一款机械化固沙设备固沙车结构设计

雷凯龙 杨兵 任国涛 付才 严鹏鹏

陕西汽车控股集团有限公司 陕西西安 710200

1 前言

荒漠化是重大的全球性环境问题，一直困扰着人类社会的生存和发展，而中国是受其危害最严重的国家之一。根据第五次全国荒漠化和沙化检测报告，截至2014年我国荒漠化土地面积达261.16万平方公里，沙化土地面积172.12万平方公里，并且沙化面积以每年几万平方公里的速度还在继续扩大，因此为了更好维系我们的生态文明，治理沙漠刻不容缓。2017年9月，“联合国防治荒漠化公约第13次缔约方大会”在我国鄂尔多斯市举行，与会代表共商全球防治荒漠化大计。大会主题：“携手防治荒漠，共谋人类福祉”，大会体现了我国履行荒漠化防治责任和义务的积极态度，表达了我国愿与国际社会共同努力、全力推进全球荒漠化防治的良好愿望。

2 治理背景

2.1 沙漠治理背景

在治沙方法上，我国经过多年反复试验，摸索出铺设草方格可有效地实现防沙治沙的经验方法，这种方式把工程和生物治沙的优点相结合，快速地解决了沙害侵蚀和沙漠治理问题。这项技术首先在宁夏中卫沙坡头的铁路保护治沙工程中应用，取得了巨大的成果，被推广到内蒙、新疆等多个沙化严重的省份。铺设草方格技术是用麦草、稻草、芦苇等草料在沙漠中扎成方格，网状的草方格有效地降低了近地面风速，阻挡了风吹沙扬，同时还可涵养水分，然后在草方格中种植耐旱植被，达到治沙的目的。

目前，草方格铺设主要利用人工作业完成，施工时一个人首先将运来的散草沿着草方格线整齐均匀地铺撒在沙地上，另一个工人再用板锹之类的工具置于草料中间，用力插入沙地，使麦草两端翘起，直立在沙面上，麦草露出地面的高度约20～25 cm，纵横向全部铺设完成后，就形成了1 m×1 m的草方格沙障。人工铺设作业如图1～2所示。

图1 人工铺设现场

图2 铺设完成的草方格

2.2 机械化治理前景

人工铺设草方格不但作业效率低下、劳动强度大、作业质量不稳定，且固沙作业成本比较高。我国甘肃、内蒙古、宁夏、新疆等地都已规划了防沙治沙任务，任务繁重、工程浩大，很显然人工作业完全不能满足高效、大面积地治沙任务，研发机械化固沙设备成为重要课题。固沙车作业和人工作业的效率与成本对比如表1所示。

表1 固沙车作业和人工作业的对比

3 固沙车设计要求及工作原理

3.1 车辆开发要求

研发之初设计团队根据作业环境、用户需求提出6项指标：

a.作业效率每天不少于65亩（按8 h作业时间计）；

b.作业用料为散装稻草、麦草或芦苇；

c.作业车辆可满足80%的沙漠地形；

d.作业过程中连续性好；

e.铺设深度约20 cm，草障高度15～20 cm；

f.草方格纵横向铺设一次完成，避免碾压。

3.2 车辆工作原理介绍

整车主要分为沙漠越野底盘、草料装载、草料输送、作业装置四大模块。整车结构如图3所示。

沙漠越野底盘主要为车辆行驶和固沙作业提供动力。草料装载模块是将提前准备好的散草添加到作业草箱中，装载过程主要由液压系统进行动力输出，模块化装载草料，大大缩短了添加草料的时间。草料输送模块是将草箱中的草料连续性输出，输出效率高，作业流线性好，并运用生物仿生刮草技术，在液压马达的驱动下，将散草平稳地铺设到沙地上。作业装置模块是由液压系统和电气系统无缝配合，带动插草装置作业，实现草料的压入功能，压草深度完全符合输入指标。

图3 固沙车整车结构图

固沙车到达作业现场，进行草方格铺设作业时，首先将草料输送模块中最左侧机构收起，让其不工作，完成一次三纵两横的铺设作业，之后再将最左侧机构伸出，每次车辆按照逆时针方向完成三纵三横的铺设作业，就可以实现1 m×1 m规格的草方格铺设。

3.3 车辆作业流程

固沙作业队首先需要从农户家中购买作业草料（可为麦草、稻草、芦苇等），运至作业点附近后，利用装载机将草料卸下，安排一两名工人将草料整齐装进转运草箱内，草料装满后，再用小型拖拉机将该草箱运至车辆作业现场，并利用草料装载模块完成草料添加等前期准备工作，然后进行最终固沙作业。

4 主要技术特点和参数

整车的技术特点主要表现在：

a、散草直接作业：符合用户要求，提高作业效率，降低作业成本。

b、纵横向铺草同步作业：避免二次碾压提高作业效率和铺设质量。

c、生物仿生刮草技术：实现草箱散草自动整齐输送。

d、草料输送模块：保证传输中散草整齐不散落。

E、作业装置模块：作业响应速度快，铺设深度可随地形调整。

F、草料装载模块：缩短作业准备时间和草料抛洒遗漏。

g、草料输送监控：实时监测草料输送情况。

h、作业装置监控：实时监测草料铺设情况。

I、草料装载监控：实时监测草料装载情况。

固沙车主要技术参数如表2所示。

表2 固沙车主要技术参数表

5 车辆结构

车辆主要由沙漠越野底盘、草料装载模块、草料输送模块、作业装置模块四大模块组成。

5.1 沙漠越野底盘

固沙车采用6×6驱动形式316 kW沙漠专用底盘，该底盘是针对我国沙漠工况专门开发的一款用于沙漠腹地作业的大吨位越野型车辆底盘。该车在军用底盘全驱优势的基础上，采用某品牌发动机、超强抗扭车架、多级过滤系统、液压助力转向装置等国内顶级配置，在沙漠中作业动力充足、转向灵活、可靠性高，完全能够满足我国沙漠腹地作业工况要求。综合考虑作业装置特点和每天固沙面积，在固沙作业时，车辆作业速度应不大于3 km/h。

