手推減振式挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

齊嘉寶，水東莉，馮義揚(yáng)，趙 竹，王鐸潤(rùn)

（遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115009）

挖坑機(jī)是一種使用便捷且應(yīng)用廣泛的整地機(jī)。適用于果園設(shè)樁、果樹追肥、植樹造林、城市綠化等整地作業(yè)，對(duì)提高生產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義[1-2]。然而，目前市場(chǎng)上挖坑機(jī)存在工作不平穩(wěn)，坑穴垂直性差[3-5]，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，舒適性差，使用時(shí)產(chǎn)生較大振動(dòng)等問題[6-7]。長(zhǎng)期使用可能會(huì)導(dǎo)致操作者產(chǎn)生手部疾病或耳部疾病，影響其生活質(zhì)量[8-10]。因此，研制安全性高、工作效率高、作業(yè)穩(wěn)定、減振性好、使用舒適的挖坑機(jī)，以提高挖坑機(jī)的使用性和舒適性，避免對(duì)勞動(dòng)者產(chǎn)生勞動(dòng)傷害，對(duì)挖坑機(jī)的使用推廣具有十分重要的意義[11-12]。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手推減振式挖坑機(jī)整體由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、隔音裝置、減振彈簧、承載臺(tái)、深度控制機(jī)構(gòu)、車架等構(gòu)成。其中深度控制機(jī)構(gòu)由限位銷、移動(dòng)把手構(gòu)成；動(dòng)力機(jī)構(gòu)由電機(jī)和鉆頭構(gòu)成；隔音裝置由隔音棉、隔音罩和隔音裝置構(gòu)成；承載機(jī)構(gòu)由支撐臺(tái)、支撐桿構(gòu)成；車架由把手、支撐桿、穩(wěn)定桿、導(dǎo)軌構(gòu)成；以及車輪、開關(guān)、刻度孔等輔件構(gòu)成。手推減振式挖坑機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 手推減振式挖坑機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

2 工作原理

作業(yè)時(shí)為一人一機(jī)，先根據(jù)坑徑和坑深的要求選擇適合的鉆頭；通過把手驅(qū)動(dòng)車架，將挖坑機(jī)推至作業(yè)位置，通過穩(wěn)固桿和車輪的相互作用，固定挖坑機(jī)。通過調(diào)整移動(dòng)把手將限位銷插入預(yù)設(shè)深度的刻度孔，設(shè)定好挖坑深度，按下動(dòng)力開關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鉆頭沿著軌道豎直自動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到設(shè)置深度后，限位銷阻止鉆頭繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。過程中，隔音罩起到降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲的作用，同時(shí)隔音裝置和減振彈簧的協(xié)同作用吸收挖坑時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

3 主要技術(shù)參數(shù)

手推減振式挖坑機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

4 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

4.1 隔音裝置

如圖2 所示，隔音裝置由減振裝置、隔音棉和隔音罩構(gòu)成，減振裝置位于電機(jī)與隔音棉之間。其中減振裝置由彈簧、限位槽、移動(dòng)活塞、減振套、移動(dòng)桿構(gòu)成，如圖3 所示。電機(jī)位于隔音罩內(nèi)，作業(yè)時(shí)，通過減振套中移動(dòng)桿、移動(dòng)活塞、彈簧和電機(jī)四者之間的相互作用，限制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)空間，減少電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，并且通過隔音棉和隔音罩降低電機(jī)產(chǎn)生的噪聲傳播。

圖2 隔音裝置示意圖

圖3 減振裝置示意圖

4.2 減振彈簧

減振彈簧通過壓縮變形減輕動(dòng)力機(jī)構(gòu)對(duì)車架的動(dòng)應(yīng)力，達(dá)到減輕振動(dòng)的目的。因等距彈簧有利于定量分析吸收振動(dòng)力，提高機(jī)體的控制性[13]，本文根據(jù)GB/T 2089—2009《普通圓柱螺旋壓縮彈簧尺寸及參數(shù)（兩端圈并緊磨平或制扁）》，選用碳素彈簧鋼的等節(jié)距彈簧[13]，其具體參數(shù)見表2。

表2 減振彈簧技術(shù)參數(shù)

將表2 中的減振彈簧技術(shù)參數(shù)代入公式（1）中，得彈簧剛度k＝33.94 N/mm。

若預(yù)壓力f＝F1＝300 N，代入公式（2）中，得彈簧預(yù)壓縮長(zhǎng)度L1＝8.8 mm，再將減振彈簧技術(shù)參數(shù)代入公式（3）和（4）中[13]，得工作載荷F2＝1 165.42 N，穩(wěn)定工作時(shí)彈簧的行程L2＝34.34 mm。

