智能型可變徑植樹挖坑機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

0 引言

植樹挖坑機是一種用于野外植樹挖坑或整地工作的林業(yè)機械，普遍具有便攜性強、簡單易操作等特性，可以一定程度上降低植樹工作中的人工勞動強度，提升整體植樹效率。我國的植樹造林工作是支撐我國生態(tài)文明建設(shè)，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展工作中的重要一環(huán)。至今，梭梭樹、紫桿柳、沙棘等沙漠植物已經(jīng)逐漸成為我國固沙造林環(huán)節(jié)中的重點種植物種。然而，目前我國所使用的植樹挖坑機工作原理大多來自國外的傳統(tǒng)的植樹經(jīng)驗。這些以螺旋葉片為主要結(jié)構(gòu)加工而成的植樹挖坑機普遍具有不能變徑、出土率低等性能缺陷，已經(jīng)逐漸不能滿足我國實際的植樹造林需求。因此，本文針對當前植樹挖坑機暴露出的某些問題，設(shè)計了一種可變徑植樹挖坑機，對該機械的整體結(jié)構(gòu)和工作特征等進行了詳細闡述，旨在為我國林業(yè)機械發(fā)展提供借鑒。

表4和表5是實證結(jié)果的穩(wěn)健性檢驗。本文根據(jù)人均工資水平來判斷哪些企業(yè)受到了最低工資規(guī)定的影響。據(jù)Draca 等(2005，2011)[18,19]以及Rebecca Riley等(2017)[20]的研究，最有可能受到最低工資規(guī)定影響的是那些勞動力成本較低的企業(yè)。雖然無法基于本文的研究樣本對其進行檢驗(需要企業(yè)員工個體工資數(shù)據(jù)，本文樣本并不具備)，但是根據(jù)穩(wěn)健性檢驗結(jié)果來看，這種判斷方式具有一定的合理性。

1 傳統(tǒng)挖坑機功能缺陷

1.1 傳統(tǒng)挖坑機基本結(jié)構(gòu)

如今使用頻率較高的兩種挖坑機主要有便攜式挖坑機、手推式挖坑機等(圖1)。圖1(a)所示的便攜式挖坑機沒有手推功能，一般需要2至4人協(xié)作使用；圖1(b)所示的手推式挖坑機只需一人便可以進行操作，且由于可以實現(xiàn)機械動力裝置助力，本身在推動時的勞動強度并不高。

快速、準確地對故障等級進行判斷有助于設(shè)計人員有針對性地進行故障維修重點分析以及設(shè)計改進，也有助于維修保障人員選擇適當?shù)木S修方式，避免出現(xiàn)花大代價處理次要問題，而嚴重問題卻未被重視的情況。如何科學合理地制定決策規(guī)則從而判斷故障所屬等級是研究的難題，而本文提出的結(jié)合了灰色粗糙集組合理論的決策方法可以較好地予以解決。

兩種挖坑機除在手推結(jié)構(gòu)方面存在一定差異外，基本都主要動力機構(gòu)、鉆頭、升降機、扶手以及離合器等部分組成。

1.2 傳統(tǒng)挖坑機功能缺陷

用“modest”,“thoughtful”,“kind”形容姨父，與下文“姨父”偽善、虛偽的本質(zhì)形成對比，起到了反諷的效果。

在我國的未來的植樹造林事業(yè)中，這種螺旋式的便攜式挖坑機已經(jīng)逐漸無法滿足操作人員的實際需求。而某些車載式挖坑機或手推式挖坑機盡管挖坑直徑大、勞動強度低，但是通常操作靈活性會有所下降，在復雜的沙漠、戈壁等地帶進行挖坑，反而會增加作業(yè)難度。因此，開發(fā)出一種可變徑、便攜式、易操作的挖坑機，是提升植樹造林及我國林業(yè)整體工作效率的重要舉措。

