摘要：为了降低草方格铺设作业的人工成本，实现草方格规格的统一，提高铺设质量的稳定性，其相关机械设备多采用提前预织草帘，横、纵向单向铺设，其生产成本高，无播种功能，生产效率低。针对以上问题，对沙漠环境适应要求和秸秆性能特点进行了调研和分析，从整机布局、散草捆扎、横纵向草帘铺设、播种等方面对双向作业式多功能沙漠固沙种草装置进行结构设计。利用SolidWorks软件对装置进行三维建模和模拟仿真。该装置由牵引车带动，以散草为原料，通过散草捆扎机构、横纵向铺设机构、播种机构相互配合，最终实现自动捆扎、纵横向同时铺草、压草、植物播种覆土等功能。铺设速度是人工铺设的20倍。达到高效连续铺设标准草方格、降低劳动成本、提升防风固沙效果、加快沙漠绿化的目的。

　　关键词：草方格铺设,双向作业,多功能

　　0引言

　　在当前人类面临的诸多环境问题中，荒漠化是最为严重的自然灾害之一[1-5]。对于这项严重的自然灾害，我国现常用的治理方式为草方格沙障工程[6-8],但由于实现铺设草沙障机械化技术不成熟，所以大多数铺设草沙障还是以人工为主，并且在环境恶劣的地区人工的方式安全性低，工作效率低，进度慢。即使现存的沙漠种草车也只能实现纵向单作业，不能实现横纵双向作业，且需提前预织草帘[9-11],设备成本极高。

　　我国开展沙漠草方格机械化铺设研究始于21世纪初[5]。东北林业大学陆怀民承担了国家863课题（项目号2002AA422170)开展“防风固沙草方格铺设机器人”研究，提出了用预制草帘铺设固沙草方格的方案，并完成了试验装置研制，进行了测试试验；东北林业大学的舒庆[12-14]开展了“防风固沙草方格铺设机器人设计及动力学分析”，可高效实现纵向的草沙障铺设，且近几年该装置已试验生产投入；北京林业大学司凯[15]开展了“立体固沙车横向铺设系统的设计与研究”，提出了采用摇杆和液压缸结合方的式实现铺设动作。目前固沙机械设备均需提前预织草帘或购买成品草帘作为原材料，且仅存在一个方向的草沙障铺设，需要对车辆进行转向后才可完成横向的铺设，这样对已铺好的草沙障会造成破坏，且都不具备播种的功能。故在降低成本，提高工作效率和铺设质量方面没有取得良好的效果。

　　基于此，本文设计一种双向作业式多功能型沙漠固沙种草机能够满足当下种植快捷、稳定的需求。以散草为原材料，自动捆扎草帘，实现双向同时铺设草沙障、播种草种的功能，降低原料成本，提升铺设效率，提高铺设质量。

　　1设计原理

　　该装置主要由纵向铺设机构和横向铺设机构两部分组成。其中纵向铺设机构由分为悬挂机构、散草困扎机构、纵向压草轮机构、播种机构。横向铺设机构分为横向输草带、散草捆扎机构、横向压草器、推草机构组成，如图1所示。

　　整个装置通过悬挂机构连接至牵引车上，由牵引车提供动力前行。纵向装置中原草料从纵向草箱中由于重力原因和拨草轮的作用下从料口掉落至散草困扎机构中，后经传送带运至捆扎处，由织针和织线配合将散草捆扎在一起。后通过滑槽进入纵向铺设机构，再由纵向压草轮将捆扎在一起的草帘压至纵向沟渠中；播种机构是利用犁头将纵向草沙障空隙犁开，同时后轮前进通过同步带将动力传递给凸轮推杆机构，配合弹簧使拨片水平抽动将播种箱中的种子间续播下，随后覆土器将土重新覆盖，完成种子的播种；横向装置中原草料从草箱中由于重力原因和推板的作用下从料口掉落至散草困扎机构中，后经传送带运至捆扎处，由织针和织线配合将散草捆扎在一起。后通过滑槽掉入下方的横向传送带，待捆扎好的草帘到达指定位置后，由气动系统实现割刀将其割断。

　　此时传送带一侧的推草机构运作将草帘推下到地面，随即由气动系统启动压草器将草帘压至横向沟渠中。实现单次行进即可同时铺设横纵两个方向的草方格沙障，无需预制草帘，铺设稳固，且具备开沟、播种、覆土等功能。

