手推減振式挖坑機的設計與試驗*

齊嘉寶，水東莉，馮義揚，趙 竹，王鐸潤

（遼寧農業職業技術學院農業裝備工程學院，遼寧 營口 115009）

挖坑機是一種使用便捷且應用廣泛的整地機。適用于果園設樁、果樹追肥、植樹造林、城市綠化等整地作業，對提高生產效率和降低勞動強度具有重要意義[1-2]。然而，目前市場上挖坑機存在工作不平穩，坑穴垂直性差[3-5]，勞動強度較大，舒適性差，使用時產生較大振動等問題[6-7]。長期使用可能會導致操作者產生手部疾病或耳部疾病，影響其生活質量[8-10]。因此，研制安全性高、工作效率高、作業穩定、減振性好、使用舒適的挖坑機，以提高挖坑機的使用性和舒適性，避免對勞動者產生勞動傷害，對挖坑機的使用推廣具有十分重要的意義[11-12]。

1 整體結構設計

手推減振式挖坑機整體由動力機構、隔音裝置、減振彈簧、承載臺、深度控制機構、車架等構成。其中深度控制機構由限位銷、移動把手構成；動力機構由電機和鉆頭構成；隔音裝置由隔音棉、隔音罩和隔音裝置構成；承載機構由支撐臺、支撐桿構成；車架由把手、支撐桿、穩定桿、導軌構成；以及車輪、開關、刻度孔等輔件構成。手推減振式挖坑機具體結構如圖1所示。

圖1 手推減振式挖坑機機構示意圖

2 工作原理

作業時為一人一機，先根據坑徑和坑深的要求選擇適合的鉆頭；通過把手驅動車架，將挖坑機推至作業位置，通過穩固桿和車輪的相互作用，固定挖坑機。通過調整移動把手將限位銷插入預設深度的刻度孔，設定好挖坑深度，按下動力開關，發動機帶動鉆頭沿著軌道豎直自動向下運動，當達到設置深度后，限位銷阻止鉆頭繼續向下運動。過程中，隔音罩起到降低發動機產生的噪聲的作用，同時隔音裝置和減振彈簧的協同作用吸收挖坑時產生的振動。

3 主要技術參數

手推減振式挖坑機設計參數如表1所示。

表1 主要技術參數

4 關鍵部件結構

4.1 隔音裝置

如圖2 所示，隔音裝置由減振裝置、隔音棉和隔音罩構成，減振裝置位于電機與隔音棉之間。其中減振裝置由彈簧、限位槽、移動活塞、減振套、移動桿構成，如圖3 所示。電機位于隔音罩內，作業時，通過減振套中移動桿、移動活塞、彈簧和電機四者之間的相互作用，限制電機的運動空間，減少電機產生振動，并且通過隔音棉和隔音罩降低電機產生的噪聲傳播。

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力機構對車架的動應力，達到減輕振動的目的。因等距彈簧有利于定量分析吸收振動力，提高機體的控制性[13]，本文根據GB/T 2089—2009《普通圓柱螺旋壓縮彈簧尺寸及參數（兩端圈并緊磨平或制扁）》，選用碳素彈簧鋼的等節距彈簧[13]，其具體參數見表2。

表2 減振彈簧技術參數

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

若預壓力f＝F1＝300 N，代入公式（2）中，得彈簧預壓縮長度L1＝8.8 mm，再將減振彈簧技術參數代入公式（3）和（4）中[13]，得工作載荷F2＝1 165.42 N，穩定工作時彈簧的行程L2＝34.34 mm。

當減振彈簧處于完全壓縮狀態，L1＝8.8 mm 時，將減振彈簧技術參數代入公式（5）和（6）：

當彈簧壓縮完全時，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，當工作載荷為1 165.42 N 時，工作效果最佳，且使彈簧的使用壽命得到保障。

5 試驗

5.1 減振效果試驗

采用LMS Test 系統分析該挖坑機的減振效果，將三向加速度傳感器分別放置于車把和動力機構上，每隔50 Hz 測量一組兩個位置的振動加速度值，并且對不同激勵頻率下的三方向振動加速度取均方根值，頻率范圍為0～500 Hz。

隔振率是反映減振效果的重要指標之一，其數值越大，說明機構的減振效果越顯著。將不同激勵頻率下車把和動力機構三方向振動加速的均方根代入式子（7）中[14]。

式中：aa為動力機構位置的振動加速度值；ap為車把位置的振動加速度值；T為隔振率。不同激勵頻率該挖坑機的隔振率圖，如圖4所示。

圖4 不同頻率挖坑機的隔振率

由圖4 可知，機構的隔振率范圍為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同作用，使機構減振效果明顯，可以有效減少車把端的振動感。

不同頻率車把和動力機構端加速度曲線圖，如圖5所示。

圖5 不同頻率車把和動力機構端加速度

由圖5 可知，不同頻率下，車把端的加速度均小于動力機構端加速度。當頻率為114 Hz 時，動力機構端和車把端的三方向振動加速度的均方根值最大，且由11.47 m/s 降至5.32 m/s，這是由于電機的轉動頻率和此處的激勵頻率在此處發生共振。這進一步表明機構的隔音裝置和減振彈簧的協同作用可以有效阻隔動力機構產生的振動傳向車把傳遞。

5.2 田間試驗

為了檢驗手推減振式挖坑機的作業效果，在沒有較大作物根莖和沙石的土壤環境中進行該挖坑機的性能試驗[15]，具體試驗條件見表3。測試指標包含作業效率、坑徑、坑深、拋土半徑等[16]，具體指標見表4。

表3 試驗條件

表4 測試指標與技術標準對照表

試驗表明，該挖坑機作業穩定性高，通過性良好，坑穴垂直度高，拋土效果好，動力配套合理，坑深、坑徑、平均拋土半徑、出土率均滿足技術標準要求，其中出土率高達92.3%，作業效率達104 坑/小時，說明該挖坑機設計合理。

6 結論

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

2）隔音裝置和減振彈簧的協同作用減振效果顯著，機構的隔振率范圍為52.1%～91.6%，平均隔振率84.72%，可以有效減少車把端的振動感。

3）手推減振式挖坑機作業穩定性高，通過性良好，坑穴垂直度高，平均出土率92.3%，作業效率104坑/小時。