獨輪手推車式挖坑機的設(shè)計與試驗研究

水東莉

摘要：針對振動影響挖坑機操作舒適性及坑穴垂直度問題，研制一種獨輪手推車式挖坑機。根據(jù)力矩平衡原理，利用CAD及LMS Test，研究挖坑機正常工作最佳轉(zhuǎn)速范圍、氣彈簧選型及安裝位置、氣彈簧機構(gòu)減振效果。結(jié)果表明：該挖坑機結(jié)構(gòu)輕便、操作簡單、田間通過性好，能保證挖坑垂直度，最佳作業(yè)轉(zhuǎn)速范圍為162～308 r/min，不同激勵頻率下隔振率為55%～96%，能夠阻隔發(fā)動機向車架把手端傳遞振動。

關(guān)鍵詞：挖坑機;減振;結(jié)構(gòu)設(shè)計;樣機試驗

中圖分類號：S222? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2021）01-0032-04

挖坑機廣泛應(yīng)用于植樹造林、果蔬追肥、大棚地樁安置等挖坑作業(yè)，可以提高整地質(zhì)量、減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率、降低成本等。目前市場上的挖坑機主要有手提式和懸掛式兩種。手提式挖坑機勞動強度大，使用時不平穩(wěn)，且會產(chǎn)生較大的振動，長期處于振動回轉(zhuǎn)中會引發(fā)手臂神經(jīng)功能障礙疾病，嚴重危害操作者身心健康;懸掛式挖坑機生產(chǎn)效率高，但價格昂貴，且通過性差。本課題首次將氣彈簧機構(gòu)應(yīng)用到挖坑機上，采取計算與試驗相結(jié)合的方法，創(chuàng)新研制出一種獨輪手推車式挖坑機。該挖坑機工作平穩(wěn)可靠，勞動強度低，操作簡單輕便，通過性好，保證了挖坑垂直度;氣彈簧機構(gòu)減振效果顯著，提高了挖坑時的舒適度。

1 獨輪手推車式挖坑機總體設(shè)計

1.1 整機結(jié)構(gòu)

獨輪手推車式挖坑機主要由機架、穩(wěn)固機構(gòu)、挖坑機構(gòu)等組成（如圖1所示）。機架包括車架、車把、滑軌、車輪、標尺，其中車把上裝有隔振橡膠套，并在一端設(shè)有控制動力油門扳機。穩(wěn)固機構(gòu)包括支桿、氣彈簧、穩(wěn)固桿等。挖坑機構(gòu)包括汽油機、鉆頭、支撐組件等。

1.2 工作原理

挖坑機設(shè)計為單人操作，獨輪手推車結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向自由且通過性良好。通過滑軌調(diào)節(jié)挖坑機構(gòu)在車架上的位置，未作業(yè)時氣彈簧處于伸展狀態(tài)，鉆頭與地面的距離為50 mm，鉆頭可以繞著支撐柱前后擺動，依靠挖坑機構(gòu)自身重力確保鉆頭與地面垂直。鉆頭下行時，氣彈簧處于壓縮過程，其壓縮力為挖坑過程提供緩沖力;鉆頭上行時，氣彈簧處于伸展過程，其伸展力輔助鉆頭上升，減少作業(yè)時的劇烈振動。穩(wěn)固桿的底端為圓錐型，向下插入地面，保證整機的穩(wěn)定性和垂直度。根據(jù)坑穴的尺寸可以更換鉆頭。通過關(guān)注標尺可以實時監(jiān)測挖坑的深度。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

獨輪手推車式挖坑機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 關(guān)鍵部件理論計算

2.1 螺旋鉆頭轉(zhuǎn)速計算

作業(yè)時，切削的土壤在螺旋葉片作用下，上升至螺旋葉片與表土結(jié)合處。當(dāng)土壤臨界轉(zhuǎn)速小于鉆頭工作轉(zhuǎn)速時，土壤所受離心驅(qū)動力大于其所受摩擦力，使得土壤沿螺旋葉片表面拋出坑外。作業(yè)要求出土率大于85%，且保證旋出坑外的土壤不能拋得太遠以便于回填，所以鉆頭的轉(zhuǎn)速應(yīng)在一定范圍內(nèi)。螺旋鉆頭角速度的范圍為：

