基于SolidWorks的全地形多用途推车式种树挖坑机结构设计

赵亚斌，韩 果，张 辉

(郑州科技学院 机械工程学院，郑州 450064)

0 引言

农业机械生产的机械化程度、自动化程度和信息化水平提高是我国农业经济发展的重要方向。近年来，经调查发现丘陵、坡地土质及地形具有独特的自身特点，水果种植业迅速发展提升，国内针对丘陵、坡地的小型果树林木种植机械的研究相对较少。因此，精准把握果木栽植机械——挖坑机的研究现状及发展趋势，研制果树林木种植机械已成为当前农机领域研究热点[1]。目前，种树挖坑机主要包括：悬挂式种树挖坑机、手提式种树挖坑机、牵引式种树挖坑机、背负式种树挖坑机等。

在国外，植树造林基本采用机械化，其技术处于领先地位。采用多种不同动力配套的挖坑机，包括手提式、背负式、手扶拖拉机式和拖拉机、开沟机、植苗器等设备[3]。日本生产的 A-7 型手提式挖坑机质量仅为7.0 kg，采用 H350D 发动机; A-8D 型挖坑机可挖坑径范围为 20～200 mm，结构紧凑，零件少，适应性很强，但缺点是操作者的疲劳强度高。英国生产的 05H8300 型悬挂式挖坑机和美国生产的悬挂式三钻头挖坑机钻头之间的距离可以调节，可以挖掘较深的坑洞(1 m左右)，适用于平原地区的大面积植树造林，工作效率高，但是不能任意位置随意打洞。荷兰 DAMCON 公司生产的 PL-30 型植树机用于种植行道树和松柏类树。这些植树机直接配备了耕地装置，耕地槽距 30～90 cm，槽深 30～50 cm。专业性强，多应用于市政绿化工程建设领域，但也有明显的缺点，即作业范围受到较大限制，不适合丘陵和大坡度山地等地区。

在国内，我国的植树造林机械发展较晚，自1958 年，中国第一次成功研制出拖拉机悬挂式挖坑机和手提式挖坑机后，经过几十年的不断努力，现有较多成熟机型，如，北京沃林机械有限公司生产的雷神系列 SD-B350 型便携挖坑机、山东大丰机械有限公司研制的 DY-40K 型机具均属于便携式类型的挖坑机；赤峰田丰农机厂生产的 3WH-60 型悬挂式挖坑机，具有易于操作，结构合理的特点，可挖高达160坑·h-1，但多是停留在模仿国外设备及其关键零部件结构形状和参数等方面，这些参数对机器性能方面影响的研究效多。由于中国的地形地貌多样化，栽植果木及造林植树表现出极大的区域性和季节性，果木栽植机械类机具作业场所、时间极其有限，机具较低使用率使功能单一，操作简单的设备优势得到突显，因此在今后对挖坑机的研发、制造过程中应考虑单机多用问题，应根据区域特点，因地制宜。对于大规模造林区，应积极开发高效率、高自动化程度的多头大型挖坑植树机具，而对于小面积的陡坡、高山和多石地区，则应开发机动灵活、小型的便携式挖坑机。

1 总体设计方案

本次设计的推车式种树挖坑机旨在提升种树挖坑机的灵活性，实现一机多用。具体措施：一是更换不同的钻头，适应不同的土壤条件和工作环境；二是设计通用机架，在更换其他工作部件后即可完成不同营林作业项目，有效提高利用率。本设计共分为4大部分：种树挖坑机机架、行走及稳定机构、钻头上升或下降时的导向机构、螺旋钻头[2]。其中在推车式便捷种树挖坑机通过车轮移动的过程中，要保证推车式便捷种树挖坑机在移动过程的稳定性。对推车式便捷种树挖坑机的各个结构进行合理的分析，保证人机和谐。本次设计采用SolidWorks三维建模设计，整个产品设计是完全可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间是全相关的，这样就可高效地管理整个设计过程。总体结构方案如图1所示。

图1 手推式便捷种树挖坑机总体结构设计

首先由四冲程汽油机提供旋转动力，通过齿轮减速器传递到执行机构上，再由执行机构带动螺旋钻头转动，完成挖坑作业。执行机构转动过程中会产生晃动，机器的扭力一般依靠操作者双手来克服，但操作者在植树作业时，仅通过目测很难了解土壤内部情况，当钻头遇到土壤内部石头、树根等时，操作者容易受到反旋转力的伤害。通过在该设备前方设计两个定位锥钉，结合后方两个固定脚轮，形成了稳定的四足支撑机构，不仅提高了设备运转的稳定性，而且增加了操作的安全性。设计了简易升降机构，操作者主要通过脚蹬板克服导轨上面的弹簧弹力来实现执行机构的向下运动，通过脚蹬板上面的辅助把手也可实现执行机构向下移动。反之，恢复的过程，操作者一方面驱动把手向上运动，另一方面借助弹簧的弹力克服动力机构和执行机构的重量使之向上移动。该升降机构质量较轻，而且可靠性高，工作效率较高。

