目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 51.1研究背景及意義 51.2蘆葦草方格鋪設裝置的國內外研究現狀 61.2.1大型草方格鋪設固沙車的研究現狀 61.2.2中小型草方格鋪設機械的研究現狀 91.3主要內容及技術路線 111.3.1主要內容 111.3.2技術路線 111.4本章小結 12第二章蘆葦草方格鋪設裝置的總體方案的設計 132.1蘆葦草方格鋪設裝置方案需求分析 132.2工作形式及黑箱分析 132.3蘆葦草方格鋪設裝置方案設計 132.3.1開溝機構方案設計 132.3.2送料機構方案設計 142.3.3插草機構方案設計 152.3.4覆土機構方案設計 162.3.5行走機構方案設計 162.4整機方案工作原理 172.5總體方案評價 182.6本章小結 18第三章蘆葦草方格鋪設裝置關鍵零部件的結構設計 193.1整機結構設計 193.2開溝機構的設計 193.2.1開溝器需求分析 193.2.2芯鏵式開溝器結構設計 203.2.3開溝器固定及高度調整機構 213.3送料機構的設計 213.3.1料斗結構設計 213.3.2送料撥輪結構設計 223.3.3撥輪傳動系統設計 233.4壓草機構的設計 263.5覆土機構的設計 273.6行走機構的設計 293.6.1行走機構設計 293.6.2驅動電機選用 293.6.3傳動選型與計算 313.7本章小結 32第四章關鍵零部件的結構安全校核 334.1開溝機構的有限元分析 334.1.1網格模型 334.1.2設計工況 344.1.3計算結果 354.2覆土機構的有限元分析 364.2.1網格模型 364.2.2設計工況 374.2.3計算結果 384.3本章小結 40第五章結論與展望 415.1結論 415.2展望 41參考文獻 42致謝 44

第一章緒論1.1研究背景及意義荒漠化，被稱為“地球的癌癥”，它威脅著全球2/3國家和地區、1/5人口的生存和發展[1]?；哪峭恋赝嘶木唧w表現，多發生在干旱、半干旱、濕潤地區，其與人類活動、氣候改變等多種因素關系密切，表現為耕地、草地、林地退化，呈現出沙漠化。當荒漠化地區形成后，其內部生態環境非常脆弱，土壤承載能力、自然資源可開發及利用程度都在下降。荒漠化除了對生態環境造成破壞外，還會影響社會安定、經濟發展。荒漠化會對水利、交通、生態環境、基礎設施建設造成不同程度的破壞，荒漠化已經影響全世界1/5的人口和1/3的陸地面積，全球每年因此造成經濟損失423億美元，這對工農牧業生產、人們生活造成了嚴重影響[2]。圖1.1土地荒漠化中國是荒漠化程度比較嚴重的國家之一，我國的荒漠化情況有了一定改善，但仍然存在一些問題。受自然因素影響，如強勁風力作用、溫度升高、降水減少等，未從根源上遏制荒漠化發生。治理工作雖然取得了一定的成績，但在局部地區仍有蔓延趨勢[3]。通過對國內外防風治沙的措施研究，其中人工鋪設草方格是一種非常有效的防風治沙技術。圖1.2鋪設草方格、建立柵欄圖1.3沙漠公路旁設置草方格因為相對于其它固沙技術方法，比如生物治沙技術、化學治沙技術等，草方格固沙不受水的限制，任何季節都可以進行鋪設，并且埋在沙土中的散長草可以改良和提高沙土中的養分，促進沙生植物的生長，不對環境造成污染，方法簡單有效，可在較短的時間內達到防風治沙的作用，在短期內有效地改善生態環境[4]。且草方格多設置于沙漠公路兩側，目的在于降低沙丘流動對公路表面的阻礙及其他不利影響，從而維護沙漠公路的正常運行，提高車輛通行安全程度[5]。蘆葦為禾本科蘆葦屬植物，是適應性廣、抗逆性強、種質資源十分豐富的世界性植物。蘆葦生長后，因其具有強大的地下須根系和縱橫交錯的根狀莖，使表土層加固，地上莖阻水，降低雨水流速，可使水土流失減輕甚至不流失，同時對防風固沙，降低地面蒸發亦有很大作用[6]。在新疆獨特的地貌特征和干旱的氣候條件下，蘆葦分布極為廣泛，野生蘆葦資源豐富，因此新疆地區草方格多采用蘆葦制作，形成了整平邊坡→測量放樣→蘆葦制備→鋪放蘆葦→蘆葦植入→質量檢測→完工驗收的蘆葦草方格沙障防護工程的獨特施工工藝流程[7]。圖1.4蘆葦桿圖1.5人工鋪設草方格目前為止，草方格作業基本上是人工或半機械化作業。人工鋪設時作業人員采用鐵锨等工具將稻草等植物秸稈插入沙層，形成半隱蔽式沙障以起到降低或阻擋風沙流動的作用。但由于防治地區遠離城市，交通條件差、環境惡劣，每人每天平均最多僅可鋪設200m2左右，勞動強度大、鋪設速度慢、沙障不均勻且質量不穩定[8]。國內現有大型機械化鋪設機器體型笨重、造價昂貴、無法適應復雜環境，因此，針對現有鋪設機械存在的問題，設計一款中小型蘆葦草方格鋪設裝置具有極大的研究價值。1.2蘆葦草方格鋪設裝置的國內外研究現狀1.2.1大型草方格鋪設固沙車的研究現狀甘肅建投聯合北京林業大學共同研制的世界首臺LGSV-200型多功能立體固沙車，如圖1.6所示，在騰格里沙漠中通過了樣機試驗，正式引領了機械化治沙的革命[9]。甘肅建投又通過技術改進研制了第二代產品GSDQ750-132L單項牽引式固沙機，如圖1.7所示，該設備每小時可鋪設8.5畝草方格，每天可鋪設草方格約50畝，效率可達到人工治沙的50～80倍[10]，大幅節省了人力、減少了人工成本、提高了草方格鋪設的效率。