新型液压式连续挖坑机的设计

作者：王有刚，刘毅，毕智华

来源：《湖北农业科学》 2012年第9期

王有刚，刘 毅，毕智华

（北京林业大学工学院，北京 １０００８３）

摘要：经过对连续式挖坑机特殊工作要求的分析，计算得到钻头相对牵引机车的水平移动距离为１．２ ｍ，并确定了在牵引机车以０．１５ ｍ／ｓ的速度行驶下，钻头完成一个工作循环过程的总体时间为１０ ｓ。在此基础上对钻头旋转、升降和水平移动这三大运动分别设计了以液压为动力源的机械结构；以行程为控制对象设计了满足连续式挖坑机工作要求的液压系统。最终设计完成了一种稳定、高效、机械化水平高的新型连续式挖坑机。其每小时可以生产多于２５０个规格为５００ ｍｍ×５００ ｍｍ（坑深×坑径）的植树坑。

关键词：挖坑机；液压式；连续作业

中图分类号：Ｓ７７６．２６＋２

文献标识码：Ａ

文章编号：0439－８114（２０12）09－1877-03

Design of the Continuous Digging Machine with All-hydraulic Drive

ＷＡＮＧ Ｙｏｕ－ｇａｎｇ，ＬＩＵ Ｙｉ，ＢＩ Ｚｈｉ－ｈｕａ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｗｏｒｋ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｉｇｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ， ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ ｗｈｉｃｈ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗａｓ １．２ ｍ． Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌ ｂｉｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ａ ｗｏｒｋ ｃｙｃｌｅ ｗａｓ １０ ｓｅｃｏｎｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ０．１５ ｍ/ｓ． Based on it， machines with all-hydraulic drive were designed respectivily for 3 motions of rotating， rising and falling， horizontal shifting， the all-hydraulic drive meeting the work demand of continuous digging machine was designed for controlling the strokes. Ａ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｉｇｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｉｔｈ ｓｔａｂｌｅ， ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ２５０ ｔｒｅｅ ｐｌａｎｔｉｎｇ ｐｉｔｓ （ｐｉｔ ｄｅｐｔｈ × ｐｉｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ＝５００ ｍｍ × ５００ ｍｍ） ｐｅｒ ｈｏｕｒ.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｄｉｇｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ； ｈｙｄｒａｕｌｉｃ； ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ

挖坑机广泛应用于园林绿化工程苗木的种植挖坑，起挖大树的外围出土，畜牧围栏埋桩挖穴，果树、林木施肥挖穴，苗圃、园林绿化工程的中耕，除草等。对于能够在植树黄金季节于大面积平原地区从事植树造林、挖掘栽植坑工作的高效率连续挖坑机的研究一直是一项空白。连续式挖坑机不仅可以大幅度提高挖坑效率，而且可以充分发挥林业机械化的优势进而降低工作人员的劳动强度。研究通过在结构和液压系统上的创新设计，旨在开发出一种稳定、高效、机械化水平高的新型连续式挖坑机。

１ 连续式挖坑机设计理论

由于连续挖坑机的特殊性，使得其钻头相对于牵引机车的运动（即所谓主运动）大大不同于传统断续式挖坑机。断续式挖坑机只要保证钻头基本垂直于需要挖坑的地面，而连续式挖坑机是在机车连续不停止运动的前提下进行工作，这就要求钻头在工作段曲线上每一点的水平速度分量应与机车行驶的方向相反且大小基本相等［１，２］，才能保证钻头在静坐标系中的水平速度分量为零，从而完成定位下钻和出坑，实现挖坑作业。另外，在完成一个周期的打坑动作后，钻头还要以整数倍的机车速度“追击”机车，在下一个要打坑的地点之前返回相对于机车的预定下钻位置，如此循环往复（图１）。图１中位置１为初始工作位置，位置２为最大坑深位置。

