獨(dú)輪手推車式挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

水東莉

（遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115009）

挖坑機(jī)是一種便捷、實用的整地機(jī)械，被廣范應(yīng)用于果蔬追肥、四旁綠化、植樹造林等[1]。對降低勞動強(qiáng)度、提高整地質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低成本等發(fā)揮了巨大作用[2，3]。目前，市場主要的挖坑機(jī)種類有懸掛式和手提式兩類挖坑機(jī)[4]。懸掛式挖坑機(jī)，生產(chǎn)效率高，但作業(yè)成本高而且田間通過性較差[5，6]；手提式挖坑機(jī)，使用時需要操作者將挖坑機(jī)整機(jī)抬到作業(yè)位置，勞動強(qiáng)度大，且作業(yè)時受挖坑機(jī)強(qiáng)烈震動的影響，操作者的手臂長期處于振動回轉(zhuǎn)中，會引起手臂神經(jīng)功能性障礙疾病，嚴(yán)重者將威脅勞動者的身心健康[7，8]。

針對上述的問題，借鑒現(xiàn)有挖坑機(jī)的技術(shù)和性能基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研制出一種工作平穩(wěn)可靠、坑穴垂直度高、舒適性好、勞動強(qiáng)度低、操作簡單輕便、田間通過性好且適用于果蔬追肥、小樹移植和葡萄園埋設(shè)樁柱等的獨(dú)輪手推車式挖坑機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

獨(dú)輪手推式挖坑機(jī)主要由機(jī)架、挖坑機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)組成。其中機(jī)架包括車把、車架、車輪、標(biāo)尺、滑軌、鎖緊把手，車把一端設(shè)有控制動力的油門扳機(jī)，且車把外表包裹了一層橡塑；挖坑機(jī)構(gòu)包括汽油機(jī)、減速器、支撐架、鉆頭；穩(wěn)定機(jī)構(gòu)包括氣彈簧、支桿、穩(wěn)固桿等，整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 獨(dú)輪手推車式挖坑機(jī)示意圖

2 工作原理

該挖坑機(jī)為單人操作，驅(qū)動車把將挖坑機(jī)推至作業(yè)位置，根據(jù)預(yù)挖坑徑選擇適合的鉆頭，通過滑軌調(diào)整挖坑機(jī)構(gòu)在車架上的位置。挖坑機(jī)構(gòu)依靠自身重力使鉆頭豎直向下，對準(zhǔn)挖坑中心。作業(yè)時，氣彈簧處于被壓縮過程，其壓縮反力為挖坑時提供緩沖力，減少把手處的強(qiáng)烈振動。鉆頭提出坑穴時，氣彈簧處于伸展過程，其伸展力輔助鉆頭上行。穩(wěn)固桿的底端為圓錐型，作業(yè)時向下插入地面保證整機(jī)的穩(wěn)定性。此外，作業(yè)時手扶車把通過油門扳機(jī)控制鉆頭的轉(zhuǎn)動，操作人員手握車把輕輕下壓，同時關(guān)注標(biāo)尺，實時監(jiān)測挖坑深度。

3 主要技術(shù)參數(shù)

獨(dú)輪手推車式挖坑機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 挖坑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 關(guān)鍵部件

4.1 氣彈簧

4.1.1 氣彈簧工作原理

如圖2 所示，氣彈簧的組成主要包括活塞桿、活塞、缸筒和密封套四個部分，其腔體內(nèi)充有惰性氣體、可溶部分惰性氣體的油，形成油氣混合物。因為活塞開有一個小的通孔，使得活塞兩端的氣體壓力近似相等，活塞兩側(cè)一端有活塞桿，另一端無活塞，所以造成兩腔的截面積不同，形成壓力差，產(chǎn)生了氣彈簧的彈力。氣彈簧的彈力為

式中：f—?dú)鈴椈傻膹椓?，N；f1—無活塞桿側(cè)缸筒內(nèi)壓力，N；f2—有活塞桿側(cè)缸筒內(nèi)壓力，N；s2—活塞的橫截面積，m2；s1—活塞桿的橫截面積，m2；p—缸筒內(nèi)的壓強(qiáng)，Pa。

圖2 氣彈簧示意圖

氣彈簧的壓縮和伸展過程力學(xué)特性曲線圖3所示[9]，氣彈簧由最小的壓縮力F3過渡到最大的壓縮力F4，由最大的伸展力F2過渡到最小的伸展力F1；兩個過程氣彈簧的彈力均輸出的非常線性，所以在挖坑機(jī)作業(yè)的過程中，氣彈簧運(yùn)動平順連續(xù)，輸出的彈力無突變，能很好的起到緩沖減振的作用。

圖3 氣彈簧力學(xué)特性

4.1.2 氣彈簧參數(shù)

為了滿足人機(jī)工程學(xué)，提高操作舒適性，操作力范圍為50—80 N[10]，氣彈簧的彈力上限不能過大[11]。氣彈簧的伸展力確定為挖坑機(jī)總重的2 倍，根據(jù)車把的提起角度，利用“兩圓法”確定氣彈簧的上安裝位置[12]，根據(jù)公式2，計算氣彈簧總長度（最短的尺寸），即可確定氣彈簧的下安裝點。氣彈簧的參數(shù)如表2所示。

式中：L-氣彈簧總長度，mm；S-行程，mm。

表2 氣彈簧技術(shù)參數(shù)

4.2 鉆頭與支撐架連接機(jī)構(gòu)

為了確保作業(yè)時坑穴的垂直度，該挖坑機(jī)的鉆頭與支撐架之間的連接如圖1、4 所示?；祝?）與車架（1）滑動接觸，且滑套（5）上設(shè)有鎖置把手（6），用于固定挖坑機(jī)構(gòu)的位置。支撐柱（7）一端與滑套（5）轉(zhuǎn)動固定連接，另一端固定連接支撐架（16）。汽油機(jī)（15）的底部固定連接在支撐架（16）上，鉆頭（17）通過圓柱銷（19）可拆卸地固定在汽油機(jī)的輸出軸（18）上。

不作業(yè)時為了便于移動，鉆頭與地面的距離為50 mm，鉆頭可以前后擺動。挖坑作業(yè)時，挖坑機(jī)構(gòu)依靠自身重力使鉆頭與地面保持垂直，氣彈簧的壓縮反力提供緩沖力，減少了挖坑機(jī)的振動，確?？友ǖ拇怪倍?。

圖4 鉆頭與機(jī)架連接示意

4.3 鉆頭的設(shè)計

如圖5所示，鉆頭主要由螺旋葉片、鉆桿和切土刀片構(gòu)成。其中螺旋葉片的作用是通過其螺旋運(yùn)動將鉆出的土壤排出坑穴外，并保證土壤在鉆頭的鉆桿由上而下運(yùn)動過程中不發(fā)生停機(jī)和阻塞，螺旋鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍設(shè)計為162 r/min～308 r/min。

圖5 鉆頭結(jié)構(gòu)意圖

5 結(jié)論

研制的獨(dú)輪手推車式挖坑機(jī)勞動強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作簡單輕便、田間通過性好、可監(jiān)測挖坑深度；鉆頭實時保持豎直向下，保證了坑穴的垂直度；氣彈簧結(jié)構(gòu)的設(shè)計減少了挖坑時振動帶來的安全隱患，提高了操作人員的舒適度。適合果蔬追肥、小樹移植和葡萄園埋設(shè)樁柱等。