一種多功能立體固沙車的關鍵結構設計與控制

韓凱旋 馬子康 張岳琦 張 震 付嘉鵬 王 銳

(石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

本研究通過設計一種基于Arduino 控制的多功能立體固沙車，與橫向插草機構、縱向壓草機構的有效配合，可完成對草方格沙障的一次性鋪設，同時泥草漿噴灑機構將草籽噴灑到沙障中，其工作效率高，能夠實現對沙漠化地區流動沙丘的固定和綜合治理［1］。多功能立體固沙車可代替傳統的人工操作，在節省大量人力、物力的同時，還可極大地提高治沙的效率，對我國沙漠治理工作有著重大的現實意義。

1 總體結構

多功能立體固沙車（見圖1）主要由前、中、后三部分組成。固沙車前段設有縱向插草裝置以及核心控制系統；固沙車中端設有橫向插草裝置，由橫向輸草機構及上下運動的切刀組成，實現對沙障的縱向設置。通過橫向和縱向壓刀的配合，來完成草方格沙障的一次性設置；固沙車后段設有泥漿混勻噴灑裝置，在設置完沙障后，后部噴灑裝置可進行草籽的播種作業。

圖1 總體結構示意簡圖

2 關鍵結構設計

2.1 車體結構和底盤設計

多功能立體固沙車采用的是沙漠越野專用底盤，該底盤適用于在沙漠腹地作業的大型越野車輛，全驅底盤不僅可通過柴油發動機為固沙車提供充足的動力，還可搭配可變形履帶系統及扭矩車架，使固沙車轉向更靈活、可靠性更高，從而具有良好的承載能力。多功能立體固沙車的車輪采用履帶輪，扁長式的履帶能夠有效減小其對地面的壓強，在沙漠地區具有較好的牽引性能與通過性能，使車輛能在沙漠與浮土地區暢通無阻。固沙車的四條履帶輪均由柴油機驅動的液壓馬達來提供動力，在驅動力矩的作用下，輪胎與沙土接觸部分會產生足夠大的牽引力，在牽引力的作用下，固沙車可實現穩步前進［2］。

2.2 草方格布置機構

2.2.1 縱向壓草機構。對于縱向鋪草任務，固沙車的前進速度即為縱向鋪草機構的鋪草速度。縱向切刀采用電機驅動的方式，可實現固定角度的可控擺動，使切刀支撐機構帶動切刀實現上下擺動。草料箱中的草席按一定速率沿小車行進的軌跡均勻鋪開，再通過安裝在兩側的縱向切刀將草席壓入沙土中，其壓草深度設計為40 cm。壓草時，兩側切刀落下，實現壓草。通過設置在左右兩側的縱向切刀，來實現對草方格兩側的同時布置。

2.2.2 橫向插草機構。橫向插草裝置由輸草機構和插刀機構組成。輸草機構為偏心曲柄滑塊機構，利用其急回的特性，通過鉤草耙將草席快速平鋪在壓草門上。為實現1 m×1 m 規格的草方格布置，橫向鋪草機構一次鋪草長度應為1 m，則在該偏心曲柄滑塊機構中，滑塊移動距離xc=100 cm，設計偏心距為60 cm，則L1=95 cm、L2=205 cm。插刀機構通過齒輪齒條機構將草壓入并切斷草卷。該齒輪齒條機構由齒輪和齒條構成，電機將動力施加在齒輪上，該機構將齒輪的回轉運動轉變為齒條的往復直線運動［3］。通過控制系統來控制電機的周期性正反轉來帶動齒條底端的T 形切刀，從而實現周期性上下往復運動，將草卷切斷，并插入沙土中。為保證草卷的鋪設，齒條底端的T 形切刀的橫端為稍突起的鋒利刀頭，可實現對草卷的切斷，其刀長為草卷的寬度，即為50～70 cm，豎端為鈍刀頭，可將切斷的草簾壓入沙土15～20 cm 中，其刀長為草方格的寬度，即為100 cm。橫向輸草機構與插刀機構相互配合，最終實現橫向鋪草的功能。

2.2.3 橫向插草機構的運動方案可行性分析。為了使橫向插草機構能夠順利完成鋪草任務，要保證橫向插草機構中的輸草機構與插刀機構在有限的空間內不發生碰撞，且二者能夠相互配合，順利完成工作任務。故需要對此結構的運動方案進行可行性分析。首先將橫向插草機構進行簡化，并等效為曲柄滑塊機構，建立如圖2 所示的數學模型。通過對輸草機構與插刀機構的運動進行分析可知，在曲柄主軸旋轉一周的過程中，會出現兩個極限位置，即在其運動過程中輸草機構的最右側坐標與插刀機構最左側坐標相等。此時，會出現輸草機構與插刀恰好將要接觸的情況。由于兩個極限位置出現的時間間隔較短，所以預設在第二個極限位置后使插刀從最高位置下落，并在曲柄旋轉至下一周之前完成插草動作的往復運動。其次，根據上述運動分析以及設定的草方格數據來建立數學坐標方程，求出曲柄滑塊在兩個極限位置處的坐標Xc，以及對應位置相較于初始位置曲柄滑塊旋轉的角度θ1和θ2。在曲柄滑塊旋轉至θ2時，插刀機構開始進行一次插草動作的往復運動，并在曲柄旋轉至下一周之前，完成一次完整的插草動作。通過已知的曲柄角速度w，計算出旋轉360°-θ2所需要的時間t，根據時間t來合理設置插刀機構往復運動的速度v，從而保證輸草機構與插刀機構在工作過程中不發生碰撞，保證二者能夠正常工作。通過上述分析過程，可以計算得出插刀機構進行往復運動的時間間隔Δt，進而可以對小車前進的速度v1進行調節，即可完成預設的草方格鋪設任務。最后，在SolidWorks 軟件中建立三維模型，并對橫向插草機構進行Motion 運動仿真分析，以驗證上述分析的正確性，以及橫向插草機構中輸草機構與插刀機構相互配合，實現橫向鋪草功能的可行性。

