一款機械化固沙設備固沙車結構設計

雷凱龍 楊兵 任國濤 付才 嚴鵬鵬

陜西汽車控股集團有限公司 陜西西安 710200

1 前言

荒漠化是重大的全球性環境問題，一直困擾著人類社會的生存和發展，而中國是受其危害最嚴重的國家之一。根據第五次全國荒漠化和沙化檢測報告，截至2014年我國荒漠化土地面積達261.16萬平方公里，沙化土地面積172.12萬平方公里，并且沙化面積以每年幾萬平方公里的速度還在繼續擴大，因此為了更好維系我們的生態文明，治理沙漠刻不容緩。2017年9月，“聯合國防治荒漠化公約第13次締約方大會”在我國鄂爾多斯市舉行，與會代表共商全球防治荒漠化大計。大會主題：“攜手防治荒漠，共謀人類福祉”，大會體現了我國履行荒漠化防治責任和義務的積極態度，表達了我國愿與國際社會共同努力、全力推進全球荒漠化防治的良好愿望。

2 治理背景

2.1 沙漠治理背景

在治沙方法上，我國經過多年反復試驗，摸索出鋪設草方格可有效地實現防沙治沙的經驗方法，這種方式把工程和生物治沙的優點相結合，快速地解決了沙害侵蝕和沙漠治理問題。這項技術首先在寧夏中衛沙坡頭的鐵路保護治沙工程中應用，取得了巨大的成果，被推廣到內蒙、新疆等多個沙化嚴重的省份。鋪設草方格技術是用麥草、稻草、蘆葦等草料在沙漠中扎成方格，網狀的草方格有效地降低了近地面風速，阻擋了風吹沙揚，同時還可涵養水分，然后在草方格中種植耐旱植被，達到治沙的目的。

目前，草方格鋪設主要利用人工作業完成，施工時一個人首先將運來的散草沿著草方格線整齊均勻地鋪撒在沙地上，另一個工人再用板鍬之類的工具置于草料中間，用力插入沙地，使麥草兩端翹起，直立在沙面上，麥草露出地面的高度約20～25 cm，縱橫向全部鋪設完成后，就形成了1 m×1 m的草方格沙障。人工鋪設作業如圖1～2所示。

圖1 人工鋪設現場

圖2 鋪設完成的草方格

2.2 機械化治理前景

人工鋪設草方格不但作業效率低下、勞動強度大、作業質量不穩定，且固沙作業成本比較高。我國甘肅、內蒙古、寧夏、新疆等地都已規劃了防沙治沙任務，任務繁重、工程浩大，很顯然人工作業完全不能滿足高效、大面積地治沙任務，研發機械化固沙設備成為重要課題。固沙車作業和人工作業的效率與成本對比如表1所示。

表1 固沙車作業和人工作業的對比

3 固沙車設計要求及工作原理

3.1 車輛開發要求

研發之初設計團隊根據作業環境、用戶需求提出6項指標：

a.作業效率每天不少于65畝（按8 h作業時間計）；

b.作業用料為散裝稻草、麥草或蘆葦；

c.作業車輛可滿足80%的沙漠地形；

d.作業過程中連續性好；

e.鋪設深度約20 cm，草障高度15～20 cm；

f.草方格縱橫向鋪設一次完成，避免碾壓。

3.2 車輛工作原理介紹

整車主要分為沙漠越野底盤、草料裝載、草料輸送、作業裝置四大模塊。整車結構如圖3所示。

沙漠越野底盤主要為車輛行駛和固沙作業提供動力。草料裝載模塊是將提前準備好的散草添加到作業草箱中，裝載過程主要由液壓系統進行動力輸出，模塊化裝載草料，大大縮短了添加草料的時間。草料輸送模塊是將草箱中的草料連續性輸出，輸出效率高，作業流線性好，并運用生物仿生刮草技術，在液壓馬達的驅動下，將散草平穩地鋪設到沙地上。作業裝置模塊是由液壓系統和電氣系統無縫配合，帶動插草裝置作業，實現草料的壓入功能，壓草深度完全符合輸入指標。

