吳偉斌，冉曉，陳姍，岳丹丹，梁榮軒， 陳理，洪添勝

1.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州 510642； 2.華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室/國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術體系機械化研究室/廣東省山地果園機械創(chuàng)新工程技術研究中心，廣州 510642

挖穴是果樹和茶樹種植不可缺少的重要環(huán)節(jié)[1]。受山地林果茶園地理環(huán)境限制，傳統(tǒng)懸掛式、牽引式挖穴機整機體積較大，導致無法適應山地林果茶園的狹窄地形[2-3]。目前普遍采用手提式挖穴機進行挖穴作業(yè)，但手提式挖穴機需要人工完成鉆頭升降作業(yè)和搬運，存在勞動強度大、工作效率低的問題[4-5]。同時，挖穴機作業(yè)時振動較大，鉆頭換向需要人工操作，導致其可操作性差[6]，且挖穴工作安全性得不到保證。

為解決上述問題，溫威[7]設計了一種雙立柱便攜式挖穴機，該挖穴機采用手輪與雙立柱控制鉆頭升降，但只能解決挖穴機振動的問題，仍需人工完成鉆頭的升降運動。王警梁[8]采用開合螺母機構，能夠實現(xiàn)手提式挖穴機鉆頭的自動勻速進給作業(yè)，但挖穴作業(yè)完成后，需要人工完成鉆頭復位操作。馬麗娜等[9]基于三星齒輪換向原理設計了一種齒輪換向機構，將汽油機單一動力方向轉換為正反2個方向，實現(xiàn)鉆頭主動進行挖穴作業(yè)，在挖穴作業(yè)完成后，能自動回程復位。但該挖穴機換向時仍需要人工操作，機具移動時需要人工推動。

本研究設計一種具有行駛動力且能自動完成鉆頭進給與回程運動的小型電動挖穴機，旨在解決我國山地林果茶園挖穴作業(yè)勞動強度大、工作效率低、安全性差以及傳統(tǒng)挖穴機無法適應山地林果茶園工作的難題，促進丘陵山區(qū)水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高果農(nóng)收入。

1 材料與方法

1.1 設計目標與主要技術參數(shù)

針對山地林果茶園環(huán)境與果樹茶樹挖穴施肥農(nóng)藝要求，本研究設計了一種小型電動自走式挖穴機。該機具有行駛動力、鉆頭自動完成進給行程與復位行程以及整體結構簡單緊湊等特點，并具備在15°的斜坡穩(wěn)定進行挖穴作業(yè)的能力。該挖穴機的主要技術參數(shù)為：長、寬、高分別為950、550、1 520 mm，整機質(zhì)量143 kg，旋轉電機規(guī)格為48 V/1 200 W，升降電機規(guī)格為24 V/15 W，行走電機規(guī)格為24 V/500 W，動力電池采用12 V-20 A鉛酸電池，具備挖穴直徑300 mm、挖穴坑深400 mm的作業(yè)能力。

1.2 整體結構及工作原理

山地林果茶園電動自走式挖穴機由挖穴機構、自動升降機構、行走機構、支撐機構、控制系統(tǒng)和機架組成，總體結構如圖1所示。其中，挖穴機構由48 V直流電機、轉換頭和鉆頭組成；自動升降機構由動力傳遞系統(tǒng)、導向機構和行程限定裝置組成；行走機構由24 V輪轂電機和萬向輪組成；支撐機構由活動支撐架、連接桿、調(diào)節(jié)裝置組成；機架采用30 mm×30 mm方鋼焊接形成。整機機構緊湊、輕簡以及操作方便。

A:挖穴機正視圖 Front view of three-dimensional structure of electric self-propelled digging machine; B:挖穴機三維立體結構圖 Three-dimensional structure diagram of electric self-propelled digging machine; 1.下行程開關 Down stroke switch; 2.連接桿 Connecting rod; 3.上行程開關 Up stroke switch; 4.調(diào)節(jié)裝置 Adjuster; 5.剎車把手 Brake handle; 6.調(diào)速裝置 Speed-regulating device; 7.升降電機 Lifting motor; 8.旋轉電機 Rotating motor; 9.支撐座 Support seat; 10.鉆頭 Drill; 11.上滑塊 Upper slider; 12.下滑塊 Lower slider; 13.絲桿 Screw; 14.光軸 Axis;15.剎車組件 Brake components; 16.鉛酸蓄電池 Lead-acid battery; 17.活動支撐架 Active support frame; 18.電控箱 Electric control box; 19.絲桿螺母 Screw nut; 20.機架 Rack; 21.萬向輪 Universal wheel; 22.輪轂電機 Hub motor.