为了保证牵引机车在连续行进中打坑运动能够顺利进行，即保证在机车连续前行状态下钻头在完成一次打坑出坑工作循环后，能够顺利回到相对机车固定的位置，必须满足关系式：

υ１×（ｔ１＋ｔ２）＝（υ２－υ１）×ｔ３

式中，υ１为牵引机车行驶速度，牵引机车（即拖拉机）牵引农具进行农田作业前进的速度应根据土壤类别、地表状况、功率消耗的承担能力及各地的相应农艺要求确定［３］。农用作业时拖拉机行驶速度较低，因为低速行驶在满足安全要求的同时，能够提供较大的牵引力。拖拉机可以达到很低的行驶速度，爬行档最低速度一般为０．４ ｋｍ／ｈ以下，最低的仅０．１５ ｋｍ／ｈ［４］。对于移栽所需进行的挖沟作业，农艺上要求沟深、行距稳定，宜选前进速度在６００ ｍ／ｈ左右。

设计中取牵引机车行驶速度υ１＝０．１５ ｍ／ｓ；υ２为钻头在一个打坑工作循环完成后水平追击速度，设定υ２＝５υ１＝０．７５ ｍ／ｓ；ｔ１为一个工作循环中钻头向下打坑的时间，参考经典数据设定ｔ１＝６ ｓ；ｔ２为一个工作循环中钻头抬起时间，设定ｔ２＝２ ｓ；ｔ３为钻头在一个打坑工作循环完成后水平追击时间，取ｔ３＝２ ｓ。

根据上述设定的挖坑机各动作速度、所需时间计算得到挖坑机坑距ｓ１：

ｓ１＝υ１×（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）＝１．５ ｍ

作为挖坑机结构上重要的尺寸参量，计算得到钻头在连续式挖坑机上水平移动距离ｓ２：

ｓ２＝（υ２－υ１）×ｔ３＝１．２ ｍ

通过对连续式挖坑机基本理论的分析，计算得到其主要的工作参数（表１），为连续式挖坑机结构和液压动力系统的设计提供了重要的依据，是连续式挖坑机研究的数据基础。

连续式挖坑机有别于传统断续式挖坑机的运动方式，其工作效率大大提高，设计中按照上述各参量计算得到挖坑机的工作效率保守估计可以达到每小时２５０个坑以上。

连续式挖坑机的基本设计理论是由于其不同于传统的断续式挖坑机工作循环过程衍生出来的，这些理论数据是挖坑机结构设计以及液压控制系统的设计依据。只有在结构和控制上同时满足连续式挖坑机的设计要求才能达到设计目的实现创新。

２ 连续式挖坑机结构设计

传统的断续式挖坑机主要包括钻头的旋转和垂直于地面的升降运动两个主要运动，而连续式挖坑机还需要把控制这两个运动的装置在牵引机车的运动方向（即与地面平行方向）上进行牵引以及使其相对于地面静止。因为钻头与牵引机车的相对位置在打坑过程中是变化的，这也就使钻头的旋转、进给运动很难通过参照传统断续式挖坑机的机构形式实现，所以设计出合理可行的水平追击控制装置就成为连续式挖坑机设计的难点和重点。设计中连续式挖坑机各运动基本构造如图２和图３所示，各运动的控制方式如下。

１）钻头垂直打坑装置。这部分要求实现钻头的垂直升降和旋转。钻头的旋转是由能够承受较大转矩、速度中等的径向柱塞液压马达通过液压系统直接控制其转速的。而垂直升降是利用４个提升液压缸通过使承载着上述控制钻头旋转运动的马达以及连接元件的垂直起落平台在垂直导向导轨中升降来实现的。

２）水平追击控制装置。这个部分就是有别于传统断续式挖坑机的主要机构。在本设计中控制钻头水平追击以及相对于地面保持静止的机构由伸缩式液压缸（也称为多级液压缸）来实现。整套垂直打坑装置都由水平移动平台承载，水平平台通过滚轮在水平槽钢滑道中移动，伸缩液压缸固结在牵引机车上，由其水平缸杆控制其移动。

