，楊 琪，王永坤，朱杰威

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350028)

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，取得的成就舉世矚目也惠及了每一個(gè)中國(guó)人。但我們的發(fā)展一部分是以犧牲環(huán)境為代價(jià)換來的，亂砍亂伐、水土流失、土地荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重。為了能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，早日建成環(huán)境友好型社會(huì)，習(xí)主席提出綠水青山就是金山銀山的兩山理論。在《林業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中具體提出“十三五”時(shí)期是加快林業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，全面推進(jìn)林業(yè)改革發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期[1]。隨著舉措的提出，近幾年，我國(guó)在封山育林、森林撫育上取得了階段性的勝利。根據(jù)國(guó)家第九次全國(guó)森林資源清查成果——《中國(guó)森林資源報(bào)告(2014—2018)》得知全國(guó)現(xiàn)有森林面積2.2億hm2，森林蓄積量175.6億m3，森林覆蓋率22.96%，比第八次全國(guó)森林資源清查的森林覆蓋率提高了1.33個(gè)百分點(diǎn)。這1.33%意味著全國(guó)森林面積凈增1 266.14萬(wàn)hm2，比福建省的面積還要大[2]。然而，在我國(guó)植樹造林中主力依然是人工，需要依靠大量的勞動(dòng)力，效率低、周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，迫切需要機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化的營(yíng)林機(jī)械設(shè)備[3]。

1 挖穴機(jī)的設(shè)計(jì)要求及其類型

1.1 挖穴機(jī)的設(shè)計(jì)要求

挖穴機(jī)的鉆頭是挖穴機(jī)的主要工作部件，一般鉆頭由鉆桿、鉆尖、刀片(鉆鏵)和葉片組成。鉆尖的主要作用是定心，有平面三角形、平面分叉形、錐形小螺旋形等。刀片是切削土壤的部件，常用的有三角形、矩形、梯形三種[4]。鉆頭入土阻力的大小與鉆頭的參數(shù)及作業(yè)環(huán)境有很大關(guān)系，直接影響鉆頭的功率和作業(yè)的質(zhì)量[5]。由于鉆頭直接與土壤接觸進(jìn)行作業(yè)，工作環(huán)境復(fù)雜，要求鉆頭具有足夠的強(qiáng)度、硬度和良好的破土以及升運(yùn)土壤的能力。在山地作業(yè)時(shí)，對(duì)鉆頭要求更加苛刻，鉆頭的刀片和鉆尖工作環(huán)境最為惡劣。一般刀片的厚度為8～10 mm，刃厚為0.5～1 mm。選用65 Mn鋼經(jīng)熱處理鍛造而成；螺旋葉片主要將土壤從穴底升運(yùn)到地面，工作環(huán)境較刀片和鉆尖良好許多，其設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)為螺旋升角α，直接影響鉆頭工作質(zhì)量和功率消耗[6-7]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)資料和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，通常取α=10°～22°；鉆頭主軸要兼具較強(qiáng)的剛度、強(qiáng)度和盡量輕的質(zhì)量，選用45號(hào)空心鋼管作為材料[4-8]。

挖穴機(jī)的動(dòng)力主要靠發(fā)動(dòng)機(jī)來提供，一般選用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，也有少數(shù)選用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。雖然使用發(fā)動(dòng)機(jī)滿足了挖穴機(jī)的動(dòng)力需求，但也出現(xiàn)了很多問題，一是噪聲和振動(dòng)過大，長(zhǎng)時(shí)間的工作，振動(dòng)問題會(huì)對(duì)設(shè)備和操作者造成極大的損害[9]。在設(shè)計(jì)時(shí)，要求盡量減少噪聲和振動(dòng)對(duì)機(jī)器和人體的影響，一般選用隔振和吸振材料來減少振動(dòng)，選用發(fā)動(dòng)機(jī)和鉆頭分離的方式減小噪聲對(duì)人體的影響。

