全自動可變徑挖坑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

張志敏，楊 衛(wèi)

(青海民族大學(xué)， 青海 西寧 810000)

0 引言

國家“十二五”規(guī)劃中提出生態(tài)文化是中華傳統(tǒng)文化、和諧文化的重要組成部分，是支撐整個生態(tài)文明的基礎(chǔ)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國森林面積達(dá)到1.95億公頃 ，森林覆蓋率達(dá)到20.36%，森林蓄積量為137.21億立方米，從以上統(tǒng)計(jì)數(shù)字可以看出，我國森林資源的平均水平依然很低。目前國內(nèi)外植樹挖坑機(jī)均采用螺旋葉片，這種挖坑機(jī)存在不能變徑、出土率低、不方便運(yùn)輸?shù)热秉c(diǎn)。為了解決這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)的可變徑挖坑機(jī)打破常規(guī)思維，通過控制可自動改變挖坑直徑，該機(jī)構(gòu)具備出土率高、拆裝方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且將來可與全自動四足植樹機(jī)器人相匹配。

1 可變徑挖坑機(jī)機(jī)構(gòu)簡介

可變徑植樹挖坑機(jī)機(jī)構(gòu)主要由兩大部分組成，分別是升降部分1和鉆頭部分2，如圖1所示。其中升降部分1由絲杠螺母機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、機(jī)架組成，其帶動鉆頭部分實(shí)現(xiàn)鉆頭的上下運(yùn)動。鉆頭部分由傳動機(jī)構(gòu)、開鎖機(jī)構(gòu)、變徑機(jī)構(gòu)、旋挖機(jī)構(gòu)組成，傳動部分實(shí)現(xiàn)鉆頭的動力輸出，開鎖機(jī)構(gòu)自動完成圓筒底蓋的開閉，變徑機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆頭直徑的變化，旋挖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)土壤的旋挖。

該機(jī)構(gòu)可以解決目前植樹挖坑機(jī)構(gòu)不能自動變徑，不同的坑徑要配備不同直徑的鉆頭，且螺旋葉片因?yàn)殡x心力而將挖出的土拋灑較遠(yuǎn)、回填麻煩等問題。

2 鉆頭部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可變徑挖坑機(jī)構(gòu)鉆頭部分主要實(shí)現(xiàn)不同直徑樹坑的旋挖，其主要由傳動機(jī)構(gòu)、開鎖機(jī)構(gòu)、變徑機(jī)構(gòu)及旋挖機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

2.1 鉆頭傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鉆頭的驅(qū)動采用伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過DJM彈性膜片聯(lián)軸器和鉆頭驅(qū)動軸連接，由控制系統(tǒng)控制其轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)，所以沒有加減速機(jī)構(gòu)，這樣不僅使機(jī)構(gòu)更加簡單，而且還可以減輕機(jī)構(gòu)的重量，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的靈活性。鉆頭傳動部分通過銷軸和鉆頭連接，這樣在前往林場時拆卸十分方便。經(jīng)動力學(xué)分析鉆頭驅(qū)動軸所受的最大扭矩為1 500 Nm,經(jīng)校核計(jì)算鉆頭驅(qū)動軸最終選用45鋼，直徑為Φ80 mm。

1-升降部分；2-鉆頭部分

圖2 可變徑挖坑機(jī)鉆頭部分

2.2 鉆頭開鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)初衷是讓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動化，不用人手操作就可以全自動地完成變徑、旋挖、泄土等一系列挖土工作。由于圓筒內(nèi)的土必須要通過打開蓋底倒出來，所以設(shè)計(jì)了開鎖機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由壓桿1、壓桿彈簧2、杠桿3、平置彈簧4、 開底軸5和蓋底6組成，如圖3所示。壓桿1頭部的小軸通過頂蓋安裝在圓筒側(cè)壁杠桿3上，壓桿彈簧2套在壓桿1上，杠桿3通過平置彈簧4和開底軸5連接，開底軸5通過轉(zhuǎn)動開啟或關(guān)閉蓋底6。

開鎖機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)理是給壓桿施加向下的壓力，壓桿向下運(yùn)動帶動杠桿的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而拉動平置彈簧，平置彈簧拉動開底軸轉(zhuǎn)動，開底軸轉(zhuǎn)過一定角度和蓋底脫開，底蓋打開。由于在前述過程中彈簧均被壓縮，待泄完土后會自動閉合。

2.3 鉆頭變徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鉆頭變徑機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)用一個鉆頭旋挖不同坑徑的樹坑，它通過液壓控制系統(tǒng)控制液壓缸的伸長量進(jìn)而控制刀具架的傾斜程度實(shí)現(xiàn)變徑。如圖4所示，該機(jī)構(gòu)由液壓缸1、推力頭2、液壓推桿3和液壓缸載體4(圖中未示出)組成。液壓缸1通過螺栓固定在液壓缸載體4上，液壓缸載體4通過螺釘固定在圓筒上，液壓缸推力頭2和液壓推桿3通過銷軸連接，液壓缸推桿3另外一端和刀具架通過銷軸連接。