圖1.6LGSV-200型多功能立體固沙車圖1.7GSDQ750-132L單項牽引式固沙機劉晉浩等人[11]發明了一種將工程治沙與生物治沙結合的多功能立體固沙車，通過裝備縱向、橫向鋪設裝置，將草箱中的散草壓入沙地中形成規格尺寸為1m×1m或2m×2m的草方格沙障。雷凱龍等人[12]設計的固沙車利用草料裝載模塊，將散草裝載好后，由輸送模塊持續輸出，再由作業裝置壓入草料，形成草方格。張文柱[13]介紹了一種使用速度合成的草方格鋪設機械，集行走、換草、鋪草于一體，使機器在移動的同時，可對兩個方向的草方格進行鋪設。王述洋等[14]發明了一種既能完成連續縱向多行草方格沙障鋪設又可完成按一定間距橫向草沙障的全自動鋪設栽植聯合機。他們的設計可一次性完成橫縱兩方向鋪設，避免二次工作，節省勞動成本，但設備體型較大，靈活性有待提高。1—隔灌裝置2—底盤3—液壓泵4—噴播裝置5—上料裝置6—儲物間7—主體草箱8—縱向鋪設系統9—橫向鋪設系統10—苗條插植裝置圖1.8多功能立體固沙車圖1.9機械化固沙設備固沙車針對橫向插草機構，不少學者也進行了深入研究。唐偉國[15]設計了一種多桿步進式并聯橫向插草機構，機構由兩套連桿機構并聯成排布置而成，在實現復雜運動軌跡方面具有很大的優勢，可以與其他縱向鋪設機構配套使用；但鏈傳動存在“多邊形”效應，讓鏈傳動磨損加快，可靠性降低。李躍娟[16]設計的草方格橫向鋪設機構,采用氣動插草機。該機構的插刀采用氣缸去驅動，采用搖桿來進行速度、位移的放大,以達到插入速度要求；但采用氣缸驅動，考慮氣體的可壓縮性，可能會因為沙地阻力太大而導致無法插入的情況。1—橫向輸草機構2—橫向推草機構3—多桿輸草機構4—干草5—沙地1—氣缸2—遙桿3—導向筒4—插刀圖1.10多桿步進式并聯橫向插草機構圖1.11橫向鋪設氣動式插入機構司凱[17]設計的插草機構，將“863”計劃設計的草方格鋪設機中橫向鋪設系統的散草插入方式改進成擺線步進式插入機構。該機構降低了整車的振動沖擊，更好的解決了散草的壓入困難問題，散草替代草簾進行鋪設降低了鋪設的成本，并實現鋪設沙障厚度的可調；但會出現散草輸送過程中纏繞到轉動部件上去的現象，造成輸草機構的堵塞。李妍[18]發明了一種自動化生態修復用草方格輔助成型機。該發明實現了對沙槽內部散亂麥草的整理，并且利用往復推壓的方式，將沙槽內散亂的麥草輸送進沙槽兩側的沙土內部，同時將沙槽兩側沙土表面的沙子也向槽內撥推，將麥草進一步加固，使得麥草不易被風吹散導致草方格成型失敗。1—底盤2—車架3—輪桿4—車輪101—推壓組件201—第五傳動輪301—第九傳動輪圖1.12自動化生態修復用草方格輔助成型機1.2.2中小型草方格鋪設機械的研究現狀近幾年來，針對大型機械化鋪設機器體型笨重、造價昂貴、無法適應復雜環境等問題，實用型、中小型草沙障鋪設機械成為更多科研工作者的研究重點。為適應沙區復雜多變的地形條件，學者設計的草方格鋪設機械靈活性更強。徐先英等人[19]發明了一種適用于在不同地形條件下各種面積大小沙丘完成草方格沙障鋪設的微型鋪草壓沙一體機。周永升等人[20]設計的單行固沙麥稈鋪設裝置，不僅可以根據施工要求調整連桿位置,完成不同埋深草方格沙障的鋪設，而且在使用過程中,還可以根據草方格沙障間距要求的不同,通過調整單行草方格沙障的施工位置,完成鋪設。1—機架2—動力系統3—傳動系統4—麥草梳理系統5—壓沙輪系統6—操縱機構101—把手201—發動機202—油箱203—主驅動輪401—麥草輸入裝置403—麥草輸出裝置404—輸入板406—輸入傳動軸409—撥草傳動軸410—驅動裝置411—第一驅動軸412—第二驅動軸4131—鏈輪501—壓沙輪502—壓沙驅動輪601—切換桿602—制動桿603—油門控制器圖1.13微型鋪草壓沙一體機圖1.14單行固沙麥稈鋪設裝置現有的草方格鋪設機械也擁有很多不同的功能。李衛衛等人[21]研究了一種多功能立體沙漠壓沙種草機，通過拖拽安裝在機架上的秸稈鋪設和種草雙重裝置，進行開溝、秸稈鋪設和覆沙掩埋秸稈，最后在埋入的秸稈附近進行播種。該機可以實現在沙漠丘陵鋪設草方格，同時可以播種實現種草的功能，但只能實現縱向鋪設。1—機架2—行走輪系3—秸稈鋪設裝置4—開溝裝置5—壓秸覆土裝置6—播種裝置圖1.15多功能立體沙漠壓沙種草機還有程穩[22]等發明的防風固沙草方格鋪設機帶有鋪平組件和篩選較短較碎劣質麥草的功能。常同立[23]等發明了一種基于PLC控制器、太陽能供電的無人駕駛式防風固沙草方格鋪設機，更加節能環保。陶志豪等人[24]發明了一種較小型紅外遙控草方格鋪設車，可搭載紅外遙控或其他控制系統，達到一人操控多臺機器，機器自動鋪設草方格，降低人工勞動強度。1—料倉2—插草機構3—鋁型材方套4—V型帶5—帶輪6—撥輪軸7—圓柱齒輪8—車體9—撥草輪10—軸承座11—勻草機構圖1.16防風固沙草方格鋪設機圖1.17紅外遙控草方格鋪設車綜上所述，國外對于草方格鋪設的機械研究較少，自“863”項目立項以來，國內大多數學者不斷針對草方格機械鋪設這一有效防風固沙的方法，研究設計相關機械，早期多為大型機械，存在體型笨重、造價昂貴、無法適應復雜環境等問題，后期研究重點向中小型機械轉移。