浅析我国固沙机械现状及发展趋势

张 宇，王慧明，赵培琪，刘仁斌，李 瑞，张译心

(沈阳工业大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110870)

0 引言

随着人口基数不断扩大、活动地区快速扩张以及对粮食与其他资源的需求急剧增加，土地荒漠化愈发严峻，我国有近三分之一的国土面积饱受风沙袭扰，严重制约了我国西北部的经济发展。为解决上述问题，我国大规模进行了草方格铺设、防沙林种植等，耗费大量人力，因此荒漠作业机械化必不可少。

荒漠作业机械化相较于人工种植具有种植效率高、工作迅速、操作简便和治沙效果好等明显优势，而固沙机械则是实现荒漠作业机械化的基础，对我国沙漠治理的成功起决定性作用。因此，本文针对固沙机械展开分析与探讨。

1 固沙机械的定义及分类

固沙机械是用于代替或辅助人工固沙的，为固沙工程提供动力、送料、开沟和固定等帮助的，可自动或半自动运行的机械装置，其广泛应用于现阶段荒漠治理。目前，我国的固沙机械通常是以防治沙漠化技术为依据，治沙技术主要分为工程固沙技术、生物固沙技术和化学固沙技术，与之对应的固沙机械分别为工程固沙机械、生物固沙机械和化学固沙机械。

1.1 工程固沙机械

工程固沙机械是制造铺设以芦苇、尼龙网、鹅卵石等为原材料的沙障，阻挡沙砾移动、改变风沙流动规律，进而实现防风固沙的机械装置，其主要应用于长时期存在且不断向外扩张的沙漠[1]。

“防风固沙草方格铺设机器人”项目就是早期的工程固沙机械，其主要结构有横向插草装置与纵向铺设装置[2]。横向插草装置是利用链轮传动实现定向送料，再通过不完全齿轮啮合使三把插刀竖直移动完成间歇性插草，由液压马达与另一组不完全齿轮使送料与插草过程相互配合、连贯作业，最终完成横向铺设；纵向铺设装置[3]结构简单、破坏性小、效率高，是采用自动送草机构将草均匀铺设在行驶轨迹上，再利用液压缸与压形轮配合，完成纵向铺设。

1.2 生物固沙机械

生物固沙机械是用于种植防沙林、梭梭等植物，利用植物根系来固土保水、修复生态的机械装置。因生物固沙技术具有难以适应极端风沙环境、生长周期长、可修复生态系统等特点[4]，所以通常应用于工程固沙后的荒漠或者新形成的沙漠。

徐高兴等[5]研发的梭梭播种机具有开沟器、排种器、排沙器和地轮结构，并通过链条实现排种轴、排沙轴、地轮的同步传动，具有自动出种出沙、高效播种、均匀行距等特点，通常与纵向草带配合使用；曾祥平[6]发明的梭梭播种机包括驱动轮、储料箱、开沟器、伸缩杆以及下料筒，虽不能根据沙地特征调节种植深度，但也解决了开沟装置不能伸缩的问题。

1.3 化学固沙机械

化学固沙机械是可储存、喷洒化学粘合剂，形成固结层紧贴流沙表面，以隔绝气流与沙层，从而固沙保水的机械装置。由于传统的化学粘合剂存在二次碱性污染、无法降解等问题，因此会造成植株烧苗的窘状[7]，其主要针对特殊地域或小范围的荒漠治理，难以大规模使用。

丁国栋等[8]研发的液体固沙剂喷施及固结层切割装置利用储存箱与压力装置喷洒作业，随后通过轴向轮系切割片划分，在化学固沙的同时保证沙地网格化，进而形成网格固结层，可减小化学固沙技术的副作用，降低沙层温度，利于植株生长。另外还存在以清洁能源为动力的装置，如缪江桥的太阳能固沙剂喷洒拖车[9]，以太阳能为供电源，将固沙剂与沙粒搅拌，压成沙墙，并加热固定，形成纵横交错的沙墙阵，从而防风固沙。

2 固沙机械研究现状

针对风沙肆虐、水土流失严重、沙丘流动性强及生态环境脆弱的环境现状，我国制定政策并对防风治沙的投入持续加大。以“防风固沙草方格铺设机器人”项目为开端，众多科研人员积极投身各类固沙机械设计与研发中，固沙机械产品层出不穷。

2.1 我国固沙机械研究现状

2.1.1 机构设计与优化

针对固沙机器人的动力系统，董丽[10]探讨了气动技术应用于机器人的可能性，并为草方格铺设机器人设计了气动系统，也可为其他气动系统设计者提供参考。针对草方格铺设机器人的切割机构，孙术发等[11]侧重研究了横向切割机构，对切割机构建模和动力学仿真，确保切割机构的可行性和合理性。针对固沙机械的轮系移动系统，杨博[12]从轮宽尺寸出发，在保证铺设机构与牵引车动力匹配的前提下，利用有限元分析，得到轮宽适用范围，所建立的轮系有限元模型对在沙地的滚动工作机具有参考意义。

2.1.2 性能分析及适应性研究

陆怀民等[13]以我国北部荒漠为样地，研究了防风固沙草方格机器人的沙漠通过性，给出预测机器人通过性模型，供用户购置参考。潘海兵[14]研究草方格铺设机器人的振动系统，分析振源并重点剖析垂直方向振动，通过条件假设建立了六自由度的振动力学模型，并转化为数学模型，为振动系统的通性研究提供参考，推进了铺设机器人的后续发展。

2.2 我国固沙机械存在的问题

虽然我国荒漠治理已经取得初步成果，但仍存在如下问题：现阶段对荒漠治理的持续投入不足，多数科研成果停留在论文、专利等理论阶段[15]，未能形成实体产品。我国沙地多为流动沙丘，常规大型机械难以进入，多数以人工种植为主，耗费大量人力且无法达到治理效果，因此需要小型固沙机械弥补空缺。我国各地沙地特征差异极大，同种装置很难在不同沙地工作，无法实现治沙机械的通用化。

3 固沙机械发展趋势

为保证荒漠作业机械化水平逐步提升，实现固沙机械更好的发展，本文结合现阶段固沙机械存在的问题，探究其未来的发展趋势：

(1) 考虑到流沙环境中的通过性，固沙机械需由传统的大型装置逐渐向小型化、自动化和智能化靠齐。

(2) 针对荒漠环境特征复杂等问题，需加强研制具有针对性的机构，实现装置的模块化，即解决现有装置缺乏针对性的问题且节约研发成本，实现通用化。

(3) 针对机械装置成本过高、难以形成固沙产业链、无法持续性发展等问题，我们需优化机构与改良原料，以降低成本，促进固沙产业发展。

4 结语

固沙机械的设计研发在我国荒漠治理的进程中起到了巨大的推进作用，为实现沙漠变绿洲的目标提供了坚实基础。随着固沙机械未来逐步向小型化、模块化和智能化方向发展，现阶段存在的问题皆会迎刃而解；未来的固沙机械一定可以以最小的投入达到最佳的治理效果，更好地提高荒漠作业的机械化水平，形成良好的固沙工业体系，实现荒漠变绿洲的梦想！