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題 目：小型植樹挖坑機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
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小型植樹挖坑機(jī)
目 錄
中文摘要及關(guān)鍵詞 IV
英文摘要及關(guān)鍵詞 V
1 引言 1
1.1 選題背景及其意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 發(fā)展趨勢(shì) 5
2 方案對(duì)比與結(jié)構(gòu) 6
2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6
2.1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6
2.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 7
2.2 挖坑機(jī)的構(gòu)造 7
2.2.1 挖坑機(jī)的工作條件 7
2.2.2 挖坑機(jī)的分類 7
2.2.3 挖坑機(jī)的鉆頭 8
3 挖坑機(jī)的設(shè)計(jì) 10
3.1 手提式挖坑機(jī)的工作原理 10
3.2 動(dòng)力選擇 11
3.3 螺旋鉆頭的設(shè)計(jì)與計(jì)算 11
3.3.1 螺旋工作面的設(shè)計(jì) 12
3.3.2 刀片的設(shè)計(jì) 13
3.3.3 鉆尖的設(shè)計(jì) 14
3.4 離合器的設(shè)計(jì) 14
3.5 減速器的設(shè)計(jì) 20
3.6 潤(rùn)滑與密封 23
3.7 擺線輪、針齒、柱銷的計(jì)算 24
結(jié) 論 30
參考文獻(xiàn) 31
致 謝 32
9
中文摘要及關(guān)鍵詞
摘 要：植樹挖坑機(jī)是一種造林機(jī)械設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)造林機(jī)械的發(fā)展水平還不高，多為人工控制，很少能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。如何將先進(jìn)的自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械造林中，提高造林機(jī)械的自動(dòng)化、智能化水平是擺在林業(yè)機(jī)械科研工作者面前的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。國(guó)外挖坑機(jī)的發(fā)展要先進(jìn)得多，主要發(fā)展方向是對(duì)于大型的挖坑機(jī)要集多種功能于一身，增加輔助設(shè)備。小型的挖坑機(jī)，本設(shè)計(jì)建立了合理的動(dòng)力分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)擺線針輪傳動(dòng)中的擺線輪、轉(zhuǎn)臂軸承、柱銷及軸進(jìn)行 準(zhǔn)確的受力分析，并其求解。計(jì)算并校核主要件的強(qiáng)度及轉(zhuǎn)臂軸承、各支承軸承的壽命，分析結(jié)果可 以看到，各軸承性能指標(biāo)均符合要求。
本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際,目前，我國(guó)正在大力加強(qiáng)植樹造林建設(shè)，特別是江蘇沿海地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個(gè)問(wèn)題，需要大量的人力來(lái)投入，而現(xiàn)在，國(guó)家倡導(dǎo)綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了機(jī)械造林。動(dòng)機(jī)通過(guò)分動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，液壓系統(tǒng)來(lái)控制各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)挖坑作業(yè)。
關(guān)鍵詞：植樹挖坑機(jī),挖坑機(jī),擺線針輪
英文摘要及關(guān)鍵詞
Abstract: tree planting digging machine is a mechanical device afforestation, reforestation current level of development of domestic machinery is not high, mostly for manual control, very few can realize automatic operation. How to apply advanced automation, intelligent technology in mechanical afforestation, reforestation increased automation machinery and intelligence is placed in front of forestry machinery researchers of a technical problem. Development of foreign digging machine is much more advanced, the main development direction for large digging confidential combines many functions in one, adding auxiliary equipment. Small digging machine, the present design provides a reasonable analysis of dynamic mathematical model of the cycloid cycloidal gear, the boom bearing pin and the shaft accurate stress analysis, and its solution. Calculating and checking the strength of the main bearing member and the pivot arm, each support bearing life, the analysis results can be seen, each of the bearing performance indexes meet the requirements.
This subject comes from actual production, present, China is working to strengthen afforestation construction, especially in the coastal areas of Jiangsu, government departments are planning afforestation every year, but there is a problem afforestation, need to invest a lot of manpower, and now, the national advocate green afforestation, in order to more effectively afforestation, reforestation has a mechanical. Providing motive power, divided by a hydraulic system to control the movement of each mechanism part, thereby achieving digging operation.