調(diào)節(jié)支撐輪使其與機架呈90°狀態(tài)，操作員通過電門手把將挖穴機調(diào)整至行走姿態(tài)，閉合挖穴機總電源開關，旋轉電門手把，輪轂電機開始為挖穴機提供行走動力，當挖穴機行走至工作地點后，調(diào)節(jié)支撐輪使其呈原始狀態(tài)，調(diào)節(jié)支撐機構，使鉆頭豎直于地面，即為挖穴姿態(tài)。閉合挖穴開關，旋轉電機帶動鉆頭進行旋轉運動，升降電機帶動挖穴機構進行進給運動，螺旋鉆頭逐漸下降，鉆尖最先鉆進土層，定位洞穴的中心點，然后刀片鉆進土層切削土壤，螺旋葉片將土壤輸送到洞穴的周圍。當挖穴機構下降至預定位置時，下滑塊軸承將觸碰下行程開關，此時升降電機反轉、旋轉電機停止工作，挖穴機構將被提起，當提升至預定位置時，上滑塊軸承將觸碰上行程開關，此時升降電機停止工作。至此，完成一個工作流程。

1.3 挖穴機構設計

挖穴機構由直流電機、轉換頭、銷釘以及螺旋鉆頭組成，鉆頭與直流電機通過轉換頭進行連接。挖穴機構結構簡圖如圖2所示。

1)鉆頭設計。根據(jù)林果茶園挖穴施肥技術要求[10-12]，確定施肥穴直徑D為300 mm，深度H為400 mm。為保證挖穴機挖穴作業(yè)過程平穩(wěn)，且耗能低，本研究選取雙刀片單螺旋葉片式鉆頭?？紤]到鉆頭作業(yè)振動對施肥穴直徑的影響，螺旋葉片直徑D1=0.95D、D=25 mm，擬定鉆頭螺旋角α為15°，鉆頭導程h=240 mm，根據(jù)施肥穴深度確定螺旋葉片長度，H1=H=400 mm，鉆尖選擇分叉型。

1.鉆頭 Drill; 2.銷釘組件 Pin components; 3.轉換頭 Converter; 4.48 V直流電機 DC motor of 48 V.

2)鉆頭臨界轉速的確定。根據(jù)鉆頭挖穴升土理論[13]，鉆頭在升土過程中，若轉速較低會造成鉆頭堵塞，土壤無法輸送到水平面上，若轉速較高，鉆頭的切削能力下降、消耗的功率增加[14-15]。因此需要計算鉆頭升運土壤的臨界轉速nk。

(1)

式(1)中：g為重力加速度；α為螺旋角，取α=15°；φ1為土壤與鋼的摩擦角，取φ1=30°；γ為鉆頭外緣運動方向與水平面的夾角，取γ=0.7°；r螺為螺旋葉片半徑，取r=142.5 mm；f為土壤與穴壁之間的摩擦系數(shù)，本研究取f=1。將上述參數(shù)代入式(1)可得nk=82.2 r/min?？紤]到挖穴機工作土壤環(huán)境復雜，為保證鉆頭工作轉速大于臨界轉速，計算鉆頭的儲備轉速。

n=Knk

(2)

式(2)中：n為鉆頭工作轉速，r/min；K為轉速儲備系數(shù)，取K=1.5；nk為鉆頭臨界轉速，nk=82.2 r/min。將上述參數(shù)代入式(2)可得n=123.3 r/min，對其進行取整處理，最終確定n=130 r/min。