挖穴機(jī)所挖出來的穴徑和穴深以及穴壁要滿足植樹造林的需求，對(duì)于不同種類的樹木以及不同時(shí)期的栽植樹木要能挖出相適應(yīng)的穴徑和穴深。這要求挖穴機(jī)的鉆頭主軸要可更換，滿足實(shí)際作業(yè)工況的需求。根據(jù)樹木實(shí)際生長(zhǎng)的需求，穴壁過于光滑，過于堅(jiān)硬，都不利于栽植樹木的根系與土壤結(jié)合[10]。

1.2 挖穴機(jī)的類型

經(jīng)過不斷地發(fā)展，目前我國(guó)挖穴機(jī)的種類比較齊全，已經(jīng)形成系列化的機(jī)具類型。其主要的動(dòng)力系統(tǒng)是拖拉機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。依據(jù)作業(yè)地形的不同，山地主要是便攜式，平原主要是機(jī)載式。便攜式挖穴機(jī)包括手提式、背負(fù)式，機(jī)載式挖穴機(jī)包括懸掛式與牽引式等類型[11]。

便攜式挖穴機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、由單人或雙人即可操作的優(yōu)點(diǎn)，一般用于山地或丘陵等比較復(fù)雜的地形作業(yè)以及家庭用小規(guī)模的植樹造林活動(dòng)。

機(jī)載式挖穴機(jī)，也稱穴狀整地機(jī)，主要用于造林、果樹栽植、地面挖穴[12]。通過掛接裝置將挖穴機(jī)掛接在拖拉機(jī)后面，有拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)挖穴機(jī)鉆頭主軸工作，其動(dòng)力強(qiáng)勁。適用于穴徑較大、植樹規(guī)模較大的連續(xù)作業(yè)植樹造林活動(dòng)[13]。

1.3 挖穴機(jī)研究的理論依據(jù)

常用的挖穴機(jī)鉆頭鉆尖形式分為三種：平面分叉型鉆尖、平面三角型鉆尖和錐形螺旋型鉆尖。根據(jù)實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，分叉型鉆尖、三角型鉆尖、錐形螺旋型鉆尖入土阻力依次增大，其入土阻力等于在垂直軸上的投影。

分叉型、三角型鉆尖入土阻力由經(jīng)驗(yàn)公式[14-15]得出：

R0=(q0(t)+k0(t)S)D尖

(1)

式中：D尖為鉆尖直徑(mm)；S為鉆尖每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(m/r)；q0(t)、k0(t)為土壤阻力系數(shù)函數(shù)。

工作時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩：

(2)

式中：D尖為鉆尖直徑(mm)；S為鉆尖每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(m/r)；q1(t)、k1(t)為土壤阻力系數(shù)函數(shù)。

錐形螺旋鉆尖切削力包括貫入阻力R1和切削阻力距M1[16]。設(shè)挖坑機(jī)鉆頭回轉(zhuǎn)一周，切削土壤的厚度為P，則有：

(3)

式中：VS為鉆尖的進(jìn)給速度；m為刀具的頭數(shù)；n為鉆尖的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)幾何關(guān)系，切削土壤的厚度為：

P=ε(R2-R1)tanα

(4)

式中：ε為鉆尖的鉆動(dòng)角度；R2為鉆頭的外徑；R1為鉆頭的內(nèi)徑；α為切削刀刃的前角。

由式(4)可得

VS=mnε(R2-R1)tanα

(5)

貫入阻力R1：

(6)

式中：k為切削比阻力；γ為切削刀刃后角；β為切削力與水平面間的夾角。

切削阻力矩M1：

(7)

式中：k為切削比阻力；γ為切削刀刃后角；β為切削力與水平面間的夾角；δ為回轉(zhuǎn)切削土表面傾角。

刀片上的入土阻力由土壤變形阻力與刀片的切土阻力在垂直軸上的投影組成[17]，刀片工作時(shí)作用在其上的阻力示意圖如圖1所示。其中，圖 1(a)為刀片切土產(chǎn)生的力矩，圖 1(b)為作用在刀片上的阻力。

