康杰 孫為云 周喜 雷騰飛
摘 要:在機(jī)械化造林及果木栽植設(shè)備中挖坑機(jī)是一種不可或缺的機(jī)具,挖坑機(jī)會(huì)直接影響果木栽植和植樹造林的速度和質(zhì)量。介紹了國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了挖坑機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),并且展望了挖坑機(jī)研制的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:挖坑機(jī);果木栽植;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.056
0 引言
林果業(yè)是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的急劇調(diào)整,森林覆蓋率與林果種植面不斷擴(kuò)大。當(dāng)前,該產(chǎn)業(yè)已成為中國(guó)種植業(yè)中的又一大新興產(chǎn)業(yè)[2]。目前中國(guó)人均水果質(zhì)量與世界其它國(guó)家相比差距較大,但近年來隨著人們消費(fèi)水平的提高和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的日益多元化,對(duì)水果的需求將會(huì)大大增加,所以提高林果種植面積,大力發(fā)展水果業(yè),已成為當(dāng)前的首要任務(wù)。
目前中國(guó)有約十億畝荒山荒地急待綠化造林,有一千多萬畝采伐跡地需要造林更新[3]。各級(jí)政府因地制宜,在丘陵、河川、坡地等不適于農(nóng)作物生長(zhǎng)的地方發(fā)展林果業(yè),已成為發(fā)展經(jīng)濟(jì)、最終實(shí)現(xiàn)小康的規(guī)劃目標(biāo)。
近年來經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于丘陵、坡地土質(zhì)及地形自身所具有的特點(diǎn),國(guó)內(nèi)針對(duì)丘陵、坡地的小型果樹林木種植機(jī)械的研究少之又少。因此,精準(zhǔn)把握果木栽植機(jī)械—挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),研制針對(duì)不同形貌地勢(shì)研制相應(yīng)果樹栽培機(jī)械已成為當(dāng)前農(nóng)機(jī)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。
1 挖坑機(jī)的類型及設(shè)計(jì)要求
1.1 挖坑機(jī)的類型
用于果木栽植的挖坑機(jī)種類非常多,按照與配套動(dòng)力的掛機(jī)方式可將其分為手提式、懸掛式、自走式及牽引式挖坑機(jī);按挖坑機(jī)鉆頭數(shù)量配置的情況可分為多鉆頭、雙鉆頭和單鉆頭挖坑機(jī),而它的鉆頭根據(jù)其形狀又可分為葉片型、螺旋式、螺旋齒式和螺旋帶式等鉆頭[4]。
(1)懸掛式挖坑機(jī),是將機(jī)器懸掛在動(dòng)力機(jī)械上,它主要用于底心平緩或動(dòng)力機(jī)械便于通行的地區(qū),該類型挖坑機(jī)的挖坑直徑和深度比較大,同時(shí)還可多鉆頭作業(yè)。
(2)手提式挖坑機(jī),它是將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與挖坑機(jī)裝配成為一個(gè)整體,有操作者手提作業(yè),該類型的挖坑機(jī)質(zhì)量較輕,適合于動(dòng)力機(jī)械不方便行走丘陵山地較多、地形復(fù)雜的地帶,挖坑直徑和深度都比較小。
(3)牽引式挖坑機(jī),是將該機(jī)直接由動(dòng)力機(jī)械牽引,掛接方便,不受動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,但該類型的挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)動(dòng)性較差。
(4)自走式挖坑機(jī),該類型的機(jī)器通過性能較好,而且本身能夠提供動(dòng)力,自動(dòng)化程度高,同時(shí)成本也較高。
1.2 挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)要求
(1)挖坑機(jī)對(duì)挖出坑徑具有一定的垂直度有很高的要求,坑壁應(yīng)整齊。
(2)挖坑機(jī)挖出的坑深與坑徑必須滿足栽植林果數(shù)量的要求。
(3)挖坑時(shí)土壤的拋出范圍不宜過大,以便土壤回填方便。
2 國(guó)內(nèi)外果木栽植機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外果木栽植機(jī)械種類非常之多,尤其是以挖坑機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。它是由動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的立軸旋轉(zhuǎn)式土工機(jī)械,是一種重要的土壤作業(yè)機(jī)械。主要用于果樹栽培及其他樹種栽培前的穴狀整地作業(yè) [5]。手提式和牽引式挖坑機(jī)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,適合于山地丘陵和小坡度的山丘的挖坑作業(yè),工作適應(yīng)能力較強(qiáng),但缺點(diǎn)是操作者的疲勞強(qiáng)度高;懸掛式挖坑機(jī)是將拖拉機(jī)做為主要?jiǎng)恿敵鰟?dòng)力源。懸掛式坑機(jī)與手提式挖坑機(jī)相比,其特點(diǎn)主要是:機(jī)動(dòng)靈活,動(dòng)力足,非常適合挖掘直徑較大、坑深較深的坑穴,同時(shí)該機(jī)的掛具形式紛繁復(fù)雜,即可懸掛于動(dòng)力機(jī)械的相應(yīng)部位,還可配備于多種不同機(jī)型的牽引機(jī)械,但它也有明顯的缺點(diǎn),即作業(yè)范圍受到較大的限制,不適合丘陵和大坡度山地等地區(qū)。
