简单下压式固沙插草试验研究

张恒宇，李艳洁，刘晋浩

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

在我国，土地荒漠化现象分布范围广、面积大，防风固沙工作任重而道远。防风固沙措施包括工程、化学和生物手段[1-3]，而单一的固沙方式各有其优点及局限性，目前应该大力发展的是“工程—化学—生物”等治沙方法的综合技术。

铺设机械沙障是目前工程固沙的主要措施之一[4-9]。机械沙障是指在流沙上用于阻滞风沙流和固定沙面的障碍物，通常为杂草、农作物茎秆或其他材料。在荒漠化现象日益严峻的今天，仅靠人工方式进行简单局部的铺设草方格等形式的机械沙障，作业效率低，人力成本高，导致造成草方格沙障铺设面积有限，直接影响到防风固沙的效果，是无法取得全区域优良固沙效果的。针对此工程应用背景，刘晋浩等人研制了“多功能立体固沙车”[10-13]，该车可将工程治沙与生物治沙结合起来，实现机械化一次性铺设草方格沙障，提高了草方格铺设效率。然而，该车的动力系统与铺设系统等缺乏一定的定量化标准。若前进速度快，草方格沙障插入深度不够，导致沙障寿命降低；若前进速度慢，插入动力过大，导致插草效率降低，同时使动力输出能耗增加。刀盘插草作业质量受到插草阻力及土壤内部应力的影响尤为明显，因此可以通过分析刀盘插草阻力和土壤内部应力来分析固沙车的动力性能。故在后续的优化设计过程中，需要对刀盘插草阻力和土壤内部应力做出理论分析。固沙车在实际作业过程中为下压、滚动与前进运动复合的复杂运动，直接分析这种复合运动难度较大，且分析插草过程影响草秆运动的因素所包括的沙土物性参数太多，无法一步到位。为此，首先通过分析刀盘竖直方向插草时对刀盘插草阻力及对土壤内部应力分布的影响，获得刀盘插草速度等参数的影响规律；然后研究圆盘刀滚动插草的过程，由简到难地分析固沙草方格铺设过程。由此为固沙装备研究提供理论基础。

本研究为只考虑插草刀盘竖直方向插草的试验[14]。试验时，将野外取回的沙土分上干下湿两层装填，再现沙漠实际地表的沙土状况，每层的沙土含水率和干密度与野外测量的尽量一致，将刀盘以指定速度匀速向下运动，使草杆插入至沙土土床指定深度。本文主要分析刀盘竖直方向插草时的刀刃形式、插入速度及铺设草的厚度(单位刀刃长度上的草杆铺设质量)对刀盘插草阻力及刀盘正下方土压力的影响规律。

1 试验装置和方法

插草试验只考虑刀盘的竖直方向移动，由小型电磁制动式三相异步电机配合减速器来实现电机正反转，从而实现刀盘的上下匀速移动，并通过转动减速器手轮实现电机调速，进而改变刀盘移动速度。试验采用宽度相同的直刃刀盘和圆刃刀盘两种刀盘进行插草试验(见图1)，厚度均为3mm。试验的工况系数如表1所示。

图1 刀盘几何尺寸

参数名称单位取值干密度(下层湿沙g/cm31.323插草深度cm20含水率(下层湿沙)%5.4含水率(上层干沙)%0刀型直刃/圆刃速度mm/s20/30/50铺设草的厚度mm130/260

插草试验用的沙箱长×宽×高(内尺寸)为800mm×800mm×500mm，由厚度15mm的PVC板材采用角铁和螺栓组装而成。插草试验用的沙土为从毛乌素沙地取来的表层沙土，用筛子过滤杂质后作为试验用沙。所考虑的沙土特性为毛乌素沙漠夏季8月中旬之后的背风坡土壤情况，插草作业的沙地实际情况为“上干下湿”的状况，距地表约为10～20cm存在1层干沙层，含水率较低(不足1%)，而下层湿沙在该季节的含水率可达到6.38%[15]。因此，为了更好地与野外实地插草作业沙土物性一致，在沙箱内分两层装填不同含水率的沙土：距沙土表层15cm以内的沙为干沙，15cm以下则为含水率5.4%的湿沙。在插草试验中，刀盘的插草深度是20cm，即插草深度不小于松散干沙层的厚度。插草试验时，把干硬的草秆一根根紧挨着平铺在沙土表面，草秆的长度约为800mm，直径约为3mm，平铺的宽度等于刀盘的宽度(即400mm)。每次插草均采用未折断的整长草秆进行试验。插草试验装置示意图如图2所示。