Keywords: tree planting digging machine, digging machine, cycloid
1 引言
1.1 選題背景及其意義
本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際,目前，我國(guó)正在大力加強(qiáng)植樹造林建設(shè)，特別是江蘇沿海地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個(gè)問(wèn)題，需要大量的人力來(lái)投入，而現(xiàn)在，國(guó)家倡導(dǎo)綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了機(jī)械造林。本課題是設(shè)計(jì)一臺(tái)植樹挖坑機(jī)，與東風(fēng)EQ140汽車底盤相匹配，用于植樹造林，代替人力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化造林。
我國(guó)在“十二五”規(guī)劃中把生存環(huán)境建設(shè)擺到了突出的戰(zhàn)略位置。我國(guó)三峽長(zhǎng)江流域防護(hù)林體系建設(shè)工程、退耕還林工程中面積為26329.5萬(wàn)公頃,森林面積為15874.1萬(wàn)公頃，近年來(lái)人們?cè)絹?lái)越重視身邊的生態(tài)環(huán)境，“植樹造林,保護(hù)環(huán)境”已成為全民參與的一項(xiàng)大型義務(wù)活動(dòng)，所以單靠手工種樹，已經(jīng)不能滿足生態(tài)和發(fā)展的需求，機(jī)械化造林勞動(dòng)效率高，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，還能保證質(zhì)量，降低成本，不僅能得到很好的經(jīng)濟(jì)效益，又會(huì)帶來(lái)巨大的生態(tài)效益和社會(huì)效益。在國(guó)內(nèi)，懸掛式挖坑機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用較為廣泛，該類挖坑機(jī)通常具有較大的功率，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能挖較大較深坑，大多應(yīng)用與大面積植樹造林，但我國(guó)生產(chǎn)的技術(shù)水平比較低，在陡坡和復(fù)雜地區(qū)很難正常進(jìn)行植樹挖坑作業(yè)，只能依靠手提式挖坑機(jī)。手提式挖坑機(jī)在我國(guó)剛剛嶄露頭角，很多方面不夠完善特別是在人機(jī)關(guān)系方面。相比之下，國(guó)外研究狀況要好一些。有日本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機(jī)采用柴油機(jī)作為動(dòng)力，適用于坡度高達(dá)56°的陡坡作業(yè)，每天可挖坑植樹300～400個(gè)。美國(guó)生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機(jī)鉆頭之間的距離是可調(diào)節(jié)的，適用于平原地區(qū)大面積植樹造林，工作效率高。但國(guó)外的挖坑機(jī)大都價(jià)格昂貴。結(jié)合中外挖坑機(jī)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)方向是質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，人機(jī)協(xié)調(diào)的懸掛式挖坑機(jī)。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
中國(guó)植樹挖坑機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問(wèn)題中，許多情況不容樂(lè)觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動(dòng)力密集型產(chǎn)品；技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家；生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、對(duì)自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。我國(guó)植樹造林機(jī)具現(xiàn)狀我國(guó)植樹造林機(jī)械赴較晚，主要在南方為種植橡膠實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有為東方紅-75、熱特-25型拖拉機(jī)配套的植樹挖坑機(jī)，而北方地區(qū)為栽植果樹和防護(hù)林，也研制了為中型輪式拖拉機(jī)如上海-50、神牛-25型拖拉機(jī)配套的開(kāi)溝機(jī)、植樹挖坑機(jī)，這種機(jī)具既可以挖植樹穴坑，也可以挖梯形溝槽用于果樹施溝肥。對(duì)大面積的機(jī)械植樹造林，多采用鏵式系歹開(kāi)溝機(jī)，如1K-40、1K-50和1K-60型開(kāi)溝機(jī)。我國(guó)植樹造林機(jī)械雖有多個(gè)品種，但由于栽種樹苗多在山地、坡地，土質(zhì)條件復(fù)雜，影響了機(jī)械的使用效果，基本上用人工挖坑栽苗，使用生產(chǎn)的植樹挖坑機(jī)批量較小。
我國(guó)目前投入生產(chǎn)和主要使用的植樹挖坑機(jī)擁有多種形式的配套動(dòng)力和挖頭結(jié)構(gòu)。