目前，草方格鋪設機械大致由鋪設機構和行走機構兩個主要部分構成。行走機構設計方案有自行式和牽引式兩種。但是，鋪設機構方案是相同或類似的[25]。鋪設物料多采用稻草簾或散草，鋪設機構分為縱向鋪設機構和橫向鋪設機構兩部分，彼此獨立，前后縱向布置，協調動作，最終實現草方格鋪設。由于蘆葦材質較硬不適合上述現有草方格鋪設機械進行工作，通過總結與分析前人的研究內容，并結合蘆葦特性，后期將設計一款物料以蘆葦為主的草方格鋪設裝置。1.3主要內容及技術路線1.3.1主要內容蘆葦草方格鋪設裝置主要用于城市周邊沙漠，裝置需完成開溝、送料、插草、覆土四個工序，沿行進方向實現縱向鋪設草方格。開溝機構應位于裝置前端進行預開溝，以便于蘆葦順利插入沙中；送料機構將已簡單裁剪過的蘆葦進行輸送，以確保均勻平鋪在地面上；插草機構應與送料機構相配合，完成蘆葦的連續插入；覆土機構應位于裝置后端，將鋪設的蘆葦進行覆土和扶正。本課題以草方格鋪設相關機械為主要對象，著重研究和設計蘆葦草方格鋪設裝置，具體內容包括以下幾個方面：前期理論基礎鋪墊。查閱并整理蘆葦草方格鋪設裝置相關文獻，對本課題研究目的及意義有所了解，通過對國內外研究現狀分析，得出現有蘆葦草方格鋪設機械的特點及創新點，為后續設計進行鋪墊。確定總體設計方案。分析蘆葦草方格鋪設裝置的工作對象和工作流程，初步確定設計方案，并進行預實驗對比分析，確定最終方案（包括：開溝機構、送料機構、插草機構、覆土機構、行走裝置及傳動系統）。關鍵零部件結構設計。綜合運用專業知識，進行計算分析，確定關鍵零部件的結構參數和裝置工作參數，進行裝置關鍵零部件結構設計（包括開溝器、送料機構、插刀、覆沙器等）。模型仿真分析。利用SolidWorks軟件建立三維模型，后期通過ANSYS等軟件進行仿真優化，對所設計的裝置進行改進，完成設計并繪制二維圖紙。1.3.2技術路線蘆葦草方格鋪設裝置的設計路線如下：圖1.18技術路線1.4本章小結本章針對蘆葦草方格鋪設裝置的研究背景，引出了該裝置的研究對于防風固沙事業的意義。本章對國內外草方格相關鋪設機械的研究現狀做以簡要概括說明，并分析了相關機械的工作原理、特點及創新點，提出了蘆葦草方格鋪設裝置的主要研究內容，并根據研究內容制定了一套完整合理的技術路線。

第二章蘆葦草方格鋪設裝置的總體方案的設計2.1蘆葦草方格鋪設裝置方案需求分析本設計的蘆葦草方格鋪設裝置為小型機械，用于城市周邊沙漠，物料采用60cm-80cm的散狀蘆葦，用機械設備進行作業取代傳統的人工勞動力，進行機械開溝、送料、插草、覆土，最終實現縱向鋪設1m×1m的草方格，提升鋪設速度，降低相應的鋪設成本，進而實現蘆葦連續均勻地輸送并完成后續的插入和覆土工作。具體工作任務：①由開溝機構沿行進方向預先開一條淺溝；②通過送料機構將蘆葦均勻輸送到沙面上；③利用插草機構將蘆葦沿中間對折插入沙中，深度15-20cm左右，露出地面15-20cm左右；④利用覆土機構完成覆土撥正。2.2工作形式及黑箱分析蘆葦草方格鋪設裝置將通過四個主要機構（即開溝機構、送料機構、插草機構、覆土機構）對散狀蘆葦進行鋪設，利用黑箱設計蘆葦草方格鋪設裝置的功能轉換關系：圖2.1蘆葦草方格鋪設裝置黑箱圖2.3蘆葦草方格鋪設裝置方案設計2.3.1開溝機構方案設計為使蘆葦草方格鋪設裝置在工作過程中不產生插刀受力過大彎曲、插草深度不夠、蘆葦前后傾倒等問題，在插草工序前應設置開溝裝置，沿裝置行進方向預開淺溝，便于后續插草的順利進行。開溝器的工作質量直接影響鋪設質量，因此，要求開出的溝深淺一致、溝形整齊且整體為沿行進方向的一條直線。開溝器的類型眾多，根據開溝器入土角度的不同，可以分為銳角和鈍角開溝器，銳角開溝器的入土性能強于鈍角開溝器。銳角開溝器主要有鋤鏟式、翼鏟式、船形鏟式、芯鏵式等；鈍角開溝器主要有單圓盤式、雙圓盤式、滑刀式、靴式等。以其中典型的芯鏵式與單圓盤式開溝器為例，對比分析可得：芯鏵式開溝器回土性能好，對作業前整地要求不高，結構簡單，成本低廉，容易制造和保養，但是開溝時阻力較大；單圓盤式開溝器入土性能較好，對整地要求不高，但回土性能差，且圓盤將部分沙土掀起，作業環境較差。（a）芯鏵式（b）單圓盤式圖2.2芯鏵式開溝器及單圓盤式開溝器結構示意圖蘆葦草方格鋪設裝置用于沙漠地帶，作業環境地面流動性較強，開溝阻力小，因此綜上所述，確定方案如下：選擇芯鏵式開溝器，開溝方向沿裝置行進方向。2.3.2送料機構方案設計蘆葦草方格鋪設裝置所使用的物料為長度為70cm的散狀蘆葦，蘆葦作為一種莖稈作物，有別于其他常見農作物，其材質較硬且不易散亂。要實現蘆葦草方格鋪設裝置能連續沿行進方向鋪設草方格，則需要送料機構連續不斷將蘆葦輸送到沙地上。通過查閱相關文獻，常見蘆葦輸送機構分為輸送帶式、夾持式、斜板式等。輸送帶式輸送器摩擦力較大，皮帶易受損，需反復更換，且需要提供動力，節能環保性有待提高。夾持式輸送器每次可夾持蘆葦數量少，要反復多次夾持，可能與插草所需速度無法匹配，導致不能均勻輸送蘆葦至沙面上。斜板式輸送器利用物料本身重量下滑進料，相較于前兩種，更加節能環保，且傾斜角度可調，靈活性高，可根據實際工作量進行調整。因此，綜上所述，確定方案如下：送料機構采用斜板式輸送器，示意圖見下圖2.3。圖2.3送料機構方案示意圖2.3.3插草機構方案設計根據人工鋪設草方格時，工人使用鐵鍬將蘆葦對折插入沙中的動作，設計插草機構。