基于SolidWorks的全地形多用途推車式種樹挖坑機結構設計

趙亞斌，韓 果，張 輝

(鄭州科技學院 機械工程學院，鄭州 450064)

0 引言

農業機械生產的機械化程度、自動化程度和信息化水平提高是我國農業經濟發展的重要方向。近年來，經調查發現丘陵、坡地土質及地形具有獨特的自身特點，水果種植業迅速發展提升，國內針對丘陵、坡地的小型果樹林木種植機械的研究相對較少。因此，精準把握果木栽植機械——挖坑機的研究現狀及發展趨勢，研制果樹林木種植機械已成為當前農機領域研究熱點[1]。目前，種樹挖坑機主要包括：懸掛式種樹挖坑機、手提式種樹挖坑機、牽引式種樹挖坑機、背負式種樹挖坑機等。

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

在國內，我國的植樹造林機械發展較晚，自1958 年，中國第一次成功研制出拖拉機懸掛式挖坑機和手提式挖坑機后，經過幾十年的不斷努力，現有較多成熟機型，如，北京沃林機械有限公司生產的雷神系列 SD-B350 型便攜挖坑機、山東大豐機械有限公司研制的 DY-40K 型機具均屬于便攜式類型的挖坑機；赤峰田豐農機廠生產的 3WH-60 型懸掛式挖坑機，具有易于操作，結構合理的特點，可挖高達160坑·h-1，但多是停留在模仿國外設備及其關鍵零部件結構形狀和參數等方面，這些參數對機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出極大的區域性和季節性，果木栽植機械類機具作業場所、時間極其有限，機具較低使用率使功能單一，操作簡單的設備優勢得到突顯，因此在今后對挖坑機的研發、制造過程中應考慮單機多用問題，應根據區域特點，因地制宜。對于大規模造林區，應積極開發高效率、高自動化程度的多頭大型挖坑植樹機具，而對于小面積的陡坡、高山和多石地區，則應開發機動靈活、小型的便攜式挖坑機。

1 總體設計方案

本次設計的推車式種樹挖坑機旨在提升種樹挖坑機的靈活性，實現一機多用。具體措施：一是更換不同的鉆頭，適應不同的土壤條件和工作環境；二是設計通用機架，在更換其他工作部件后即可完成不同營林作業項目，有效提高利用率。本設計共分為4大部分：種樹挖坑機機架、行走及穩定機構、鉆頭上升或下降時的導向機構、螺旋鉆頭[2]。其中在推車式便捷種樹挖坑機通過車輪移動的過程中，要保證推車式便捷種樹挖坑機在移動過程的穩定性。對推車式便捷種樹挖坑機的各個結構進行合理的分析，保證人機和諧。本次設計采用SolidWorks三維建模設計，整個產品設計是完全可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間是全相關的，這樣就可高效地管理整個設計過程。總體結構方案如圖1所示。

圖1 手推式便捷種樹挖坑機總體結構設計

首先由四沖程汽油機提供旋轉動力，通過齒輪減速器傳遞到執行機構上，再由執行機構帶動螺旋鉆頭轉動，完成挖坑作業。執行機構轉動過程中會產生晃動，機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時，僅通過目測很難了解土壤內部情況，當鉆頭遇到土壤內部石頭、樹根等時，操作者容易受到反旋轉力的傷害。通過在該設備前方設計兩個定位錐釘，結合后方兩個固定腳輪，形成了穩定的四足支撐機構，不僅提高了設備運轉的穩定性，而且增加了操作的安全性。設計了簡易升降機構，操作者主要通過腳蹬板克服導軌上面的彈簧彈力來實現執行機構的向下運動，通過腳蹬板上面的輔助把手也可實現執行機構向下移動。反之，恢復的過程，操作者一方面驅動把手向上運動，另一方面借助彈簧的彈力克服動力機構和執行機構的重量使之向上移動。該升降機構質量較輕，而且可靠性高，工作效率較高。

該方案的設計充分考慮人機和諧，使工作者省心省力，并且可以保證整個結構運動的平穩性；柔性設計，通過更換鉆頭，可實現一機多用，擴大了使用范圍，同時為操作者提供了一個安全舒適的工作環境[3]。

2 種樹挖坑機結構設計

2.1 主體設計

種樹挖坑機的主體是機架，機架的作用主要是承載傳動機構和執行機構(螺旋鉆頭)，機架本身不僅要重量輕，而且要剛性好，有較強的承載能力。該設計機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400 mm，高度方向主要由方形后框架和兩側兩根加強筋組成，高度1 400 mm,螺桿的最大長度可達800 mm, 并在后方焊接兩個固定腳輪支架。總體機架重量控制在20 kg左右，SolidWorks三維建模設計如圖2所示。

圖2 種樹挖坑機的機架

2.2 螺旋鉆頭設計

在全地形多用途推車式種樹挖坑機工作過程中，鉆頭是主要工作部件。因受力環境惡劣程度不同，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生的摩擦力。通過對以上數據的定性分析可知，鉆頭的切削阻力隨土壤的黏度和硬度的變化而變化，鉆頭旋轉切削產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。螺旋鉆頭的轉速值大于螺旋鉆頭的臨界轉速值時，螺旋鉆頭才能使土壤中的土顆粒從坑洞內移動到水平面上，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]，該設計的螺旋鉆頭螺旋角設為12°，SolidWorks三維建模設計見下圖3所示。

圖3 種樹挖坑機的螺旋鉆頭

2.3 動力裝置選型

由于設計的全地形多用途推車式種樹挖坑機體積小，所以大尺寸、大重量的柴油機不宜選用，小功率、輕量化汽油機才是較為理想的選擇，通過選型對比選擇了152F型號的汽油發動機機。該機結構緊湊，啟動方便，運轉平穩，輸出功率大，完全滿足日常種樹要求。該發動機為單缸四沖程發動機，發動機功率為1.75 kW，質量約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

2.4 行走機構和穩定機構設計

種樹挖坑機的行走通常通過腳輪實現，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；另一類是定向腳輪，不能轉動。考慮種樹挖坑機種樹過程中的穩定性，本次設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。穩定機構的主要作用是在種樹挖坑機鉆頭工作之前,先鎖定種樹區域的相對的位置，設計的穩定機構是由后方兩個腳輪作和前方兩個延伸的支撐錐釘(SolidWorks建模設計如圖6所示)組成。通過4足支撐行程穩定結構，不僅有利于種樹過程中設備的穩定，也增加了操作的安全性。

圖5 種樹挖坑機的行走車輪

圖6 種樹挖坑機的支撐錐釘

2.5 導向機構設計

該種樹挖坑機導向機構主要是借助機架后側中間的兩根圓柱導軌，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設計，如圖7所示。當設備啟動時，螺旋鉆頭的旋轉會使土壤向上運動，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，使鉆頭延導軌向下做旋轉運動。當鉆頭挖到指定深度時，操作者可以通過把手延導軌向上提拉鉆頭，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，降低工作強度。此外，種樹挖坑機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 總結與展望

設計的全地形多用途種樹挖坑機主要采用SolidWorks進行三維建模，該設備具有體積小、重量輕、結構簡單緊湊、適應性強、工作穩定等特點。針對目前種樹挖坑機存在工作噪音大、使用率低、穩定性差、勞動強度高等問題及大型種樹挖坑設備受地形和種植要求限制，利用Solidworks進行三維建模并優化設計了全地形多用途推車式種樹挖坑機。該設備充分考慮人機和諧，工作平穩性高，一機多用，使用范圍廣，對我國植樹造林和果木種植業的發展有一定的實際應用價值。