3)鉆頭旋轉所需轉矩確定。鉆頭在挖穴作業(yè)過程中需克服一定的工作轉矩，主要包括鉆尖定位作業(yè)所需轉矩M尖、刀片作業(yè)所需轉矩M刀、螺旋葉片輸送土壤作業(yè)所需轉矩M螺[16-17]。鉆尖工作所需轉矩：

(3)

刀片切削土壤所需工作轉矩：

(4)

螺旋葉片升運土壤所需轉矩：

(5)

式(3)～(5)中：q為與土壤特性有關的系數(shù)，堅實土壤q=3 000 N/m；k為與土壤特性有關的系數(shù)，取k=930 N/m2；s為鉆頭進給量，取s=7.8 mm，dj為鉆尖回轉直徑，取dj=48 mm；i為鉆頭螺旋葉片數(shù)，取i=1；q0為土壤阻力比例系數(shù)，取q0=3 200 N/m；k0為土壤變形系數(shù)，取k0=2.25×105N/m2；φ為土壤切削阻力與水平面的夾角，取φ=55°；δ為刀片切土角，取δ=45°；r為鉆頭半徑，取r=142.5 mm；rj為鉆尖回轉半徑，取rj=24 mm；rt為土流內(nèi)徑，取rt=52 mm；φ1為土壤對鋼的摩擦角，取φ1=30°；n為系數(shù)，取n=4 397 kg/m；μ為過鉆頭軸線界面r處土流曲線與水平面的傾角，取μ=25°，ε為土流絕對速度與水平面的夾角，取ε=1.2°。鉆頭工作所需總轉矩

M=M尖+M刀+M螺

(6)

由公式(3)～(6)得鉆頭所需工作轉矩M=62.1 N·m。

4)旋轉電機所需功率確定。旋轉電機所需功率為：

N=KMn/9550

(7)

式(7)中：K為功率儲備系數(shù)，取K=1.3；M為鉆頭工作所需轉矩，N·m；n為鉆頭工作轉速，r/min。將上述參數(shù)代入式(7)可得N=1.08 kW。因此，選用尤奈特BM1424HQF型減速電機，其額定功率為1.2 kW，額定轉速為2 800 r/min，搭配減速比為1∶10的減速器，可滿足挖穴機挖穴作業(yè)需求。

1.4 自動升降機構設計

如圖3所示，該挖穴機中的自動升降機構主要包括動力傳遞機構、導向機構以及行程限定裝置。其中，動力傳遞機構包括直流電機、帶輪、皮帶、絲桿、螺母；導向機構包括光軸、光軸座；行程限定裝置由2個行程開關組成。從圖3可知，動力由直流電機輸出，通過帶傳動與絲桿螺母傳動使底板獲得往復運動的動力，兩根光軸與絲桿完成對底板的旋轉自由度限定。

1.上滑塊 Upper slider; 2.下滑塊 Lower slider; 3.絲桿螺母 Screw nut; 4.上行程開關 Up stroke switch; 5.下行程開關 Down stroke switch; 6.帶輪 Pulley; 7.皮帶 Belt; 8.24 V直流電機 DC motor of 24 V; 9.機架 Rack; 10.支撐座 Support seat; 11.絲桿 Screw; 12.光軸 Axis.

1)鉆頭位移速度與位移行程確定。根據(jù)螺旋鉆頭的挖土理論，巨頂螺旋鉆頭能否順利將土壤輸送到地面的主要因素有2個，即鉆頭轉速和鉆頭進給速度。當鉆頭轉速一定時，鉆頭下降速度小于土壤質(zhì)點垂直上升速度時，土壤才能被順利輸送到地面。反之，鉆頭將發(fā)生堵塞[18]。土壤質(zhì)點上升速度為：

(8)

式(8)中：r為鉆頭半徑，取r=142.5 mm；ω為鉆頭工作角速度，取ω=13.5 rad/s；b為系數(shù)，b=tanα=0.268；a為系數(shù)，a=1；A為系數(shù)，A=cot(α+φ1)=1；B為系數(shù)，B=b+2a+0.4ab=2.375；p為系數(shù)，p=b(1+0.4b+0.4a+0.16ab)+a=1.415；E為系數(shù)，E=g/rω2；c為系數(shù)，c=4.76。