送料機構將蘆葦平鋪至沙面上后，插草機構將蘆葦沿中間位置豎直向下插入沙中。由于事先由開溝機構已進行預開溝，后續插草位置應于開溝位置共線。目前通常使用的插草機構有以下幾種：多桿步進式并聯插草機構、氣動式插草機構、滑塊導軌式插草機構，圓盤壓草刀式插草機構等。多桿步進式并聯插草機構如圖1.10，鏈傳動磨損快，可靠性低，需要通過加大機構質量來增強強度和剛度，不利于實現本機的小型化和輕量化。氣動式插草機構如圖1.11，考慮到車輛向前的慣性和氣體的壓縮比，會出現沙地阻力太大而造成無法將散草插入沙地的情況。滑塊導軌式插草機構如圖2.4，當插刀機構被牽引至插草點上方時，刀具在氣缸的驅動下向下做插草運動，因裝置不斷沿行進方向移動，插刀深入沙土中無法立刻拔出，會產生一定滯后現象。圓盤壓草刀式結構簡單，易于拆卸，方向誤差小，可靠性高，利于整機輕量化，利用裝置重力提供一部分向下的機械增益，更加節能。1—插刀裝置外殼2—氣缸3—刀具4—連桿5—滑板導軌6—液壓助力油缸7—偏置式曲柄滑塊圖2.4滑塊導軌式插草機構綜上所述，確定方案如下：圓盤壓草刀式插草機構與開溝機構共線，工作方向沿裝置行進方向，位于送料機構與覆土機構之間。2.3.4覆土機構方案設計覆土機構為最后一步工序，其工作對象為已插入沙中的蘆葦，覆土機構將已鋪設的蘆葦進行扶正和埋深加固?，F在通常使用的覆土器有以下幾種:鏈環式、彈齒式、爪盤式、圓盤式、刮板式、雙圓盤式等。鏈環式、彈齒式、爪盤式為全幅覆蓋，它們主要用于行距較窄的作物。圓盤式和刮板式則用于行距較寬、所需覆土量大、覆土率高的作物。由于插入沙中的蘆葦具有一定的寬度，因此應選擇圓盤式或刮板式覆土器。雙圓盤式覆土器結構簡單，適用性高，同時具備覆土量大且覆土嚴密，并有一定起壟作用，由于蘆葦草方格鋪設裝置設計目標為小型機械，且雙圓盤式覆土器可以對蘆葦起到扶正的作用，因此較為適合本裝置。綜上所述，確定方案如下：雙圓盤式覆土機構與開溝機構和插草機構共線，工作方向與裝置運動方向一致。1—孔型連接支架2—第一鎖緊螺母3—第一頂絲4—主調節架總成5—牙嵌鎖緊螺母6—第二頂絲7—第二鎖緊螺母8—固定牙嵌9—水平調節架10—鎖緊螺釘11—立軸12—覆土圓盤總成1—支架2—刮板裝置11—支架縱梁12—支架底座13—支架軸座14—中軸15—扭轉彈簧17—調節螺釘21—刮板軸座22—拉桿23—橫桿24—方形刮板圖2.5圓盤式覆土器圖2.6刮板式覆土器2.3.5行走機構方案設計行走機構根據運動軌跡主要分為固定軌跡式和無固定軌跡式兩種。而無固定軌跡式行走機構根據結構特點又分為輪式、履帶式和足式三種。足式行走機構的主動減震能力比較好，運動速度較高，能耗較少，環境適應力強，但體積較大，易故障，結構相對復雜。1—平板機身2—腿部伸縮機構3—髖關節機構4—腿部擺動機構5—直流電源6—防水涂料1—水田行走輪2—驅動輪3—履帶4—支架5—驅動輪軸10—支重輪11—法蘭盤1—框架2—輪式機構3—翻轉臂機構圖2.7足式行走機構圖2.8履帶式行走機構圖2.9輪式行走機構履帶式行走機構阻力小，不易打滑，越野能力好，但方向控制差，結構復雜，重量大，零件易損壞；輪式行走機構機動性強，適合長距離作業，轉向靈活，易拆卸安裝且不損壞路面，具備機動、靈活和高效的優勢[26]，比較適用于本裝置。2.4整機方案工作原理蘆葦草方格鋪設裝置由開溝、送料、插草、覆土四大機構協調配合實現鋪設工作，物料采用已簡單裁剪后的（60cm-80cm）的散狀蘆葦。由工人從進料口放入蘆葦，待裝箱完成后，啟動電機，使裝置內部機構開始工作，裝置沿行進方向前進，開溝機構劃開沙地，預開一條淺溝。物料由于慣性，沿送料機構斜板向下輸送，經過送料輪時，送料輪滾動，將可能堆積的蘆葦撥動，使其連續向下滑動，蘆葦到達沙面時，被隨裝置前進中的圓盤壓草刀沿中間位置切斷，豎直插入沙中，覆土機構進行覆土，使蘆葦豎立更加牢固，同時將部分有所傾斜的蘆葦扶正?？傮w方案示意圖如圖2.10所示。1—開溝器2—轉向輪3—機架4—撥輪5—壓草刀盤6—行走輪7—覆土圓盤8—扶手9—電機10—料斗圖2.10總體方案示意圖2.5總體方案評價1、技術經濟性分析蘆葦草方格鋪設裝置多采用標準件和常用件，更換方便，延長了機器的使用壽命；整機集成化、輕量化，節約成本；送料機構采用斜板式，利用慣性與蘆葦自身重力，更加節能環保；在裝置后方安裝扶手，以應對突發情況時可改為手推前進。2、工程與社會分析蘆葦草方格鋪設裝置代替人工鋪設草方格，解放工人的雙手，提高了鋪設效率，降低沙丘流動對公路表面的阻礙及其他不利影響，從而降低沙漠公路維護成本，提高車輛通行安全程度，促進防風固沙等眾多民生工程的順利實施，積極響應并推動國家可持續發展戰略，對我國治理荒漠化和環境保護具有重大的生態價值。3、環境可持續分析蘆葦草方格鋪設裝置執行機構的原動力采用電機，解決了內燃機驅動產生的廢氣廢渣等問題；草方格鋪設的同時可播撒種子，促進植被生長，為后續生物防沙提供環境基礎，加速了沙漠返綠進程[27]。2.6本章小結本章通過分析蘆葦草方格鋪設裝置的工作流程，確定該機需要實現的四大功能，并繪制黑箱圖，對四個工序分別進行方案設計，再考慮整機結構的布局合理性，完成總體方案設計，繪制總體方案示意圖，并對總體方案進行技術經濟性、工程與社會、環境可持續性的評價。