不同的植樹環(huán)境要求挖坑機(jī)具有與之相適應(yīng)的動(dòng)力和連接方式、結(jié)構(gòu)型式及重量限制、
鉆頭型式等。根據(jù)作業(yè)方式的不同我們可以簡(jiǎn)單地將挖坑機(jī)分為便攜式與機(jī)載式兩大類，便攜式挖坑機(jī)包括手提式、背負(fù)式，機(jī)載式挖坑機(jī)包括懸掛式與牽引式等類型。挖坑機(jī)的鉆頭根據(jù)形狀可分為螺旋式鉆頭、螺旋帶型鉆頭、葉片型鉆頭和螺旋齒式鉆頭等。
（1） 手提式挖坑機(jī)
手提式挖坑機(jī)的結(jié)構(gòu)一般由機(jī)架、操作裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、減速器、鉆頭等部分組成。如圖 1-1所示。離合器是發(fā)動(dòng)機(jī)和工作部件間的連接裝置，一般采用離心式摩擦離合器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器主動(dòng)盤重錘所產(chǎn)生的離心力克服了彈簧的拉力，離合器就自動(dòng)接合，并經(jīng)減速器將動(dòng)力傳遞給鉆頭。減速器是挖坑機(jī)的重要部件，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變?yōu)殂@頭的工作轉(zhuǎn)速，有圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器和擺線針齒減速器等類型。以采用擺線針齒減速器較普遍，它具有減速比大、體積小、重量輕、噪聲低和傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)。操縱裝置常采用可拆卸式的手柄結(jié)構(gòu)，可單人或雙人操作。鉆頭由鉆尖、刀片、導(dǎo)土片和鉆桿組成。鉆尖起定位作用，刀片用于切削土壤，導(dǎo)土片則主要起升土作用。作業(yè)時(shí)鉆頭垂直向下運(yùn)動(dòng)，在扭矩和軸向力的作用下切削土壤，切下的松碎土壤沿導(dǎo)土片工作面上升，運(yùn)到地表后被拋離到坑的周圍。 手提式挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)體與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)裝配成整體，體積小、重量輕，機(jī)動(dòng)靈活，由單人或雙人手提操作，適宜于拖拉機(jī)不能通過(guò)的地形復(fù)雜的山地、丘陵和溝壑地區(qū)，挖坑直徑和深度都比較小，也可用于果樹的追肥及埋設(shè)樁柱手提式挖坑機(jī)在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展較快，雙人操作的便攜式挖坑機(jī)在我國(guó)使用比較普遍，生產(chǎn)的型號(hào)也比較多，如 3WB-3、3WS-5、WL200等，挖坑直徑約為 100~400mm、坑深為 200~600mm。
手提式挖坑機(jī)的適應(yīng)性很強(qiáng)，不但作為植樹挖坑之用，也可在建筑工地、地質(zhì)礦山電力交通等部門用于埋設(shè)樁、柱、勘探、打眼等作業(yè)。由于家庭及街道作業(yè)的緣故國(guó)外的手提式挖坑機(jī)興起較早，例如日本生產(chǎn)的 A-7 型手提式挖坑機(jī)質(zhì)量?jī)H為 7.0kg，采用H35D 發(fā)動(dòng)機(jī)；A-8D 型挖坑機(jī)可挖坑徑范圍為 20~200mm。德國(guó)生產(chǎn)的 BT120C 型挖坑 機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率 1.3kW，質(zhì)量 8.2kg，鉆頭轉(zhuǎn)速 190r/min。
圖1-1 WL-200 型手提式挖坑機(jī)
（2）背負(fù)式挖坑機(jī)
背負(fù)式挖坑機(jī)如圖 1-2所示，單人操作，輕便，靈活，適用于山地、丘陵地帶作業(yè)，
適用于平緩地帶。此類挖坑機(jī)是利用防振架將發(fā)動(dòng)機(jī)背在背后，通過(guò)撓性傳動(dòng)軟軸，將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳給鉆頭。操作人員需配有專用的防震護(hù)具。
圖 1-2 背負(fù)式挖坑機(jī)
（3） 懸掛式挖坑機(jī)
懸掛式挖坑機(jī)有多種形式。可以通過(guò)液壓懸掛裝置掛在拖拉機(jī)后面，由拖拉機(jī)動(dòng)力
輸出軸經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆頭進(jìn)行挖坑作業(yè)，也有用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)鉆頭進(jìn)行作業(yè)的。一般結(jié)構(gòu)都是由傳動(dòng)軸、減速器、鉆頭、拉桿和機(jī)架等組成（見(jiàn)圖 1-3），鉆頭一般采用雙螺旋型。有的挖坑機(jī)裝有兩個(gè)或兩個(gè)以上的鉆頭，稱多鉆頭挖坑機(jī)，能充分利用拖拉機(jī)的功率來(lái)提高生產(chǎn)率。為使鉆頭在工作時(shí)不因遇到石塊、樹根等障礙物超負(fù)荷時(shí)受損，在傳動(dòng)軸上裝有牙嵌式離合器，在超負(fù)荷狀態(tài)下，離合器自動(dòng)脫離，從而切斷動(dòng)力的傳遞。
圖 1-3 3WH-60 型懸掛式挖坑機(jī)
懸掛式挖坑機(jī)由于動(dòng)力較大，功效高，可挖較大的坑穴，主要用于平緩地形或拖拉
機(jī)可以通行的地域，鉆頭的升降通過(guò)拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)操縱，挖坑直徑和深度都比較大。