　　草帘规格：在沙漠环境中，草帘高度越高则积沙效果越好。经查阅相关资料可知，沙漠中的土地较为松软，因此本研究中规定草帘露出地面高度为20 cm,固定于地下15 cm,草帘的宽度选取为70 cm左右。这样形成的草沙障防风固沙效果最佳[16-18]。

　　铺设间距和形状：铺设草帘的间距要控制在合适的距离，本研究中设置的横向铺设前后间隔为1 m,纵向铺设左右间隔也为1m。一次行程铺设3条纵向草帘，每隔1 m铺设一条横向草帘，单条横向草帘长度为3 m。在草沙障间隔中完成种子的播种。单次行程铺设播种效果如图2。

　　2结构设计

　　本设计主要分为纵向铺设和横向铺设两个方面，其中纵向铺设里主要进行了悬挂机构、散草捆扎机构、纵向压草轮机构、播种机构的结构设计；横向铺设里主要进行了散草捆扎机构、推草机构、横向压草机构的结构设计。通过对各个部分用SolidWorks软件进行建模仿真与计算，验证其可行性，不断完善，最终完成设计。

　　2.1纵向铺设机构

　　纵向铺设机构主要负责车辆前进方向上的草沙障铺设。它主要由悬挂机构、散草困扎机构、纵向压草轮机构、播种机构组成。

　　2.1.1悬挂机构

　　为了使该种草装置获得动力，并且可以适应各种牵引车的牵引。设计一种悬挂机构，其主要由气缸、侧臂、悬挂钩、横梁和旋转杆构成，该机构位于装置前端，采用两个悬挂装置并排保证获得足够的动力适应沙漠环境。

　　本装置通过挂钩与牵引车相连，为适应各种牵引车的悬挂，可以在悬挂系统处实现调节悬挂钩的高度的功能，从横向铺设机构气路系统[19]中里引出一条气路通过换向阀的控制来实现气缸的行进与后退，通过气缸的变化从而使与之连接的旋转杆进行旋转，然后带动悬挂钩旋转，从而调节悬挂高度。

　　2.1.2散草捆扎机构

　　种草装置采用的是散草为原材料，所以设计一散草捆扎机构可对散草进行捆扎编织，以应对风力或其他环境因素造成的铺设故障。其位于纵向草箱下方的机架上，安有3个。散草捆扎机构包括存草箱、拨草轮、传送带、导向板、织针、支撑架、草帘切割刀，如图3所示。

　　所选的散草通过草箱落料口掉落在存草箱中，后经拨草轮拨动让散草掉落在导向板上，和导向板平齐的传送带将散草输送到捆扎处，编织机构是通过齿轮轮系与

　　凸轮配合实现捆扎草帘，经过捆扎机构对散草进行捆扎形成草帘。传送带接着将捆扎好的草帘运送，经导向板落到地面。想要将草帘切断时草帘切断刀落下将草帘切断，完成整个工作流程。

　　为了可以实现勾线与放线的完美配合，设计一套轮系啮合。由编织放线和勾线的工作原理初步设计内部轮系参数Z1=160,Z2=120,Z3=64,Z4=64,Z5=64,Z6=16,模数为1。内部轮系的啮合简图如图4所示。

　　2.1.3纵向压草轮机构

　　纵向压草轮机构为纵向铺设草方格最为关键的一装置，它的设计直接影响到铺设草方格的质量。它位于纵向铺设装置中，设有3个。紧挨在草帘编织机出口处，

　　用于将编织好的草帘及时压入地下，形成草沙障。其主要由压草轮和抬升装置组成。当压草轮不工作时，压草轮与地面接触，影响机器的正常行驶，也会加大对压草轮的损坏。所以设计压草轮在非工作状态时进行起升。

　　由横向铺设机构引入一气路，控制气缸对压草轮高度进行调整。

　　由于它要进行铺草作业，承受的力较大，所以选用45号钢为压草轮的材料。压草轮要陷入沙地150 mm,压草轮直径越大，陷入沙地的圆弧更平缓，工作更稳定，所以选用了600 mm的直径。而30 mm的厚度即保证了压草轮的强度，也考虑了压草轮的阻力。对压草轮的刃口进行了5mm的圆角处理，这样防止在铺设草方格时把草帘子压断。

　　2.1.4播种机构

　　固沙种子的播种是利用犁头将草方格空隙犁开，同时通过凸轮推杆机构推动拨片将播种箱中的种子间续播下，随后覆土器将土重新覆盖完成种子的播种。纵向铺设以及播种整个过程采用的传动方式是同步带，其动力来源是牵引车。种子的行距为10~15 cm。