第三章蘆葦草方格鋪設裝置關鍵零部件的結構設計3.1整機結構設計蘆葦草方格鋪設裝置的整體設計方案如圖3.1所示。由圖可知，鋪設裝置整體結構由車輪、料斗、行走驅動電機、覆土機構、開溝器、車架、壓草圓盤和送料機構驅動電機等組成。最前方為開溝器，主要作用是沿預先設定的軌道將土地滑開，方便蘆葦的鋪設。接下來為料斗，料斗下方設置有送料撥輪，能夠將蘆葦整齊排好并送到后方的壓草圓盤處。壓草圓盤最底部低于鋪設裝置的車輪最底部，目的是將蘆葦插入低于水平面的位置。最后，覆土機構呈45°將插好的蘆葦利用兩側的碎土埋入。整個執行機構呈共線結構，在眾多機構的配合下，完成單排蘆葦的梳理、插入和填埋。為了使各部件之間能夠相互配合，并更加有效地發揮其自身作用，需要額外對關鍵部件進行精細化結構設計和參數的計算。1—車輪2—料斗3—行走驅動電機4—覆土機構5—開溝器6—車架7—壓草圓盤8—送料機構驅動電機圖3.1蘆葦草方格鋪設裝置結構示意圖3.2開溝機構的設計3.2.1開溝器需求分析通過人力進行開溝，不僅開溝速度慢，耗時耗力，而且開溝的質量差。因此，開溝器是機械應用中非常廣泛的功能性零件。為使蘆葦草方格鋪設裝置在工作過程中不產生插刀受力過大彎曲、插草深度不夠、蘆葦前后傾倒等問題，在插草工序前應設置開溝機構，沿裝置行進方向預開淺溝，便于后續插草的順利進行。開溝的深度和平整度，關系到蘆葦草方格鋪設質量的好壞。若直接使用壓盤將作物植入土壤，作物成活率將低于50%，因此，開溝器的設置、選取和設計關系到蘆葦草方格鋪設裝置的工作質量。3.2.2芯鏵式開溝器結構設計本文所選取的開溝器類型為芯鏵式，如圖3.2所示。芯鏵式開溝器是中國特有的適于壟作的開溝器。工作時，它的前棱和兩側對稱曲面使土壤沿曲面上升側滑，并將殘茬、表層干土塊、雜草等向兩側拋出。對播前整地要求不高，可在壟留茬地上開溝，有利于清除壟上殘茬和雜草。其開溝較寬，苗幅寬可達60～120mm，溝底平整。但作業時，下層濕土有上翻趨向，不利于保墑；開溝阻力較大，適用于中國東北地區壟作播種機和中耕作物播種機。為適應高速播種，有的將芯鏵開溝器改進成窄型，并將兩側曲面設計成流線型，以減少翻土和向兩側推土作用。圖3.2芯鏵式開溝器結構尺寸示意圖根據設計需求，本次設計的蘆葦草方格鋪設裝置主要用于我國西北地區，其土壤中或多或少地夾帶著大顆土粒，因此需要選擇高碳鋼，本次設計中選擇65Mn作為開溝器制作材料，其中加入的Mn合金能夠更高提高材料的硬度。本次設計中，蘆葦所需的埋入深度約150mm，屬于中等深度的栽種。采用放樣式的兩側弧面設計，能夠借助機構在行走時弧面對深層的積土的法向力將積土推至溝的兩側，而不是再次導入溝槽中。3.2.3開溝器固定及高度調整機構由于積土的粘合力，開溝器在工作時，將會受到很高的推力，因此，開溝器的固定方式直接影響到其結構強度和使用壽命。此外，為了能夠使開溝機構時適應不同的作物種植深度，設置了開溝器的高度調整機構。（1）固定方式本次設計中，開溝器的后方為20mm×20mm方格槽，開溝器使用嵌入的20mm×20mm的方管與蘆葦草方格鋪設裝置的調節塊相連接。方管與開溝器之間使用焊接工藝連接。（2）高度調整機構在方管與調節塊連接部位，方管上方設計有間距10mm的圓孔，對應車架部位也有圓孔，兩者之間使用標準直徑4mm的開口銷固定。調節塊與蘆葦草方格鋪設裝置的車架之間同樣基于焊接的工藝連接，結構如圖3.3所示。1—開溝器2—方管3—車架部分4—A型開口銷5—調節塊圖3.3開溝器固定及高度調整機構3.3送料機構的設計3.3.1料斗結構設計料斗結構實現蘆葦草的存放，并在送料撥輪的作用下實現蘆葦草的輸送。為了能夠使蘆葦草順利下放到下方的插草機構，料斗設計為上寬下窄的樣式，并使用弧面設計使蘆葦草在向下滾動時不損傷表皮秸稈。料斗具體結構圖如圖3.4所示，整個料斗結構整長740mm，高度為505mm，寬度為450mm，其上方設置有光孔，在螺栓螺母的作用下，料斗通過四個光孔與蘆葦草方格鋪設裝置的車架相連接。料斗下方設置有三個小光孔，用于安裝軸承座，中部有一個大光控，使得送料撥輪軸能夠順利穿過料斗的側面。圖3.4蘆葦草料斗結構的設計3.3.2送料撥輪結構設計送料撥輪設置在料斗的下方，實現蘆葦草的順序下放。因為蘆葦草的重量較輕，即使撥輪的轉軸使用軸承座加以潤滑，送料撥輪也很難實現轉送，因此需要對其施加轉動力，實現撥輪的轉動。使用電機驅動撥輪有規律的轉動，能使其撥動蘆葦草時更有條理，因此本次設計設置減速電機來驅動撥輪轉動。由于制作工藝的限制，撥輪不可能與蘆葦草的長度相同，而單個撥輪在撥動蘆葦草時容易造成與蘆葦草接觸部位的應力集中。因此，本次設計使用4個送料撥輪實現蘆葦草在料斗和插草機構之間的傳送。設計完成的送料撥輪具體結構如圖3.5所示。撥輪在蘆葦草長度的700mm長度內，均勻分布，此設置避免了因接觸應力集中而造成的蘆葦草表皮的損傷。撥輪伸出材料為軟橡膠設置，更夠更好地維護蘆葦草的表皮不受損傷。此外，為了增加傳動效率，撥輪轉動軸為突出式花軸設計，如圖3.6所示?；ㄝS使得撥輪的卡位更加精準，各撥輪在輸送同一個蘆葦草時，其撥動角度一致。