一種手扶式草方格沙障鋪設機的設計研究

胡恩鍇 陳承杰 蘭斐 李炎 顏思成

摘 要：鑒于設置草方格沙障是防風固沙的重要手段之一，設計了一種用于鋪設草方格的手扶式一體機械裝置，用于完成理草、鋪草、插草和攏沙的工作。其既可以有效提高草方格鋪設效率，又具備輕便、實用性強等優點，可以彌補大型機械的局限性，有效助力防風固沙的相關工程。

關鍵詞：手扶式;草方格;實用性;小型機械

中圖分類號：S775 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0045-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.012

0 ? ?引言

目前，我國大約有1/3的國土面積正面臨風沙侵害[1]，約4億人直接或間接受到荒漠化的影響，因此國家十分重視沙化防治工作，大力支持沙化治理方向的科技創新。

在對沙漠化及沙化規律的研究和對國內外防風固沙技術的對比中發現，削弱風沙侵蝕最有效的是工程治沙中的草方格固定法[2]。然而，在沙漠的惡劣條件下人工鋪設草方格沙障效率極低，治理速度遠小于沙漠化的速度。因此，科學使用現代化機械裝備鋪設草方格沙障是防風固沙更為合理的選擇，故著手研究草方格沙障鋪設機具有重大意義。

1 ? ?研制背景和意義

1.1 ? ?防風固沙方法

目前國內外固沙主要有3種方法，即生物固沙、化學固沙和沙障固沙[3]。生物固沙一般需要結合其他固沙方式使用，化學固沙效果通常不如另兩種方法。而沙障固沙是目前防風固沙設計中最為成熟、普遍的一種防治手段，即通過沙障的建設對風沙起到固、阻、輸、導的作用，達到防止風沙侵害的目的[4]，其中最具代表性的一種就是草方格沙障（圖1）。

1.2 ? ?草方格的作用

（1）改良土壤：草方格沙障設置好1～2年之后，沙障之間就會形成比較穩定的凹曲面，除了面對風向部分的沙障，其他部分一般可以避免被風侵蝕，但露在外面的部分草障經過日曬雨淋，會慢慢變黑腐化，變成豐富的營養素和有機物，可以促進流沙中微生物的繁衍和成長，而伴隨著微生物群落的加大，有機物的分解又得到進一步的促進，為沙土中生長的各種植物提供了更多、更營養的物質，從而形成一個良好的生態系統，使固沙的效果更加顯著[5]。

（2）固水保濕：草方格沙障可以吸收保留雨水，減緩沙土中水分蒸發的速度。據測量，在流動的沙丘上種設草方格以后，沙層2 m以內的濕度可上升2%～3%，沙土含水量有明顯的改善，在草方格里栽種的各種固沙的植物，成活率較以前傳統的種植方法有了極大的提高[5]。

（3）風沙防護：草方格沙障可增大地表的粗糙度，減緩氣流貼近地表的流動速度，減少氣流帶動的沙土總量。以1 m2的草方格沙障為例，其粗糙度為流沙區的200～400倍，沙土輸送率僅為流沙區的0.25%～1%，其內風速比流沙區降低25%[5]。

由此可見，草方格沙障對于風沙防護起到了極其重要的作用。

2 ? ?現有產品和設計分析

2.1 ? ?現有大型機械產品分析

現有投入使用的設備（圖2）以重型卡車為載體，在車后部載貨部分安裝草料倉和鋪設機構，在車后安裝將草按壓進沙地的壓輪（圖3）。

此種設備鋪設效率較高，但有一些局限性：

（1）此設備僅適合在平坦的沙漠邊緣地帶工作，而在沙漠腹地以及起伏的地段需要小型機械來彌補空白。

（2）此設備的壓草從動滾輪機構，決定了在工作中只能使用編制好的草料，否則，稻草之間缺乏連接，在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滾刀推著前進。而使用編制好的草簾會增加前期成本，降低實用性。