“中國-東盟博覽會（CHINA-ASEAN Exposition簡稱CAEXPO），簡稱東博會，由中國前國務院總理溫家寶倡議，由中國和東盟10國經(jīng)貿(mào)主管部門及東盟秘書處共同主辦，廣西壯族自治區(qū)人民政府承辦的國家級、國際性經(jīng)貿(mào)交流盛會，每年在廣西壯族自治區(qū)南寧舉辦?！弊詵|博會年永久落戶廣西壯族自治區(qū)首府南寧市之后，十多年來其不斷促進南寧的政治、經(jīng)濟、文化、金融、信息、旅游等方面的發(fā)展。經(jīng)過十多年的發(fā)展，南寧的面目不斷煥發(fā)新顏，人民的生活水平不斷得到提升，同時也吸引著越來越多的人來南寧進行旅游度假。

2 智能可變徑挖坑機結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

智能可變徑挖坑機結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目標集中在升降機和鉆頭兩部分，動力機構(gòu)、扶手及離合器等部分并不需要重新設(shè)計。圖2所示為本文設(shè)計的智能可變徑挖坑機升降機和鉆頭兩部分結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2.2 鉆頭部分

11月16日，梨視頻公開一段拍客臥底拍攝視頻，內(nèi)容顯示，外賣商家使用外賣料理包（也稱速食包），加熱后再包裝，通過外賣平臺大量售出。對此，餓了么發(fā)布公開聲明，對事件做出回應稱“使用問題品牌的商家全部下線”。

2.2 核心部件結(jié)構(gòu)

2.2.1 升降機部分

其次，開鎖機構(gòu)設(shè)計初衷是實現(xiàn)挖坑機的初級智能化。由于開鎖機構(gòu)的存在，植樹作業(yè)人員不需要進行手動操作便可以自動實現(xiàn)挖坑機構(gòu)的變徑、旋挖、卸土等一系列操作。當挖坑機被提至地面時，開鎖機構(gòu)中的壓感向下運動帶動杠桿轉(zhuǎn)動，進而對開鎖機構(gòu)內(nèi)部的拉動平置彈簧進行拉伸，使開底軸實現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)動與底蓋脫落底蓋上的土實現(xiàn)外卸。當艙內(nèi)土卸完以后，由于土壤帶來的壓力消失，底蓋自動閉合。

再次，變徑機構(gòu)通過對多方向的液壓控制桿伸長量進行控制，實現(xiàn)挖坑半徑的變化。刀具在液壓控制桿的作用下可以很容易實現(xiàn)變徑。在實際的挖坑作業(yè)時，操作人員可以通過編輯或選擇PLC程序的形式對坑徑進行即時變更，大大降低了坑徑變化帶來的操作時間延長。

從傳統(tǒng)挖坑機的結(jié)構(gòu)上看，鉆頭基本均為固定直徑的螺旋葉片狀，在需要挖掘不同直徑的樹坑時，只能通過更換鉆頭的形式實現(xiàn)。首先，從工作效率的視角來看，這種需要整體拆卸鉆頭才能實現(xiàn)變徑的結(jié)構(gòu)設(shè)計在工作效率上明顯較低；其次，從出土率角度來看，這種螺旋葉片狀鉆頭一般會因為離心力的作用而只能帶出較少的土，且?guī)С龅耐吝€會因為離心力的作用而被拋灑出較遠的距離，對于回填較為不利；最后，從器械的可拓展性來看，傳統(tǒng)的螺旋葉片旋轉(zhuǎn)式挖坑機由于受限于葉片直徑、鉆頭尺寸等，在需要進行大坑徑作業(yè)時通常難以通過人工的形式來實現(xiàn)，對大型工程器械的要求較高，容易喪失挖坑機便攜式操作的優(yōu)勢。