1.拉压力传感器 2.刀盘轴 3.刀盘 4.沙箱 5.草杆 6.6号土压力传感器 7.5号土压力传感器 8.4号土压力传感器 9.3号土压力传感去 10.2号土压力传感器 11.1号土压力传感器

2 试验结果与讨论

本文进行单因素试验测定，分析单个因素在插草过程中对刀盘插草阻力和刀盘正下方土压力的影响，主要考虑的因素为刀刃形式、竖直插草速度、铺设草的厚度。当变化某个因素时，其他因素不变。插草试验不同阶段的草杆状态如图3所示。由图3可知：在插草刀下压过程中，草秆随着刀盘的深入而不断深入，直至达到竖直状态；在抬刀后，草秆向两侧又分开且略有上移。试验中测量插草刀盘下压过程中的刀盘插草阻力，即从刀盘接触草秆到插入至最深这一阶段。

为防止土压力传感器因土壤扰动产生的位移而导致试验误差，消除因沙土物性改变而使试验测量数据产生误差，每次试验前均需重新装填铺埋传感器，并及时修正土壤的含水率。为消除单次测量结果误差，本文图表的数据均为若干组试验结果的平均值。

图3 插草试验不同状态

刀盘在插草过程中，通过刀盘下方边缘的挤压将麦草压入沙土中。刀盘在竖直方向主要受到来自草秆和沙土的阻力(即插草阻力)，其大小通过装在刀盘支撑轴上的拉压力传感器测量。另外，将草压入土中的同时会对刀盘两侧及下方的沙土产生挤压力。本文针对土壤内部进行应力分析，主要测量刀盘正下方土压力并分析其影响规律。刀盘正下方距离土壤表层深度23cm不同位置处的土压力通过等距铺设6个传感器测量。根据对称性可知，以刀盘中心对称轴为分界，对称位置的土压力应相等。因此，故取两个位置土压力的平均值作为每次测量的结果，即1号和6号位置、2号和5号位置、3号和4号位置的所测压力进行平均处理。

2.1 刀刃形式的影响

研究表明[16]：刀盘外形及刀盘厚度会影响插入效果，可能会导致插草阻力的变化。在农耕领域及固沙装备的研究中，对刀盘尺寸的研究很多[17-20]。本文的刀盘设计参照现有理论研究基础，设计相同宽度的直刃刀盘和圆刃刀盘。它们在实际的试验过程中插草效果不一样，主要表现为：圆刃刀盘插草过程中，草秆从中间向两侧是逐渐被压入土中的；直刃刀盘插草过程中，草秆是同步被压入土中的。因此，这两种刀型正下方的土压力会存在不同的变化。在铺设草的厚度为130g/m、3种插草速度试验条件下，测量不同刀型下的插草阻力及刀盘正下方土压力，并进行对比，如图4和图5所示。

图4 直刃刀盘和圆刃刀盘插草阻力对比

由4可以看出：在此试验条件下，刀盘插草阻力随着麦草不断被压入沙土内而不断增大，在被插入至最深处时阻力达到最大。图4 (a)相对于图4(b)、图4(c)所测得的插草阻力波动更明显，主要是由于试验所用插草刀盘采取的是链传动，当增大转动角速度时，由于链条自身的绷紧作用使机器在传动时产生振动，对拉压力传感器测量的结果产生一定的影响。

在铺设草的厚度为130g/m，插草深度为20cm，插草速度20、30、50mm/s的条件下，直刃刀盘的最大竖直插草阻力比圆刃刀盘的最大竖直插草阻力分别大3.23%、3.13%、5.03%。初步分析产生这种现象的原因为：圆刃刀盘在插草作业过程中，主要受到来自草秆沿着刀盘径向的正应力和垂直于圆弧的摩擦力，这两个力在竖直方向的分力之和即为圆刃刀盘所受的竖直插草阻力；而直刃刀盘在插草过程中只受到来自草秆对刀盘竖直方向的阻力，因此圆刃刀盘与直刃刀盘测量的插草阻力相差不大。