坑徑多為 600mm~1000mm、深度可達(dá)到 1000mm。諸如內(nèi)蒙古赤峰田豐農(nóng)林機(jī)械廠生產(chǎn)的 3WH-60 型（如圖 1-3）、3WC-60 型懸掛式挖坑機(jī)，通遼林業(yè)機(jī)械制造廠生產(chǎn)的 3WG-60
型、4Z-130 型挖坑機(jī)，山東大豐機(jī)械廠生產(chǎn)的“大豐王”系列挖坑機(jī) WKJ-60/70，配套不同動(dòng)力的拖拉機(jī)可以挖掘不同直徑不同深度的樹坑。適合于平原、坡度小的山地、丘陵等地況作業(yè)，具有性能好、作業(yè)效率高的特點(diǎn)。
（4） 牽引式挖坑機(jī)
牽引式挖坑機(jī)的機(jī)器裝在小車上，由拖拉機(jī)牽引，掛接方便，不受拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)限制，
但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性差； 我國(guó)在 2001 年由達(dá)拉特旗白土梁生態(tài)治理有限公司成功研制 并生產(chǎn)出 JYZ-80 型牽引式液壓植樹機(jī)。圖 1-4 為一種拖拉機(jī)牽引式深孔鉆。
圖 1-4 牽引式深孔鉆
國(guó)外一些專家學(xué)者對(duì)挖坑機(jī)鉆頭也做了大量的研究：Macpherson 用波動(dòng)理論建立的鉆桿縱向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。而 Millheim 等應(yīng)用 D'Alembert 原理在靜力分析的基礎(chǔ)上引入慣性力和摩擦力，運(yùn)用有限元方法建立鉆柱三維動(dòng)態(tài)模型用以研究鉆柱動(dòng)態(tài)行為對(duì)鉆頭軌跡的影響，給出了影響鉆頭軌跡的主要因素。Y.Altintas等建立了可描述不同形狀螺旋鉆刀片的動(dòng)力學(xué)通用模型，用時(shí)變力系數(shù)的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)給出了用于鉆削穩(wěn)定性解析預(yù)測(cè)鉆削過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型及其一般數(shù)學(xué)表達(dá)式。E.Armarago 等提出了用正交切削數(shù)據(jù)計(jì)算切削過(guò)程剪切應(yīng)力、剪切角、后刀面平均摩擦系數(shù)，把正交切削參數(shù)轉(zhuǎn)換到傾斜鉆削，預(yù)測(cè)傾斜鉆削力的方法。S.Jensen 給出的切削力模型考慮了進(jìn)給速度、鉆尖處的幾何形狀以及對(duì)柔性工件的動(dòng)態(tài)特性有影響的主軸軸向振動(dòng)因素。
1.3 發(fā)展趨勢(shì)
植樹挖坑機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要在以下幾個(gè)方面：
（1）一機(jī)多能
在我國(guó)，植樹造林具有季節(jié)性和區(qū)域性的特點(diǎn)，機(jī)具作業(yè)時(shí)間短，間隔時(shí)間長(zhǎng)，單一性能機(jī)具的年利用率很低，因此在今后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量考慮一機(jī)多用問(wèn)題。具體措施：一是更換不同的鉆頭，適應(yīng)不同的土壤條件和工作環(huán)境；二是設(shè)計(jì)通用機(jī)架，在更換其它工作部件后即可完成其他營(yíng)林作業(yè)項(xiàng)目，提高其利用率。
（2）人機(jī)和諧
凡是人使用的各種機(jī)械設(shè)備，都應(yīng)進(jìn)行完善的人-機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，以使其符合人的心理與生理學(xué)特性，從而最大限度地減輕使用者的操作疲勞和心理負(fù)擔(dān)，能夠使人舒適和高效率地工作，使整個(gè)人-機(jī)系統(tǒng)具有最和諧的人機(jī)關(guān)系和最優(yōu)的綜合效能。同時(shí)，要盡量減少噪音對(duì)操作者的影響，還需要考慮手提式挖坑機(jī)反向轉(zhuǎn)矩對(duì)操作者的安全問(wèn)題，盡量把轉(zhuǎn)矩通過(guò)機(jī)械裝置釋放一些，提高操作者的安全系數(shù)。
（3）應(yīng)用范圍
挖坑不僅適用于平原、沙地和丘陵，還能夠用于山地和溝壑；不僅適用于坡度56°以下的陡坡林地的整地挖坑，而且還適用于35°以下的坡地挖坑造林。
2 方案對(duì)比與結(jié)構(gòu)
2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
在國(guó)內(nèi)懸掛式挖坑機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用較為廣泛。內(nèi)蒙古赤峰田豐農(nóng)林機(jī)械廠、山東大豐機(jī)械有限公司、哈爾濱林業(yè)福馬機(jī)電設(shè)備公司及寧夏自治區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所等１０余家單位進(jìn) 行了研究制造和銷售。該類挖坑機(jī)通常具有較大的功率，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，能挖較大和較深的坑，大多應(yīng)用于大面積植樹造林，應(yīng)用圍也比較廣.
