基于ADAMS 的多功能防風固沙種草機的結構設計*

胡志豪 ， 段 波 ， 吳易澤 ， 尹光鋒 ， 陳蕭登 ， 李 靜 ， 蔡 力

（湖北大學知行學院機械與自動化學院，湖北 武漢 430011）

0 引言

在提倡“綠水青山就是金山銀山”的今天，對土地沙漠化的有效治理被越來越多的國家所重視，同時我國的土地沙漠化狀況比較嚴重，極大地影響了人們的生存環境[1]，由此產生了各種各樣的治沙方案，不少治沙新技術之間相輔相成，治沙效果逐步顯現。“因地制宜，就地取材，因害設防，綜合防治”是內蒙古包頭市采取的綜合措施[2]，其防護體系讓該地區成為了道路風沙危害防治的首個成功案例。通過查閱大量的文獻，課題組發現機械沙障的運用可以對沙漠化的治理起到較為明顯的效果，不過高昂的成本、大量的人力與較低的效率是限制其無法大范圍實施的主要因素。但是隨著科技的不斷進步與新材料的應用，治理手段一代代升級，“生物防治為主，機械防治為輔”的理念也逐步深入人心。從采用無機而功能單一的低立式礫石沙障[3]，到采用有機并可固土保濕的草方格沙障[4]，再到采用新型材料的高密度聚乙烯（HDPE）蜂巢式沙障[5]，一代代防治方法正源源不斷地被提出與試驗。由此可見，沙漠化治理方案和防治措施正不斷發展，旨在全力緩解土地沙漠化問題。

設置沙障可以有效固定沙丘，但設置時需要合理利用周圍的有利條件。沙障設置的主要原理是增加沙丘表面的粗糙程度，在一定程度上降低風力，防止沙被風帶走，起到防風固沙的作用[6]，因此鋪設草方格是一種目前國內常見的修復環境、治理土地沙漠化的有效方法。然而，在很多沙漠化地區，惡劣的自然環境與復雜的地表狀況使傳統的人工鋪設存在勞動強度大、工作效率低、固沙成本高以及對已鋪設好的草方格維護困難等問題。因此，亟需一種新型的不受地表狀況限制的機械式防風固沙種草機來取代傳統的治沙機械。

1 種草機工作原理

本裝置由車架、鋪設裝置、控制系統和動力單元4 部分組成，種草車整機示意圖如圖1 所示。

圖1 種草機整機示意圖

車架上設置有草料箱、草籽箱和水箱，集多種功能于一體可完成草籽播撒、草方格鋪設和自動澆水工作，解決人工鋪草工序繁多的問題。鋪設裝置由縱向破沙輪、橫向破沙輪、傳草帶、壓草輪和攏土刀組成，可進行開槽、鋪草、夯實工作，進而實現對草方格的鋪設。控制系統用來精確控制種草機的各個動作。動力單元安裝于車架內部，為種草機各執行機構提供穩定且充足的動力來源。種草機工作過程以鋪設1m×1 m 草方格為例[7]，工作時鋪草模塊的橫向破土鋸盤與縱向破沙輪會按照規定的方向轉動，機器切割出兩條相距1 m 深15 cm 的縱向溝槽，在縱向溝槽切割的同時，橫向破土鋸盤通過齒輪齒條的嚙合向下切割出一條1 m 長15 cm 深的溝槽。溝槽深度可根據土質堅硬程度自由調節，保證麥草能樹立固定即可。為減少橫向破土鋸盤的磨損，課題組增加了速度補償機構，即在機器整體向前移動的同時，破土鋸盤可以在滑軌上利用齒輪與齒條的嚙合向機器的相反方向運動，實現破土鋸盤在工作時相對靜止的功能。該功能可以保證機器能在土質堅硬的地方以最小的損耗完成同樣的工作。草帶傳輸機構將草料送到溝槽之上，再由鋪設裝置上的壓刀輪壓到溝槽當中，隨后由攏土刀將麥草樹立固定，完成整體的草方格鋪設工作。控制系統由單片機控制，超聲波測距模塊安裝在車架尾部，通過不斷調整方向保持種草車直線行駛而不受不平整地形的影響，最終完成草方格的鋪設工作。該裝置有效降低了種草機的使用難度，自動化程度高，極大地提高了工作效率[8]。

1.1 本裝置創新點

本裝置有以下創新之處：

1）與傳統鋪草機相比，設置了橫向和縱向同時鋪草功能，工作效率更高。

2）鋪草數量可根據地形情況自由調節，對于地形復雜不平整且土質堅硬的工況，可選擇性使用鋪草模塊；對于地形平坦且土質疏松的工況，可使用多個鋪草模塊。相比于其他機器，操作更靈活方便，適應性更廣泛。

3）采用超聲波測距模塊，可以嚴格控制破沙鋸盤與縱向麥草的間距，這是普通的鋪草機不能達到的。

4）通過修改編程即可實現不同大小的草方格鋪設，使設備的實用性更上一個臺階。

5）機器配置有起重臂，可以實現對鋪草模塊的收放，節約空間，方便裝置結束工作后的回收過程。

1.2 模型建立與仿真

本裝置的設計通過運用整合了自由式與參數化這兩種建模方式[9]的Creo Parametric 軟件對多功能防風固沙種草機進行建模，再結合具備優化處理、計算求解、模型創建等多種功能[10]的動力學分析軟件ADAMS 對相關機構進行運動仿真分析。在產品設計完成的同時，能對其結構運動合理性有一個預先的檢測，從而大大提高機械產品的設計效率，降低產品生產后出現干涉或運動無法達到預期效果的風險。

1.3 運動仿真過程

將模型導入ADAMS 軟件，對一些環境參數進行設置，如圖2 所示。其中坐標系選擇為笛卡爾坐標系，設置重力加速度G＝9.8 m/s2，單位制為MMKS，設置起重臂部件之間的約束，約束方式如表1 所示。

圖2 起重臂模型圖

表1 起重臂各部件間約束方式

1.4 ADAMS仿真結果及其分析

本文針對起重臂的速度補償機構與下刀裝置進行結構仿真及后處理并導出結果，設置仿真時間1s轉動運行30°，對運動仿真結果進行分析。

在機器運行時，起重臂1 s 旋轉30°，同時起重臂完成升起或下降動作，且保證伸縮桿的運動距離不超過氣缸行程，從圖3 和圖4 可以看出，其行程范圍為400 mm，在可允許的誤差范圍內。即起重臂旋轉時，起重臂的升起或下降運動不會發生相互干涉，符合設計預期。

圖3 往復橫梁工作情況

圖4 速度曲線

2 總結

課題組設計了一款多功能防風固沙種草機，該裝置具有更多的功能，包括可控數量草方格的鋪設、鋪草模塊的收放、超聲波測距自動控制行駛等。為了進一步確定該機器的可行性，課題組使用ADAMS 軟件進行鋪草模塊的虛擬樣機構建，對機器運行時主要工作部件的運動情況進行分析。仿真結果表明，該裝置可以順利地對預期過程進行仿真，結果符合設計要求，可以很好地實現應該具備的功能。

課題組通過對多功能防風固沙種草機進行設計，讓沙漠化治理有了更多的方向，同時有效恢復了沙區植被并提高了沙區生態功能，遏制了我國土地沙漠化蔓延的進程。而在防風固沙種草機不斷發展的同時，還需結合有限元分析與輕量化設計，這樣不僅可以滿足使用的需要，還可以提高設計精度與效率，進一步促進我國環境治理領域向著智能化、多功能化、多元化的方向發展，加快改善我國的沙漠化現狀，造福人類。