机载式营养管沙障制作铺设装置设计与研究

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根据国家林业局组织开展的第四次全 国荒漠化和沙化监测结果 .截止到 2009年底 ，我 国荒漠化土地面积为 262.37万平方公 里 。占国土总面积 的 27.33%；沙化土 地 面 积 为 173.11万 平 方 公 里 ， 占 国土 总 面 积 的18.03%。除此之外 。还有 31万平方公里的国土具有 明显沙化趋势lJ。

国内外的治沙实践及相关理论研究表明，通过在荒漠化土地上植树种草 ，逐渐建立人工植被或恢复原有 的自然植被 ，形成能够 自我调节的稳定生态系统 ，是防治沙化的最根本措施。然而，荒漠化地区大多干旱缺水、风沙较大 .在这样的地区直接建立植被屏非常困难 ，甚至是不可能的。即使是在降水较多 、自然条件稍好的地区.直接建立或恢复植被也需要-定的时间 .而单纯的生物 固沙措施常常难以在短期 内发挥作用 。因此 ，生物修稿 日期 ：2013-02-22作者简介：王述洋(1957-)，男，教授、博士生导师。主要研究方向 ：生物质 能开发利用技术、安全 工程、森林防火。

4治沙措施往往需要其他治沙措施 的辅助 .那就是通过人工或机械装备先大面积铺设机械沙障、并借助于事先预埋在机械草沙障根部的适宜树种或草种的萌生 ，逐渐生成-定的绿色植被。

用先进的机械装备快速 、大面积铺设机械沙障是现代工程治沙 的最重要选项和内容 。然而 ，到 目前为止 ，我国尚未有-款可以连续快速进行沙障铺设 的工程化应用的实用机械装备。目前各种沙障的铺设仍然需要消耗大量人力 ，从技术和经济角度 。这种非机械化的沙障铺设方式越来越不具有可行性。

针对我 国工程治沙领域 的现实需求 .本文将介绍-种将生物 固沙与机械 固沙结合起来 的新型的营养管沙障制作铺设装置 。下面扼要分析该装置的基本结构与工作原理 ，并讨论部分工作部件的设计与研究。

1营养管沙障制作铺设装置工作原理本文所论的营养管沙障 .是指填充 了掺入沙生草木种子 的土壤 、有机肥等有机质填料 的连续 的管状沙障。

在沙地车 、履带式拖拉机等适宜沙质地表行走的牵引机· 开发与创新·械的带动下，沿着牵引机械的前进方向，营养管沙障制作铺设装置可 以在沙化土地表面连续不断的制作、铺设出相互平行 的、间距-定 的两行或多行包容着有机质填料的营养管沙障。所能铺设 的营养管沙障的行数 ，撒于牵引机械 的承载能力 。

铺设好 的营养管沙障 .本身可 以起到防风固沙的作用。在其沙障表面开 出许多凶 ，给草籽提供生长所需水分。使填料 中掺入 的沙生草籽着床生根 。植物根部在营养管沙障的保护下不被风蚀 ∩ 以长久 的起 到防风固沙的作用。

如图 1所示 ，营养管沙障铺设栽植装置 由行走及支撑系统 、储料 箱 、进 料器 、沙障制作及铺 设系统组 成的。固定架 与牵 引机械相连接 ，脚轮安装在固定架 上 ，共同构成该装置的行走与支撑系统。储料箱与进料器布l 1储料箱l 进热封 l l嚣 器置 在 固定 架 上并装 配 在- 起 ，在 该装 置工 作 时完成有机质填料 的填充 。

营养管 薄膜 卷筒 、成 型器 和热 封辊 ，共 同构 成的营养 管封 合及输 出系统 。在牵 引 机械行 走 的过 程 中 .来 自于上 下 两个 卷筒 的薄 膜经成 型 器合拢 围成管状 ，热封辊 由蓄电池经逆变器带动 ，牵引营养管移动完成两片营养管薄膜的封合。

2 营养管薄膜材料的选择鉴于该装置是在 自然条件较为恶劣的沙化土地环境中工作 。且 营养管沙障要在较长的-段时间内起到防风固沙保护植株的作用 ，故营养管薄膜所用材料要满足以下几个较为重要的性能要求 ：(1)热封强度高，剥离强度好 ，并有-定的承载能力。

营养管沙障在成型封合的过程中不断充入沼渣土壤等有机质 填料 。故 所用材料应有-定 的热封强度及剥离 强度 ，保证在进料及铺设过程中营养管沙障的完整性 。

(2)要有良好 的夹杂物热封性。营养管沙障制作铺设装置在 风沙较大 的沙化环境 中工作 ，热封面在受 到沙粒 、灰尘等物的污染下 ，应仍具有 良好 的热封强度 。