圖1 刀片切土阻力

圖1中R變形為土壤變形阻力，它是正壓力和摩擦力的矢量和；R切土為刀片切土阻力；R動(dòng)能為使土壤具有動(dòng)能的阻力，其值很小，可以忽略。由圖1可知刀片的切土阻力R刀Z：

(r0-r1)

(8)

式中：δ0為刀片切土角；r0為刀片回轉(zhuǎn)半徑；r1為鉆尖半徑；φ為土壤切削阻力與水平面的夾角；θ為土壤對(duì)鋼的摩擦角；q2(t)、k2(t)為土壤阻力系數(shù)函數(shù)。

刀片切土轉(zhuǎn)矩M刀：

M刀=0.5[iq3(t)cosφ+k3(t)s·sin(δ0+θ)]

(9)

式中：φ為土壤切削阻力與水平面的夾角；S為鉆頭進(jìn)給量；δ0為刀片切土角；θ為土壤對(duì)鋼的摩擦角；r0為刀片回轉(zhuǎn)半徑；r1為鉆尖半徑；q3(t)、k3(t)為土壤阻力系數(shù)函數(shù)。

挖坑機(jī)鉆頭入土阻力可以近似認(rèn)為由鉆尖和刀片入土阻力在垂直于地面方向上的阻力分量之和構(gòu)成[31]：

R=R尖+iR刀

(10)

式中：R尖為鉆尖入土阻力在垂直地面坐標(biāo)系中的分量；R刀為刀片入土阻力在垂直地面坐標(biāo)系中的分量；i為鉆頭刀片數(shù)。

分叉型、三角型鉆尖挖坑機(jī)鉆頭入土阻力：

R=(q0(t)+k0(t)S)D尖

(r0-r1)

(11)

錐形螺旋鉆尖挖坑機(jī)鉆頭入土阻力：

(r0-r1)

(12)

葉片升運(yùn)土壤所需轉(zhuǎn)矩M升土：

(13)

土流內(nèi)半徑r3由參考文獻(xiàn)[30-31]可知：

(14)

式中：h為螺距(mm)；K(t)為土壤蓬松系數(shù)函數(shù)；I為螺旋頭數(shù)；H(t)為鉆孔深度函數(shù)；λ為螺旋角(°)；ξ為土壤的牽連速度與水平面的夾角(°)；η為土壤絕對(duì)速度與水平面的夾角(°)；g為重力加速度(m/s2)；f2為土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)；r2為螺旋的半徑(mm)；r3為土流的內(nèi)半徑(mm)；γp為土壤容重(kg/m3)。

鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的總轉(zhuǎn)矩由鉆尖轉(zhuǎn)矩、切削刀片轉(zhuǎn)矩、螺旋葉片升土轉(zhuǎn)矩組成，可得：

M=M尖+M刀+M升土

(15)

式中：M尖為鉆尖工作時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩；M刀為刀片切土?xí)r所需的轉(zhuǎn)矩；M升土為升運(yùn)土壤所需的轉(zhuǎn)矩。

分叉型、三角型鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的總轉(zhuǎn)矩：

(16)

錐形螺旋鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的總轉(zhuǎn)矩：

(17)

2 挖穴機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在挖穴機(jī)的研發(fā)上起步較晚，于1958年首次研制成功手提式挖穴機(jī)和以拖拉機(jī)為動(dòng)力源的懸掛式挖穴機(jī)，在1973年試制出ZB5和ZW5兩種型號(hào)的挖穴機(jī)，通過林業(yè)部鑒定定型，并衍生為其他同類型產(chǎn)品后被批量生產(chǎn)[18]。進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，特別是近幾年的發(fā)展，我國(guó)在植樹挖穴機(jī)領(lǐng)域取得了巨大成果，并且對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也有了深入研究[19]，已經(jīng)形成了種類齊全的全產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)生產(chǎn)機(jī)制。從懸掛式挖穴機(jī)、便攜式挖穴機(jī)、牽引式挖穴機(jī)，到自走式挖穴機(jī)品類齊全。結(jié)合我國(guó)的國(guó)情和實(shí)際生產(chǎn)需要由拖拉機(jī)提供動(dòng)力的懸掛式挖穴機(jī)以及手提式挖穴機(jī)應(yīng)用較為普遍，且相關(guān)技術(shù)也相對(duì)成熟。