圖2 曲柄滑塊機構示意圖

2.3 泥草漿噴灑裝置

在多功能立體固沙車鋪設草方格沙障的同時，可利用固沙車后段的噴灑裝置進行草籽的播種工作。該裝置包括錐形料斗、兩根攪拌軸、齒輪箱、電機。攪拌軸位于齒輪箱和錐形料斗之間；攪拌軸葉片與錐形料斗的下表面之間留有用于出料的間隔；攪拌軸由下至上分為下攪拌葉片、螺旋攪拌葉片和上攪拌葉片［4］，上攪拌葉片為豎直的三角形狀，與動力齒輪箱連接在一起，且相鄰的兩上攪拌葉片采用上下交錯的方式，螺旋鉸刀及下攪拌葉片可對物料進行有效的混合鋪灑。該錐形料斗內設有兩個攪拌軸，在開始工作后，攪拌軸可高速轉動，將物料從出料口排出，并在下攪拌葉片的作用下，將草料鋪灑在沙漠表面，完成鋪漿工作。

2.4 草卷輸送裝置

縱向鋪草機構的后備草卷安放在相應的機構上方。草卷依靠自重下落，并由傳送帶將草卷輸送到正確的位置上。

由于車輛整體高度不宜過高，所以將橫向鋪草機構的后備草卷懸掛在車體兩側，采用帶有可折疊支架的網格式傳送帶將草卷逐個送入正確位置。在草卷放到支架上后，由于支架與水平面存在一定的角度以及末端帶有凸起，為了使支架能安穩牢固地攜帶草卷上升，在草卷落位后，帶有扭轉彈簧的支架便折疊進傳送帶內，在節省空間的同時也不影響鋪草機構的正常運轉。傳送帶的動力傳送采用鏈條式傳動，傳動效率穩定。但鏈條傳動容易受草料的影響，所以在草卷輸送裝置與傳送機構之間安裝隔板，在避免草卷意外卡住的同時，也保護了傳送機構的安全，降低了機構日常養護難度。

3 控制系統設計

Arduino是一個以AVR單片機為核心的開源硬件平臺［5］，可以向外擴展所需的功能模塊。使用C語言編寫各個功能模塊所需的運行代碼，并配合其自帶的開發環境Arduino IDE，可高效地完成模塊所需代碼編寫并上傳至Arduino中。

按照多功能立體固沙車的功能要求，所需擴展的功能模塊包括驅動模塊、植草模塊、送料模塊、噴灑模塊、視覺模塊以及遠程控制模塊。各模塊的程序編寫都可在Arduino IDE 中完成，編譯成二進制文件后再燒錄至Arduino 中，即可搭建出各模塊間最基本的程序配合框架。其控制系統的工作流程為：系統啟動，各模塊初始化，連接遠程控制模塊，發出開始指令，驅動模塊開始工作，帶動小車按既定路線行駛，送料模塊輸送草料，植草模塊與噴灑模塊按照一定的時間間隔進行工作，二者相互配合，最終完成草方格固沙工作。詳細流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖

4 工作模式

面對沙漠中復雜多變的地形，多功能立體固沙車的工作模式可分為兩種。一種為自動控制模式，適用于地形較為平坦的大面積固沙，可提前劃分固沙車的工作區域，規劃行進路線，并排除工作路徑上較為明顯的障礙物及流沙區域。按照工作路線將固沙車工作所需的動作代碼提前進行編譯，并上傳至控制中心，在啟動后，固沙車就可按照既定路線完成在該區域的固沙工作。另一種為遠程手動控制模式，適用于地形較為惡劣且工作面積不大的沙漠區域，在完成裝填草料等準備工作后，可通過遠程控制模塊啟動固沙車，視覺模塊可采集路況信息，并利用遠程控制手柄手動控制固沙車完成固沙工作。

5 結語

本研究設計了一款多功能立體固沙車，利用SolidWorks 軟件對多功能立體固沙車進行三維建模，創新設計了多功能立體固沙車的橫向插草機構。通過對橫向插草機構的運動仿真模擬，驗證了橫向插草機構中輸草機構與插刀機構同時工作的可行性，并通過Arduino 系統的控制，可一次性完成草方格的鋪設工作，能大幅度提升沙漠治理工作的效率。