圖3 固沙車整車結構圖

固沙車到達作業現場，進行草方格鋪設作業時，首先將草料輸送模塊中最左側機構收起，讓其不工作，完成一次三縱兩橫的鋪設作業，之后再將最左側機構伸出，每次車輛按照逆時針方向完成三縱三橫的鋪設作業，就可以實現1 m×1 m規格的草方格鋪設。

3.3 車輛作業流程

固沙作業隊首先需要從農戶家中購買作業草料（可為麥草、稻草、蘆葦等），運至作業點附近后，利用裝載機將草料卸下，安排一兩名工人將草料整齊裝進轉運草箱內，草料裝滿后，再用小型拖拉機將該草箱運至車輛作業現場，并利用草料裝載模塊完成草料添加等前期準備工作，然后進行最終固沙作業。

4 主要技術特點和參數

整車的技術特點主要表現在：

a、散草直接作業：符合用戶要求，提高作業效率，降低作業成本。

b、縱橫向鋪草同步作業：避免二次碾壓提高作業效率和鋪設質量。

c、生物仿生刮草技術：實現草箱散草自動整齊輸送。

d、草料輸送模塊：保證傳輸中散草整齊不散落。

E、作業裝置模塊：作業響應速度快，鋪設深度可隨地形調整。

F、草料裝載模塊：縮短作業準備時間和草料拋灑遺漏。

g、草料輸送監控：實時監測草料輸送情況。

h、作業裝置監控：實時監測草料鋪設情況。

I、草料裝載監控：實時監測草料裝載情況。

固沙車主要技術參數如表2所示。

表2 固沙車主要技術參數表

5 車輛結構

車輛主要由沙漠越野底盤、草料裝載模塊、草料輸送模塊、作業裝置模塊四大模塊組成。

5.1 沙漠越野底盤

固沙車采用6×6驅動形式316 kW沙漠專用底盤，該底盤是針對我國沙漠工況專門開發的一款用于沙漠腹地作業的大噸位越野型車輛底盤。該車在軍用底盤全驅優勢的基礎上，采用某品牌發動機、超強抗扭車架、多級過濾系統、液壓助力轉向裝置等國內頂級配置，在沙漠中作業動力充足、轉向靈活、可靠性高，完全能夠滿足我國沙漠腹地作業工況要求。綜合考慮作業裝置特點和每天固沙面積，在固沙作業時，車輛作業速度應不大于3 km/h。

5.1.1 牽引力計算分析

根據上裝要求，整車功率應達到300～400 kW，牽引力達到62～92 kN。整車牽引力計算公式如下：

式中，Ft為牽引力；Me為 發動機扭矩；ig為 變速器速比；if為分動器速比；i0為驅動橋速比；ηT為機械效率；rr為輪胎滾動半徑。

由計算可知Ft=157.613～161.439 kN，選用316 kW發動機。

5.1.2 取力分析

上裝要求采用分動器取力，功率為120 kW。按功率和扭矩換算公式P=n×N/9550計算，要達到120 kW的功率，取力器轉速必須要在286 r/min以上。考慮到取力時車輛還在以3 km/h的車速行駛，需要消耗一定的功率克服滾動阻力（按Pt=1/3600×G×f×u，干砂取f=0.1～0.3）。整車在水平路面時的滾動阻力功率：Pt=68 kW。當發動機轉速為1 000 r/min時，功率最大為195 kW，高于120+68=188 kW。如果要爬坡，則需提高發動機轉速，才能保證車輛正常運行。所以在發動機轉速不低于1 000 r/min時，可滿足取力120 kW的功率要求。

5.1.3 輪距分析

該車選用超寬輪胎，車橋選用某品牌9t車橋，前橋輪輞安裝面距離為2 .329 mm，而中后橋輪輞安裝面距離為2 .211 mm，以使前橋最大轉角時，不與拉桿和油缸干涉，將輪輞偏心距設計為102 mm，車橋輪輞端面距（前/后）：2 .329 mm /2 .211 mm，輪距（前/后）：2 .249 mm /2 291 mm，輪胎外沿寬度（前 /后 ） ：2.8 44mm/2 .886 mm。車輛輪距分析如圖4所示。