牡丹江林業(yè)科學(xué)院研究所設(shè)計(jì)的3JDWZ-50型機(jī)電一體化懸掛式挖穴整地機(jī)如圖 2 所示，該機(jī)能在20°坡以下造林地進(jìn)行挖穴整地作業(yè)，挖穴作業(yè)效率是人工作業(yè)效率的5倍以上。采用機(jī)電技術(shù)相結(jié)合，使作業(yè)精確性、安全性、可靠性大幅提高。

圖2 3JDWZ-50 型懸掛式挖穴機(jī)

山東大豐機(jī)械廠生產(chǎn)的“大豐王”系列挖穴機(jī)中，WKJ-60/70懸掛式挖穴機(jī)挖穴直徑為400～800 mm；挖穴深度 650～800 mm。本機(jī)適用于平原、丘陵、沙地地況挖穴植樹作業(yè)，所挖穴坑穴壁垂直，根據(jù)用戶需要可配有過載保護(hù)裝置，以防止機(jī)具損壞。

曲阜六九重工機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的3SW-4.0型手提式挖穴機(jī)挖穴直徑為100～400 mm，挖穴穴深為0～600 mm，每小時(shí)可以挖80～150穴。該機(jī)由052B-8型發(fā)機(jī)提供動(dòng)力，主要用于在坡度35°以下的山地進(jìn)行挖穴作業(yè)。

北京時(shí)代沃林生產(chǎn)的雷神系列DMAX-50F型手提式挖穴機(jī)如圖3所示，采用單缸、風(fēng)冷、二沖程汽油機(jī)最大功率1.9 kW，轉(zhuǎn)速為170～200 r/min，每小時(shí)可挖80～120個(gè)穴，鉆頭可以更換，因此可以根據(jù)實(shí)際需求挖出不同尺寸的穴，穴深從80 cm至120 cm，穴徑從40 mm至400 mm均可實(shí)現(xiàn)。質(zhì)量?jī)H為10.5 kg。該機(jī)主要應(yīng)用于山地、丘陵、溝壑區(qū)等復(fù)雜地形進(jìn)行挖穴、整地以及施有機(jī)肥。

圖3 DMAX-50F型手提式挖穴機(jī)

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

相較于國(guó)內(nèi)，國(guó)外挖穴機(jī)的發(fā)展情況要好許多。美國(guó)和英國(guó)在懸掛式挖穴機(jī)領(lǐng)域走在世界前列。他們產(chǎn)品的突出優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)成熟度高，創(chuàng)新點(diǎn)突出，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其設(shè)計(jì)理念也逐漸開始由機(jī)械化、自動(dòng)化向信息化、智能化過渡。日本在手提式挖穴機(jī)領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，其所生產(chǎn)的手提式挖穴機(jī)突出體現(xiàn)了質(zhì)量輕、方便攜帶、挖穴效率高的特點(diǎn)。

美國(guó)生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖穴機(jī)如圖4所示，該機(jī)可在一次作業(yè)中同時(shí)挖多個(gè)穴，使得挖穴機(jī)的工作效率成倍提高。并且發(fā)展了多種型號(hào)，實(shí)現(xiàn)了挖穴距離可調(diào)、挖穴尺寸可控的作業(yè)模式。英國(guó)生產(chǎn)的05H83000型懸掛式挖穴機(jī)如圖5所示，不再使用懸掛架將挖穴機(jī)與拖拉機(jī)相連接，而是使用液壓提升裝置。這種設(shè)計(jì)的好處在于降低了工作時(shí)懸掛架產(chǎn)生的噪聲，提高了植樹造林的效率且機(jī)具整體顯得更加美觀。

圖4 懸掛式三鉆頭挖穴機(jī)

圖5 05H8300 型懸掛式挖穴機(jī)