從以上幾點出發，此次設計的機械應該以輕量化、靈活性和實用性為目標，以期在重型機械無法工作的環境下提高沙漠治理的工作效率，填補現有空白。

2.2 ? ?現有小型機械設計分析

2.2.1 ? ?設計1（圖4）

（1）該機械是一個鋪草機而非插草機。其中用到大量皮帶傳動機構，將草料從料倉傳送到地面后再鋪設，但缺乏插草機構。實際防風固沙中，鋪草是一個相對簡單的工作，而插草效率較低。因此，該機械的側重點設計不妥。

（2）該機械體積過大且為純機械結構，人力驅動費時費力。

（3）該機械采用輪式結構，在沙漠中，起伏的地形容易使其行進困難，局限性較大。

2.2.2 ? ?設計2（圖5）

（1）這是一個自動化遠程控制機械，而沙漠中信號覆蓋率低，導致其實用性下降。

（2）該機械體積過大而料倉過小，補料時間間隔短，實用性低，無法體現自動化的意義。

（3）該機械采用從動滾刀式插草機構，必須使用編制好的草簾，增加了前期成本。若使用未編織的草料，在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滾刀推著前進，使最終插草效果不均勻。

（4）該機械采用從動滾刀式插草機構，插草過程中刀將在路面上開辟出一道溝，插草后草難以立穩，需要攏沙裝置。而此機械沒有設計攏沙裝置，會使插草質量變差。

以上兩個設計的滾輪進料機構值得借鑒，相比其他機構，此送料機構更加合理、高效。此外，使用履帶行進也是值得借鑒的方案。

2.3 ? ?現有其他設計分析

目前還有橫向、縱向同時鋪設的設計方案，這種結構確實可以大大提高效率，但是忽略了以下幾點：第一，草方格沙障必須具有“編織性”，如同布料一樣橫向、縱向相互編制交錯，而交叉點是草方格受力最大的點，如果兩個方向一同鋪設，在交叉點處必然只有一層草料，甚至會因為草料重疊而無法實現交點編織，故不可行。第二，草方格尺寸多樣，且有方形和菱形等不同形狀，由地形和沙質決定，固定了列與列的距離無疑降低了產品的適用性。第三，經查閱資料，發現小型機械才是當下沙漠治理的發展趨勢，增加結構等于縮小了貨倉，降低了機械的靈活性，補充草料的次數增加也會大大降低效率和實用性。因此，不推薦使用這種形式鋪設草方格。

針對現有大型機械的缺陷和小型機械不成熟、不全面的問題，結合沙漠治理機械化、機械輕型化的趨勢，我團隊設計了一款手扶式草方格沙障鋪設機。

3 ? ?我團隊設計方案

3.1 ? ?整體設計方案

本設計方案考慮到以下4個關鍵點：

（1）實用性：為了使設計方案能夠最終轉化為產品，在設計之初就應當考慮實用性。沙漠地帶人力運送草料較為困難，大型機械難以進入，故將大料倉作為設計要求之一，以實現減少裝料次數、增加鋪設距離的目的。此外，為增加實用性，將采用盡可能簡潔的結構實現運動需求，這一要素也將在設計中體現。

（2）適用性：設計的適用性對最后成品的應用場景至關重要，為實現在起伏的沙漠地形中運作，將該機械設計為手扶式小型機械，以彌補大型機械不能深入沙漠的缺陷。同時，考慮到實際草方格有多種材質，如秸稈、稻草等，不同材質的草料或者不同濕度、密度的草料會影響送料的均勻性，故設計了“1輪2帶”送料機構，將在3.3詳細介紹。

（3）緊湊性：為提高設計的可行性，在小空間內實現多功能和大料倉，產品的緊湊性便顯得尤為重要。本設計創新地將行進履帶同時用作送料履帶，以實現機構的緊湊性，后期將繼續優化改進料倉結構，使設計更為緊湊。