综上所述，研究就是依靠液压元件通过控制水平移动平台和垂直起落平台来实现连续式挖坑机的工作要求，钻头打坑和传统的断续式挖坑机相同，都是依靠重力完成。

３ 连续式挖坑机动力

挖坑机的驱动方式可分为汽油机通过离合器、减速箱、万向轴等不同组合的传动方式来驱动钻头主轴工作的机械驱动，有以电动机为动力驱动钻头主轴的电驱动、以液压缸和液压马达为动力驱动钻头主轴的液压驱动、以机械驱动和电动机分别驱动行走和钻头的混合驱动。

设计中连续式挖坑机的动力来源为：在牵引机车动力输出轴传动箱体上通过螺栓固定一个变速箱，变速箱的主动齿轮轴与牵引机车的动力输出轴相连，变速箱把转速转换成液压系统中油泵所需转速后，通过变速箱输出轴把动力传送到液压油泵，液压油泵使液压油通过软管输送到液压马达和液压缸从而为整套机构提供动力支持。设计中连续式挖坑机传动机构的液压系统如图４，为了保证钻头旋转和进给与伸缩缸控制的水平运动不互相干涉，系统采用了三套供油和控制装置，即齿轮变速箱输出轴驱动三个液压油泵，分别给钻头旋转、钻头进给、水平移动提供一定比例的液压油。如前所述，液压马达控制钻头旋转，伸缩缸控制水平移动，提升缸控制钻头的提升。在水平和垂直升降导轨中均有行程开关，它们的触发状态与每条油路中电磁换向阀的电磁铁的信号通断相对应，这样就可以较为精确地控制各运动部件的动作，同时对机构起到一定的保护作用。

研究选取的液压驱动方式具有灵活、过载能力强、调速范围较宽、传动平稳柔和、结构紧凑等特点［５］，同时能够满足林业机械设备在较为恶劣环境下工作的要求。

４ 小结

研究中的全液压式连续式挖坑机工作效率初步计算在每小时２５０个坑以上，坑径和坑深均为５００ ｍｍ，两坑距离为１ ５００ ｍｍ。这些参数与现有的断续式挖坑机的工作参数基本一致，可以满足在平原或经过平整后的耕地中大面积挖掘栽植坑的需要。

用液压系统作为主要的动力来源，在符合林业机械设备野外工作时对动力设备适应性的要求的同时，其用行程作为控制标准的方式也可以满足连续式挖坑机特殊的工作要求。

设计中的连续式挖坑机自动化水平较之现有的断续式挖坑机有一定的优越性，全液压的控制方式确保了挖坑机拥有运行平稳、调速灵活的特点。作者认为连续式挖坑机的研究只是刚刚起步，今后还有很多方面可以进行改进和完善，例如可以在水平导轨上尝试安装双钻头做成可拆卸的尾架，这样可以提高设备的互换性，客观上使成本降低。总之，新型全液压式连续挖坑机为林业植树挖坑机械的研究开拓了一个新的研究方向，通过不断改进和完善一定可以实现稳定、高效、机械化水平高的设计目的。

参考文献：

［１］ 刘少刚，吕 宏，唐德威，等． 连续挖坑机的动力学分析［Ｊ］． 东北林业大学学报，１９９３，７（４）：７８－８７．

［２］ 刘少刚，陆钟吕． 连续挖坑机主运动四杆机构的优化综合［Ｊ］． 应用科技，１９８９， ９（１）：４７－５８．

［３］ 李烈柳． 拖拉机作业速度的选择［Ｊ］． 科学种养，２００９（１）：５７．

［４］ 何 京． 国外大中型拖拉机技术概况［Ｊ］． 农业机械，２００３（１０）：３０－３１．

［５］ 闻邦椿． 机械设计手册［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，２０１０．