鉆頭進給速度為：

VS=sωk/π

(9)

式(9)中：s為鉆頭每轉進給量，取s=7.8 mm；ω為鉆頭工作角速度，取ω=13.5 rad/s；k為土壤膨脹系數(shù)，取k=1.5。

根據(jù)式(8)和式(9)計算可知：VZ=41 mm/s，VS=17 mm/s。為提高整機工作效率，以及考慮到挖穴機工作環(huán)境為山地林果茶園，其土壤環(huán)境中存在許多樹根、小石塊等雜物，會造成鉆頭堵塞現(xiàn)象。本研究擬定鉆頭位移速度V為20 mm/s，大于鉆頭進給速度，但小于土壤質(zhì)點上升速度，上升速度與下降速度相同。

根據(jù)設計目標要求，需要挖出深度為400 mm的穴。同時，考慮到山地林果茶園地面平整度較低，若下降行程設計為400 mm，鉆尖剛好與水平面接觸，易與地面凸起處發(fā)生沖突，所以預留高度為50 mm的空白升降空間，將鉆尖與水平面直接的距離控制在50 mm左右，因此將下降行程設計為450 mm。

2)升降電機選型。升降電機作為自動升降機構中的唯一動力源，需要其為挖穴機構的往復運動提供動力。其中，挖穴機構下降阻力主要為鉆頭工作阻力在鉆頭軸上的分力，該力絕大部分被旋轉電機提供的動力克服，升降電機需要提供動力可忽略不計；上升動力為提升旋轉電機座和挖穴機構需要的力。旋轉電機質(zhì)量為5.08 kg，鉆頭與旋轉電機座的質(zhì)量通過Pro/E構建兩者三維模型、添加材料屬性等操作獲得其總質(zhì)量為22 kg，升降電機需克服的總上升阻力F=270.8 N。電動機功率為：

P=FV

(10)

由式(10)可得P=8.12 W，考慮到在帶傳動、滾珠絲桿與滾珠絲桿螺母之間以及滑塊軸承與光軸之間的功率損耗，本研究選取功率為15 W的直流電機作為升降機構的動力源，額定轉速3 000 r/min，搭載1∶12.5的減速器。

3)帶傳動的確定。自動升降機構中動力傳遞機構包括帶傳動和絲桿螺母傳動。確定直流電機機型后，首先進行帶傳動部件尺寸參數(shù)設計。經(jīng)過直徑設計計算，得到帶傳動尺寸參數(shù)。其中，主動帶輪基準直徑為63 mm，從動帶輪基準直徑為63 mm，中心距為206 mm，選用的皮帶帶型為V帶Z型，皮帶根數(shù)為2根，皮帶長度為630 mm。

4)絲桿選型。滾珠絲桿的導程S為：

(11)

式(11)中：V升為鉆頭位移速度，取V升=20 mm/s；i為帶傳動傳遞效率，取i=0.97；n為絲桿輸入轉速，取n=240 r/min。將上述參數(shù)代入式(11)可得S=5.2 mm，因為鉆頭工作時不堵塞的條件是鉆頭的下降速度小于土壤質(zhì)點的上升速度，故導程需要小于5.2 mm，但導程越小，滾珠絲桿精度等級越高，價格也會隨之增加許多，故取滾珠絲桿導程S=5 mm。依據(jù)導程選擇單螺母滾珠絲桿，型號為SFU60054。

1.5 行走機構設計

行走機構由輪轂電機和萬向輪組成。其中，輪轂電機輪胎直徑為300 mm，幅寬為80 mm，萬向輪輪胎直徑為150 mm，幅寬為60 mm。在Pro/E中構建整機三維模型，并添加材料屬性，獲得整機質(zhì)量M為135 kg。因挖穴機需要人跟隨駕駛，將挖穴機行走速度v設計為1.25 m/s?？紤]到挖穴機爬坡所需動力大于平路面，根據(jù)挖穴機爬坡所需動力選擇輪轂電機功率。挖穴機爬坡力學分析見圖4。