（4）合理性：根據設計背景所提到的我國現有大型機械投入運行后，運行效率相當高，但存在成本高、對地形要求高等缺陷，將設計重點定為克服大型機械的局限性，實現深入沙漠腹地，并在起伏的沙地鋪設草方格。因此，不應當盲目追求效率，而應將大料倉和機構合理作為設計依據。

根據以上關鍵點，設計了如圖6所示的手扶式草方格沙障鋪設機。

此機械主要分為三個部分：料倉、插草機構和送草機構。在3.2和3.3中將主要介紹插草和送草機構。

3.2 ? ?插草機構設計方案

3.2.1 ? ?結構

插草機構建模圖如圖7所示，原動件1和曲柄2同軸裝配在機架上，曲柄2和連桿3通過銷4連接，連桿3和刀桿5通過銷6連接，在刀桿5上裝有彈簧7。

3.2.2 ? ?運動

插草機構固定在機身上，通過電機帶動實現間歇式插草。

上升階段：電機輸出的扭矩使原動件1勻速轉動，直至接觸到曲柄2上的凸起并帶動曲柄2一起轉動，從而使連桿3做平面運動，使刀桿5向上做豎直方向的直線運動，壓縮彈簧7，刀被提起。

下降階段：原動件1接觸曲柄2轉動半周后，曲柄2因下方連接件的重力作用先于原動件1快速轉回，使刀桿5快速豎直下落，且下落過程中彈簧7釋放彈性勢能，使得刀桿5加速下落。兩者共同使刀快速下落，從而實現插草功能，模擬人插草的過程。

3.3 ? ?送草機構設計方案

3.3.1 ? ?結構

送草機構斜視圖如圖8所示，其中機架與貨倉為保證視圖清晰而隱藏，輪1～6安裝于機架（已隱藏）上，位置固定，僅能旋轉;履帶7安裝于大驅動輪1～3上，由類齒輪4限制其位置;皮帶8安裝于小驅動輪5、6上;貨倉（已隱藏）位于履帶7和皮帶8上方。

3.3.2 ? ?運動

履帶部分實現行進與草料鋪設功能。工作時，大驅動輪1～3驅動履帶7運動，履帶7下表面接觸地面，推動整個機構向前運動;同時履帶7上表面接觸貨倉中的草料，將草料帶向貨倉下方的出料口，進而使草料平鋪在下部的水平履帶部分，等待插刀下插。小驅動輪5、6帶動皮帶8運動，有上行與下行兩種運動模式，取決于貨倉內草料的密度和濕度：當草料密度較低時下行，與履帶7共同將草料向下方帶動，保證出料量;當草料密度較高時上行，將貨倉底部的部分草料翻至上層，避免底部草料密度過大堵塞出料口。類齒輪4位于貨倉出料口處，隨履帶7運動而轉動，并在轉動的同時將輪齒插入下方履帶上的草料中，將草料分成小堆，保證出料通暢、均勻。

3.4 ? ?其他機構設計方案

為配合插草機構，在機械前端設置了開槽刀（圖9），實現預開槽，以提高插草機構的可行性。

為保證插入地里的稻草的穩定性，在機械尾端設置了攏沙輪（圖10），以保證插草的高質量。

4 ? ?結語

此設計具有散草鋪設、插草和攏沙機構，結構全面且料倉容積大，可以降低鋪設成本，實現多地形插草，克服現有大型機械的局限性。

插草機構利用原動件和彈簧實現對曲柄滑塊機構急回特性的加強，以模擬人工插草的過程。送草機構實現同一履帶的行進和送料雙重功能，提高了結構的緊湊性。料倉內的履帶可根據草料情況調整轉速和方向，以保證送料過程均勻，避免草料堵塞的情況。

此設計具有創新性，加工可行性也比較高，能夠幫助實現沙漠治理，對于防范水土流失具有重要的理論及實踐意義。

[參考文獻]

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收稿日期：2022-03-02

作者簡介：胡恩鍇（2001—），男，上海人，研究方向：機械設計制造技術。