１）內(nèi)蒙赤峰田豐農(nóng)林機(jī)械廠生產(chǎn)的 3WH-60 型懸掛式挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)合理，使用方便靈 活，易于操作，每小時(shí)可挖 80-150 個(gè)坑，其可與多種型號(hào) 36.8KW 以上拖拉機(jī)配合使用，用 于大面積植樹造林及工業(yè)挖坑，挖坑直徑 250-600mm，深度 0-1200mm，適用于平原丘陵及沙 地作業(yè)。
２）山東大豐機(jī)械廠生產(chǎn)的大豐王系列挖坑機(jī) WKJ-60/70，,可與 18.4-36.8KW 的多種 拖 拉 機(jī) 配 合 使 用 挖 坑 直 徑 400-800mm ， 可 根 據(jù) 用 戶 要 求 特 別 制 作 深 度 650-800mm ， 轉(zhuǎn) 速
248r/min，每小時(shí)可挖 60 個(gè)坑。
３）哈爾濱林業(yè)福馬機(jī)電設(shè)備公司生產(chǎn)的懸掛式挖坑機(jī)，可與鐵牛 40.4KW 或 18.4KW 以 上 的 具 有 動(dòng) 力 輸 出 和 懸 掛 裝 置 的 拖 拉 機(jī) 配 套 ， 挖 坑 直 徑 為 250-600mm ， 挖 坑 深 度 為 0-800mm，挖坑效率為 120 坑/h。
４）手提式挖坑機(jī)在我國(guó)剛剛嶄露頭角，適用于家庭或地形復(fù)雜地區(qū)的小面積植樹造 林，也可用于打樁和樹木追肥挖坑，如哈爾濱林業(yè)福馬機(jī)電設(shè)備公司生產(chǎn)的 3WS-2.8 型手提 式挖坑機(jī)，采用 051A-1 型發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為 2.8KW 轉(zhuǎn)速為 280-320r/min，挖坑尺寸坑徑深 度為φ320mm-500mm，質(zhì)量為 17.6kg，該機(jī)主要應(yīng)用于地形復(fù)雜的山地丘陵區(qū)和溝壑區(qū)在坡 度 35 以下的荒山荒地,、次生林地以及黃土高原的溝坡進(jìn)行挖坑或整地。 國(guó)內(nèi)的一些林業(yè)高等院校和科研院所也對(duì)挖坑機(jī)進(jìn)行了一些研究分析。關(guān)于挖坑機(jī)的論文大 約有幾十篇，涉及鉆頭升土理論及鉆頭臨界轉(zhuǎn)速的研究、鉆頭螺旋面強(qiáng)度的分析以及螺旋升 角的選擇問(wèn)題，還得出了在不同條件下的挖坑機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，指出了鉆頭轉(zhuǎn)矩的主要影 響因素，對(duì)挖坑機(jī)的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定起到了指導(dǎo)作用，為國(guó)內(nèi)挖坑機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理 了論支持。
2.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀
相比之下國(guó)外的研究狀況要好一些，由日本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機(jī)采用柴油機(jī)作動(dòng)力，行走腳與輪胎組合，行走裝置為全液壓式，平時(shí)用輪胎行駛，坡地靠行走腳行走， 適用于坡度高達(dá) 56 的陡坡林地作業(yè)。作業(yè)時(shí)４只腳可上下左右移動(dòng)，并能保證包括駕駛室在 內(nèi)的機(jī)器上半部始終呈水平狀態(tài)。該機(jī)的液壓臂端部可安裝液壓式割灌機(jī)或挖坑機(jī)，每天可挖植樹坑 300-400 個(gè)。實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。日本生產(chǎn)的 A-7 型手提式挖坑機(jī)質(zhì)量?jī)H為 7.0kg，采用 H35D 發(fā)動(dòng)機(jī).A8D 型挖坑機(jī)可挖坑徑范圍為 20-200m。德國(guó)生產(chǎn) BT120C 型挖坑機(jī)如圖６ 所示發(fā)動(dòng)機(jī)功率 1.3KW，質(zhì)量 8.2kg，鉆頭轉(zhuǎn)速 190r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 1.7N?m，鉆頭的轉(zhuǎn)矩79.0N?m。英國(guó)生產(chǎn)的 05H8300 型懸掛式挖坑機(jī)和美國(guó)生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機(jī)，鉆頭之間 的距離是可調(diào)節(jié)的，即行距可調(diào)，適用于平原地區(qū)的大面積植樹造林，工作效率很高。美國(guó) 和加拿大生產(chǎn)的手提式挖坑機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)與鉆頭采用分離式，通過(guò)液壓傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鉆頭工作。 美國(guó)生產(chǎn)的 HYD-TB11H 型液壓挖坑機(jī) ,質(zhì)量為 170kg，最大流量為 22.7L/min，最大轉(zhuǎn)速為141r/min，鉆頭最大扭矩 349N?m。美國(guó)生產(chǎn)的 MDL-5B 型挖坑機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)采用動(dòng)力為 4.1KW 的 BS Intec Pro OHV 的挖坑機(jī)在工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)離操作者有較遠(yuǎn)的距離 ,大大減少了噪音對(duì)操作 者的影響,充分考慮了人－機(jī)工程學(xué)原理,有的手提式挖坑機(jī)安裝了１個(gè)支點(diǎn)即輪子,使挖坑機(jī) 的攜帶比較方便,工作時(shí)還可以把挖坑機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩釋放給輪體,減小操作者手上的反向力矩, 增加其安全性并減輕了操作者的疲勞程度。
2.2 挖坑機(jī)的構(gòu)造
2.2.1 挖坑機(jī)的工作條件
挖坑機(jī)的主要作業(yè)地點(diǎn)是荒山坡地、沙荒沙丘、采伐跡地、林間空地、草場(chǎng)、沼澤地、
橡膠、果園和城市街道等。這些地方的土壤組成、土層厚度、土壤的物理機(jī)械性質(zhì)等都存在 著較大的差異，因此要求工作部件堅(jiān)固耐磨，通過(guò)性能要好，同時(shí)由于挖坑機(jī)的作業(yè)受立地 條件和作業(yè)技術(shù)的影響，使挖坑機(jī)的工作速度受到一定的限制，即不宜過(guò)大。
2.2.2 挖坑機(jī)的分類
挖坑機(jī)的種類很多，一般按配套動(dòng)力和掛結(jié)方式、傳動(dòng)方式、鉆頭安裝位置進(jìn)行分類。
2.2.2.1 按配套動(dòng)力和掛結(jié)方式分
一）手提式挖坑機(jī)
機(jī)具與小型二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（ 2.23—3.73kW）裝置成整體，由單人或雙人操作，主要 應(yīng)用于復(fù)雜的山區(qū)、丘陵區(qū)和溝壑區(qū)，在坡度 350 以下的地區(qū)進(jìn)行造林前的整地和挖坑，同 時(shí)也可用于果園、桑園、苗圃和城鎮(zhèn)進(jìn)行小樹移植、挖坑追肥以及埋設(shè)樁柱等，坑徑一般 在0.3m 以內(nèi).