1—電機座2—減速電機3—傳動機構4—送料撥輪5—料斗6—機架7—軸承座8—撥輪轉動軸圖3.5送料撥輪工作原理示意圖圖3.6送料撥輪的結構設計3.3.3撥輪傳動系統設計撥輪傳動采用帶傳動來實現，帶傳動是除齒輪傳動、鏈傳動、聯軸器和絲杠傳動外最流行的動力傳動方式之一。由于皮帶技術的進步，它們現在能夠滿足高功率需求，同時非常安全、高效和耐用。在帶傳動的選型中，撥輪的傳動選擇為V帶傳動，V帶傳動是一種摩擦傳動，它利用滑輪和松緊帶在兩個或多個軸之間傳遞動力。V帶傳動可以在廣泛的速度和功率要求下運行。V帶傳動比齒輪傳動和鏈傳動便宜得多，且其安裝和維護成本更低。與長時間使用的鏈輪相比，皮帶傳動輪軸或滑輪的磨損很小。與大多數鏈條和齒輪傳動相反，皮帶傳動可以處理某種程度的錯位。（1）電機的選型因為蘆葦草的質量很輕，且撥輪的質量也很輕，電機僅需要很小的功率便可驅動帶輪運行。根據設計經驗，假定蘆葦草方格鋪設裝置的行走速度為0.5m/s，蘆葦的插槽間隔在50mm左右，則撥輪的尼龍滾條每秒需要輸送的蘆葦草個數n為：（3-1）撥輪的尼龍滾條個數為18個，則撥輪此時的轉速需要滿足：（3-2）由于撥輪的轉速不高，此時帶傳動的傳動比取1：1也可滿足傳動需求。此時假定選擇RF57型臥式齒輪減速電機，其內部減速比為1：57，撥輪扭矩為2N·m，需要驅動四個撥輪運行，此時需要的電機功率為：（3-3）式中：P——電機功率；T——電機輸出扭矩；n——電機輸出軸轉速；η——電機工作效率，式中取0.9。根據計算結果，電機功率為1.77kW，在RF57系列電機的可選功率以內，見表3.1.RF57系列電機為小型電機，既能夠滿足使用需要，又能節省制作成本和能源消耗。本次設計選用標準的1.8kW電機。表3.1RF57型臥式齒輪減速電機規格表電機型號電機功率重量/kg傳動比許用扭矩RF570.18~7.51857450（2）帶輪的設計與校核電機驅動送料撥輪運行時，電機的功率為1.8kW，小帶輪的轉速為33.33，傳動比為1：1。假定每天工作時間為8小時，則以下關鍵設計參數可以得到：1）因為蘆葦草方格鋪設裝置為動態傳動，因此其傳動系數KA=1.3。2）傳動功率Pc通過下式計算：（3-4）3）根據帶輪轉速和傳動功率，選擇Z型V帶。4）試取小帶輪的直徑為32mm，則根據傳動比，大帶輪直徑也為32mm。則根據選定參數進行校核如下：（3-5）Z型V帶規定轉速需低于30m/s，因此，該設計滿足使用需求。則帶輪的尺寸可得到，由此設計的帶輪示意圖如圖3.7所示。圖3.7大、小帶輪的結構設計5）選定參數后，傳動中心距和基準長度根據圖3.8確定。1—從動輪2—V帶3—主動輪圖3.8傳動帶輪示意圖根據圖中尺寸，兩帶輪之間的傳動中心距a為：（3-6）則基準長度Ld為：（3-7）式中：d1——主動輪直徑；d2——從動輪直徑。取整后得到Ld為：1125mm。6）帶輪包角α（3-8）7）徑向壓力F0的計算：查表3.2得到該型號V帶的單位質量參數，Z型V帶單位長度的質量q為0.07kg/m，則根據公式（3-8）計算得到的帶輪所受徑向力結果如下：（3-9）表3.2V帶每米長度質量參數型號SPZSPASPBSPC每米長度質量/kg·m-10.070.120.200.37則作用在軸向的壓力FQ可通過下式進行計算：（3-10）3.4壓草機構的設計本課題所用插草結構實際為壓草圓盤結構，壓草圓盤位于整機的中部，負責將送料機構傳遞過來的蘆葦草秸稈壓入土中。因此，其設計高度應該遠低于地平面，如圖3.8所示。為了使其高度低于地面150mm左右，在機架部位設置了連接體實現此功能。連接體與機架之間使用焊接連接，連接體上的軸承座與連接體之間使用螺栓螺母連接。1—機架2—連接軸3—開口銷4—覆土圓盤5—聯軸器6—連接體7—軸承座圖3.8覆土圓盤工作原理壓草圓盤無動力驅動，單純由機架的牽引運行。而機架的動力來自于行走機構的動力。圓盤與底部的土壤接觸后，由于摩擦力的作用，圓盤可以在機架的帶動下產生旋轉動作，進而順勢將蘆葦草插入開好的溝槽中。為了順利將蘆葦草沿中部折斷并插入圖中，覆土圓盤與土壤接觸部位呈60°銳角，且其寬度與前面章節的開溝器所開寬度相對應，具體尺寸如圖3.9所示。為了減小圓盤在滾動時的摩擦力，圓盤端部由聯軸器固定。圓盤中部設置有聯軸器連接孔，聯軸器連接伸出軸并最終固定于軸承座。圖3.9壓草圓盤結構及尺寸設計3.5覆土機構的設計覆土機構與壓草圓盤的動力方式一致，均無動力源，以機架的托引為動力進行工作。覆土機構的主要功能是將開槽機構滑開的種植溝槽填埋，因此其布局與蘆葦草方格鋪設機構的行走方向呈一定角度放置，如圖3.10所示。圖中，覆土功能的實現由覆土圓盤完成，覆土圓盤通過安裝支架與蘆葦草方格鋪設機構的機架相連接，為了節省智造空間，行走機構的軸承座即用于支撐行走機構的轉軸，又用于連接機架與覆土機構的安裝支架。為了保證覆土圓盤在工作時的滾動順滑度，圓盤與支架之間使用軸承座連接。圓盤與軸承座之間使用聯軸器連接。1—軸承座2—安裝支架3—覆土圓盤4—行走軸承座5—機架圖3.10覆土機構功能原理圖為了保證覆土工作的有效性，覆土圓盤的入地高度需要與壓草圓盤類似，據此設計的圓盤結構及尺寸如圖3.11所示。圖中，覆土圓盤的工作直徑為481.66mm，圓盤厚度為5mm，其與聯軸器之間使用四個直徑為10mm的光孔連接。圓盤中部設置有直徑28mm的光孔，使得聯軸器的伸出軸能夠穿過，實現與聯軸器之間的連接。