日本和德國(guó)生產(chǎn)的手提式挖穴機(jī)，其具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于整機(jī)的質(zhì)量非常輕，對(duì)于便攜式挖穴機(jī)來說，這是非常重大的突破。因?yàn)橐话闶痔崾酵谘C(jī)作業(yè)的區(qū)域主要是山區(qū)，來回作業(yè)的區(qū)域移動(dòng)主要靠人力來完成，質(zhì)量的減輕對(duì)操作者來說極大地減輕了工作的強(qiáng)度和工作量。其代表性的產(chǎn)品為日本研發(fā)的AG530型手提式挖穴機(jī)凈重僅為9.4 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為1.35 kW，額定轉(zhuǎn)速為160 r/min。此外還有日本的AG500、AG2300、G431、A-7、A-8D等[20]。德國(guó)研制的BT120C型挖穴機(jī)如圖6所示，質(zhì)量?jī)H為8.2 kg，鉆頭轉(zhuǎn)速為190 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為1.3 kW[21]。

圖6 BT120C530型手提式挖穴機(jī)

美國(guó)在挖穴機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了人機(jī)工程學(xué)原理，如安裝手推架，把挖穴機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩釋放給輪體；將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在距操作者較遠(yuǎn)的位置。美國(guó)生產(chǎn)的HYD-TB11H 型液壓挖穴機(jī)如圖7所，質(zhì)量為170 kg，最大出土流量為 22.7 L/min，最大轉(zhuǎn)速為 141 r/min，鉆頭最大扭矩為349 N·m[22]。

圖7 HYD-TB11H 型液壓挖穴機(jī)

3 手提式挖穴機(jī)在石質(zhì)山地的應(yīng)用

3.1 手提式挖穴機(jī)在石質(zhì)山地應(yīng)用存在的問題

現(xiàn)階段，我國(guó)植樹造林活動(dòng)已經(jīng)進(jìn)入到攻堅(jiān)期，其機(jī)械化的植樹造林水平也有相當(dāng)程度的提高。在地勢(shì)比較平緩的平原地帶，以拖拉機(jī)為動(dòng)力的懸掛式挖穴機(jī)的應(yīng)用十分普遍，同時(shí)也很好地滿足了我國(guó)植樹造林的需求。而在山區(qū)特別是石質(zhì)山地的推廣卻較為困難。原因如下：①由于山區(qū)地勢(shì)獨(dú)有的特點(diǎn)，拖拉機(jī)類的大型機(jī)械難以通過，這是制約懸掛式挖穴機(jī)在山區(qū)推廣的一大難題；②在實(shí)際的挖穴作業(yè)中研究人員發(fā)現(xiàn)，手提式挖穴機(jī)在石質(zhì)山地作業(yè)時(shí)會(huì)發(fā)生“跳鉆”現(xiàn)象(刀刃與礫石剛性接觸瞬間鉆頭回彈)。這是由于山地土壤土質(zhì)的復(fù)雜性造成的。相關(guān)研究者選擇了太行山作為研究的實(shí)驗(yàn)地，選取其中的土質(zhì)進(jìn)行分析。其中很少有土質(zhì)比較松軟的土層，隨著挖穴深度的不斷增加，會(huì)出現(xiàn)巖石層[23]。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭主軸與堅(jiān)硬的巖石接觸的一剎那會(huì)產(chǎn)生巨大的撞擊，使得挖穴機(jī)鉆頭向上回彈，這就是在石質(zhì)山地進(jìn)行挖穴作業(yè)會(huì)產(chǎn)生“跳鉆”的原因。

除此之外，目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的手提式挖穴機(jī)在山區(qū)實(shí)際作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鉆頭主軸因剛度不夠而折彎、鉆頭刀片崩刃及卷刃等情況對(duì)整個(gè)機(jī)具的損壞十分巨大[24]。更為嚴(yán)重的是其在山地作業(yè)時(shí)振動(dòng)劇烈，在高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭與石塊接觸瞬間產(chǎn)生的沖擊極大，對(duì)操作者的人身安全產(chǎn)生了很大威脅。如何解決手提式挖穴機(jī)在山地作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的這一系列問題，是我們當(dāng)前亟待解決的。