二） 懸掛式挖坑機(jī)
鉆頭裝置懸掛在拖拉機(jī)的后方、前方或側(cè)向。懸掛機(jī)構(gòu)通過(guò)上拉桿、下拉桿以及三個(gè)鉸 鏈與拖拉機(jī)連接，由拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)操縱其挖坑機(jī)鉆頭裝置升降。它可以挖較大的坑徑和 較深的坑。用于拖拉機(jī)可以通過(guò)的地區(qū)進(jìn)行挖坑作業(yè)。
三）自走式挖坑機(jī)
1.與手扶拖拉機(jī)配套 挖坑機(jī)鉆頭旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源是由底盤上的動(dòng)力輸出軸經(jīng)過(guò)一級(jí)皮帶減速、一級(jí)直角錐齒輪減速器并直接輸?shù)酵诳訖C(jī)的鉆頭。鉆頭是采用 M27 螺紋同箱體聯(lián)接，這樣裝拆方便，又能自 動(dòng)防止拆脫，如 1W-40 型挖坑機(jī)就是與工農(nóng)-3 型手扶拖拉機(jī)配套的。該型挖坑機(jī)通過(guò)性能較好，但需要人力操縱其鉆頭入土。該型挖坑機(jī)適于在水平帶上作 業(yè)或用于茶園施肥、茶苗一只和果園施肥等挖坑作業(yè)。
2.與汽車底盤配套與汽車底盤配套的挖坑機(jī)，一般是屬于起重地鉆裝置，如 D70S(E)起重地鉆機(jī)是由汽車 動(dòng)力輸出、伸出支撐、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、起吊變幅系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和鉆頭裝 置等組成。從汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)中輸出驅(qū)動(dòng)油泵，是發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，以供機(jī)械的 各部分。地鉆裝置主要由帶油馬達(dá)的減速器、鉆頭組成。液壓油通過(guò)各控制元件來(lái)驅(qū)動(dòng)油馬 達(dá)旋轉(zhuǎn)，從而通過(guò)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭軸，有一方軸裝在鉆頭軸中，此軸只要拔出定位銷及管子 向下延伸即可增加挖坑的深度。該機(jī)可挖坑徑 0.45m、坑深 4.5m 的坑。
QW-1000 型挖坑機(jī)基本上是屬于這種類型，但它是車載鉆機(jī)的形式。
2.2.2.2 按鉆頭安裝位置
一 ）立式挖坑機(jī)立式挖坑機(jī)是常見(jiàn)的一種類型，亦稱立軸式挖坑機(jī)，即鉆頭的鉆桿與減速器輸出軸聯(lián)接 是垂直于地面的。該類型的挖坑機(jī)主要用于挖坑作業(yè)。
二）臥式挖坑機(jī) 臥式挖坑機(jī)亦稱水平軸式挖坑機(jī)，即鉆頭的軸桿幾乎是水平配置的，根據(jù)作業(yè)要求，可調(diào)整氣鉆桿的傾斜角度。
2.2.3 挖坑機(jī)的鉆頭
2.2.3.1 挖坑機(jī)鉆頭的主要類型 挖坑機(jī)的鉆頭是挖坑機(jī)的主要工作部件，根據(jù)各地區(qū)條件和作業(yè)的技術(shù)要求，分為整地、挖坑和開(kāi)溝三大類。螺旋式鉆頭的挖坑機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，土壤全部或絕大部分從坑里拋 出，該形式主要用于建筑工作和栽植作業(yè)上。而整地用的挖坑機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，土壤不出 坑，該形式主要用于播種造林等。開(kāi)溝用的挖坑機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，土壤是從一側(cè)或兩側(cè)拋 出。本設(shè)計(jì)選用螺旋式鉆頭螺旋式鉆頭主要由鉆桿 1、螺旋翼片 2、鉆鏵（刀片）3 和鉆尖 4 組成。工作時(shí)鉆頭旋轉(zhuǎn) 同時(shí)向下作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆尖不僅起挖坑機(jī)工作時(shí)的定心作用，并切去中心部分的土壤，繼而 按一定軌跡排列的刀片（或鉆鏵）切土，刀片切下的土壤沿著螺旋翼片上升，并拋至坑的四 周，土壤出坑的數(shù)量由鉆頭螺旋部分長(zhǎng)度決定。如果鉆頭的長(zhǎng)度小于坑的深度，采用多次旋 拋土壤的方式。其工作面的形成為垂直與鉆頭軸線的直線段，沿著圓柱體上劃出的導(dǎo)向螺旋 線移動(dòng)而成。利用同心圓柱體來(lái)截鉆頭的表面，則得到多條螺旋線，其螺旋升角隨著圓柱體 半徑的減少而增加。螺旋形鉆頭工作面不能展開(kāi)成平面。螺旋形鉆頭又分為單頭螺旋鉆頭和多頭螺旋鉆頭。單頭螺旋鉆頭工作時(shí)消耗能量較少， 但由于切土負(fù)載不對(duì)稱，因此工作穩(wěn)定性比雙頭螺旋鉆頭差。為了克服上述存在的缺陷，單 頭螺旋鉆頭可安裝兩個(gè)鉆鏵，按徑向?qū)ΨQ布置。一般小型懸掛式挖坑機(jī)和手提式挖坑機(jī)采用 單頭螺旋鉆頭。多頭螺旋鉆頭工作時(shí)穩(wěn)定性較好，但消耗能量較大，一般懸掛式中型挖坑機(jī) 常用雙頭螺旋鉆頭。螺旋型鉆頭挖坑范圍很大，能挖 H/D0=0.5-16 的坑（H-坑的深度；D0-坑的直徑）。