圖3.11覆土圓盤結構尺寸圖3.6行走機構的設計3.6.1行走機構設計蘆葦草方格鋪設機構的行走機構采用矩形的四輪布局，由后輪驅動，如圖3.12所示。為了能夠控制行走方向，在整個車架的后方設置有扶手。鋪設機構在直行時，工作人員扶著中段的扶手控制方向，而在鋪設機構在轉彎時，工作人員推動兩側的扶手控制方向，這樣使轉彎時的軸向力效率發揮到最大。為了降低鋪設機構的轉彎半徑，其前輪為鉸接，前部兩個輪的轉動互不干涉，能夠有效提高行走機構的靈活性。當遇到溝壑或需要極小的轉彎半徑時，可以將前部車輪設置的限位桿取下，輪胎變為隨動式，可在幾乎不占空間的條件下完成轉向。1—扶手2-固定支架3—主動輪軸承座4—輪胎5—鉸接體6—從動輪7—從動輪軸承座8—傳動鏈9—減速電機10—電機安裝座11—限位桿圖3.12蘆葦草方格鋪設裝置行走機構示意圖行走機構的原動機使用電機驅動，因為原動機的轉速很高，且扭矩較低，在田地間行走容易發生陷車的風險。因此，采用齒輪減速電機的形式，以大減速比的形式降低電機的轉速并提高其扭矩。電機與驅動輪之間使用鏈傳動，鏈傳動能夠最大化利用原動機的行走效率。電機與車架之間設置有電機安裝座，且安裝座為墊高設計，以此防止傳動鏈與電機安裝座或車架在傳動時發生摩擦干涉。3.6.2驅動電機選用蘆葦草方格鋪設機構采用單電機的方式驅動，按照經驗設計理論：1）設定鋪設機構的行走速度為V=1.8km/h；2）整機質量約為280kg；3）后部驅動輪的直徑約為280mm；4）地面與耕地的摩擦系數為0.5；5）鏈傳動的機械傳動效率為0.9。根據電機牽引力F計算公式：（3-11）式中，f——地面與耕地的摩擦系數；M——整機質量；g——地球重力加速度；η——鏈傳動效率。計算得到電機的牽引力F為：1524N。將牽引力平均到每個驅動輪上，每個轉輪需要提供的轉矩T為：（3-12）式中，n——驅動輪個數；r——驅動輪半徑。車輪的轉速通過蘆葦草方格鋪設機構的行駛速度計算得到：（3-13）則電機所需功率可以通過下式計算得到：（3-14）電機驅動存在熱量消耗，本次設計無任何功能性發熱元件，因此電機效率能夠達到0.8以上，則電機的設計功率可以通過下式計算：（3-15）功率為1.46kw的電機，與前面章節中計算得到的送料機構的電機功率（1.8kw）類似，為了保持鋪設機構的兩側平衡，且避免了電機座的再度開模，本次設計選用同型號減速電機。即RF57型臥式齒輪減速電機，其型號尺寸如表3.3所示。表3.3RF57型臥式齒輪減速電機規格表電機型號電機功率重量/kg傳動比許用扭矩RF570.18~7.518574503.6.3傳動選型與計算本次設計以鏈傳動的方式進行，根據《機械設計》圖表的形式進行，如表3.4所示。表3.4鏈傳動的設計名稱鏈傳動參數傳動比17：25主動輪齒數z117從動輪齒數z225傳動功率1.8kW鏈條型號16A-1鏈條節距p25.4鏈條節數n中心距取值306.8鏈速因為鏈輪之間為動態傳動，因此齒輪和鏈均需要極高的硬度。其材料均使用T10工具鋼制造，并且表面進行滲碳處理，以提高材料的表面硬度，防止在傳動時出現蹦刃等材料損傷。其具體結構尺寸圖如圖3.13所示。（a）主動輪（b）從動輪圖3.13主動鏈輪結構及尺寸圖3.7本章小結本章通過分析蘆葦草方格鋪設機構的工作環境和指標，對其關鍵機構進行了選型、結構和尺寸設計，主要包括：開溝機構、送料機構、壓槽機構、覆土機構和行走機構的設計。其中，還對送料機構和行走機構的驅動方式和傳動鏈進行了詳細設計。

第四章關鍵零部件的結構安全校核經過前三章的調研、選型和結構設計，成型后的蘆葦草方格鋪設裝置如圖4.1所示。圖中，負責開溝和最終覆土功能的零部件為本次設計中的主要承力部件，因此，有必要對其進行有限元受力分析，以驗證其穩定性。圖4.1蘆葦草方格鋪設裝置整體結構設計4.1開溝機構的有限元分析4.1.1網格模型開溝機構中的開溝器為組合體，其中，開溝器的材料為65Mn，與開溝器焊接的方管為Q345碳素結構鋼。對其材料進行屬性的賦。值時需要分開，且網格劃分也需分開。經查金屬材料屬性手冊后得到兩者的材料屬性如表4.1所示。表4.1開溝器材料屬性名稱楊氏模量/MPa泊松比材料密度/kg/m3屈服強度/Pa65Mn合金2.06×1050.2977401176Q3452.06×1050.297850345網格劃分中，開溝器為六面體網格，其上的連接桿為四面體網格，使用掃略的方式進行劃分，網格密度為5mm，最后得到的網格模型如圖4.1所示。圖4.1開溝機構網格模型圖4.1.2設計工況開溝器的所受負載基本由開溝器前進方向的積土產生，由于土壤粘度的不同，其推開泥土的推力也不相同。查《農業機械手冊》可得，阻力壓強k基本在1~2×104Pa之間，為了保證設備的安全性，本次設計取最大值2。則開溝器的工作載荷可通過下式得到：（4.1）式中，S——開溝器行進方向的截面面積；a——開溝器底長；b——開溝器頂長；h——開溝器高度。開溝機構的工況設定圖如圖4.2所示。隨后進行有限元分析，分析類型為隱式。圖4.2開溝器工況設定4.1.3計算結果應力、應變和位移結果如圖4.3所示。（a）應力云圖（a）應變云圖（c）位移云圖圖4.3有限元分析計算結果由計算云圖可以看出，材料所受最大應力為59.13MPa，最大應變值為0.00311，最大變形為0.000275mm。