3.2 手提式挖穴機(jī)在石質(zhì)山地應(yīng)用舉措

目前，在山區(qū)主要的植樹造林主力，依然是以人工植樹造林為主，現(xiàn)階段在山區(qū)推廣造林機(jī)械化的機(jī)械設(shè)備，最為合適的便是手提式挖穴機(jī)。針對(duì)手提式挖穴機(jī)在石質(zhì)山地應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，提出以下建議。

(1)針對(duì)在山區(qū)特殊地質(zhì)出現(xiàn)的跳鉆問題，使用相應(yīng)的吸能元件來對(duì)這一問題加以改善。如可以運(yùn)用技術(shù)相對(duì)成熟的彈性聯(lián)軸器來將鉆頭主軸與巖石碰撞的沖擊力吸收儲(chǔ)存起來。這樣一來，在下一次挖穴機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)又可以將彈性聯(lián)軸器中儲(chǔ)存起來的能量釋放出來，有利于挖穴機(jī)主軸的破土鉆挖。另外，為了保護(hù)操作者的安全，可在挖穴機(jī)手扶把手的兩端加裝防護(hù)裝置，如在手把兩端加裝隔振板，其目的是即使在挖穴機(jī)與巖石碰撞發(fā)生很大的沖擊時(shí)，有隔振板的進(jìn)一步保護(hù)也能充分保證操作者的人身安全。

(2)針對(duì)目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的手提式挖穴機(jī)在山區(qū)實(shí)際作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)鉆頭主軸折彎、鉆頭刀片崩刃等問題，可從鉆頭材料選取以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)一步強(qiáng)化挖穴機(jī)鉆頭主軸以及鉆頭刀片的強(qiáng)度和硬度來解決這一難題。對(duì)于鉆頭主軸擬選用45號(hào)空心鋼管作為材料，外徑90 mm，內(nèi)徑70 mm。對(duì)于刀片，由于在碰撞過程中其與礫石直接接觸，工作環(huán)境復(fù)雜，因此采用65Mn鋼經(jīng)熱處理來優(yōu)化Mn鋼的強(qiáng)度、硬度，刀片具體參數(shù)為：厚度9 mm、刃厚0.6 mm、淬火區(qū)28 mm、淬火區(qū)硬度HRC65、非淬火區(qū)硬度HRC35，這樣一來便能很好地解決鉆頭刀片崩刃問題且能達(dá)到自磨刃的目的。

通過上述分析創(chuàng)新設(shè)計(jì)了錐形螺旋入土挖坑機(jī)鉆頭，當(dāng)挖坑機(jī)遇到土壤中的石塊、樹根等時(shí)，改變瞬間向上沖擊力為漸漸向兩側(cè)的扭力，利用坑壁反作用力防止挖坑機(jī)跳出樹坑，保護(hù)操作者和機(jī)具安全。而且通過SolidWorks對(duì)錐形螺旋入土挖坑機(jī)鉆頭進(jìn)行了三維建模，錐形螺旋入土挖坑機(jī)鉆頭如圖8所示。

圖8 錐形螺旋入土挖坑機(jī)鉆頭

4 發(fā)展趨勢(shì)

(1)創(chuàng)新技術(shù)。目前全球范圍內(nèi)，即便是在挖穴機(jī)領(lǐng)域走在前列的美國(guó)、日本、德國(guó)，在挖穴機(jī)動(dòng)力裝置的選擇上仍然采用發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)居多。在國(guó)內(nèi)，政府在環(huán)境保護(hù)和節(jié)約不可再生能源的綜合考慮下積極推動(dòng)農(nóng)用機(jī)械向電氣化方向的改革。在新能源汽車的發(fā)展推動(dòng)下，高性能電池層出不窮，當(dāng)前很多電池都基本可以實(shí)現(xiàn)一次充電可以工作4～5 h。在這樣的技術(shù)背景下，用高性能電池替代發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力的技術(shù)條件已經(jīng)成熟，如果實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的創(chuàng)新其意義將是革命性的，可以避免由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力而產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)問題。此外，還可以考慮在手提式挖穴機(jī)上使用電動(dòng)機(jī)來替代發(fā)動(dòng)機(jī)，同樣可以滿足生產(chǎn)上的需要。

