基于SolidWorks的全地形多用途推車式種樹挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙亞斌，韓 果，張 輝

(鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450064)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)的機(jī)械化程度、自動化程度和信息化水平提高是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向。近年來，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)丘陵、坡地土質(zhì)及地形具有獨(dú)特的自身特點(diǎn)，水果種植業(yè)迅速發(fā)展提升，國內(nèi)針對丘陵、坡地的小型果樹林木種植機(jī)械的研究相對較少。因此，精準(zhǔn)把握果木栽植機(jī)械——挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，研制果樹林木種植機(jī)械已成為當(dāng)前農(nóng)機(jī)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[1]。目前，種樹挖坑機(jī)主要包括：懸掛式種樹挖坑機(jī)、手提式種樹挖坑機(jī)、牽引式種樹挖坑機(jī)、背負(fù)式種樹挖坑機(jī)等。

在國外，植樹造林基本采用機(jī)械化，其技術(shù)處于領(lǐng)先地位。采用多種不同動力配套的挖坑機(jī)，包括手提式、背負(fù)式、手扶拖拉機(jī)式和拖拉機(jī)、開溝機(jī)、植苗器等設(shè)備[3]。日本生產(chǎn)的 A-7 型手提式挖坑機(jī)質(zhì)量僅為7.0 kg，采用 H350D 發(fā)動機(jī); A-8D 型挖坑機(jī)可挖坑徑范圍為 20～200 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，零件少，適應(yīng)性很強(qiáng)，但缺點(diǎn)是操作者的疲勞強(qiáng)度高。英國生產(chǎn)的 05H8300 型懸掛式挖坑機(jī)和美國生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機(jī)鉆頭之間的距離可以調(diào)節(jié)，可以挖掘較深的坑洞(1 m左右)，適用于平原地區(qū)的大面積植樹造林，工作效率高，但是不能任意位置隨意打洞。荷蘭 DAMCON 公司生產(chǎn)的 PL-30 型植樹機(jī)用于種植行道樹和松柏類樹。這些植樹機(jī)直接配備了耕地裝置，耕地槽距 30～90 cm，槽深 30～50 cm。專業(yè)性強(qiáng)，多應(yīng)用于市政綠化工程建設(shè)領(lǐng)域，但也有明顯的缺點(diǎn)，即作業(yè)范圍受到較大限制，不適合丘陵和大坡度山地等地區(qū)。

在國內(nèi)，我國的植樹造林機(jī)械發(fā)展較晚，自1958 年，中國第一次成功研制出拖拉機(jī)懸掛式挖坑機(jī)和手提式挖坑機(jī)后，經(jīng)過幾十年的不斷努力，現(xiàn)有較多成熟機(jī)型，如，北京沃林機(jī)械有限公司生產(chǎn)的雷神系列 SD-B350 型便攜挖坑機(jī)、山東大豐機(jī)械有限公司研制的 DY-40K 型機(jī)具均屬于便攜式類型的挖坑機(jī)；赤峰田豐農(nóng)機(jī)廠生產(chǎn)的 3WH-60 型懸掛式挖坑機(jī)，具有易于操作，結(jié)構(gòu)合理的特點(diǎn)，可挖高達(dá)160坑·h-1，但多是停留在模仿國外設(shè)備及其關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)等方面，這些參數(shù)對機(jī)器性能方面影響的研究效多。由于中國的地形地貌多樣化，栽植果木及造林植樹表現(xiàn)出極大的區(qū)域性和季節(jié)性，果木栽植機(jī)械類機(jī)具作業(yè)場所、時間極其有限，機(jī)具較低使用率使功能單一，操作簡單的設(shè)備優(yōu)勢得到突顯，因此在今后對挖坑機(jī)的研發(fā)、制造過程中應(yīng)考慮單機(jī)多用問題，應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)，因地制宜。對于大規(guī)模造林區(qū)，應(yīng)積極開發(fā)高效率、高自動化程度的多頭大型挖坑植樹機(jī)具，而對于小面積的陡坡、高山和多石地區(qū)，則應(yīng)開發(fā)機(jī)動靈活、小型的便攜式挖坑機(jī)。