(4)可靠的耐破性能，营养管薄膜表面开出的汹不易继续撕裂。

相关研究表明 .粒子性聚合物 、各种粘结性树脂及线 型低 密度 聚乙烯 LLDPE具有较好的夹杂物热封性圜。

其 中，Surlyn树脂 具有优 异的低温 韧性和 出色 的抗 磨性 、耐摩擦性[31，可以作为营养管薄膜的封合材料。

3 主要工作部件设计3.1 传动系统设计在牵引机械形式的过程 中，通过链传动调速将转动从牵引机械 的动力输出轴传递至传动轴的离合器，由离合器控制传动轴的启动与制动。因营养管沙障是以-定的间距相互平行同时铺设 的，故仅以-条营养管沙障制作与铺设来分析该装置的传动系统设计。制作铺设单条营养管沙障的传动方案布置如图2所示。因营养管制作铺设 装置 工 作速 度 较 低 。

牙嵌 式单 轴 离合 器由装 配在 同根 轴上 的两个半离合器组成 .其 中。

主动半 离合器 通过轴 承联接 在轴上 ，被动半 离次传动轴 传动轴 动力输 出轴图 2 传动系统局部示意图Fig.2 Schematic diagram oftransmission agent合器通过导向平键套在轴上并可在拨又 的调节下在沿导向键在传动轴上作轴向滑动凹。当两个半离合器未嵌合时 ，牵引机械动力输出轴的转矩经链传动带动主动半离合器随轴承外圈转动，而传动轴不转动；需要该机构工作时 ，拨叉将被动半离合器与 主动半离合器嵌合在-起 。

动力输出轴的运动和转矩靠离合器牙齿的嵌合接触传递至传动轴。牙嵌式离合器结构简单，传递转矩大。尺寸小 ，工作时无滑动 ，安装好后不需要 经常调整[5]，能够满足营养管沙障制作与铺设装置的工作需求。

工作时 ，传动轴所获得的运动与转矩经不同的方式传递给热封辊及螺旋进料器 .实现营养管封装及进料的同步进行 ，完成营养管沙障的制作 。-方面，传动轴的运动经链传动传至另-根与下纵封辊距离较近的次传动轴，再由-对齿轮副变向，使位于需要热封处薄膜下方的热封辊 以牵 引薄膜 向沙障铺设方 向移动的方 向转动。

上纵封辊经纵封辊间齿轮传动实现同位置处相互配合的两纵封辊的同速异向运动 ，共同完成营养管材料的热封及牵引。另-方面 ，传动轴的运动与转矩经锥齿轮副调节变向带动螺旋进料器转轴转动 ，完成封合后营养管的进料填充。

3-2 营养管成型方式因受相互平行的两条营养管沙障间距及部分工作部件尺寸及布置方式所 限，为了减少薄膜卷筒的横向尺寸以节收 间 ，封 合单 根营养管所需 的薄膜分成 上下两片 ，在 纵封 辊 的牵 引下 .同- 组 卷筒 上 的上 下两 条Surlyn薄膜不断向着成型器方向滑动 ，并 由最开始 的相互平行的平面带状逐渐合拢为两侧各有 25mm左右热封结合区域的管状。在成型器的作用下的营养管薄膜的形5·开发与创新·状变化如图 3所示。

封合成营养管薄膜所需的每条薄膜，通过留有-定缝隙的内成型板和上下两面外成型板由两片相互分离的平面渐变为两侧合拢在-起的圆管。两薄膜结合处成型板及薄膜截面如图 4所示。

l 辊式纵封器的设计与改进 由纵封辊、加热线圈热支架等组成。传统的辊式纵的装配.通常把所在轴端做出螺纹，纵封辊装配在轴再用螺纹副压紧。在该装置中，给成型后 的营养管留出位置 ，口合的营养管 的容积有 V 与相等 。有 ：VBVF (2)VBvs· DB2 (3)式 中：D营养管沙障直径。为了使充人 的有机质将营养管充实，有必要将供料所用的螺旋进料器设置成出料端缩 口的具有压缩段的样式。在螺旋进料器的进料端，螺旋杆上 的叶片大邪间距相等 ，在出料端，螺旋进料器腔体设置为-定长度沿进料方向逐步收缩的台体。

螺旋进料器的进料速度是由其转轴相邻两螺叶间的容积及转轴转速所决定的.单位时间内进料体积为：VF (Dfi-d)(t广h ) (4)式 中：D广 进料器叶片外径；d厂 进料器转轴直径；t广 进料器叶片螺距；h广 进料器 叶片厚度 ；(1)-转轴角速度。上式联立 ，可得 ：2r(D -DdB 2"tF纵封辊热封及牵引线速度及螺旋进料器转轴转速的确定。对营养管沙障制作铺设的效果具有十分重要的意义。

4 结论本文针对我国土地荒漠化的严峻形势 ，提出了-种将机械沙障固沙与生物固沙相结合的营养管沙障制作铺设的新方法 ，并对营养管沙障制作铺设过程中的关键性技术问题做了简要分析与探讨.为我国机械化防风固沙提供了-种新的研究方向。