當(dāng)減振彈簧處于完全壓縮狀態(tài)，L1＝8.8 mm 時(shí)，將減振彈簧技術(shù)參數(shù)代入公式（5）和（6）：

當(dāng)彈簧壓縮完全時(shí)，彈簧極限工作行程L3＝ 105.2 mm，極限載荷F3＝3 570.49 N。

由此可知，減振彈簧的工作載荷極限為3 570.49 N，當(dāng)工作載荷為1 165.42 N 時(shí)，工作效果最佳，且使彈簧的使用壽命得到保障。

5 試驗(yàn)

5.1 減振效果試驗(yàn)

采用LMS Test 系統(tǒng)分析該挖坑機(jī)的減振效果，將三向加速度傳感器分別放置于車把和動(dòng)力機(jī)構(gòu)上，每隔50 Hz 測(cè)量一組兩個(gè)位置的振動(dòng)加速度值，并且對(duì)不同激勵(lì)頻率下的三方向振動(dòng)加速度取均方根值，頻率范圍為0～500 Hz。

隔振率是反映減振效果的重要指標(biāo)之一，其數(shù)值越大，說明機(jī)構(gòu)的減振效果越顯著。將不同激勵(lì)頻率下車把和動(dòng)力機(jī)構(gòu)三方向振動(dòng)加速的均方根代入式子（7）中[14]。

式中：aa為動(dòng)力機(jī)構(gòu)位置的振動(dòng)加速度值；ap為車把位置的振動(dòng)加速度值；T為隔振率。不同激勵(lì)頻率該挖坑機(jī)的隔振率圖，如圖4所示。

圖4 不同頻率挖坑機(jī)的隔振率

由圖4 可知，機(jī)構(gòu)的隔振率范圍為52.1%～ 91.6%，平均隔振率84.72%，說明通過隔音裝置和減振彈簧的協(xié)同作用，使機(jī)構(gòu)減振效果明顯，可以有效減少車把端的振動(dòng)感。

不同頻率車把和動(dòng)力機(jī)構(gòu)端加速度曲線圖，如圖5所示。

圖5 不同頻率車把和動(dòng)力機(jī)構(gòu)端加速度

由圖5 可知，不同頻率下，車把端的加速度均小于動(dòng)力機(jī)構(gòu)端加速度。當(dāng)頻率為114 Hz 時(shí)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)端和車把端的三方向振動(dòng)加速度的均方根值最大，且由11.47 m/s 降至5.32 m/s，這是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和此處的激勵(lì)頻率在此處發(fā)生共振。這進(jìn)一步表明機(jī)構(gòu)的隔音裝置和減振彈簧的協(xié)同作用可以有效阻隔動(dòng)力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)傳向車把傳遞。

5.2 田間試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)手推減振式挖坑機(jī)的作業(yè)效果，在沒有較大作物根莖和沙石的土壤環(huán)境中進(jìn)行該挖坑機(jī)的性能試驗(yàn)[15]，具體試驗(yàn)條件見表3。測(cè)試指標(biāo)包含作業(yè)效率、坑徑、坑深、拋土半徑等[16]，具體指標(biāo)見表4。

表3 試驗(yàn)條件

表4 測(cè)試指標(biāo)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表

試驗(yàn)表明，該挖坑機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性高，通過性良好，坑穴垂直度高，拋土效果好，動(dòng)力配套合理，坑深、坑徑、平均拋土半徑、出土率均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中出土率高達(dá)92.3%，作業(yè)效率達(dá)104 坑/小時(shí)，說明該挖坑機(jī)設(shè)計(jì)合理。

6 結(jié)論

1）手推減振式挖坑機(jī)的減振彈簧的工作載荷極限為3 570.49 N，當(dāng)工作載荷為1 165.42 N 時(shí)，工作效果最佳。

2）隔音裝置和減振彈簧的協(xié)同作用減振效果顯著，機(jī)構(gòu)的隔振率范圍為52.1%～91.6%，平均隔振率84.72%，可以有效減少車把端的振動(dòng)感。

3）手推減振式挖坑機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性高，通過性良好，坑穴垂直度高，平均出土率92.3%，作業(yè)效率104坑/小時(shí)。