≤ω≤19.2Φ（1）

式中：ω為鉆頭角速度，r/s;μ為土壤摩擦系數(shù)，一般取0.25～0.55;g為重力加速度，取9.8 m/s;α為鉆頭內(nèi)徑螺旋升角，°;β為鉆頭外徑螺旋升角，°;Φ為鉆頭直徑，m;ψ1為土垡與螺旋面間摩擦角，一般取22～31 °;ψ2為土壤的內(nèi)摩擦角，與土壤類別和土壤的狀態(tài)有關(guān)，一般取25 °;h為螺距，m。

挖坑機鉆頭的內(nèi)外徑螺旋升角分別為55 °27 ′和18 °36 ′，螺距為95 mm，直徑為300 mm，進給量為50 mm/min。將上述常量與參數(shù)代入公式（1），得出螺旋鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍為：162～308 r/min。

2.2 氣彈簧分析計算

2.2.1 氣彈簧結(jié)構(gòu)及工作原理 氣彈簧由活塞、活塞桿、密封套、缸筒和聯(lián)接件組成（如圖2所示），其內(nèi)部充有高壓惰性氣體和可溶部分高壓惰性氣體的液氣混合物?；钊祥_有小孔，使活塞兩端的氣體壓力近乎相等，由于一端有活塞桿，造成兩腔的截面積不同，形成壓力差，產(chǎn)生活塞桿的輸出力，即氣彈簧的舉力。

氣彈簧在壓縮或伸展的過程中，任意位置時活塞兩側(cè)壓力差值，即缸筒內(nèi)惰性氣體對活塞桿產(chǎn)生的輸出作用力F為：

F=F1-F2=P? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：F為氣彈簧壓縮或伸展力，N;F1為無活塞桿一側(cè)缸腔壓力，N;F2為有活塞桿一側(cè)缸腔壓力，N;d為活塞桿直徑，m;P為缸筒內(nèi)惰性氣體壓強，Pa。

由于高壓惰性氣體在液體中的溶解量隨氣體的膨脹而減小、隨氣體的壓縮而增加，所以缸筒內(nèi)的壓強近似恒定，從而氣彈簧在壓縮或伸展過程中其活塞桿輸出力基本不變，使得氣彈簧運動平順連續(xù)。

2.2.2 氣彈簧選型 挖坑機處于水平作業(yè)位置時如圖3所示。

圖3中：f為操作力;F為氣彈簧支撐力;G為挖坑機整體重力;h為操作力到車輪中心的距離;H為氣彈簧支撐桿中心線到車輪中心的距離;L為挖坑機重心到車輪中心距離;O為車輪中心。

根據(jù)杠桿平衡原理，對挖坑機進行作業(yè)過程中受力分析（不考慮土垡的反作用力）。由力矩平衡得：

F=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：G為挖坑機整體重力，N;L為挖坑機重心到車輪中心的距離，m;f為操作力，N;h為操作力到車輪中心的距離;m;F為氣彈簧支撐力，一般小于

2 000 N;H為氣彈簧支撐桿中心線到車輪中心的距離，m。

當(dāng)H較大時，氣彈簧的支撐力F減小;但如果H過大，則下支撐點的位置就有可能超出穩(wěn)固桿尺寸范圍。為了符合人機工程學(xué)，推薦操作力范圍為 50～80 N，所以取操作力f=50 N。求出氣彈簧支撐力F。

作業(yè)過程中穩(wěn)固機構(gòu)如圖4所示。根據(jù)車把手的提起角度，確定氣彈簧的最大展開長度AB1及氣彈簧最短壓縮長度AB2，則氣彈簧的行程S=AB1-AB2?？紤]到安裝誤差，則氣彈簧的最小行程為S=AB1-AB2+50 mm。