1-壓桿；2-壓桿彈簧；3-杠桿；1-液壓缸；2-推力頭；4-平置彈簧；5-開底軸；6-蓋底 3-液壓推桿

2.4 鉆頭旋挖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

旋挖機(jī)構(gòu)由安裝在圓筒側(cè)壁上的兩副刀具架和蓋底組成，其中利用兩點(diǎn)連線旋轉(zhuǎn)360°成圓的原理，安裝刀具的刀具架到達(dá)不同傾角隨圓筒轉(zhuǎn)動旋挖出圓坑，蓋底設(shè)計(jì)有螺旋葉片起挖坑定位和緩沖的功效。刀具架上有進(jìn)土口，刀具架在未撐開時切削的土主要從刀具架上的進(jìn)土口進(jìn)入圓筒內(nèi)，刀具架上設(shè)計(jì)有兩把刀具，一把在未撐開時不切土，當(dāng)?shù)毒呒軗伍_時兩把刀具同時工作，提高切削效率。刀具架上設(shè)計(jì)有滑槽安裝刀具，這樣刀具損壞后更換很方便，使得挖坑機(jī)的維修更加經(jīng)濟(jì)。蓋底也設(shè)計(jì)有進(jìn)土口，螺旋葉片提升上來的土通過進(jìn)土口進(jìn)入圓筒內(nèi)，提高鉆頭的出土率。

可變徑挖坑機(jī)旋挖機(jī)構(gòu)由刀具架1、刀具2、圓筒3、蓋底螺旋葉片4組成，如圖5所示。刀具2安裝在刀具架1的滑槽內(nèi)，頭部用螺釘固定，刀具架1尾部通過銷軸與圓筒連接，刀具架1可繞這點(diǎn)轉(zhuǎn)動;蓋底螺旋葉片4通過銷軸連接在圓筒側(cè)壁，可繞該點(diǎn)轉(zhuǎn)動完成蓋底的開啟閉合。

3 升降部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可變徑挖坑機(jī)構(gòu)升降部分帶動鉆頭進(jìn)行上下運(yùn)動，其主要由動力機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)及機(jī)架組成，如圖6所示。

3.1 動力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

動力機(jī)構(gòu)未來要由單片機(jī)控制，所以升降部分的動力機(jī)構(gòu)選用伺服電機(jī)，可以通過控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)的速度，進(jìn)而控制絲杠螺母的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對升降機(jī)構(gòu)上升下降速度的控制。由于伺服電機(jī)的軸太短，所以采用聯(lián)軸器和絲杠連接，聯(lián)軸器有一定的高度，本設(shè)計(jì)采用電機(jī)支撐架將伺服電機(jī)支撐起來。動力部分由伺服電機(jī)1、聯(lián)軸器2、電機(jī)支撐架3組成，如圖7所示。聯(lián)軸器2和伺服電機(jī)1連接，電機(jī)支撐架3通過螺釘固定在機(jī)架上，伺服電機(jī)1通過螺釘固定在電機(jī)支撐架3上。

1-刀具架；2-刀具；3-圓筒；4-蓋底螺旋葉片

圖6 可變徑挖坑機(jī)升降部分

3.2 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

挖坑機(jī)械的工作條件比較惡劣，所以機(jī)構(gòu)在下降時振動比較大，要求機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，而且挖坑機(jī)構(gòu)根據(jù)各地的自然條件要將鉆頭提升不同高度，并且可以停留一段時間。絲杠螺母機(jī)構(gòu)能夠滿足以上所有要求，它運(yùn)行平穩(wěn)，而且能反向自鎖。本設(shè)計(jì)將絲杠固定在機(jī)架上，螺母帶動鉆頭進(jìn)行升降運(yùn)動。本機(jī)構(gòu)由絲杠螺母機(jī)構(gòu)1、升降板2、推力調(diào)心滾子軸承3組成，如圖8所示。推力調(diào)心滾子軸承3安裝在機(jī)架上，絲杠1兩端過盈配合安裝在軸承內(nèi)圈，升降板2上的螺母和絲杠配合。

>1-伺服電機(jī)；2-聯(lián)軸器；1-絲杠螺母機(jī)構(gòu)；2-升降板；3-電機(jī)支撐架 3-推力調(diào)心滾子軸承

3.3 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架是整個機(jī)構(gòu)的載體，該機(jī)架可以和機(jī)器人手臂或拖拉機(jī)連接，機(jī)架上設(shè)計(jì)有滑道，其中絲杠螺母機(jī)構(gòu)通過機(jī)架上端安裝在滑槽內(nèi)，加強(qiáng)了升降裝置的剛度。機(jī)架機(jī)構(gòu)由機(jī)架1和升降壓板2組成，升降壓板2通過螺栓固定在機(jī)架上，如圖9所示。

1-機(jī)架；2-升降壓板

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的可變徑挖坑機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)，通過采用中空圓筒鉆頭實(shí)現(xiàn)可變徑的挖坑功能，解決了目前國內(nèi)外挖坑機(jī)不能變徑、出土率低、回填麻煩等問題。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該平臺具有可自動改變刀具直徑、出土率高、挖坑效率高、回填容易等優(yōu)點(diǎn)。

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