一种手扶式草方格沙障铺设机的设计研究

摘 要：

鉴于设置草方格沙障是防风固沙的重要手段之一，设计了一种用于铺设草方格的手扶式一体机械装置，可以完成理草、铺草、插草和拢沙的工作，既可以有效提高草方格铺设效率，又具备轻便、实用性强等优点，可以弥补大型机械的局限性，有效助力防风固沙的相关工程。

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引言

目前，我国大约有1/3的国土面积正面临风沙侵害[1]，约4亿人直接或间接受到荒漠化的影响，因此国家十分重视沙化防治工作，大力支持沙化治理方向的科技创新。

在对沙漠化及沙化规律的研究和对国内外防风固沙技术的对比中发现，削弱风沙侵蚀最有效的是工程治沙中的草方格固定法[2]。然而，人工在沙漠的恶劣条件下铺设草方格沙障效率极低，治理速度远小于沙漠化的速度。因此，科学使用现代化机械装备铺设草方格沙障是防风固沙更为合理的选择，故着手研究草方格沙障铺设机具有重大意义。

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研制背景和意义

1.1 防风固沙方法

目前国内外固沙主要有3种方法，即生物固沙、化学固沙和沙障固沙[3]。生物固沙一般需要结合其他固沙方式使用，化学固沙效果通常不如另两种方法。而沙障固沙是目前防风固沙设计中最为成熟、普遍的一种防治手段，即通过沙障的建设对风沙起到固、阻、输、导的作用，达到防止风沙侵害的目的[4]，其中最具代表性的一种就是草方格沙障（图1）。

1.2 草方格的作用

（1）改良土壤：草方格沙障设置好1～2年之后，沙障之间就会形成比较稳定的凹曲面，除了面对风向部分的沙障，其他部分一般可以避免被风侵蚀，但露在外面的部分草障经过日晒雨淋，会慢慢变黑腐化，变成丰富的营养素和有机物，可以促进流沙中微生物的繁衍和成长，而伴随着微生物群落的加大，有机物的分解又得到进一步的促进，为沙土中生长的各种植物提供了更多、更营养的物质，从而形成一个良好的生态系统，使固沙的效果更加显著[5]。

（2）固水保湿：草方格沙障可以吸收保留雨水，减缓沙土中水分蒸发的速度。据测量，在流动的沙丘上种设草方格以后，沙层2 m以内的湿度可上升2%～3%，沙土含水量有明显的改善，在草方格里栽种的各种固沙的植物，成活率较以前传统的种植方法有了极大的提高[5]。

（3）风沙防护：草方格沙障可增大地表的粗糙度，减缓气流贴近地表的流动速度，减少气流带动的沙土总量。以1 m2的草方格沙障为例，其粗糙度为流沙区的200～400倍，沙土输送率仅为流沙区的0.25%～1%，其内风速比流沙区降低25%[5]。

由此可见，草方格沙障对于风沙防护起到了极其重要的作用。

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现有产品和设计分析

2.1 现有大型机械产品分析

现有投入使用的设备（图2）以重型卡车为载体，在车后部载货部分安装草料仓和铺设机构，在车后安装将草按压进沙地的压轮（图3）。

此种设备铺设效率较高，但有一些局限性：

（1）此设备仅适合在平坦的沙漠边缘地带工作，而在沙漠腹地以及起伏的地段需要小型机械来弥补空白。

（2）此设备的压草从动滚轮机构，决定了在工作中只能使用编制好的草料，否则，稻草之间缺乏连接，在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滚刀推着前进。而使用编制好的草帘会增加前期成本，降低实用性。

从以上几点出发，此次设计的机械应该以轻量化、灵活性和实用性为目标，以期在重型机械无法工作的环境下提高沙漠治理的工作效率，填补现有空白。

2.2 现有小型机械设计分析

2.2.1 设计1（图4）

（1）该机械是一个铺草机而非插草机。其中用到大量皮带传动机构，将草料从料仓传送到地面后再铺设，但缺乏插草机构。实际防风固沙中，铺草是一个相对简单的工作，而插草效率较低。因此，该机械的侧重点设计不妥。

（2）该机械体积过大且为纯机械结构，人力驱动费时费力。

（3）该机械采用轮式结构，在沙漠中，起伏的地形容易使其行进困难，局限性较大。

2.2.2 设计2（图5）

（1）这是一个自动化远程控制机械，而沙漠中信号覆盖率低，导致其实用性下降。

（2）该机械体积过大而料仓过小，补料时间间隔短，实用性低，无法体现自动化的意义。

（3）该机械采用从动滚刀式插草机构，必须使用编制好的草帘，增加了前期成本。若使用未编织的草料，在起伏地形中易造成部分草未被插入地中而是被滚刀推着前进，使最终插草效果不均匀。

（4）该机械采用从动滚刀式插草机构，插草过程中刀将在路面上开辟出一道沟，插草后草难以立稳，需要拢沙装置。而此机械没有设计拢沙装置，会使插草质量变差。

以上两个设计的滚轮进料机构值得借鉴，相比其他机构，此送料机构更加合理、高效。此外，使用履带行进也是值得借鉴的方案。

2.3 现有其他设计分析

目前还有横向、纵向同时铺设的设计方案，这种结构确实可以大大提高效率，但是忽略了以下几点：第一，草方格沙障必须具有“编织性”，如同布料一样横向、纵向相互编制交错，而交叉点是草方格受力最大的点，如果两个方向一同铺设，在交叉点处必然只有一层草料，甚至会因为草料重叠而无法实现交点编织，故不可行。第二，草方格尺寸多样，且有方形和菱形等不同形状，由地形和沙质决定，固定了列与列的距离无疑降低了产品的适用性。第三，经查阅资料，小型机械才是当下沙漠治理的发展趋势，增加结构等于缩小了货仓，降低了机械的灵活性，补充草料的次数增加也会大大降低效率和实用性。因此，不推荐使用这种形式铺设草方格。