(2)一機(jī)多能。我國(guó)幅員遼闊、地形復(fù)雜，南方多山地、丘陵以林果業(yè)為主，北方多干旱、半干旱地區(qū)急需治理水土流失。目前的挖穴機(jī)只有挖穴功能，效率低下。而在林果業(yè)的樹木栽植中，施肥、覆土是重要環(huán)節(jié)，由此，可以設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)挖穴、施肥、覆土的機(jī)械化一體挖穴機(jī)，提高林果業(yè)栽植效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[25-26]。在北方，改善貧瘠、缺水地區(qū)的生態(tài)環(huán)境是重要工作。因此，研制一款多功能挖穴機(jī)尤為必要[27]。此外，還可以考慮將挖穴機(jī)應(yīng)用于埋設(shè)電線桿以及路燈等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，提高挖穴機(jī)的利用率[28]。

(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對(duì)挖穴機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，國(guó)內(nèi)的高校和科研院所一直在探索。研究方向大致可以分為兩類：一是通過現(xiàn)有的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)對(duì)挖穴機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分析，找出鉆頭消耗功率、扭矩變化規(guī)律，如曲柄滑塊進(jìn)給機(jī)構(gòu)、開合螺母進(jìn)給機(jī)構(gòu)[29]；二是對(duì)鉆頭關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真研究，包括靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、模態(tài)模擬，從而對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)、選擇提供數(shù)據(jù)支持與理論分析依據(jù)[30]。利用有限元軟件對(duì)挖穴機(jī)鉆頭進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，依據(jù)最優(yōu)化原理、泛函分析對(duì)鉆頭尺寸和所建動(dòng)力學(xué)模型的解進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化[31]。

(4)人機(jī)和諧。近年來，人機(jī)工程學(xué)原理被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的研發(fā)中，而挖穴機(jī)的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，更應(yīng)充分考慮人機(jī)關(guān)系。從而減輕操作者的作業(yè)疲勞和心里壓力，提高工作效率。首先，應(yīng)減輕挖穴機(jī)機(jī)具質(zhì)量，可以選用新型合金材料、使用空心鉆頭等。其次，應(yīng)考慮便攜式挖穴機(jī)反向轉(zhuǎn)矩對(duì)操作者工作強(qiáng)度和人身安全的影響，可以通過加裝機(jī)架，將反向轉(zhuǎn)矩釋放給輪體。最后，應(yīng)盡量降低噪聲、振動(dòng)對(duì)操作者的影響，設(shè)計(jì)時(shí)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在遠(yuǎn)離操作者的一端以及在把手處設(shè)計(jì)減振裝置。

5 小結(jié)

根據(jù)當(dāng)前科技的發(fā)展趨勢(shì)，未來挖穴機(jī)械將朝著自動(dòng)化而后進(jìn)入智能化的方向發(fā)展[32]。我國(guó)要想在這一領(lǐng)域走在世界前列，必須加大科研投入使挖穴機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，步入智能化發(fā)展行列。針對(duì)平原丘陵地區(qū)大規(guī)模的植樹造林活動(dòng)，要開發(fā)智能化的多鉆頭挖穴機(jī)，其能使規(guī)?；矘湓炝只顒?dòng)的效率顯著提升。對(duì)于山區(qū)土壤情況復(fù)雜的作業(yè)區(qū)，要研究解決由于礫石土塊等堅(jiān)硬物體產(chǎn)生的崩刃、卡鉆、跳鉆問題以提高挖穴機(jī)山地作業(yè)的適應(yīng)性。此外，還應(yīng)充分考慮人機(jī)工程學(xué)原理，提高操作者作業(yè)的舒適度以及避免操作過程中的安全事故等問題。