1 總體設(shè)計方案

本次設(shè)計的推車式種樹挖坑機(jī)旨在提升種樹挖坑機(jī)的靈活性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。具體措施：一是更換不同的鉆頭，適應(yīng)不同的土壤條件和工作環(huán)境；二是設(shè)計通用機(jī)架，在更換其他工作部件后即可完成不同營林作業(yè)項(xiàng)目，有效提高利用率。本設(shè)計共分為4大部分：種樹挖坑機(jī)機(jī)架、行走及穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、鉆頭上升或下降時的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、螺旋鉆頭[2]。其中在推車式便捷種樹挖坑機(jī)通過車輪移動的過程中，要保證推車式便捷種樹挖坑機(jī)在移動過程的穩(wěn)定性。對推車式便捷種樹挖坑機(jī)的各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分析，保證人機(jī)和諧。本次設(shè)計采用SolidWorks三維建模設(shè)計，整個產(chǎn)品設(shè)計是完全可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間是全相關(guān)的，這樣就可高效地管理整個設(shè)計過程。總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 手推式便捷種樹挖坑機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先由四沖程汽油機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動力，通過齒輪減速器傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動螺旋鉆頭轉(zhuǎn)動，完成挖坑作業(yè)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生晃動，機(jī)器的扭力一般依靠操作者雙手來克服，但操作者在植樹作業(yè)時，僅通過目測很難了解土壤內(nèi)部情況，當(dāng)鉆頭遇到土壤內(nèi)部石頭、樹根等時，操作者容易受到反旋轉(zhuǎn)力的傷害。通過在該設(shè)備前方設(shè)計兩個定位錐釘，結(jié)合后方兩個固定腳輪，形成了穩(wěn)定的四足支撐機(jī)構(gòu)，不僅提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，而且增加了操作的安全性。設(shè)計了簡易升降機(jī)構(gòu)，操作者主要通過腳蹬板克服導(dǎo)軌上面的彈簧彈力來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的向下運(yùn)動，通過腳蹬板上面的輔助把手也可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下移動。反之，恢復(fù)的過程，操作者一方面驅(qū)動把手向上運(yùn)動，另一方面借助彈簧的彈力克服動力機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量使之向上移動。該升降機(jī)構(gòu)質(zhì)量較輕，而且可靠性高，工作效率較高。

該方案的設(shè)計充分考慮人機(jī)和諧，使工作者省心省力，并且可以保證整個結(jié)構(gòu)運(yùn)動的平穩(wěn)性；柔性設(shè)計，通過更換鉆頭，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，擴(kuò)大了使用范圍，同時為操作者提供了一個安全舒適的工作環(huán)境[3]。

2 種樹挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主體設(shè)計

種樹挖坑機(jī)的主體是機(jī)架，機(jī)架的作用主要是承載傳動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(螺旋鉆頭)，機(jī)架本身不僅要重量輕，而且要剛性好，有較強(qiáng)的承載能力。該設(shè)計機(jī)架主要由底面方形框架組成，寬度為600 mm，長度為700 mm。螺旋鉆頭的最大直徑尺寸可達(dá)400 mm，高度方向主要由方形后框架和兩側(cè)兩根加強(qiáng)筋組成，高度1 400 mm,螺桿的最大長度可達(dá)800 mm, 并在后方焊接兩個固定腳輪支架?？傮w機(jī)架重量控制在20 kg左右，SolidWorks三維建模設(shè)計如圖2所示。

圖2 種樹挖坑機(jī)的機(jī)架

2.2 螺旋鉆頭設(shè)計

在全地形多用途推車式種樹挖坑機(jī)工作過程中，鉆頭是主要工作部件。因受力環(huán)境惡劣程度不同，在挖坑過程中，存在鉆頭和土壤之間的相互作用力，鉆頭在旋轉(zhuǎn)切割土壤過程中造成的阻力，以及輸送土壤時鉆頭與土壤產(chǎn)生的摩擦力。通過對以上數(shù)據(jù)的定性分析可知，鉆頭的切削阻力隨土壤的黏度和硬度的變化而變化，鉆頭旋轉(zhuǎn)切削產(chǎn)生的阻力與切削截面大小成正比。不僅南方和北方土壤存在差異，即使在同一塊土地上，土體的分布也不是絕對均勻的。螺旋鉆頭的轉(zhuǎn)速值大于螺旋鉆頭的臨界轉(zhuǎn)速值時，螺旋鉆頭才能使土壤中的土顆粒從坑洞內(nèi)移動到水平面上，即提土完成。螺旋鉆頭的直徑不大于400 mm時，種樹挖坑機(jī)的鉆頭螺旋表面處的螺旋角的取值范圍為10°～16°較為適宜[12]，該設(shè)計的螺旋鉆頭螺旋角設(shè)為12°，SolidWorks三維建模設(shè)計見下圖3所示。

