一种基于回旋凸轮机构的沙漠植树装置

刘茗元 邢家旗 周文平 林凯熙 梁耘菘

（1.辽宁工程技术大学 机械工程学院，阜新 123000；2.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，阜新 123000）

传统的沙漠植树机械大多功能单一，仅能够实现沙漠钻孔的功能，如图1 所示。该植树机械功能单一，没有树苗自动分拣、传送以及灌溉功能，一般需要3～4 人协作使用。基于回旋凸轮机构的沙漠植树装置如图2 所示，它采用三角履带式行进机构，并将分拣、传送、钻孔、灌溉等功能集结一体，仅需一人将成捆的树苗放置在上方储苗斗中，便可完成全部的人工操作，之后通过机械实现自主巡航植树，可应用于沙漠、山地等多种地形环境[1-2]。

图1 传统的沙漠植树机械

图2 基于回旋凸轮机构的沙漠植树装置

1 装置的功能设计分析

本装置采用SolidWorks 软件进行三维建模，包括机械车主体、储苗斗、回旋凸轮盘、灌溉装置以及驱动电机等电气类元件的三维建模。利用SolidWorks软件的零件装配功能，合理组装各个零件、机构，并使用Motion 分析功能，充分考虑马达、弹簧、解除、引力、质量、材料属性及惯性等因素。经过多次实验分析，最终实现了沙漠自动化植树功能的模拟。基于回旋凸轮机构的沙漠植树装置主要包含储苗斗的自动分拣、凸轮圆盘的循环传送和扶正、双层套筒金属钻的螺旋钻孔以及阻沙伸缩植树筒的栽种4 大功能，可广泛应用于各种沙漠地形，完成自动植树工作。

1.1 储苗斗的自动分拣过程

储苗斗内部安装有分拣槽轮，其底部为条状开口，分拣槽轮通过同步带进行传动[3]。当需要植树时，分拣槽轮可转动至缺口处对应树苗，使得树苗落入缺口。分拣槽轮转动，储苗斗中的后一根树苗被分拣槽轮支撑，从而停止下落，而分拣槽轮缺口中的树苗则会被顺势甩至树苗分拣机构下方，进入后续的正苗接槽中。储苗斗部分核心结构如图3 所示。

图3 储苗斗部分核心结构

1.2 凸轮传送和扶正过程

当树苗进入正苗接槽中后，被倾斜固定在接槽内的平面上，如图4 所示。中心圆盘带动10 个正苗接槽进行旋转，在旋转过程中，正苗接槽上的开孔与大圆上的凸台轨迹啮合，从而受到向内的力，如图5 所示。两个机械夹向内发生位移，对树苗轻微扶正，从而达到传送和正苗的目的[4]。正苗接槽三维建模图如图6 所示。

图4 树苗传送状态

图5 接槽与凸台轨迹啮合

图6 正苗接槽三维建模图

1.3 双层套筒金属钻钻孔过程

双层套筒金属钻由柱形钻筒、钻头、支架、握杆等零部件组成。当机械行进到树苗栽种位置时，金属钻头螺旋下降，可以在沙漠、山地等不同环境下快速钻出栽植树苗所需的孔洞。同时，柱形钻筒外壁上刻有刻度线，可以针对不同类型的树苗钻出不同深度的孔洞，有效提高了树苗的成活率。双层套筒金属钻核心结构如图7 所示。

图7 双层套筒金属钻核心结构

1.4 阻沙伸缩植树筒栽种过程

阻沙伸缩植树筒由方形伸缩输送筒、五瓣锥形撑开器、电动推杆和支撑架等零件组成。当树苗从正苗接槽通过下方孔洞掉落到伸缩植树筒中时，伸缩植树筒为收缩状态。植树筒在电动推杆和自身重力的作用下向下插入已经钻好的孔洞，此时伸缩植树筒为伸出状态。五瓣锥形撑开器张开，树苗掉落孔洞中，电动推杆带动伸缩植树筒向上运动，同时五瓣锥形撑开器收缩，完成树苗栽种过程。阻沙伸缩植树筒核心结构如图8 所示。

图8 阻沙伸缩植树筒核心结构

2 沙漠植树装置主要部件

2.1 凸轮传送机构

凸轮传送机构由正苗接槽、凸轮圆盘、链条、机械夹以及弹簧等零件组成。小型凸轮圆盘安装于传送机构中心处，且内部安装有电机。大型凸轮圆盘与小型凸轮圆盘同轴心安装，2 个凸轮圆盘外壁安装有滑动链条，其中11 个正苗接槽内嵌2 个圆盘之间。当电机提供电力时，滑动链条带动正苗接槽在2 个凸轮圆盘间转动，2 个机械夹向内发生位移，从而实现树苗的扶正和传送工作。凸轮传送机构核心结构如图9 所示。

图9 凸轮传送机构核心结构

2.2 灌溉机构

回旋凸轮机构沙漠植树装置结构如图10 所示。

图10 回旋凸轮机构沙漠植树装置结构

在栽种装置后方安装有灌溉装置（见图11），其灌溉方式并非直接向栽种好的树苗浇水，而是通过预先在树苗两侧铺设水管，采用滴漏的方式进行灌溉。水管预先卷放在横向支架上，车在行进过程中通过控制弹簧的压缩量控制犁头耕出沟壕深度，水管随着车的行进和行走轮的碾压被填入沟壕，完成水管铺设作业[5]。

图11 灌溉装置局部图

3 凸轮圆盘的有限元分析

凸轮传送装置的凸轮圆盘部分材料采用Q235B，屈服强度为235 MPa，张力强度为390 MPa，弹性模量为210 GPa。通过使用SolidWorks 软件中自带的Simulation 功能，以大型圆盘为例，添加合适的约束和载荷并将模型网格化，通过运算分析得出相应的静态应力分布和位移分布，分别如图12 和图13 所示。由图12 可知，最大应力主要分布在凸轮拐角最大处，为1.11×104N·m-2，小于屈服强度，因此满足强度条件。分析图13 可知，凸轮拐角最大处有明显位移，且小于最大形变量2.221×10-6mm，同样满足刚度设计要求。

图12 凸轮圆盘的应力分析

图13 凸轮圆盘的位移分析

4 结语

文章研究设计一种基于回旋凸轮机构的沙漠植树装置，不但能够实现拣苗、栽种、封土全自动化，还可以灌溉树苗，极大地提高了树苗在沙漠中的存活率，有效解决了目前沙漠植树机械功能单一，不能在沙漠、山地等多种恶劣环境中工作的弊端。