圖4 挖穴機爬坡力學分析圖

挖穴機爬坡所需動力F：

F=Mgsinα+Mgfcosα

(12)

輪轂電機所需功率P：

P=KFv/2

(13)

輪轂電機轉速n：

(14)

式(12)～(14)中，f為摩擦阻力系數(shù)，取f=0.2；α為坡度，取α=12°；K為后備功率系數(shù)，取K=1.3；F為挖穴機行走所需動力，N；v為行走速度，取v=1.25 m/s；d為輪轂電機輪胎直徑，取d=300 mm。由式(12)～(14)可得：P=440 W，n=79.6 r/min?？紤]到挖穴機行駛過程中會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，本研究選取功率為500 W、轉速為85 r/min的輪轂電機作為行走電機。

1.6 支撐機構設計

支撐機構由支撐腳、活動支架、連接桿、定位盤和定位把手組成，其中定位把手由拉線、彈簧、鎖緊件以及把手組成。正常狀態(tài)下，定位把手中的鎖緊件鎖緊在定位盤的某相鄰兩齒之間，此時活動支撐腳的高度確定，當需要調(diào)節(jié)活動支撐腳的高度以適應地形時，通過操縱定位把手使鎖緊件縮回定位把手內(nèi)，鎖緊件與定位齒輪分離，此時轉動定位把手，連接桿帶動活動支撐腳繞著與機架的交接點轉動，從而改變活動支撐腳的高度，當調(diào)節(jié)到合適高度后，調(diào)整定位把手，使鎖緊件鎖緊在定位齒輪的相應兩齒間。定位把手作業(yè)原理：當需要鎖緊尖回縮時，操作員通過按壓把手進而通過拉線拉動鎖緊件縮進結構內(nèi)部，當需要鎖緊件伸出時，操作員只需要松開把手，在彈簧的作用力下鎖緊件被壓出結構內(nèi)部。

1.7 控制系統(tǒng)的設計

1)控制系統(tǒng)的組成。控制系統(tǒng)由電磁繼電器、控制器、調(diào)速器、熔斷器、降壓模塊、防側傾模塊、保險絲、行程開關、指示燈等電器元件組成。

2)控制器選型?？刂破髯鳛榭刂齐姍C啟動、轉速、轉動方向和停止的核心元件，需根據(jù)挖穴機旋轉電機和輪轂電機的額定電壓、額定功率以及相應的功能需要進行選擇。本研究選擇時代電子KY48424-10065型控制器作為旋轉電機控制器，選取時代電子KY248012G-SH型控制器作為輪轂電機控制器，具體參數(shù)如表1所示。

表1 行走電機與旋轉電機控制器參數(shù) Table 1 Parameter of controller for walking motor and rotating motor

3)控制系統(tǒng)工作方式。挖穴過程工作方式為：按順序閉合電源總開關、鉆頭下行速度擋位、鉆頭下行開關，升降電機與旋轉電機同時工作，挖穴作業(yè)開始進行。當需要升降電機停止工作時，將鉆頭下行速度閉合至空擋擋位；當需要旋轉電機與升降電機同時停止工作時，閉合鉆頭空擋開關；當需要鉆頭做復位運動時，閉合鉆頭上行開關。特別的是，該挖穴機的控制系統(tǒng)在鉆頭下降過程中遇到過大阻力時(如碰到樹根、石頭等)，會自動升起鉆頭，以保護電機和鉆頭。挖穴機行走過程工作方式為：每個輪轂電機分別配有空擋開關和倒擋開關。當需要挖穴機直線行駛時，只需調(diào)節(jié)調(diào)速裝置，即可控制挖穴機以不同的速度直線行駛；當挖穴機需要轉向時，如右轉，點擊右空擋開關，右側輪轂電機停止轉動，左側輪轂電機繼續(xù)轉動，挖穴機將向右側行駛，左轉同右轉原理相同；當需要倒退行走時，點擊左右倒擋開關，左右輪轂電機同時反向轉動，挖穴機倒退行走。

