基于SolidWorks的草方格鋪設(shè)機(jī)器三維建模*

梁發(fā)周 ， 梁士玉 ， 吳芳明

（南昌航空大學(xué)科技學(xué)院，江西 九江 332020）

0 引言

有關(guān)報(bào)告表明，我國(guó)沙漠和沙漠化面積約有1 680 849 020 hm2，占國(guó)土面積的17.59%[1]。我國(guó)是世界上土地沙漠化最嚴(yán)重的國(guó)家之一，土地沙漠化危害眾多，會(huì)使水土流失加快，大大降低土壤的質(zhì)量[2]。土地沙漠化還會(huì)對(duì)一些地區(qū)的交通、建筑等造成嚴(yán)重的影響，對(duì)人們財(cái)產(chǎn)造成損失。

荒漠化土地治理工程量巨大，任務(wù)艱巨，而且需要很長(zhǎng)時(shí)間才能看到治理效果，在這個(gè)過(guò)程中還要耗費(fèi)大量的資源。人們一直在尋求有效治理土地沙漠化的方法。治沙方法有很多種，如工程防沙[3-4]、化學(xué)固沙[5-6]、植物固沙[7]等。鋪設(shè)草方格是其中的辦法之一。草方格沙障是將稻草、麥秸等材料預(yù)先制成所需要的長(zhǎng)度，然后把它整齊地鋪在地上擺成縱橫交錯(cuò)的線，再用平頭鐵鍬把它插入土里，形成方格形狀。在正常的條件下，草方格沙障能達(dá)到4～5年有效阻擋風(fēng)沙流動(dòng)，當(dāng)時(shí)間久了后草方格沙障效果減弱，如果要保障草方格沙障作用的長(zhǎng)久性，就要對(duì)一部分因受風(fēng)沙影響而被侵蝕壞的草方格沙障進(jìn)行及時(shí)修復(fù)。此時(shí)，埋在土里的草料會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)并在風(fēng)和雨水的侵蝕下漸漸腐爛，并轉(zhuǎn)化為富含各種營(yíng)養(yǎng)的有機(jī)物，這些有機(jī)物可以促進(jìn)土壤中一些微生物的生長(zhǎng)和繁衍。微生物種群的不斷增加，可促進(jìn)土壤中有機(jī)物的分解，讓土壤中各種植物的根系得到更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而反過(guò)來(lái)促進(jìn)荒漠中植物的生長(zhǎng)，有利于防風(fēng)固沙。在沙漠化地區(qū)鋪設(shè)草方格沙障，可以使地表形成一堵“風(fēng)墻”，有效增大地表的摩擦力，使地表風(fēng)速減緩，從而抑制沙丘流動(dòng)，起到防風(fēng)固沙的作用。因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程中的用料都是天然的草料，所以對(duì)環(huán)境的污染很小或無(wú)污染。

鋪設(shè)草方格沙障不僅可以改良和提高土壤水分、固水保濕、保護(hù)土壤[8]，而且工作內(nèi)容比較簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)鋪設(shè)草方格沙障由人工來(lái)完成，先將草料鋪到地面，再通過(guò)專用的平頭鐵鍬將其壓入沙中，壓入的深度也很講究，具體情況要考慮到多種因素，如地勢(shì)地形等。但這種方法存在一定的局限性，如只能在特定的地區(qū)鋪設(shè)，并且會(huì)消耗大量的人力、物力，不僅效率低而且鋪設(shè)質(zhì)量普遍不高，不適合大規(guī)模鋪設(shè)作業(yè)。基于草方格沙障治沙的有效性，課題組設(shè)計(jì)出了一款能夠替代人工鋪設(shè)草方格沙障的機(jī)器，并使用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行三維實(shí)體建模。

1 設(shè)計(jì)分析

1.1 SolidWorks簡(jiǎn)介

SolidWorks具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，這使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件之一。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤并提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。SolidWorks 不僅提供強(qiáng)大的功能環(huán)境，而且對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。基于SolidWorks軟件諸多的優(yōu)點(diǎn)，課題組使用該軟件對(duì)草方格沙障鋪設(shè)機(jī)器進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)[9]。