圖3 種樹挖坑機(jī)的螺旋鉆頭

2.3 動力裝置選型

由于設(shè)計的全地形多用途推車式種樹挖坑機(jī)體積小，所以大尺寸、大重量的柴油機(jī)不宜選用，小功率、輕量化汽油機(jī)才是較為理想的選擇，通過選型對比選擇了152F型號的汽油發(fā)動機(jī)機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，啟動方便，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出功率大，完全滿足日常種樹要求。該發(fā)動機(jī)為單缸四沖程發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)功率為1.75 kW，質(zhì)量約4.5 kg，體積約300 mm×300 mm×320 mm。SolidWorks三維模型如圖4。

圖4 3152F型號的汽油機(jī)

2.4 行走機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)設(shè)計

種樹挖坑機(jī)的行走通常通過腳輪實(shí)現(xiàn)，常見的腳輪主要分為兩大類：一類是可活動腳輪，又稱萬向輪，該腳輪非常靈活，能完成360°旋轉(zhuǎn)；另一類是定向腳輪，不能轉(zhuǎn)動?？紤]種樹挖坑機(jī)種樹過程中的穩(wěn)定性，本次設(shè)計采用帶剎車裝置的定向腳輪,腳輪直徑為200 mm,如圖5所示。穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的主要作用是在種樹挖坑機(jī)鉆頭工作之前,先鎖定種樹區(qū)域的相對的位置，設(shè)計的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)是由后方兩個腳輪作和前方兩個延伸的支撐錐釘(SolidWorks建模設(shè)計如圖6所示)組成。通過4足支撐行程穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不僅有利于種樹過程中設(shè)備的穩(wěn)定，也增加了操作的安全性。

圖5 種樹挖坑機(jī)的行走車輪

圖6 種樹挖坑機(jī)的支撐錐釘

2.5 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計

該種樹挖坑機(jī)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要是借助機(jī)架后側(cè)中間的兩根圓柱導(dǎo)軌，通過腳蹬踏板和把手控制螺旋鉆頭的下降和提升，其中腳蹬踏板采用SolidWorks設(shè)計，如圖7所示。當(dāng)設(shè)備啟動時，螺旋鉆頭的旋轉(zhuǎn)會使土壤向上運(yùn)動，操作人員可以把腳放在腳踏板的位置，用腿部力量克服彈簧彈力，使鉆頭延導(dǎo)軌向下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)鉆頭挖到指定深度時，操作者可以通過把手延導(dǎo)軌向上提拉鉆頭，同時，操作者可以慢慢松開腳蹬踏板。如此操作，操作者可以借助彈簧的彈力使鉆頭輕松從坑洞中移出，降低工作強(qiáng)度。此外，種樹挖坑機(jī)的螺旋葉片在工作時會把所挖坑中的土壤排到洞口周圍，利于操作者在樹木栽進(jìn)所挖坑洞后迅速掩埋，提高了種植樹木的效率。

圖7 腳蹬踏板

3 總結(jié)與展望

設(shè)計的全地形多用途種樹挖坑機(jī)主要采用SolidWorks進(jìn)行三維建模，該設(shè)備具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。針對目前種樹挖坑機(jī)存在工作噪音大、使用率低、穩(wěn)定性差、勞動強(qiáng)度高等問題及大型種樹挖坑設(shè)備受地形和種植要求限制，利用Solidworks進(jìn)行三維建模并優(yōu)化設(shè)計了全地形多用途推車式種樹挖坑機(jī)。該設(shè)備充分考慮人機(jī)和諧，工作平穩(wěn)性高，一機(jī)多用，使用范圍廣，對我國植樹造林和果木種植業(yè)的發(fā)展有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。