针对现有大型机械的缺陷和小型机械不成熟、不全面的问题，结合沙漠治理机械化、机械轻型化的趋势，我团队设计了一款手扶式草方格沙障铺设机。

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我团队设计方案

3.1 整体设计方案

本设计方案考虑到以下4个关键点：

（1）实用性：为了使设计方案能够最终转化为产品，在设计之初就应当考虑实用性。沙漠地带人力运送草料较为困难，大型机械难以进入，故将大料仓作为设计要求之一，以实现减少装料次数、增加铺设距离的目的。此外，为增加实用性，将采用尽可能简洁的结构实现运动需求，这一要素也将在设计中体现。

（2）适用性：设计的适用性对最后成品的应用场景至关重要，为实现在起伏的沙漠地形运作，将该机械设计为手扶式小型机械，以弥补大型机械不能深入沙漠的缺陷。同时，考虑到实际草方格有多种材质，如秸秆、稻草等，不同材质的草料或者不同湿度、密度的草料会影响送料的均匀性，故设计了“1轮2带”送料机构，将在3.3详细介绍。

（3）紧凑性：为提高设计的可行性，在小空间内实现多功能和大料仓，产品的紧凑性便显得尤为重要。本设计创新地将行进履带同时用作送料履带，以实现机构的紧凑性，后期将继续优化改进料仓结构，使设计更为紧凑。

（4）合理性：根据设计背景所提到的我国现有大型机械投入运行，运行效率相当高，但存在成本高、对地形要求高等缺陷，将设计重点定为克服大型机械的局限性，实现深入沙漠腹地，并在起伏的沙地铺设草方格。因此，不应当盲目追求效率，而应将大料仓和机构合理作为设计依据。

根据以上关键点，设计了如图6所示的手扶式草方格沙障铺设机。

此机械主要分为三个部分：料仓、插草机构和送草机构。在3.2和3.3中将主要介绍插草和送草机构。

3.2 插草机构设计方案

3.2.1 结构

插草机构建模图如图7所示，原动件1和曲柄2同轴装配在机架上，曲柄2和连杆3通过销4连接，连杆3和刀杆5通过销6连接，在刀杆5上装有弹簧7。

3.2.2 运动

插草机构固定在机身上，通过电机带动实现间歇式插草。

上升阶段：电机输出的扭矩使原动件1匀速转动，直至接触到曲柄2上的凸起并带动曲柄2一起转动，从而使连杆3做平面运动，使刀杆5向上做竖直方向的直线运动，压缩弹簧7，刀被提起。

下降阶段：原动件1接触曲柄2转动半周后，曲柄2因下方连接件的重力作用先于原动件1快速转回，使刀杆5快速竖直下落，且下落过程中弹簧7释放弹性势能，使得刀杆5加速下落。两者共同使刀快速下落，从而实现插草功能，模拟人插草的过程。

3.3 送草机构设计方案

3.3.1 结构

送草机构斜视图如图8所示，其中机架与货仓为保证视图清晰而隐藏，轮1～6安装于机架（已隐藏）上，位置固定，仅能旋转；履带7安装于大驱动轮1～3上，由类齿轮4限制其位置；皮带8安装于小驱动轮5、6上；货仓（已隐藏）位于履带7和皮带8上方。

3.3.2 运动

履带部分实现行进与草料铺设功能。工作时，大驱动轮1～3驱动履带7运动，履带7下表面接触地面，推动整个机构向前运动；同时履带7上表面接触货仓中的草料，将草料带向货仓下方的出料口，进而使草料平铺在下部的水平履带部分，等待插刀下插。小驱动轮5、6带动皮带8运动，有上行与下行两种运动模式，取决于货仓内草料的密度和湿度：当草料密度较低时下行，与履带7共同将草料向下方带动，保证出料量；当草料密度较高时上行，将货仓底部的部分草料翻至上层，避免底部草料密度过大堵塞出料口。类齿轮4位于货仓出料口处，随履带7运动而转动，并在转动的同时将轮齿插入下方履带上的草料中，将草料分成小堆，保证出料通畅、均匀。

3.4 其他机构设计方案

为配合插草机构，在机械前端设置了开槽刀（图9），实现预开槽，以提高插草机构的可行性。

为保证插入地里的稻草稳定，在机械尾端设置了拢沙轮（图10），以保证插草的高质量。

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结语

此设计具有散草铺设、插草和拢沙机构，结构全面且料仓容积大，可以降低铺设成本，实现多地形插草，克服现有大型机械的局限性。

插草机构利用原动件和弹簧实现对曲柄滑块机构急回特性的加强，以模拟人工插草的过程。送草机构实现同一履带的行进和送料双重功能，提高了结构的紧凑性。料仓内的履带可根据草料情况调整转速和方向，以保证送料过程均匀，避免草料堵塞的情况。

此设计具有创新性，加工可行性也比较高，能够帮助实现沙漠治理，对于防范水土流失具有重要的理论及实践意义。

审核编辑 ：李倩