水東莉

（遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115009）

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷推進(jìn)，挖坑機(jī)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因其可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率和提高整地的質(zhì)量，故被廣泛應(yīng)用于植樹造林、果樹施肥、四旁綠化和農(nóng)業(yè)大棚安置地樁等[1]場所。目前，市場上挖坑機(jī)主要包括手提式和懸掛式兩類[2]。其中手提式挖坑機(jī)，由于不具有減震降噪音的作用，長時(shí)間工作，會(huì)給勞動(dòng)者的耳膜帶來不同程度的傷害，嚴(yán)重威脅著操作者的身心健康[3-4]。

針對上述問題，我們設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，具有減震降噪音功能的手提式挖坑機(jī)。該挖坑機(jī)提高了使用的舒適性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，操作簡單且通過性好，對促進(jìn)我國挖坑機(jī)的推廣具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

減震手提式挖坑機(jī)主要由手柄、承載板、電機(jī)、隔音罩、隔音棉、減震裝置和鉆頭等部分組成。電機(jī)置于隔音罩的內(nèi)腔，隔音罩的材質(zhì)為鋁合金板，其厚度為5 mm。隔音罩和電機(jī)由承載板承接，鉆桿貫穿承載板。隔音罩的內(nèi)壁設(shè)有隔音棉，減震裝置位于隔音棉與電機(jī)之間?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 減震手提式挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

挖坑作業(yè)時(shí)，操作者手提挖坑機(jī)，動(dòng)力由配套的電機(jī)提供給鉆頭，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭對土壤進(jìn)行切削，被切削的土壤隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿著螺旋葉片輸送至地表并拋出坑穴外。通過隔音罩、隔音棉、減震裝置和電機(jī)的相互配合，起到減震降噪音的作用。

2 主要技術(shù)參數(shù)

為了滿足設(shè)計(jì)要求，挖坑機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 挖坑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部件

3.1 減震裝置

如圖2、圖3所示，減震裝置由減震桿，減震座，移動(dòng)板，限位槽和減震彈簧構(gòu)成。減震桿的一端設(shè)有移動(dòng)板，減震座的內(nèi)腔兩側(cè)設(shè)有限位槽，用于與移動(dòng)板相適配，減震座與移動(dòng)板的底部之間由減震彈簧連接。通過減震桿、減震座、移動(dòng)板、減震彈簧、隔音棉、隔音罩以及電機(jī)之間的相互配合，使挖坑機(jī)具有減震降噪音的作用。

圖2 減震裝置內(nèi)腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 減震裝置俯視結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 鉆頭設(shè)計(jì)分析

鉆頭是挖坑機(jī)的重要工作部件，由轉(zhuǎn)桿、螺旋葉片和切土刀片組成，如圖4所示。作業(yè)時(shí)，鉆尖、切土刀片和螺旋葉片始終與土壤發(fā)生摩擦，使鉆頭表面產(chǎn)生較大的磨損，在較大的沖擊力作用下甚至可能發(fā)生彎折，導(dǎo)致作業(yè)失效。通過對鉆頭進(jìn)行滲硼處理，使其表面形成高耐磨、高耐蝕和高硬度的合金層，從而提高鉆頭的使用壽命[5]。

圖4 鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

作業(yè)時(shí)，當(dāng)鉆頭的轉(zhuǎn)速大于土壤的臨界轉(zhuǎn)速，且土壤的離心力大于所受的摩擦力時(shí)，切削的土壤通過葉片的螺旋運(yùn)動(dòng)被拋出坑穴，且土壤不宜拋出太遠(yuǎn)。所以，鉆頭的工作轉(zhuǎn)速需在一定范圍，將選用鉆頭的參數(shù)和常量代入公式（1）得出鉆頭的有效作業(yè)轉(zhuǎn)速范圍[6]為182 r/min～568 r/min。

式中：Φ為鉆頭的直徑（m）；μ為土壤的摩擦系數(shù)，普通沙土一般取0.58-0.7；g為重力加速度，取9.8 m/s；β為鉆頭的外徑螺旋升角（度）；ω為鉆頭的角速度（r/s）；h為螺距（m）；ψ1為螺旋面與土垡間的摩擦角，一般取21°-30°；ψ2為土壤的內(nèi)摩擦角，一般取25°；α為鉆頭的內(nèi)徑螺旋升角（度）。

3.3 手柄的設(shè)計(jì)

挖坑機(jī)的手柄設(shè)計(jì)如圖1所示，承載板底部的一端設(shè)有手柄，手柄通過固定柱與承載板進(jìn)行固定連接，防止手柄在使用時(shí)出現(xiàn)松動(dòng)的狀況。手柄的提握處外表面包了一層防滑套，防滑套與手柄通過粘合劑連接，可對手柄起到防滑減震的作用。

4 試驗(yàn)

4.1 減振效果分析

為了研究挖坑機(jī)的減振效果，分別在手柄端和電動(dòng)機(jī)端布置三向加速度傳感器，采用LMS Test系統(tǒng)對振動(dòng)信號進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理分析。取不同激勵(lì)頻率下手柄端和電動(dòng)機(jī)端加速度的均方根值，對比加速度反映減振效果。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 手柄和電動(dòng)機(jī)端加速度響應(yīng)曲線

由圖5可知，不同激勵(lì)頻率下手柄端的振動(dòng)加速值均小于電動(dòng)機(jī)端的振動(dòng)加速值。其中，當(dāng)激勵(lì)頻率為86 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)端和手柄端的振動(dòng)加速度值分別達(dá)到最大，且由15.46 m/s降至2.13 m/s。說明減震裝置起到了減振作用，且效果顯著。

4.2 田間試驗(yàn)

為了測試減震手提式挖坑機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)和減震降噪的效果，于2020年4月7日對樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)田地下無較大作物根莖和沙石，土壤堅(jiān)實(shí)度為3.76×104MPa，含水量為19.7%。樣機(jī)由一人單獨(dú)操作，挖坑直徑為300 mm，深度為400 mm，試驗(yàn)坑距為2 m。測試包括坑型的尺寸、噪聲、拋土半徑及作業(yè)效率等內(nèi)容，具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與參照標(biāo)準(zhǔn)比對表

試驗(yàn)結(jié)果表明，挖坑機(jī)操作簡單，具有減震降噪音的作用，作業(yè)效率高，坑型尺寸和拋土半徑等符合設(shè)計(jì)要求。在砂壤土挖坑條件下，耳旁噪聲為97.6 dB，低于國內(nèi)配套動(dòng)力機(jī)的噪音低于105 dB的標(biāo)準(zhǔn)[9]，作業(yè)效率高達(dá)101坑/h，且坑型的尺寸和拋土情況符合參照標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

該減震手提式挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易操作，作業(yè)效率高，具有顯著的減震降噪音的作用。提高了操作者的使用舒適性，避免了由于長時(shí)間工作，給操作者帶來的勞動(dòng)傷害。適用于栽種果樹、果樹施肥、農(nóng)業(yè)大棚安置地樁等進(jìn)行的整地或挖坑作業(yè)。