5.1.1 牵引力计算分析

根据上装要求，整车功率应达到300～400 kW，牵引力达到62～92 kN。整车牵引力计算公式如下：

式中，Ft为牵引力；Me为 发动机扭矩；ig为 变速器速比；if为分动器速比；i0为驱动桥速比；ηT为机械效率；rr为轮胎滚动半径。

由计算可知Ft=157.613～161.439 kN，选用316 kW发动机。

5.1.2 取力分析

上装要求采用分动器取力，功率为120 kW。按功率和扭矩换算公式P=n×N/9550计算，要达到120 kW的功率，取力器转速必须要在286 r/min以上。考虑到取力时车辆还在以3 km/h的车速行驶，需要消耗一定的功率克服滚动阻力（按Pt=1/3600×G×f×u，干砂取f=0.1～0.3）。整车在水平路面时的滚动阻力功率：Pt=68 kW。当发动机转速为1 000 r/min时，功率最大为195 kW，高于120+68=188 kW。如果要爬坡，则需提高发动机转速，才能保证车辆正常运行。所以在发动机转速不低于1 000 r/min时，可满足取力120 kW的功率要求。

5.1.3 轮距分析

该车选用超宽轮胎，车桥选用某品牌9t车桥，前桥轮辋安装面距离为2 .329 mm，而中后桥轮辋安装面距离为2 .211 mm，以使前桥最大转角时，不与拉杆和油缸干涉，将轮辋偏心距设计为102 mm，车桥轮辋端面距（前/后）：2 .329 mm /2 .211 mm，轮距（前/后）：2 .249 mm /2 291 mm，轮胎外沿宽度（前 /后 ） ：2.8 44mm/2 .886 mm。车辆轮距分析如图4所示。

图4 车辆轮距分析图

5.2 草料装载模块

草料装载模块位于车辆前端，是由大小举升臂、草箱、液压系统及电气系统组成。装载时大臂油缸带动大臂举升，举升至草箱上部时，小臂油缸完成草料的添加工作。该模块是由变量柱塞泵提供液压动力，变量柱塞泵采用压力切断加负载敏感复合控制，按需提供流量，节约能源，柱塞泵油液流入负载敏感多路阀，经多路阀分配给草料装载等执行元件，该多路阀带压力补偿功能，在执行机构需求总流量不超出主泵最大流量时可实现各执行机构独立动作，流量分配不受负载影响。而在电气系统中加装接近传感器，在大臂运动时对其进行限位保护，防止大臂油缸到达极限位置，对该模块工作造成损坏。

草料装载模块运行位置如图5所示。

图5 草料装载模块运行位置图

5.3 草料输送模块

草料输送模块是将草箱中的草料平稳输送，然后整齐地铺设到沙地上，该模块同样是由变量柱塞泵给输草模块提供液压动力，柱塞泵油液流入负载敏感多路阀，经多路阀分配给草料输送等执行元件，该多路阀带压力补偿功能，在执行机构需求总流量不超出主泵最大流量时可实现各执行机构之间独立动作，流量分配不受负载影响。电气系统以控制器为核心，通过传感器采集车速、距离信息及液压系统工作数据，经过控制器内部程序计算后对草料输送模块进行控制，输送草量智能控制图如图6所示。

图6 输送草量智能控制图

5.4 作业装置模块

作业装置模块结构如图7所示，主要由纵向压草轮、横向插刀、液压系统、电气系统组成。该作业模块能同时进行纵向和横向铺设，并且随着沙漠地形的变化，插入深度可随时进行调节。

图7 固沙车作业装置三维图

5.4.1 纵向作业

纵向草料输送模块将草料均地的撒布在草方格纵边，纵向压草轮随着车辆前进，对铺撒在前部的草料进行连续滚压，完成纵向插草作业功能。

5.4.2 横向作业

横向草料输送模块将草料均匀地撒布在草方格横边，每隔1 m间歇铺撒一次，随着车辆前进，横向插刀每隔1 m将草料插入沙地一次，完成横向插草作业功能，车辆行驶速度与插草频率关系如图8所示，车辆行驶速度高了，相应的插草频率变高，反之减少。

图8 车辆行驶速度与插草作业关系图

在完成一次横向插草动作时，液压油缸快速伸出和缩回，系统在工作中会出现严重的冲击和振动，因此在回路增加蓄能器吸收压力冲击，运用仿真软件对比分析不同规格蓄能器的缓冲效果，找出最优的匹配参数。图9是增加不同容积的蓄能器时，油缸压力曲线图，由图9可知，采用恰当容积蓄能器能有效的减小冲击压力峰值，综合考虑蓄能器反应速度和节约成本，系统中蓄能器的容积定为0.15 L。

6 结语

沙漠化不但影响农业、畜牧业、工业，同时也给人民健康带来严重威胁，草方格固沙能够有效改善沙漠环境，目前采用人工模式铺设草方格，不能满足大面积高效治理的需求。固沙车采用机、电、液一体化、智能化设计，完成草方格铺设，具有安全、可靠、智能控制、作业效率高等特点，可满足大面积综合治理沙漠的需求，能够快速有效地减缓沙漠化进程，达到防风、治沙、造林的目的。

图9 油缸压力曲线图

[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008.

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