劉智豪，石佳磊，郭朝陽，魏若旭，李 兵

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 智能制造學院，西安 710300）

隨著我國綠色環(huán)保事業(yè)的不斷發(fā)展，植樹造林工作不斷深入，沙漠戈壁植樹工作大力開展，各類種植機械層出不窮。沈陽大學的關佳征[1]設計了一款戈壁沙漠植樹機器人，可在各類復雜地形中實現(xiàn)樹苗的轉運、樹坑挖掘、樹苗栽種和土壤夯實等一系列作業(yè)。南京理工大學泰州科技學院的殷勁松等[2]設計了一款小型全自動植樹機，通過對電機的控制完成鉆孔、植苗和填土等一系列種植工作。遼寧科技大學的馬浩欽等[3]對沙漠自動植樹機器人進行了創(chuàng)新設計，該植樹機器人以太陽能為能量來源，設計的可改裝底盤裝置可適應沙漠地形作業(yè)；設計的分選轉盤裝置可實現(xiàn)分苗作業(yè)；設計的澆水儲水裝置可實現(xiàn)種植完成后對樹苗進行噴水作業(yè)。新疆石河子炮臺土壤改良試驗站的朱擁軍等[4]針對新疆戈壁沙漠環(huán)境特點，采用滴灌方法對榆樹進行種植，實現(xiàn)對荒漠環(huán)境改良的目的。甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院的白仕瓏等[5]針對山地丘陵等復雜地形，設計了一款多功能自動鋪膜裝置，可有效解決薄膜拉緊、節(jié)省工時等問題，極大地提高了鋪膜效率。蘭州石化職業(yè)技術學院的李衛(wèi)衛(wèi)等[6]設計了一種多功能立體沙漠壓沙種草機，可實現(xiàn)秸稈鋪設和種草的目的。

基于以上研究，本文介紹一款轉盤式沙漠種植機，可很好地完成機械設備在沙漠中鉆孔、儲苗、植樹和覆土一系列作業(yè)。

1 轉盤式沙漠種植機結構設計

轉盤式沙漠種植機由鉆孔單元、旋轉盤植樹單元、覆土單元和設備車體構成。以直徑為1～2 cm、高35～55 cm 的樹苗作為研究對象，整體結構尺寸均以此作為設計標準。圖1 為轉盤式沙漠種植機設計圖。圖2為整機運動流程圖。

圖1 轉盤式沙漠種植機設計圖

圖2 整機運動流程圖

首先，將栽植樹苗放置在旋轉盤植樹單元的儲苗管內，開啟電源，鉆孔單元在地面打孔；其次，驅動電機啟動，設備運轉前進，將旋轉盤植樹單元的出苗口移動至鉆孔上方，旋轉盤植樹單元中轉盤旋轉至樹苗儲苗管、出苗管與地面空洞三者同軸心時，輸苗落入孔洞內；然后，驅動電機再次啟動，設備運轉前進，覆土單元將兩側沙土覆蓋在樹苗兩側固定樹苗，完成1 次種植，后續(xù)重復以上流程；最后，種植結束，關閉電源。

1.1 鉆孔單元設計

鉆孔單元需在沙漠中進行鉆孔作業(yè)，由步進電機、連桿、直桿、軸用軸承和鉆頭5 部分組成。整體運動采用曲柄滑塊機構。步進電機帶動曲柄連桿運動，鉆頭與直流電機連接固定在一起，鉆頭進行豎直方向往復運動，從而實現(xiàn)在沙漠種植時鉆孔作業(yè)。根據(jù)樹苗尺寸范圍，孔深最大可達30 cm。圖3 為鉆孔單元。

圖3 鉆孔單元

1.2 旋轉盤種植單元

旋轉盤種植單元分為儲苗部分與出苗部分，由儲苗管、空心轉盤、主動輪、從動輪、步進電機、出苗管和支架幾部分組成。

空心轉盤分為上下2 部分，下部分通過支架固定，連接主動輪、步進電機及出苗管，上部分連接儲苗管、從動輪。將輸苗存儲在儲苗管內，設備運動，使得出苗管出口運動至與鉆孔單元孔洞同軸心。步進電機提供動力，連接主動輪帶動從動輪使空心轉盤上部分旋轉，當儲苗管與出苗管同軸心時，即此時存有樹苗的儲苗管、出苗管及孔洞3 者同軸心，儲苗管內樹苗通過出苗管落入孔洞中，完成樹苗種植作業(yè)。圖4 為旋轉盤種植單元。

圖4 旋轉盤種植單元

1.3 覆土單元設計

覆土單元主要負責在樹苗種植后的沙土回填，覆土單元由U 型支架、立方桿及覆土盤幾部分組成，兩側的覆土盤通過U 型支架固定在車體后側，傾斜角度可根據(jù)實際需求進行調整。由車體運動從而帶動覆土盤前進，將兩側的沙土回填到樹苗孔洞內固定樹苗，減少人工成本。圖5 為覆土單元。

圖5 覆土單元

1.4 設備車體設計

設備車體包括驅動輪和車架，安裝有供電設備與控制裝置，整體通過要以保證整體設備的控制運動。由邁克MC 遙控器發(fā)射信號，作用于電子調速器，電子調速器將12 V 電流轉為可控電流作用于直流電機，實現(xiàn)了對直流電機的控制，進而可實現(xiàn)對車體的運動控制。圖6 為設備車體設計。

圖6 設備車體

2 運動仿真分析

在結構設計過程中，使用Adams 2016 軟件對鉆孔單元，進行運動仿真分析，以確定其最終合理設計尺寸[7]。根據(jù)樹苗長度直徑及種植深度，確定曲柄長度LAB=12.5 cm，連桿長度LBC=17.5 cm，滑塊最大行程為Smax=LAB+LBC，最小行程為Smin=|LAB-LBC|，即打孔作業(yè)時，鉆頭在5～30 cm 范圍內進行往復運動。圖7 為曲柄滑塊機構原理圖。

圖7 曲柄滑塊機構原理圖

在給定連桿尺寸情況下進行動態(tài)仿真分析，仿真時間設置為60 s，步數(shù)為700。最終得到曲柄搖桿的位移、速度和加速度的曲線圖，根據(jù)經驗分析可知設計滿足要求。圖8 為曲柄滑塊機構的運動特性分析。

圖8 曲柄滑塊機構運動分析圖

通過對轉盤式沙漠種植機各單元機械結構的設計，以及對打孔單元的運動分析，裝配后得到沙漠種植機的整體模型。該設備不受場地的限制，可以適應多種環(huán)境，應用廣泛；自動化程度高，大量地減少了人工的成本，操作簡單后期維修保養(yǎng)成本底；使用遙控控制整體機械可操作空間，容錯率大大提高；采用科學的方式精準計算打孔深度提高了樹苗的存活率。圖9 為轉盤式沙漠種植機整體三維模型。

圖9 轉盤式沙漠種植機三維模型

3 結束語

設計的轉盤式沙漠種植機代替了人工，可在更少時間內完成更多工作，提高沙漠植樹效率。在技術實現(xiàn)方面，該裝置的結構按照現(xiàn)有車體的尺寸及設計的空間布局進行設計，適用性強。采用常見的曲柄搖桿機構、齒輪傳動機構結構簡單，制成本更低，實用性高。動力及運動方面，消耗功率小，整體操作方便，簡單靈活，后期維護成本低。其由打孔單元、旋轉羅盤單元、驅動單元和覆土單元組成，操作簡單種植效率高、樹苗存活率高，極大地減少人工成本。不僅對我國防風固沙、沙漠綠化有很大益處，還可以產生較大的社會效益。