　　播种机构由种子箱、凸轮推杆机构、拨片、同步带、种子管、开沟装置和覆土装置。由于播种机构不能影响纵向铺设草方格，所以选取4个种子箱，中间两个为大箱，两边为小箱。每个箱子之间为纵向铺设机构留出一定的作业空间，又因为种子行距的要求，设置中间两个种子箱每个箱子配置17个犁头，两边的箱子每个配置8个犁头。考虑到由于种植机不工作时需要犁头、覆土装置及压草盘与地面停止接触，所以设计犁头与覆土装置固定在开沟架上。此开沟架底部部分的中间挖空，前端固定犁头，后端固定覆土装置，中间固定种子管，实现了先开沟然后落种，最后覆土的效果。通过调节梁与机架顶部的距离从而实现犁头与覆土装置与地面保持一定的高度。播图5播种机构种机构如图5所示。

　　拨片的水平面插入种子箱底部预留的空隙中，竖直面与推杆固定在一起，拨片的伸出杆与机架槽口配合。

　　通过后轮车轴带动同步带1和同步带2传递到凸轮推杆机构上，随着推杆推程回程的运动，实现控制种子的下落。设置车轮直径0.6 m,设置同步带传动比为1∶3,凸轮为双头异形凸轮，通过简单计算可得牵引车行进1m时播种10次，保证了种子的行距。

　　覆土器与犁头主要负责开沟与覆土，即选用45号钢为它们的材料。犁头前端为圆弧锥面，这种形状在保证强度的条件下，犁耕阻力更低。由于沙漠土壤稀松，种子对土地紧实度要求较小，所以设置覆土器工作时紧贴地面，只需掩埋沟槽。要求多个覆土器的覆土深度一致并在覆土时不改变种子在种沟内的位置。犁头高度为90 mm,工作时陷入地面50 mm,开沟宽度为15 mm,覆土器开口为55°,最大宽度45 mm,这样的结构既保证了它的强度，又保证了它的工作效率。每个覆土器间留有5 mm间隔，使覆盖沙土更均匀。

　　2.2横向铺设机构

　　横向铺设机构位于装置后方，包括草箱、架体、推草板、车轮、气缸、滑动轴承、压草器、传送带、散草捆扎机构（该散草捆扎机构与纵向配置一样，此处安装一个）、电动推杆。其中气缸、滑动轴承和压草器组成草帘扎入地面装置。横向铺设机构如图6所示。

　　原草料从草箱中由于重力原因和推板的作用下从料口掉落至散草困扎机构中，后经传送带运至捆扎处，由织针和织线配合将散草捆扎在一起。后通过滑槽掉入下方的横向传送带，待捆扎好的草帘到达指定位置后，由气动系统实现捆扎机构中的割刀将到位的草帘割断。此时横向传送带一侧的电动推杆运动将草帘推下到地面，随即由气缸启动控制推杆落下，通过压草器将草帘压至横向沟渠中，实现横向草沙障的形成。

　　推草机构由电动推杆和推草板组成。将准备就位的草帘从横向传送带上推下，落至地面。该电动推杆由电机提供动力，选用40 cm的推程，使70 cm长的散草在受推板推力后由自身重力的作用即可保证落到地面，短推程高效率。

　　草帘插入地面装置作用为将摆好的横向草帘一次性插入横向沟渠中，实现横向草沙障的形成。动力源来自上方配备的气缸，该气缸选用行程最大为40 cm。不工作时压草器距离地面20 cm,当到达指定位置后，气缸启动推杆伸出，此时行程为35 cm,压草器快速下落将铺在地面上的横向草帘压入地下15 cm左右，随后气缸收缩，此时行程为35 cm,压草器迅速上升高于地面20 cm。防止车辆前进时将已竖起的草沙障破坏。

　　3结束语

　　本文通过对国内草方格铺设技术中人工和现有机器存在的问题进行了分析和研究，设计了一款双向作业式多功能沙漠固沙种草装置。它由横向铺设机构和纵向铺设机构组合在一起，由悬挂机构配置牵引车，散草捆扎机构进行散草捆扎，配合纵向压草轮和横向压草器同时实现两个方向的草帘铺设，同时兼顾草种的播种，高效稳定的完成草方格铺设工作。且已对重要关键零部件进行了强度校核[20],均合格。该装置横纵双向同时作业，极大地提高了效率；且以散草为原材料，无需预织草帘，大大降低了成本。该装置铺设草帘的同时，还具备开沟、覆土和播种的功能，实现功能一体化。该装置质量轻、设备成本低。维修保养简单；且半机械化作业，人工投入少，安全性高。

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