独轮手推车式挖坑机结构设计

水东莉

（辽宁农业职业技术学院，辽宁 营口 115009）

挖坑机是一种便捷、实用的整地机械，被广范应用于果蔬追肥、四旁绿化、植树造林等[1]。对降低劳动强度、提高整地质量、提高生产效率、降低成本等发挥了巨大作用[2，3]。目前，市场主要的挖坑机种类有悬挂式和手提式两类挖坑机[4]。悬挂式挖坑机，生产效率高，但作业成本高而且田间通过性较差[5，6]；手提式挖坑机，使用时需要操作者将挖坑机整机抬到作业位置，劳动强度大，且作业时受挖坑机强烈震动的影响，操作者的手臂长期处于振动回转中，会引起手臂神经功能性障碍疾病，严重者将威胁劳动者的身心健康[7，8]。

针对上述的问题，借鉴现有挖坑机的技术和性能基础上，创新研制出一种工作平稳可靠、坑穴垂直度高、舒适性好、劳动强度低、操作简单轻便、田间通过性好且适用于果蔬追肥、小树移植和葡萄园埋设桩柱等的独轮手推车式挖坑机。

1 总体结构设计

独轮手推式挖坑机主要由机架、挖坑机构和稳定机构组成。其中机架包括车把、车架、车轮、标尺、滑轨、锁紧把手，车把一端设有控制动力的油门扳机，且车把外表包裹了一层橡塑；挖坑机构包括汽油机、减速器、支撑架、钻头；稳定机构包括气弹簧、支杆、稳固杆等，整体设计如图1所示。

图1 独轮手推车式挖坑机示意图

2 工作原理

该挖坑机为单人操作，驱动车把将挖坑机推至作业位置，根据预挖坑径选择适合的钻头，通过滑轨调整挖坑机构在车架上的位置。挖坑机构依靠自身重力使钻头竖直向下，对准挖坑中心。作业时，气弹簧处于被压缩过程，其压缩反力为挖坑时提供缓冲力，减少把手处的强烈振动。钻头提出坑穴时，气弹簧处于伸展过程，其伸展力辅助钻头上行。稳固杆的底端为圆锥型，作业时向下插入地面保证整机的稳定性。此外，作业时手扶车把通过油门扳机控制钻头的转动，操作人员手握车把轻轻下压，同时关注标尺，实时监测挖坑深度。

3 主要技术参数

独轮手推车式挖坑机的主要技术参数如表1所示。

表1 挖坑机主要技术参数

4 关键部件

4.1 气弹簧

4.1.1 气弹簧工作原理

如图2 所示，气弹簧的组成主要包括活塞杆、活塞、缸筒和密封套四个部分，其腔体内充有惰性气体、可溶部分惰性气体的油，形成油气混合物。因为活塞开有一个小的通孔，使得活塞两端的气体压力近似相等，活塞两侧一端有活塞杆，另一端无活塞，所以造成两腔的截面积不同，形成压力差，产生了气弹簧的弹力。气弹簧的弹力为

式中：f—气弹簧的弹力，N；f1—无活塞杆侧缸筒内压力，N；f2—有活塞杆侧缸筒内压力，N；s2—活塞的横截面积，m2；s1—活塞杆的横截面积，m2；p—缸筒内的压强，Pa。

图2 气弹簧示意图

气弹簧的压缩和伸展过程力学特性曲线图3所示[9]，气弹簧由最小的压缩力F3过渡到最大的压缩力F4，由最大的伸展力F2过渡到最小的伸展力F1；两个过程气弹簧的弹力均输出的非常线性，所以在挖坑机作业的过程中，气弹簧运动平顺连续，输出的弹力无突变，能很好的起到缓冲减振的作用。

图3 气弹簧力学特性

4.1.2 气弹簧参数

为了满足人机工程学，提高操作舒适性，操作力范围为50—80 N[10]，气弹簧的弹力上限不能过大[11]。气弹簧的伸展力确定为挖坑机总重的2 倍，根据车把的提起角度，利用“两圆法”确定气弹簧的上安装位置[12]，根据公式2，计算气弹簧总长度（最短的尺寸），即可确定气弹簧的下安装点。气弹簧的参数如表2所示。

式中：L-气弹簧总长度，mm；S-行程，mm。

表2 气弹簧技术参数

4.2 钻头与支撑架连接机构

为了确保作业时坑穴的垂直度，该挖坑机的钻头与支撑架之间的连接如图1、4 所示。滑套（5）与车架（1）滑动接触，且滑套（5）上设有锁置把手（6），用于固定挖坑机构的位置。支撑柱（7）一端与滑套（5）转动固定连接，另一端固定连接支撑架（16）。汽油机（15）的底部固定连接在支撑架（16）上，钻头（17）通过圆柱销（19）可拆卸地固定在汽油机的输出轴（18）上。

不作业时为了便于移动，钻头与地面的距离为50 mm，钻头可以前后摆动。挖坑作业时，挖坑机构依靠自身重力使钻头与地面保持垂直，气弹簧的压缩反力提供缓冲力，减少了挖坑机的振动，确保坑穴的垂直度。

图4 钻头与机架连接示意

4.3 钻头的设计

如图5所示，钻头主要由螺旋叶片、钻杆和切土刀片构成。其中螺旋叶片的作用是通过其螺旋运动将钻出的土壤排出坑穴外，并保证土壤在钻头的钻杆由上而下运动过程中不发生停机和阻塞，螺旋钻头的转速范围设计为162 r/min～308 r/min。

图5 钻头结构意图

5 结论

研制的独轮手推车式挖坑机劳动强度低、结构简单、成本低、操作简单轻便、田间通过性好、可监测挖坑深度；钻头实时保持竖直向下，保证了坑穴的垂直度；气弹簧结构的设计减少了挖坑时振动带来的安全隐患，提高了操作人员的舒适度。适合果蔬追肥、小树移植和葡萄园埋设桩柱等。