2 結果與分析

2.1 挖穴性能試驗

樣機如圖5A所示。2019年3月，對樣機進行挖穴性能試驗與動力性能試驗，以驗證挖穴機是否符合設計要求。在華南農(nóng)業(yè)大學柑橘園選取2塊試驗地，采用5點取樣法在2塊試驗地各選取5個測試點，并測得深度20 cm處土層平均土壤含水率分別為24.30%和18.49%，平均土壤緊實度分別為437、837 kPa。在華南農(nóng)業(yè)大學茶園選取1塊試驗地，采用與上文相同的選點方法，并測得深度20 cm處土層平均土壤含水率為22.01%，平均土壤緊實度為372 kPa。挖穴機行走到相應試驗地，在不同試驗地分別進行6次挖穴試驗，并利用秒表測定單次作業(yè)有效挖穴時間、庫侖計測定單次作業(yè)有效挖穴能耗，利用卷尺測定所挖施肥穴深度和直徑，測定結果如表2所示。根據(jù)表2可知，單次作業(yè)平均有效挖穴時間為50.7 s，比人工鋤頭挖穴快1.77倍；單次作業(yè)有效挖穴能耗為5.2 W·h；施肥穴平均深度為392 mm，施肥穴平均直徑為303 mm，滿足施肥農(nóng)藝要求，且與設計要求相差較小，初步滿足設計目標， 其挖穴效果如圖5B所示。

2.2 行走動力性能試驗

1)爬坡性能試驗。在華南農(nóng)業(yè)大學校園內(nèi)選取坡度分別為5.4°、8.4°和15.2°的斜坡進行爬坡試驗。以平直路面與斜坡交界處為起點，利用卷尺測量9 m的斜坡，選取后5 m為測試路段。將挖穴機停于接近坡道的平直路面，行走電機開始轉動后，將電門全開進行爬坡，利用秒表測量挖穴機通過測試路段時間。若第1次爬不上，可進行第2次試驗，但不超過2次。試驗結果表明，挖穴機在進行第1次試驗時，即可通過相應的斜坡，通過測試路段的時間分別為4.34、5.38、6.51 s，滿足設計要求。

圖5 山地林果茶園電動自走式挖穴機樣機(A)及挖穴效果(B)

性能 Performance試驗地1 Test site 1試驗地2 Test site 2試驗地3 Test site 3均值 Mean效率/(穴/s) Efficiency49.849.952.450.7能耗/(穴/W·h) Energy consumption4.95.15.55.2直徑/mm Diameter305303301303穴深/mm Depth392390396392

2)最高行走速度試驗。在華南農(nóng)業(yè)大學選取一段長度為40 m的果園路面。通過前期試驗獲得在果園路面行走6 m左右時，車輪達到穩(wěn)定最高轉速。為減少路面坡度誤差，采用往返測量取平均值的方式進行測試。前10 m與后10 m為加速路段或減速路段，10～30 m為測試路段?？紤]到偶然誤差影響，進行6次重復試驗，利用秒表測量通過測試路段的時間。試驗結果顯示，挖穴機在果園路面最高行走速度為1.196～1.226 m/s，與理論最高行走速度相比降低3.8%，但其在設計速度范圍內(nèi)，滿足設計要求。

3 討 論

本研究針對山地林果茶園挖穴作業(yè)勞動強度大的問題，設計一種具有行走動力、能夠自動完成鉆頭進給與回程運動的小型電動挖穴機。山地林果茶園電動自走式挖穴機田間試驗表明，單次作業(yè)平均有效挖穴時間為50.7 s；單次作業(yè)有效挖穴能耗為5.2 W·h；施肥穴平均深度為392 mm，施肥穴平均直徑為303 mm，果園路面最高行走速度為1.202 m/s，能夠順利通過15°斜坡。該挖穴機具有行走動力，且挖穴作業(yè)過程中鉆頭進給與回程運動均無需人工操作，降低了山地林果茶園挖穴作業(yè)勞動強度。但該挖穴機在挖穴作業(yè)過程中，鉆頭振動較大，機具質(zhì)量較大造成需采用高功率的輪轂電機，使得整體耗能增加。后續(xù)研究可對挖穴機構和機架進行優(yōu)化設計。