分別以B1，B2為圓心，AB1，AB2長為半徑作圓交于點A，可得到下支撐點A的位置（如圖5所示）。

3 減振效果試驗分析

為了研究氣彈簧的減振效果，選擇在支撐架端和把手端分別布置三向加速度傳感器。挖坑時的振動主要來源于單缸汽油機曲柄連桿機構(gòu)的往復(fù)慣性力，發(fā)動機以額定的轉(zhuǎn)速運行（7 500 r/min），設(shè)置激勵頻率的范圍為0～400 Hz，每隔50 Hz測量1組支撐架端和把手端的振動加速度數(shù)值。利用LMS Test系統(tǒng)采集振動信號，并進行處理與分析。

對各激勵頻率下的支撐端和把手端振動加速度取均方根值，通過對比支撐端和把手端的振動加速度反映不同激勵頻率下氣彈簧的減振效果。如圖6所示，支撐架端的加速度響應(yīng)曲線最大峰值在激勵頻率為123 Hz處，這是因為該處的激勵頻率與單缸二沖程發(fā)動機運轉(zhuǎn)頻率接近，引起共振，其振動最大加速度由28.17 m/s降至2.53 m/s。同時，不同激勵頻率下支撐架端振動加速度值均大于把手端振動加速度值，說明氣彈簧起到衰減振動的作用。

隔振率是評價減振效果的重要指標，其數(shù)值越大，表示氣彈簧的減振效果越好。隔振率T的計算公式為：

T=×100%? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：T為隔振率;aa為支撐架端振動加速度，

m/s;ap為把手端振動加速度，m/s。

將各激勵頻率下支撐架端和把手端的振動加速度代入公式（4）中，計算得出氣彈簧的隔振率（如圖7所示）。可以看出，不同激勵頻率下隔振率達55%～96%，且頻率為123 Hz時隔振率為91%，極大地阻隔了發(fā)動機向車架把手端傳遞振動，減振效果顯著，提高了挖坑時的舒適度。

4 結(jié)論

獨輪手推車式挖坑機工作平穩(wěn)可靠，勞動強度低，操作簡單輕便，田間通過性好，保證了挖坑垂直度，最佳作業(yè)轉(zhuǎn)速范圍為162～308 r/min。通過構(gòu)建挖坑機氣彈簧分析計算理論，完成了氣彈簧選型，確定了氣彈簧安裝位置。通過樣機試驗考察氣彈簧機構(gòu)減振效果，測試出不同激勵頻率下隔振率達55%～96%，極大地阻隔了發(fā)動機向車架把手端傳遞振動，提高了挖坑時的舒適度。

參考文獻

[1] 王有剛.新型全液壓連續(xù)式挖坑機研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 馬麗娜，王警梁，宗望遠，等.手提式挖坑機開合螺母式自動進給機構(gòu)的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（4）：25-31.

[3] 夷紅志.一種手提式挖坑機動態(tài)特性分析[D].青島：山東科技大學(xué)，2017.

Research on Design and Test of Wheelbarrow-type Digging Machine

SHUI Dongli

（Department of Agricultural Equipment Engineering， Liaoning Agricultural Technical College， Yingkou Liaoning 115009， China）

Abstract： In order to solve the problem of vibration affecting the operating comfort and the vertical degree of pits， a wheelbarrow-type digging machine was developed. According to the principle of torque balance， the optimal speed range， selection and installation position of air spring， and vibration damping effect of air spring mechanism of digging machine under normal operation are studied by CAD and LMS Test. The results show that the digging machine has the advantages of light structure， simple operation， good field passing ability， which can guarantee the perpendicularity of the digging. The optimal operating speed range is 162～308 r/min， and the vibration isolation rate is 55%～96% under different excitation frequencies， which can block the transmission of vibration from the engine to the frame handle.

Key words： digging machine; vibration damping; physical design; prototype test