特性。通過Motion運動學仿真分析,得到其運動軌跡和速度等參數曲線,如圖15、圖16所示。其中,AB段為送草階段,對應v-t圖中峰值附近,速度較大,推草效率高;CD段為回程階段,由運動軌跡可以看出推草L型板與散草脫離,不會將散草帶回。設計采用兩平行軸依靠同步帶傳動同時驅動的方式,從而幫助連桿機構中的平行雙曲柄機構度過死點。

圖15 橫向推草機構速度(X分量)Fig.15 Horizontal grass pushing mechanism speed (Component X)

圖16 推草機構運動軌跡圖Fig.16 Movement trajectory diagram of thegrass-pushing mechanism

3.2 橫向插草機構運動仿真

典型的直插式氣動插草機構存在的問題是:插刀在機器行駛過程中插入沙地時,易使插刀受力過大彎曲、剛性沖擊大,同時帶來整機振動的問題,故結合擺線運動規律進行橫向插草機構的設計。因橫向插草機構固定在機座上,驅動軸旋轉,同時隨機器向前移動,插刀運動軌跡與擺線很相似,因此稱為擺線式插草方式。設橫向插草機構以旋轉軸為中心旋轉角速度為ω,固沙機前進速度為v,當v/ω等于旋轉半徑r時,插刀軌跡即為擺線。橫向插草機構仿真運動曲線如圖17所示。

圖17 橫向插草機構仿真運動曲線Fig.17 Simulation motion curve of lateral intubation mechanism

4 性能試驗

4.1 試驗條件

基于GNSS自動巡航,在華南農業大學進行了沙地試驗,設定車速為0.72km/h,理論插草深度為100～150mm;設定“T式”插草為縱向持續不斷,橫向插幅為0.2m,“一式”插草僅進行橫向,插幅為0.2m;播種速率為0.12r/s,主要測試性能為橫向草箱推草數量、插草的準確性以及散草插入沙面的深度。

1)試驗工具:試驗樣機(1臺),散草,相機(1部),鋼卷尺(1個),米尺(1個)。

2)試驗方法:在試驗樣機縱向、橫向草箱中放入充足的散草,在沙地上啟動試驗樣機,要求樣機以0.2m/s速度進行工作,直線行駛距離為10m,依次進行兩次“T式”插草、兩次“一式”插草;然后,用隨機取樣的方法數出每次橫向插草所推出的散草數目、測量散草插入沙面的深度、散草露出沙面的高度和“T式”與“一式”對位的誤差,取8組實驗數據,與表1、表2和表3性能指標做對比,看是否符合要求。試驗現場圖如圖18所示。

圖18 試驗現場圖Fig.18 Test field diagram

表1 性能指標1Table 1 Performance indicator 1

表2 性能指標2

表3 性能指標3

4.2 試驗結果與分析

當試驗樣機行駛速度為0.2m/s、直線行駛距離為10m時,“T式”插草共進行50次橫向插草,“一式”插草共進行50次(即50次對位)。利用鋼卷尺與米尺,測得所插沙障深度、高度數據如表4所示。

表4 試驗測量數據(深度、高度)

通過試驗測量數據,與表2性能指標對比,散草插入沙面的深度H1主要集中于110～140mm之內,達到了散草插入深度H1的性能指標(100～150mm)要求;沙障露出沙面的高度H2主要集中于130～170mm之內,達到了沙障露出沙面的高度H2的性能指標(110～180mm)要求。

利用鋼卷尺與米尺,隨即抽取8組“T式”與“一式”的對位組,測量其偏差值,結果如表5所示。

表5 試驗測量數據(對位偏差)

通過試驗測量數據,與表3性能指標對比,“T式”插草與“一式”插草對位的偏差L1主要集中于-30～30mm之間,達到了對位允許偏差L1的性能指標(-50～50mm)要求。

隨機抽取8份橫向沙障,將其從沙面中拔出,并記錄其散草根數,所記錄數據如表6所示。

表6 試驗測量數據(推草根數)

通過試驗測量數據,與表1性能指標對比,橫向推草機構每次推出的散草數量主要集中于40～60根之間,達到了橫向推草機構每次推草數量的性能指標(40～60根)要求。

5 結論

1)自動巡航草方格固沙機是集機械、電子和控制多學科領域知識融合的復雜機電系統,機構選型設計需要綜合考慮沙漠固草的作業環境特點、種草方式、機構種草運動特性及播種灑水多功能特點。

2)自動巡航草方格固沙機集開溝機構、草箱機構、插草機構、覆壓沙機構、升降機構、播種及灑水機構、底盤于一體,整體結構簡單,能滿足實際的作業需求,工作效率高,適應性強。

3)自動巡航草方格固沙機通過多種機構的協調作用,能良好地運用“T+一式”草方格鋪設方式完成鋪設工作,為小型化自動巡航種草固沙機的研制提供了理論依據。