1.2 方案設(shè)想

從動(dòng)力元件出發(fā)，考慮到機(jī)器鋪設(shè)草方格沙障時(shí)需要進(jìn)行靈活的調(diào)頭、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，并且工作環(huán)境是在沙漠中，因此選用兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，分別對(duì)左右車輪進(jìn)行控制。機(jī)器的輪子選用履帶式。這樣能在實(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)彎的同時(shí)保證機(jī)器在沙漠中行駛的平穩(wěn)性。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與減速箱的輸入軸相連，減速箱減速后的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與車后驅(qū)動(dòng)輪軸相連。同一側(cè)的各車輪由履帶相連。中間的車輪延伸出一個(gè)傳動(dòng)軸，上裝有皮帶輪，鋪設(shè)機(jī)構(gòu)兩滾筒軸分別裝有皮帶輪、齒輪。皮帶輪尺寸相同。兩個(gè)皮帶輪由皮帶直接連接，再設(shè)置一根傳動(dòng)軸，上裝有齒輪，尺寸與滾筒齒輪相同并與齒輪嚙合。這樣就可以完成鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的工作任務(wù)，即車在前進(jìn)的時(shí)候車輪帶動(dòng)一個(gè)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，然后再通過(guò)齒輪帶動(dòng)另一個(gè)滾筒同速異向轉(zhuǎn)動(dòng)。在車輪與滾動(dòng)的連接中還應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的變速箱，像汽車一樣，擁有空擋和多個(gè)變速擋位。當(dāng)處于空擋時(shí)，車輪與滾筒之間的連接將斷開，只有當(dāng)擋位處于工作擋時(shí)，車輪才與滾筒之間建立連接，這樣就可以使車輛單純移動(dòng)位置，并非進(jìn)行壓草工作時(shí)節(jié)省能源損耗，而且可以適應(yīng)機(jī)器的不同移動(dòng)速度，以便提高鋪設(shè)的效率。設(shè)計(jì)在車尾部的壓草機(jī)構(gòu)通過(guò)電磁換向液壓裝置進(jìn)行單獨(dú)控制，車輛動(dòng)作且非壓草工作時(shí)保持抬起，在進(jìn)行壓草工作時(shí)控制其壓入沙中，隨車輛運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)鋪設(shè)壓草任務(wù)。

此模型運(yùn)用了模塊化設(shè)計(jì)，把總功能分解成鋪設(shè)功能、壓草功能等幾個(gè)部分。再根據(jù)草方格沙障各個(gè)功能制作的相關(guān)要求來(lái)完成每個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

2 鋪設(shè)機(jī)構(gòu)

鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的主要作用是把草料按照特定的要求鋪在沙地上，這也是制作草方格沙障的第一步。對(duì)于鋪設(shè)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先分析鋪設(shè)的主要對(duì)象——草稈。為了便于運(yùn)輸和收集，這種草稈都是提前整理加工好的，將一根根草稈編制成“草席”，與生活中的涼席一樣，一捆一捆地打包好，每捆直徑達(dá)到1 m左右[10]，草稈的長(zhǎng)度按照實(shí)際鋪設(shè)草方格的需要而加工整理出來(lái)。運(yùn)用因果異同聯(lián)想創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工作業(yè)進(jìn)行鋪設(shè)。經(jīng)過(guò)觀察分析，家中壓面條機(jī)器的工作原理或許可以滿足該設(shè)計(jì)需求。在壓面條時(shí)，將醒好的面團(tuán)放在機(jī)器兩個(gè)滾筒之間，然后轉(zhuǎn)動(dòng)手柄通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，面團(tuán)與滾筒之間的有益摩擦力很大，所以滾筒對(duì)面皮會(huì)有向下的力，加上面皮自身的重力，就能將它“拉”下來(lái)平鋪在下面。下來(lái)的同時(shí)需要有人接住，不然就會(huì)堆在一起，剛好機(jī)器也是邊走邊鋪設(shè)，只要保證二者速度一致，就不會(huì)出現(xiàn)草料堆積、無(wú)法下壓的情況了。