3 挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)
3.1 手提式挖坑機(jī)的工作原理
手提式挖坑機(jī)由小型二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（ 2.2-3.68Kw）3、離合器 4、減速器 5、鉆桿及 套 6、安全及保護(hù)罩 7 和鉆頭裝置 8 等組成。其工作原理如下：
由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器、減速器而驅(qū)動(dòng)鉆頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。操作裝置通常采用可拆卸式的手 柄結(jié)構(gòu)。手柄的設(shè)計(jì)要求操作靈敏和便于操作發(fā)動(dòng)機(jī)油門開(kāi)關(guān)。
圖3-1 手提式挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1.油箱 2.手柄 3.發(fā)動(dòng)機(jī) 4.離合器 5.減速器 6.鉆桿及套 7.安全保護(hù)罩 8.鉆頭裝置
由蘇聯(lián)研制的手提式塊狀整地機(jī)，可在坡度為 300 地區(qū)作業(yè)，在塊狀整地的同時(shí)其中心 部挖出植樹的坑。該機(jī)的工作部件由 “友誼”或“烏拉爾”發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作部件是螺旋形 鉆頭 8，在其軸桿上用兩個(gè)螺栓固定在橫梁 5 上，其橫軸上焊有帶兩個(gè)水平刀 7 的主柱和三 個(gè)垂直刀 6。在發(fā)動(dòng)機(jī)的底板上固定有保護(hù)罩 9，它用于防止土壤的拋散。工作時(shí)，松土刀 6 切斷水平方向的根系并疏松土壤；水平刀 7 用于切斷垂直根系，消滅雜草和逐漸切下土層。
圖 3-2 手提式塊狀整地機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.減速器 3.機(jī)架 4.手柄 5.橫梁 6.垂直刀 7.水平刀 8.鉆頭 9.保護(hù)罩 10.平整器
該型機(jī)具可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種作業(yè)，即整地（面積直徑為 0.5-0.55m）并在塊狀地面中心 挖出直徑為 0.2m、深為 0.25m 的坑。為了使該機(jī)具可以自走，可以在減速器的輸出軸上裝升降輪組，當(dāng)機(jī)具到達(dá)作業(yè)地點(diǎn) 后，取下輪組再換裝其鉆頭。
3.2 動(dòng)力選擇
原數(shù)據(jù) 坑徑：400mm
坑深：400mm
整機(jī)重量≤15kg
挖坑效率 120 孔/h.
挖坑的動(dòng)力消耗與坑徑、坑深、土壤硬度和下降速度有關(guān)。通過(guò)試驗(yàn)，手提式挖坑機(jī)配套動(dòng)力應(yīng)在 2.2~3.68kW 之間。
3.3 螺旋鉆頭的設(shè)計(jì)與計(jì)算
手提式挖坑機(jī)鉆頭由大刀翼 2，小刀翼 4，刀體 3 及其中心刃 1 等組成（圖 1-17）。其 大、小刀翼的切削面磨成 200 的刀刃；入土角。
圖3-1 雙頭螺旋式鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖
1.鉆桿 2.螺旋翼片 3.鉆鏵 4.鉆尖 5.鉆鏵
3.3.1 螺旋工作面的設(shè)計(jì)
1 螺旋的外直徑 D
根據(jù)挖坑直徑 D0 確定
D=（0.94-0.95）D0=0.95x400=380mm
2 螺旋長(zhǎng)度 H0 應(yīng)大于坑深 H=400mm
3 螺旋升角α（外直徑處）導(dǎo)程 h升角
α是螺旋線與其軸線垂直平面的夾角
導(dǎo)程 h 是螺旋線上某一點(diǎn)沿螺旋線圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的距離
tgα=h/ΠDξ＜α＜90-φ1-
土壤對(duì)螺旋面（鋼）的摩擦角，
通常取φ1=22-31 ，取φ1=25 。
ξ=arctgs/ΠD0
s-鉆頭每轉(zhuǎn)一周的進(jìn)給量 s 取 40mm，
ξ=1.820.
