王 鹏， 权江坤， 胡 俊， 胡志刚， 陈君宝*

(湖北汽车工业学院，湖北 十堰 442000)

在沙化地区，由于风沙侵蚀等作用，对土地造成严重破坏，引发农田减产、土壤贫瘠、土壤流失，对人们的生活生产造成严重危害。 随着荒漠化防治工作的持续推进，我国沙化土地面积不断缩小、沙化速率不断降低，但防风治沙工作依然任重道远[1]。

沙柳生长迅速，枝叶茂密，根系庞大，固沙保土力强，利用价值高，是中国沙荒地区用于造林种植面积最大的树种之一。 它的嫩枝、鲜叶可作为畜牧的饲料；枝条可用于框篓等的编织；树皮可用于革材料的制取；树皮、根味苦性寒，具有较好的药用价值，可综合应用于医药行业[2]。 目前沙柳种植以人工种植为主，人工种植可分为湿法和干法两种，湿法种植的成活率高达90%[3]，远高于干法种植。

本文设计的沙漠沙柳湿法种植机，其工作流程是参考人工种植的方法进行种植，可完全代替人力在沙漠这种恶劣的环境中工作，具有较大的应用价值和广阔的市场前景。

1 功能需求分析

沙漠沙柳湿法种植机的工作流程:冲水打洞→同步沙柳苗送入苗槽→沙柳苗落进苗洞里→覆土并且进行二次冲水。 为实现精准高效的种植，需要确认最终的功能需求:

(1)为保证沙柳苗的种植深度，需要保证苗洞的深度和直径比在15～30 mm 左右。

(2)为保证沙柳苗能精准地落入苗洞内，需要保证落苗装置落苗时和打洞装置打的洞重合度在∅10 mm 以内。

(3)为保证落入苗洞的沙柳苗数量是固定的，需要确保从苗箱进入落苗装置的数量是恒定的。

(4)为保证沙柳苗的成活率，需要保证覆土是能将沙柳苗地下的部分完全覆盖住，同时还要保证土壤的透水率。

2 沙漠沙柳湿法种植机设计

2.1 整体说明

沙漠沙柳湿法种植机整体结构图如图1、图2 所示。 动作流程及机构选择如图3 所示。 设计采用简单的机械结构实现了柳苗的精准种植，整机的制造成本较低。

图1 沙漠沙柳湿法种植机俯视图

图2 沙漠沙柳湿法种植机三维图(去除苗箱)

图3 动作流程及机构选择

2.2 工作流程

种植机包括冲水打洞装置、传送装置、落苗装置和二次冲水装置。 冲水装置通过齿轮齿条传动实现打洞，同时传送装置将沙柳苗输送到落苗装置上。冲水装置将洞打好之后通过丝杠将冲水装置移开露出种植坑，落苗装置将沙柳苗送入种植坑中。 最后二次冲水装置二次冲水并实现覆土功能，同时落苗装置和冲水打洞装置恢复原位，准备进行下次循环。其工作流程是参考人工种植的方法进行，在保障了成活率的前提下还可以大大降低人工的劳动量，并且对原有土壤植被破坏率很低。

2.3 使用方法

种植机可以实现远程化控制，设定好路线后即可实现自动化种植，当机器检测到苗箱没有树苗或水箱没有水的时候，会自动到附近补给点进行补充。如果所在沙漠含有溪水，将溪水通过水管接入水箱将能实现更大的种植覆盖面积。

2.4 部件说明

人工湿法种植中因为无法控制打洞的深度而造成水的浪费，而且苗洞打的太深在一定程度上是没有必要的。 经过对比，放弃了钻头打洞水管下探注水的方案，确定了齿轮旋转带着和齿条装配在一起的硬质水管向下冲水的打洞方案。 冲水装置机构运动简图如图4 所示，这样既节约了时间还能精准控制打孔深度节约水资源，冲水时水泵抽水加压，水压约为1.1 MPa，水泵通过软管与硬质水管相连，边下压打洞边冲水，这样在增加土壤透水率的同时也完成苗洞的成型。 当硬质水管下压到一定深度时，触动限位开关(如图5 所示)，水泵停止抽水，同时齿轮反转，硬质水管上升，上升到初始位置后同样会触发限位开关，齿轮停止转动，同时电机带动丝杠将冲水打洞机构移开，让出落苗位。 冲水水管压头上装有压力传感器，当遇到硬物时，压力传感器检测到压力超过1.8 MPa 时齿轮齿条机构就会停止，齿轮反转将硬质水管带回，机器自动前行1.5 m 左右，此时位置成为新的种植位。

图4 齿轮齿条机构运动简图

图5 冲水打洞装置示意图

齿轮的设计及受力分析的流程如下:

(1)确定传动装置的传动比ia＝＝28.92。

(2)齿轮齿条传动的设计计算

①选精度等级、材料及齿数

材料选择:由表选小齿轮材料为40Cr 调质处理，硬度范围取为280 HBS，大齿轮材料为45＃钢调质处理，硬度范围取为240 HBS。 速度不高，故选用7 级精度。 选小齿轮齿数Z＝17。

②按齿面接触疲劳强度设计

试算齿轮分度圆直径d1t≥3齿条的弯曲强度极限σFE1＝380MPa；弯曲疲劳寿命系数KFN1＝1.1，KFN2＝1.2。 取弯曲疲劳安全系数S ＝1.4，故 [σF]1＝392.86； [σF]2＝325.71。 计算得载荷系数K ＝2.22，查表计算得。 最终计算得；圆周速度vm＝0.25m/s；当量齿轮的齿宽系数b ＝30mm；齿轮模数mt＝2.125mm；齿高h ＝4.78；

③计算实际载荷系数

查表得使用系数KA＝1.25；动载系数KV＝1；KFβ＝1.25； KHa＝KFa＝1 由此，得到实际载荷系数KH＝KAKVKHaKFβ＝1.5625

④分度圆直径为d1＝180mm，故模数m ＝2.25，所以模数m＝2

(3)按齿根弯曲强度校核

查得齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1＝500 MPa；3.55 mm。

由于齿轮模数m 的大小主要决定弯曲强度，而齿面接触疲劳强度主要取决于齿轮直径。 可由弯曲强度算得的模数2.25 并就近圆整为标准值m ＝2 mm，按接触强度算得的分度圆直径d ＝170 mm，算出齿轮齿数z1＝＝85

以上计算过程验证了模数m ＝2，直径d ＝170 mm的齿轮是符合强度要求的。

在冲水打洞装置进行冲水打动的同时传送装置将沙柳苗运输到落苗装置上。 由于沙柳苗是长条状，为了实现将苗精准送入落苗槽采用特制同步带传动，同步带上每隔一段距离就会有一个挡板，两个挡板间的宽度约为1.2 倍苗的直径，通过步进电机驱动，这样就能使苗能够精准且只有一根落入送苗机构。 苗箱使用隔板式设计能够最大量的容纳沙柳苗。 苗箱与特制同步带挡板顶端的间隙大约为1.2倍苗的直径，这样可以保证同步带每两个挡板上只有一根苗，苗箱下部为斜坡状且装有震动马达，使其不易卡苗，如图6 所示。 苗箱采用可拆卸设计，当苗箱中没有沙柳苗的时候，直接将装好苗的苗箱更换上去即可。 苗箱和特制同步带三维图如图7 所示。

图6 苗箱内部结构示意图

图7 苗箱和特制同步带三维图

为了使细长沙柳苗能够平稳送入苗洞，选用了摆动导杆机构(结构简图如图8 所示)。 满足e ＝0，且LAC＜LAB。 摆动导杆机构接住从传送带上落下来的沙柳苗，电机带动导杆顺时针转动，导杆带动滑块沿着导轨移动，使苗槽旋转至竖直，之后封口装置打开让苗落入至种植洞中，如图9 所示。 速度分析如下:

图8 摆动导杆机构

图9 摆动导杆机构示意图

沙漠沙柳湿法种植机采用四履带驱动，既解决了沙漠车轮下陷的问题还拥有较好的机动性，如图10 所示。 二次冲水装置采用多出水口设计，出水口采用弯管设计，圆周分布于冲水装置上，由水泵供水实现二次冲水，二次冲水的目的是将苗洞周围的沙冲进苗洞，实现掩埋的作用同时提高周围土壤的透水率，可以有效地提高沙柳的成活率。 二次冲水结束后植树机前进至下个种植位进行下次的种植工作。 二次冲水装置结构如图11 所示，安装于机器上的位置如图10 所示。

图10 沙漠沙柳湿法种植机仰视图

3 主要受载零件的有限元分析

选取电机与摇杆连接的受力支撑架为分析零件，其材料为结构钢，零件主要受一个倾覆力矩，对其进行理论加载，其应力值远小于材料许用值，零件变形主要为上平面的扭转变形，应力变形图如图12所示。 为减小上平面变形，在内侧设计加强筋，对改进后的零件进行分析，应力变形图如图13 所示。 根据分析得知，变形得到明显改善并且应力最大值有所减小，且符合材料需用应力值。

图12 变形放大2 000 倍的应力变形图

图13 变形放大2 000 倍的应力变形图

4 结束语

设计的沙漠沙柳湿法种植机通过机械来实现人工湿法种植沙柳的过程。 还可利用移动通讯实时上报种植机的工作数据，方便未来集约化管理。 本产品可以实现远程控制，极大减少人工，只需一个人就可以监控多台机器运行，此机器平均种一个苗的时间为30 s，如果一个人同时监管10 台机器，就可以实现一小时覆盖沙漠4 800 m2(株行距1.5 m×2.5 m)。