1958年,中國(guó)第一次成功研制出拖拉機(jī)懸掛式挖坑機(jī)和手提式挖坑機(jī),十五年后,ZW5、ZB5型號(hào)的挖坑機(jī)也相繼問世,該機(jī)器一度發(fā)展為其它同類型產(chǎn)品后被批量生產(chǎn)[6]。2000年以后,市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)手提式及自走式挖坑機(jī)。目前挖坑機(jī)主要生產(chǎn)廠家有:北京沃林,赤峰田豐農(nóng)林機(jī)械廠、山東大豐機(jī)械有限公司等。
北京沃林生產(chǎn)的雷神系列SD-B350型號(hào)的便攜挖坑機(jī)(圖1a)可由一個(gè)操作員操作,也可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作員共同操作,山東大豐機(jī)械有限公司研制的DY-40K型機(jī)具(圖1b)均屬于便攜式類型的挖坑機(jī)。
赤峰田豐農(nóng)機(jī)廠生產(chǎn)的3WH-60型懸掛式挖坑機(jī),具有易于操作,結(jié)構(gòu)合理的特點(diǎn),每小時(shí)可挖高達(dá)一百六十個(gè)坑。此外我國(guó)還有研制了W-80D、WX-70、ZW-72等系列型號(hào)的機(jī)具如圖1(c)所示即為3WH-60型懸掛式液壓挖坑機(jī)。
相比國(guó)內(nèi)對(duì)果木栽植機(jī)械的研究,國(guó)外(日本、美國(guó)、德國(guó)等)的研發(fā)一直處于領(lǐng)先地位。尤其是在便攜式挖坑機(jī)機(jī)型的研究制造上,歐美、日本等一些國(guó)家發(fā)展水平曾一度領(lǐng)先,比如美國(guó)的A-7型手提式挖坑機(jī),質(zhì)量不足十公斤,采用H35D型發(fā)動(dòng)機(jī)作為牽引的動(dòng)力源;加拿大研制的A-8D 型挖坑機(jī),所挖坑的直徑徑范圍可以精確控制在20-200mm;日本生產(chǎn)的G431型、AG530型,德國(guó)STIHL生產(chǎn)的BTl20C型挖坑機(jī)等都是市場(chǎng)主流的便攜式、手提式類型挖坑機(jī)(如圖2)。
國(guó)外研制機(jī)具充分考慮了人機(jī)工程學(xué)原理,比如通過液壓裝置將容易發(fā)生劇烈抖動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在距人較遠(yuǎn)的地方;同時(shí)在增加其安全性的前提下,極大程度上減輕了操作者的疲勞。
目前,便攜式、懸掛式兩種類型的挖坑機(jī)是國(guó)內(nèi)的主流,直徑在0.6m以上的大坑適合用懸掛式挖坑機(jī)施工,而便攜式挖坑機(jī)的挖坑直徑一般在0.3以下(其所挖坑徑小的主要原因是受機(jī)具功率的限制),但是自林果、幼苗等苗木栽植過程中,其根莖生長(zhǎng)條件往往要求坑徑一般應(yīng)介于0.30 m-0.6 m之間,另外,針對(duì)復(fù)雜工況的挖坑作業(yè)機(jī)械種類又非常之少,因此大力研制大功率、適于復(fù)雜條件的林果栽植機(jī)械成已成為當(dāng)前農(nóng)機(jī)具發(fā)展的大趨勢(shì)。
3 國(guó)內(nèi)外理論研究方向
無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,對(duì)挖坑機(jī)理論方面的研究目前大都停留在其關(guān)鍵零部件部件結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)等方面,尤其是這些參數(shù)對(duì)機(jī)器性能方面影響的研究頗多。比如最近,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的李學(xué)超則對(duì)挖坑機(jī)具螺旋鉆頭的工作過程進(jìn)行了ANSYS模擬仿真,獲得一些理論研究方面的突破性進(jìn)展[7]。
值得一提的是,目前機(jī)具結(jié)構(gòu)性能一體化設(shè)計(jì)與工作過程仿真模擬已成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的必然方向,這種發(fā)生在樣機(jī)制造出來之前,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真的方法不僅極大地縮短設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試等的周期,同時(shí)機(jī)具設(shè)計(jì)的可靠性和安全度也在一定程度上得到了很大的提高。
4 發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)器設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)原理:操作者為人的各種機(jī)械設(shè)備,都應(yīng)盡可能的完善人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì),使機(jī)具符合操作者的生理和心理學(xué)特性,進(jìn)而最大程度地減輕操作者的心理負(fù)擔(dān)和操作疲勞,使整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)具有最和諧的關(guān)系和最優(yōu)化的綜合效能。
機(jī)器實(shí)用的多功能性:根據(jù)中國(guó)的地情地貌,栽植果木及造林植樹表現(xiàn)出極大的區(qū)域性和季節(jié)性,所以果木栽植機(jī)械類的機(jī)具作業(yè)場(chǎng)所、時(shí)間極其有限,機(jī)具的較低使用率使得單一性能表現(xiàn)尤為突出,因此在今后對(duì)挖坑機(jī)的研發(fā)、制造過程中必須考慮單機(jī)多用的問題。
總之,挖坑機(jī)的研發(fā)、制造必須根據(jù)區(qū)域特點(diǎn),因地制宜。對(duì)于大規(guī)模的造林區(qū),應(yīng)積極開發(fā)高效率、高自動(dòng)化程度的多頭大型挖坑植樹機(jī)具,而對(duì)于小面積的陡坡、高山和多石的地區(qū),應(yīng)開發(fā)機(jī)動(dòng)靈活、小型的便攜式挖坑機(jī)。
參考文獻(xiàn):
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作者簡(jiǎn)介:康杰(1985-),男,河南開封人,碩士,助教,研究方向:計(jì)算機(jī)模擬仿真、特種加工技術(shù)(激光加工)。