该方案的设计充分考虑人机和谐，使工作者省心省力，并且可以保证整个结构运动的平稳性；柔性设计，通过更换钻头，可实现一机多用，扩大了使用范围，同时为操作者提供了一个安全舒适的工作环境[3]。

2 种树挖坑机结构设计

2.1 主体设计

种树挖坑机的主体是机架，机架的作用主要是承载传动机构和执行机构(螺旋钻头)，机架本身不仅要重量轻，而且要刚性好，有较强的承载能力。该设计机架主要由底面方形框架组成，宽度为600 mm，长度为700 mm。螺旋钻头的最大直径尺寸可达400 mm，高度方向主要由方形后框架和两侧两根加强筋组成，高度1 400 mm,螺杆的最大长度可达800 mm, 并在后方焊接两个固定脚轮支架。总体机架重量控制在20 kg左右，SolidWorks三维建模设计如图2所示。

图2 种树挖坑机的机架

2.2 螺旋钻头设计

在全地形多用途推车式种树挖坑机工作过程中，钻头是主要工作部件。因受力环境恶劣程度不同，在挖坑过程中，存在钻头和土壤之间的相互作用力，钻头在旋转切割土壤过程中造成的阻力，以及输送土壤时钻头与土壤产生的摩擦力。通过对以上数据的定性分析可知，钻头的切削阻力随土壤的黏度和硬度的变化而变化，钻头旋转切削产生的阻力与切削截面大小成正比。不仅南方和北方土壤存在差异，即使在同一块土地上，土体的分布也不是绝对均匀的。螺旋钻头的转速值大于螺旋钻头的临界转速值时，螺旋钻头才能使土壤中的土颗粒从坑洞内移动到水平面上，即提土完成。螺旋钻头的直径不大于400 mm时，种树挖坑机的钻头螺旋表面处的螺旋角的取值范围为10°～16°较为适宜[12]，该设计的螺旋钻头螺旋角设为12°，SolidWorks三维建模设计见下图3所示。

图3 种树挖坑机的螺旋钻头

2.3 动力装置选型

由于设计的全地形多用途推车式种树挖坑机体积小，所以大尺寸、大重量的柴油机不宜选用，小功率、轻量化汽油机才是较为理想的选择，通过选型对比选择了152F型号的汽油发动机机。该机结构紧凑，启动方便，运转平稳，输出功率大，完全满足日常种树要求。该发动机为单缸四冲程发动机，发动机功率为1.75 kW，质量约4.5 kg，体积约300 mm×300 mm×320 mm。SolidWorks三维模型如图4。

图4 3152F型号的汽油机

2.4 行走机构和稳定机构设计

种树挖坑机的行走通常通过脚轮实现，常见的脚轮主要分为两大类：一类是可活动脚轮，又称万向轮，该脚轮非常灵活，能完成360°旋转；另一类是定向脚轮，不能转动。考虑种树挖坑机种树过程中的稳定性，本次设计采用带刹车装置的定向脚轮,脚轮直径为200 mm,如图5所示。稳定机构的主要作用是在种树挖坑机钻头工作之前,先锁定种树区域的相对的位置，设计的稳定机构是由后方两个脚轮作和前方两个延伸的支撑锥钉(SolidWorks建模设计如图6所示)组成。通过4足支撑行程稳定结构，不仅有利于种树过程中设备的稳定，也增加了操作的安全性。

图5 种树挖坑机的行走车轮

图6 种树挖坑机的支撑锥钉

2.5 导向机构设计

该种树挖坑机导向机构主要是借助机架后侧中间的两根圆柱导轨，通过脚蹬踏板和把手控制螺旋钻头的下降和提升，其中脚蹬踏板采用SolidWorks设计，如图7所示。当设备启动时，螺旋钻头的旋转会使土壤向上运动，操作人员可以把脚放在脚踏板的位置，用腿部力量克服弹簧弹力，使钻头延导轨向下做旋转运动。当钻头挖到指定深度时，操作者可以通过把手延导轨向上提拉钻头，同时，操作者可以慢慢松开脚蹬踏板。如此操作，操作者可以借助弹簧的弹力使钻头轻松从坑洞中移出，降低工作强度。此外，种树挖坑机的螺旋叶片在工作时会把所挖坑中的土壤排到洞口周围，利于操作者在树木栽进所挖坑洞后迅速掩埋，提高了种植树木的效率。

图7 脚蹬踏板

3 总结与展望

设计的全地形多用途种树挖坑机主要采用SolidWorks进行三维建模，该设备具有体积小、重量轻、结构简单紧凑、适应性强、工作稳定等特点。针对目前种树挖坑机存在工作噪音大、使用率低、稳定性差、劳动强度高等问题及大型种树挖坑设备受地形和种植要求限制，利用Solidworks进行三维建模并优化设计了全地形多用途推车式种树挖坑机。该设备充分考虑人机和谐，工作平稳性高，一机多用，使用范围广，对我国植树造林和果木种植业的发展有一定的实际应用价值。