本文設(shè)計的挖坑機鉆頭與一般的碳鋼螺旋葉片結(jié)構(gòu)存在很大差異。鉆頭部分主要由傳動機構(gòu)等4部分組成(圖4)。

挖坑機在進行實際作業(yè)時，由動力系統(tǒng)帶動升降機和鉆頭工作。升降機通過帶動升降機構(gòu)實現(xiàn)鉆頭的上下運動；鉆頭則在獨立的動力機構(gòu)帶動下進行坑徑變化、旋轉(zhuǎn)等動作。

首先，動力機構(gòu)采用二/四沖程汽油機作為動力輸出機構(gòu)，通過帶動伺服電機采用單片機控制單元對絲杠螺母進行控制，伺服系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)速帶動升降機構(gòu)實現(xiàn)不同速度的上/下指令。其次，絲杠螺母是連接動力機構(gòu)與升降機構(gòu)的重要部件。由于植樹挖機工作通常都在沙地、戈壁等環(huán)境下，因此，絲杠螺母需要滿足鉆頭帶來的高度振動。因此，本文將絲杠螺母直接固定在機架上，以降低絲杠螺母振動帶來的機構(gòu)不穩(wěn)定性。再次，升降機構(gòu)材質(zhì)為碳鋼能反向自鎖的升降機構(gòu)，同樣旨在提升機構(gòu)整體工作穩(wěn)定性，降低因外界惡劣工作環(huán)境對挖坑機帶來的振動影響。最后，機架是整個升降機部分的承載機構(gòu)。本文設(shè)計的升降機機架布設(shè)了滑道結(jié)構(gòu)和預留孔機構(gòu)，可以與機器人手臂或牽引裝置連接，實現(xiàn)挖坑機的智能化或自動化作業(yè)。

首先，傳動機構(gòu)通過銷軸和鉆頭連接，主要負責通過接受伺服電機指令實現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)和變徑。傳動機構(gòu)采用45碳鋼材料加工而成，直徑為90mm，可承受鉆頭最大扭矩為2000Nm。由于伺服電機可以通過單片機控制單元實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)速調(diào)整。因此，傳動機構(gòu)處并不需要設(shè)置傳統(tǒng)挖坑機中的加減速(離合)裝置，一定程度上降低了機構(gòu)整體自重，使挖坑機操作更為靈活。

植樹挖坑機鉆頭的上下運動主要由升降機部分帶動實現(xiàn)。本文設(shè)計的挖坑機升降機主要包括動力機構(gòu)等4部分，如圖3所示。

“行了。”帥哥擰好最后一顆螺釘，用手背擦了擦額頭上的汗，笑著對呂凌子說。帥哥笑得極富感染力。呂凌子沒笑，她笑不出來，只禮貌性地道了聲謝。

最后，旋挖機構(gòu)包含了刀具、鉆頭等部分。兩把刀具所在的刀具架上設(shè)計有滑槽裝置，如果刀具損壞可以很方便地進行更換。刀具與鉆頭間的蓋底部分設(shè)置進土口，方便進行進土和卸土。這種設(shè)計的好處除了可以更好、更快地實現(xiàn)土壤運輸外，還有利于后期的機械保養(yǎng)和維護，不會因為某一零件出現(xiàn)問題而需要更換所有鉆頭部件。

3 智能可變徑挖坑機性能優(yōu)勢

3.1 智能可變徑

本文設(shè)計的挖坑機初步實現(xiàn)了挖坑作業(yè)過程中的智能化變徑。挖坑機的變徑范圍為150～550mm，若植樹作業(yè)中有實際需要，也可以通過更換鉆頭道具的形式繼續(xù)擴大智能可變徑范圍。而一般傳統(tǒng)的挖坑機刀具均為固定直徑，每次更換刀具時都需要將原刀具以手動形式拆下下來。這一過程不僅浪費時間且存在一定的危險性，會給植樹工作帶來不必要的負擔。表1所示為使用不同挖坑機A、B和本機在挖掘相同面積、相同數(shù)量但不同坑徑時的工作效率對比情況。