取铺设土压力传感器的1和6号、2和5号、3和4号测量结果的平均值作为1、2、3等3个位置的土压力，进行土壤内部压力分析，如图5所示。可以发现：在此试验条件下，不同刀型中间位置处所受土压力大小几乎相同；从中间向边缘位置处的土压力逐渐减小，且相同位置处的直刃刀盘下方的土压力大于圆刃刀盘下方的土压力。首先，在直刃刀盘插草过程中草秆是同步下压的，而圆刃刀盘插草时草秆是从中间向两侧逐渐被压入土中。所以，在插草初始阶段，直刃刀盘比圆刃刀盘在边缘处的正下方土压力变化得更早。其次，继续下压时，由于直刃刀盘始终处于同一深度，而圆刃刀盘由于刀刃为圆弧形状，直刃刀盘和圆刃刀盘上距离中心轴线相同距离位置处，圆刃刀盘下压的深度始终小于直刃刀盘，故直刃刀盘下方的土压力始终大于圆刃刀盘下方的土压力；而刀盘在中间位置处对土壤的挤压作用更大，故中间处的土压力比边缘处更大。当下压接近最深位置处时，圆刃刀盘在圆弧最底部对刀盘正下方土壤的挤压作用与直刃刀盘中间位置处对土壤的挤压相似，故土压力大小几乎相同。

2.2 插草速度的影响

刀盘在插草过程中，插草阻力和刀盘正下方土压力随着插草速度的变化需要通过试验结果做出分析判断。在铺设草的厚度为130g/m、不同刀型试验条件下，测量不同插草速度下的刀盘竖直方向阻力，如图6所示。根据图6直刃刀盘和圆刃刀盘两种刀盘的竖直插草阻力对比可见：不同插草速度下的曲线走势基本一致，插草速度对插草阻力的最大值几乎没有影响。目前，所取的直刃刀盘和圆刃刀盘两种刀盘在3种插草速度下的最大阻力分别约为158N和152N。初步分析产生这种现象的原因是：刀盘在不同速度插草过程中，插草阻力均随着插入深度的增加而增加，刀盘挤压的沙土越来越多，从而增大了对刀盘的阻力。虽然插草速度在增加，但同一刀盘形式最终的插入深度是一致的，故插草阻力几乎相同。

由图7可知：在相同插草速度下，刀盘正下方土压力从中间向边缘呈递减分布；随着速度的减小，相同位置的土压力逐渐减小，且中间位置比边缘位置变化得更快。产生这种现象的原因是：当插草速度减小时，刀盘在单位时间内对土壤的挤压变形在变小，故土压力也在减小；同时，由于刀盘中间位置处对土壤的挤压作用更大，故受速度变化的影响较大，因此变化得更明显。

图7 不同插草速度刀盘正下方土压力对比

2.3 铺设草厚度的影响

刀盘在竖直插草的过程中，随着刀盘挤压麦草的厚度增加，两侧沙土对于刀盘和草的挤压力势必增大，所以插草阻力会随着草的铺设厚度增加而增大。同时，刀盘对两侧及下方沙土的挤压力势必增大，所以刀盘正下方土压力会随着草的铺设厚度增加而增大。根据图8直刃刀盘和圆刃刀盘不同铺草厚度阻力对比结果可以看出：260g/m下的插草阻力比130g/m下的插草阻力分别大22.71%和20.92%。

根据图9直刃刀盘和圆刃刀盘不同草铺设厚度的刀盘正下方土压力对比结果可以看出：随着草厚度的增加，刀盘正下方土压力在增加，且从中间到边缘处增加量在减小。在铺设草厚度增加、刀盘下降过程中，草秆在与刀盘接触点处由于横截面高度增加使得惯性矩增大，导致弯曲刚度增加，因此增加草秆厚度使得草秆弯曲变形需要的力更大，这个外力则正是刀盘作用于草秆上的力，此力与刀盘所受到的竖直方向插草阻力相平衡。因此，刀盘正下方的土压力随着草厚度的增加而增加，且由于刀盘中间位置处对土壤的挤压作用更大，故受草厚度的影响更大，因此变化得更明显。

图8 不同草铺设厚度的插草阻力对比

图9 不同草铺设厚度的刀盘正下方土压力对比(插草速度30mm/s)

3 结论

1) 刀盘最大竖直插草阻力的最大值基本不受插草速度的影响，直刃刀盘和圆刃刀盘两种刀盘在3种插草速度下的最大阻力分别约为158N、152N；插草速度20、30、50mm/s的条件下，直刃刀盘的最大竖直插草阻力比圆刃刀盘的最大竖直插草阻力分别大3.2%、3.1%、5.0%；直刃刀盘和圆刃刀盘不同铺草厚度阻力对比发现：260g/m下的插草阻力比130g/m下的插草阻力分别大22.7%和20.9%。

2) 刀盘正下方的土压力沿刀刃方向并非处处相等。不同刀型在中间位置处的刀盘正下方土压力大小几乎相同，但是其他位置处直刃刀盘下方的土压力大于圆刃刀盘下方的土压力。相同位置处的土压力随着插草速度的增大而增大，随着草铺设厚度的增加而加，且中间位置处变化得更快。