圖4 車輛輪距分析圖

5.2 草料裝載模塊

草料裝載模塊位于車輛前端，是由大小舉升臂、草箱、液壓系統及電氣系統組成。裝載時大臂油缸帶動大臂舉升，舉升至草箱上部時，小臂油缸完成草料的添加工作。該模塊是由變量柱塞泵提供液壓動力，變量柱塞泵采用壓力切斷加負載敏感復合控制，按需提供流量，節約能源，柱塞泵油液流入負載敏感多路閥，經多路閥分配給草料裝載等執行元件，該多路閥帶壓力補償功能，在執行機構需求總流量不超出主泵最大流量時可實現各執行機構獨立動作，流量分配不受負載影響。而在電氣系統中加裝接近傳感器，在大臂運動時對其進行限位保護，防止大臂油缸到達極限位置，對該模塊工作造成損壞。

草料裝載模塊運行位置如圖5所示。

圖5 草料裝載模塊運行位置圖

5.3 草料輸送模塊

草料輸送模塊是將草箱中的草料平穩輸送，然后整齊地鋪設到沙地上，該模塊同樣是由變量柱塞泵給輸草模塊提供液壓動力，柱塞泵油液流入負載敏感多路閥，經多路閥分配給草料輸送等執行元件，該多路閥帶壓力補償功能，在執行機構需求總流量不超出主泵最大流量時可實現各執行機構之間獨立動作，流量分配不受負載影響。電氣系統以控制器為核心，通過傳感器采集車速、距離信息及液壓系統工作數據，經過控制器內部程序計算后對草料輸送模塊進行控制，輸送草量智能控制圖如圖6所示。

圖6 輸送草量智能控制圖

5.4 作業裝置模塊

作業裝置模塊結構如圖7所示，主要由縱向壓草輪、橫向插刀、液壓系統、電氣系統組成。該作業模塊能同時進行縱向和橫向鋪設，并且隨著沙漠地形的變化，插入深度可隨時進行調節。

圖7 固沙車作業裝置三維圖

5.4.1 縱向作業

縱向草料輸送模塊將草料均地的撒布在草方格縱邊，縱向壓草輪隨著車輛前進，對鋪撒在前部的草料進行連續滾壓，完成縱向插草作業功能。

5.4.2 橫向作業

橫向草料輸送模塊將草料均勻地撒布在草方格橫邊，每隔1 m間歇鋪撒一次，隨著車輛前進，橫向插刀每隔1 m將草料插入沙地一次，完成橫向插草作業功能，車輛行駛速度與插草頻率關系如圖8所示，車輛行駛速度高了，相應的插草頻率變高，反之減少。

圖8 車輛行駛速度與插草作業關系圖

在完成一次橫向插草動作時，液壓油缸快速伸出和縮回，系統在工作中會出現嚴重的沖擊和振動，因此在回路增加蓄能器吸收壓力沖擊，運用仿真軟件對比分析不同規格蓄能器的緩沖效果，找出最優的匹配參數。圖9是增加不同容積的蓄能器時，油缸壓力曲線圖，由圖9可知，采用恰當容積蓄能器能有效的減小沖擊壓力峰值，綜合考慮蓄能器反應速度和節約成本，系統中蓄能器的容積定為0.15 L。

6 結語

沙漠化不但影響農業、畜牧業、工業，同時也給人民健康帶來嚴重威脅，草方格固沙能夠有效改善沙漠環境，目前采用人工模式鋪設草方格，不能滿足大面積高效治理的需求。固沙車采用機、電、液一體化、智能化設計，完成草方格鋪設，具有安全、可靠、智能控制、作業效率高等特點，可滿足大面積綜合治理沙漠的需求，能夠快速有效地減緩沙漠化進程，達到防風、治沙、造林的目的。

圖9 油缸壓力曲線圖

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2008.

[2]吳啟東.淺析草方格沙障措施在防風固沙中的作用[J].農技服務,2014 (11):20.

[3]屠志方,李夢先,孫濤.第五次全國荒漠化和沙化監測結果及分析[J].林業資源管理,2016(01):1-5+13.