由表1數(shù)據(jù)可知，從挖掘每坑用時來看，本設(shè)計的挖坑機所表現(xiàn)出的優(yōu)勢并不明顯，平均每坑用時1.02min，挖坑機A、B平均每坑用時均為1.112min。單純從挖坑這一環(huán)節(jié)工作來看，這三種植樹挖坑機在挖掘環(huán)節(jié)所用的時間相差不大。然而，如果從挖掘25個不同坑徑樹坑的總用時來看，本文設(shè)計的挖坑機工作效率明顯更快。這是因為可變徑以及裝卸土的初級智能化設(shè)計一方面不需要更換刀具，省去了大量更換刀具的時間；另一方面自動卸土的這一動作也省去了通過人力卸土的這一工作所消耗的時間。因此，盡管本文設(shè)計的挖坑機在單坑挖掘工作效率方面的優(yōu)勢并不明顯，但如果是大范圍多種坑徑作業(yè)則明顯可以表現(xiàn)出優(yōu)于一般挖坑機的工作效率。

3.2 便攜式設(shè)計

本文設(shè)計的挖坑機與一般的挖坑機相比盡管增設(shè)了絲杠螺母等設(shè)備，但是由于在刀具環(huán)節(jié)實現(xiàn)了刀具小型化，因此機構(gòu)本身的重量并沒有明顯增加，還可以與一般的便攜式挖坑機一樣實現(xiàn)一到兩人的操控。同時，由于本文設(shè)計的挖坑機采用了大量穩(wěn)固性設(shè)計，在戈壁、硬質(zhì)土地上工作時的振動不大，操控感更為舒適。

3.3 出土率高

由于本文設(shè)計的挖坑機本身設(shè)有儲存罐，可以通過進土口實現(xiàn)土壤的裝卸，相比于一般的螺旋葉片挖坑機而言，本文設(shè)計的挖坑機不需要考慮葉片離心力對土壤帶來的飛散作用，基本上只有很少的土壤從儲存罐縫隙中灑落。因此，本文設(shè)計的挖坑機在出土率方面具有明顯更高的性能優(yōu)勢。

3.4 可拓展性強

一方面，本文在設(shè)計挖坑機時在動力選擇方面比較靈活。根據(jù)不同的植物種植特征可以選擇不同的動力配置，例如二沖程或四沖程汽油機、柴油機或電機等配置均可以較為靈活地安裝在挖坑機的動力裝置處。另一方面，本文設(shè)計的可變徑植樹挖坑機不僅只用于人工工程操作作業(yè)，還可通過配置不同直徑大小的鉆頭并于拖拉機等工程器械進行連接實現(xiàn)不同用途的作業(yè)，以滿足不同植物、作物的種植需求。

4 結(jié)語

本文針對當前植樹挖坑機不能變徑、出土率低等問題，設(shè)計了一種可變徑挖坑機機械設(shè)備。該設(shè)備基本能夠?qū)崿F(xiàn)150～550mm坑徑范圍內(nèi)的自動變徑，初步實現(xiàn)了挖坑機的智能化設(shè)計。與一般的挖坑機相比，本文設(shè)計的挖坑機工作效率高、操作舒適性強，且出土率更高。因此，本文認為該設(shè)備可以被廣泛應用于戈壁等人工操作勞動量較高的植樹造林事業(yè)中。

[1]楊勇,梁尚明,賀亞博.一種手提式挖坑機的研究分析[J].機械設(shè)計與制造,2021(6):126-129.

[2]張志敏,楊衛(wèi).全自動可變徑挖坑機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械工程與自動化,2018(3):91-93.

[3]水東莉.減震手提式挖坑機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗[J].遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報,2021,23(4):11-13.

[4]水東莉.獨輪手推車式挖坑機的設(shè)計與試驗研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2021(1):32-35.

[5]高武軍.挖坑造林一體機設(shè)計分析[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2018,46(5):12-16.