所得最大應力未超過材料的屈服強度，且變形不足0.01mm，極其微小。綜上可得，結構安全。4.2覆土機構的有限元分析4.2.1網格模型覆土機構為弧面材料，如果采用機加工的方式進行制作，則其加工難度和去除材料的體量將會特別大，因此其采用鑄造的方式制成，材料為HT200。由于其弧面復雜，整個網格模型由四面體和六面體組合劃分而成，如圖4.4所示。HT200的材料屬性如表4.2所示。圖4.4覆土機構網格模型表4.2HT200材料屬性名稱彈性模量/N/m2泊松比質量密度/kg/m3屈服強度/MPaHT2001.48e110.3172002004.2.2設計工況覆土機構的所受負載基本和開溝器類似，由覆土機構前進方向的積土產生。查《農業機械手冊》可得，阻力壓強k基本在1~2×104Pa之間，為了保證設備的安全性，本次設計同樣取最大值2。則覆土機構的工作載荷可通過下式得到：（4.2）公式（4.2）中，S為覆土機構與泥土接觸的面積。使用三維軟件進行測算得到的撞土面積如圖4.5所示，測得S=0.09m2。最后計算得到F=1800N。圖4.5覆土機構撞土面積覆土機構的工況設定圖如圖4.5所示。隨后進行有限元分析，分析類型為隱式。圖4.6覆土機構工況設定4.2.3計算結果應力、應變和位移結果如圖4.7所示。（a）應力云圖（b）應變云圖（c）位移云圖圖4.7覆土機構有限元計算結果由計算云圖可以看出，材料所受最大應力為115.7MPa，最大應變值為0.00058，最大變形為0.00038mm。所得最大應力未超過材料的屈服強度，且變形不足0.01mm，極其微小。綜上可得，結構安全。4.3本章小結本章分析了蘆葦草方格鋪設裝置的主要承力件，并對其進行了有限元計算，主要分析零件為：開溝器和覆土圓盤。其中，開溝器所受最大應力為59.13MPa，最大應變值為0.00311，最大變形為0.000275mm；覆土圓盤所受最大應力為115.7MPa，最大應變值為0.00058，最大變形為0.00038mm。兩個零件的所受應力均未超過其材料屈服強度，結構安全。

第五章結論與展望5.1結論（1）根據當前課題，調研了國內外蘆葦草方格鋪設裝置的研究進展?；谒媾R的工作環境、作業任務，進行了蘆葦草方格鋪設機構的設計。根據大型、中型草方格鋪設設備，制定了小型草方格鋪設裝置的方案，包括：開溝機構、送料機構、插草機構、覆土機構和行走機構。（2）開溝機構選用芯鏵式開溝機，其前棱和兩側對稱曲面使土壤沿曲面上升側滑對播前整地要求不高，可在壟留茬地上開溝。送料機構選用經典料斗式送料設計，即作物在自重的牽引下向下運動，并由電機驅動的送料撥輪驅動其前行。其中，撥輪使用V帶傳動，其傳動距離可調，且制造成本、維護成本和使用成本極低。（3）壓草機構的執行機構為圓盤結構，其設計高度應該遠低于地平面，位于整機的中部，負責將送料機構傳遞過來的蘆葦草秸稈壓入土中。覆土機構也為圓盤式結構，將開槽機構滑開的種植溝槽填埋，與壓草圓盤的動力方式一致，均以機架的托引為動力進行工作。行走機構采用矩形的四輪布局，由后輪驅動，驅動方式為電機，采用鏈傳動。車架的后方設置有扶手，直行時，工作人員扶著中段的扶手控制方向，轉彎時，工作人員推動兩側的扶手控制方向。（4）設計完成后的蘆葦草方格鋪設裝置整機尺寸為：長1870mm×寬1350mm×高750mm，采用雙電機驅動工作，人力控制行走方向。（5）最后分析了蘆葦草方格鋪設裝置的主要承力件，并對開溝器和覆土圓盤的結構性能進行了有限元計算。其中，開溝器所受最大應力為59.13MPa，覆土圓盤所受最大應力為115.7MPa，結構安全。5.2展望這次畢業設計讓我對許多物件有了新的認識。該裝置是應用于農業種植領域的專門化設備，就其發展來說，順應了當代智能制造的發展趨勢，而且符合綠色能源的發展趨勢，對于低碳減排政策的實施具有推動作用。進一步來說，也增強了我的制造業領域的發展，智能制造是工業4.0的主要奮斗方向，目的不僅僅是為了提高生產效率、生產質量，還為了保障工人們的健康，節省制造業的勞動力，驅使人們向知識型產業發展。另外，對機械設計及其制造方面的認識也有所加深，以前的設計只是想知道且明白各個機構的運行，如何設計出能夠實現一定功能的產品，而現在對其想法卻出現了不一樣，因為要考慮到各種各樣的參數，比如說兩年前，你需要設計一個軸傳動，你只需要畫好一個聯軸器、一個軸，而現在，需要根據傳動轉速、功率、扭矩，事先選好軸的長度、直徑，和聯軸器的類型，內徑、外徑，再根據選好的尺寸進行校核，假如你能夠熟練運用分析軟件，那事情會很簡單，但如果不會，就需要花費很大的力氣和時間去干這件事。這就要求我們在學習期間，我們用到的計算機軟件，不說是都能學會，至少都要了解才行。在設計過程中，針對蘆葦草方格鋪設設備，以下內容可能是今后的重點：（1）設備的智能化，即實現鋪放的全自動，由GPS或者北斗系統進行自動導航。（2）可調整式鋪放，即機器可適應不同直徑的蘆葦草秸稈，可實現不同間距植株的鋪放，如果是雙行蘆葦草植株，可實現鋪放寬度的調整。以上研究內容均需通過今后的技術革新來實現。

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