提前整理編制好的草料可以當(dāng)作將要下壓的面團(tuán)，根據(jù)壓面條機(jī)的原理進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到想要的效果。設(shè)計(jì)兩個(gè)相互平行并且直徑相同的滾筒，保證兩個(gè)滾筒之間有一定的縫隙能使鋪設(shè)草方格沙障的材料通過(guò)。

綜上所述，對(duì)鋪設(shè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，要實(shí)現(xiàn)鋪草的功能，兩個(gè)滾筒應(yīng)該轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反。對(duì)此，可以在兩個(gè)滾筒的同一端加裝兩個(gè)完全相同而且相互嚙合的齒輪，以滿足轉(zhuǎn)動(dòng)同步且轉(zhuǎn)向相反的需求。考慮到草料和滾筒間的摩擦力很小，為防止鋪設(shè)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)草料打滑無(wú)法卷入，使鋪設(shè)草方格沙障效果更好，在兩滾筒表面增加了許多凸起的疙瘩。在鋪設(shè)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)滾筒間的疙瘩會(huì)卡住草料并將草拉入，隨草方格鋪設(shè)機(jī)器的直線運(yùn)動(dòng)將草料平鋪到地面上。考慮到鋪設(shè)草料的速度要與機(jī)器行走速度相匹配，故需要滾筒表面的線速度要與機(jī)器前進(jìn)的速度大小相同，即與履帶行駛的線速度大小相同。由于滾筒和動(dòng)力源之間的傳動(dòng)比都是1∶1的關(guān)系，沒(méi)有進(jìn)行變速設(shè)計(jì)，所以只要保證滾筒的直徑和履帶輪的尺寸相同就可以實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)草料的速度與機(jī)器前進(jìn)的速度大小相同。滾筒的長(zhǎng)度是根據(jù)鋪設(shè)草方格沙障所用草料的長(zhǎng)度來(lái)設(shè)計(jì)的，一般在1 m左右。

3 壓草機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)人工制作草方格沙障是將草料先均勻地鋪在地上，然后用平頭鐵鍬一腳一腳地把草扎進(jìn)土里完成壓草工作。需要人工反復(fù)使用平頭鐵鍬把鋪設(shè)好的草料扎入沙中這個(gè)動(dòng)作，可想而知效率會(huì)非常低。而且人工壓草不能保證每次使用的力度都相同，這樣鋪設(shè)出來(lái)的草方格可能會(huì)使草插入土里的深度不同，從而影響草方格沙障的質(zhì)量。這個(gè)步驟相對(duì)來(lái)說(shuō)動(dòng)作比較單一，完全可以用一個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)代替完成。對(duì)于壓草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)人工的工作方式去思考如何把草扎進(jìn)土里：設(shè)想用一個(gè)圓盤代替鐵鍬來(lái)完成這一工作，即圓盤繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將其固定到鋪設(shè)機(jī)器的后方，當(dāng)前面鋪設(shè)機(jī)構(gòu)鋪草進(jìn)行的同時(shí)，隨著機(jī)器的向前運(yùn)動(dòng)，加上機(jī)器自身的重力和前進(jìn)的拉力，即可將前面鋪設(shè)好的草料壓進(jìn)沙里。這樣就可以連續(xù)把草壓進(jìn)土里，并且保證壓入的深淺一致。在圓盤與機(jī)身的連接處加上一個(gè)液壓缸，它可以根據(jù)不同的環(huán)境需求來(lái)調(diào)整草料被壓入的深度，同時(shí)在不工作時(shí)把壓草機(jī)構(gòu)抬起，減小機(jī)器運(yùn)動(dòng)的阻力。通過(guò)與電磁換向液壓缸連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行控制。

4 推土機(jī)構(gòu)