手提式挖坑機(jī)一般取α=10-180.
按導(dǎo)程計(jì)算
手提式：h=（0.55-0.9）D=0.6*380=228mm α=arctg h/ΠD=10.820≈110
4 螺旋頭數(shù)
一般手提式挖坑機(jī)用單頭
3.3.2 刀片的設(shè)計(jì)
刀片也稱鉆鏟或鉆鏵，是挖坑機(jī)的主要切土零件，也是工作中最易磨損的零件。它的形狀、刀口鋒利程度、耐磨性以及磨損規(guī)律，對(duì)挖坑機(jī)的阻力矩、生產(chǎn)率都有很大影響。因此，要求在保證足夠 強(qiáng)度和沖擊韌性的條件下，提高刀片的耐磨性。 常用的刀片有以下三種：見(jiàn)圖，雙刃矩形，梯形和三角形。雙刃矩形刀片一面磨損之后，可以掉頭使 用，梯形刀片入土性能較好，阻力??；三角形刀片適用于松軟土壤。
試驗(yàn)指出，鉆頭的刀片磨損多在外緣，因?yàn)殡x開(kāi)鉆軸中心越遠(yuǎn)，刀刃轉(zhuǎn)過(guò)的路程越長(zhǎng)，因此鉆頭 刀片的外緣磨損快。為了延長(zhǎng)刀片的適用壽命，在易磨損處將刀片加寬形成鑿形刀片，或制成局部加 厚的刀片。由于鉆頭工作時(shí)既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，刀片的實(shí)際后角 ε 應(yīng)由刀片該店的運(yùn)動(dòng)方向和刀片 后平面之間的夾角來(lái)測(cè)量。刀片上各點(diǎn)的 ε 隨著離鉆桿距離增大而增大。
只有當(dāng) ε ＞0 時(shí)，鉆頭才能入土。當(dāng) ε 值不大時(shí)，刀片很快形成寬的背棱，入土所需的力矩和阻0 0
力急劇增加，因此，可適當(dāng)增大名義后角 ε ，以達(dá)到增加實(shí)際后角 ε 。名義后角 ε 在 250 ? 450 時(shí)入0
土力矩和阻力均較小。前角過(guò)大和過(guò)小入土力矩和入土阻力均增加。名義前角 δ 在 450 時(shí)入土力矩和入土阻力最小。
刀片厚度 8-10 毫米，刃厚 0.5-1 毫米。刀片的材料可用 65SiMnRe 鋼或 65Mn 鋼，刃部淬火區(qū)為25-35 毫米，硬度 HRC46-60，非淬火區(qū)硬度不大于 HRC33。刀片用沉頭方頸螺釘安裝于刀座上，刀座 通常以鋼板焊接在螺旋工作面背面，刀片與螺旋面的接縫處應(yīng)密合平整，不允許螺旋面高出刀片而增 大切削阻力。對(duì)于直徑 300 毫米以下的鉆頭，尤其是手提式挖坑機(jī)可以用單頭螺旋，這樣消耗扭矩 小。但是為了使受力平衡，一般也要對(duì)稱地裝兩個(gè)刀片，因此這種結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)刀座。
3.3.3 鉆尖的設(shè)計(jì)
鉆尖也稱定位尖，它一般用螺釘連接在鉆尖的拖柄上，鉆尖的型式有平面三角形、平面分叉型、錐形小螺旋型和平面三尖型。 實(shí)踐證明，分叉型鉆尖入土阻力最小，錐形小螺旋最大，三角型次之。定位性能以錐形小螺旋最好。一般中型挖坑機(jī)（鉆頭重量在 150kg 左右）的鉆頭，應(yīng)選用分叉型鉆尖，而對(duì)于大型的挖坑機(jī)的 鉆頭（重在 250kg 左右），為防止鉆頭過(guò)重和入土過(guò)快（靠自重入土的挖坑機(jī)）應(yīng)選用三角形鉆尖。對(duì) 于鉆深坑的挖坑機(jī)鉆頭選用平面三尖型的鉆尖更合適。另一方面鉆鏵的切削刃與鉆尖之間的距離 H2 越 大，鉆尖的迴轉(zhuǎn)直徑 D1（取 0.1-0.16m）越小，那么它的對(duì)中性越好。但是隨著 H2 的增加，鉆尖入土 所需的麗也增加，土壤從鉆頭表面排出也更困難。此距采用如下范圍較合理：0.9D1
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