考慮到沙漠化地區(qū)風(fēng)沙流動(dòng)性比較大，導(dǎo)致出現(xiàn)地面凹凸不平的情況。所以本設(shè)計(jì)增加了推土機(jī)構(gòu)。推土機(jī)構(gòu)工作時(shí)把它的底面降至與履帶和地面接觸面在同一水平線，主要作用是在機(jī)器工作時(shí)可以把機(jī)器前面凹凸不平的沙土盡量推得平整些，提高鋪設(shè)草方格沙障的質(zhì)量，同時(shí)也要盡可能地降低阻力，減小能耗。在傳統(tǒng)推鏟的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)，把前面的平板設(shè)計(jì)成V型，這樣前進(jìn)時(shí)能使土向兩邊分散，從而達(dá)到降低阻力、節(jié)約能源的效果。通過(guò)與電磁換向液壓缸連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行控制。

5 整體裝配

鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)滾筒尺寸相同，把它們水平放置，二者之間保留較小的間隙，工作時(shí)保證同速異向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)兩滾筒兩側(cè)進(jìn)行包裹保護(hù)，防止草料意外卷入導(dǎo)致堵塞，上下設(shè)置保護(hù)導(dǎo)向板，讓草料有明確的進(jìn)出方向。草方格鋪設(shè)機(jī)裝配模型如圖1所示。

圖1 草方格鋪設(shè)機(jī)裝配模型

壓草圓盤1為從邊緣到圓心逐漸加厚的圓盤。這樣能夠在保證一定強(qiáng)度的前提下使壓草阻力減小，便于草料的壓入。將支架2連接到箱體上，支架2中放有彈簧減震裝置，以便在機(jī)器工作時(shí)對(duì)壓草機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。液壓缸3一端連接箱體4，另一端液壓桿與支架2連接，液壓缸3伸縮，使支架2繞著與箱體4連接處的插銷軸線上下轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)圓盤1的高度進(jìn)行調(diào)整。箱體4為長(zhǎng)方形的板子。變速箱5由齒輪副和變速箱外殼組成，變速箱5通過(guò)聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)輪11的軸連接，變速箱5有兩個(gè)，分別驅(qū)動(dòng)機(jī)器左右履帶，可以單獨(dú)控制。料倉(cāng)6由兩塊傾斜放置的長(zhǎng)方形擋板和兩旁的箱體擋板組成。料倉(cāng)下面安裝有保護(hù)罩7。鋪草裝置主要由兩個(gè)表面粗糙的滾筒8組成。兩個(gè)滾筒為空心的，且軸線在水平面內(nèi)平行。兩個(gè)滾筒中間留有一定的距離，此距離可以根據(jù)鋪草的情況進(jìn)行調(diào)整。滾筒8上面安裝有兩個(gè)保護(hù)罩7。滾筒8軸的一端安裝一個(gè)皮帶輪，皮帶輪使用V型帶與下方的皮帶輪連接。兩個(gè)滾筒的同一端裝有一對(duì)嚙合的齒輪，保證滾筒8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)方向相反。驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器工作時(shí)通過(guò)液壓系統(tǒng)把推鏟9放下，并調(diào)整到合適位置。將整理好的草料放入料倉(cāng)，滾筒8轉(zhuǎn)動(dòng)把料倉(cāng)中的草料鋪在地上。隨后在圓盤1的壓力作用下，草被壓入沙中。部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 部分技術(shù)參數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)并行設(shè)計(jì)、因果異同聯(lián)想創(chuàng)新、還原創(chuàng)新原理和功能集成等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)原則的約束下利用了液壓傳動(dòng)等技術(shù)，同時(shí)結(jié)合PLC控制器與電磁換向閥控制相關(guān)機(jī)構(gòu)，使機(jī)器能自動(dòng)完成草方格沙障的鋪設(shè)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)化。在解放勞動(dòng)力的同時(shí)提高治沙速度和質(zhì)量。其體積在1.5 m*1.2 m*1.2 m（長(zhǎng)*寬*高）之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)小巧靈活便于運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)降低成本。