便携式挖穴机的研究设计.pdf

2004 年 7 月 农 机 化 研 究 第 4 期 - 81 - 便携式挖穴机的研究设计 阳厚森 云南农业大学 工程技术学院云南 昆明 6 5 0 2 0 1 摘 要 在对温室大棚建设工序挖穴作业环境特点和要求等调查的基础上提出了用机械代替手工作业 挖穴的方案及结构并对工作原理进行理论分析和计算 关键词 农业工程挖穴机设计温室大棚 中图分类号 S 2 2 2 . 5 +5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 1 8 8 X ( 2 0 0 4 ) 0 4 0 0 8 1 0 3 1 引言 随着设施农业的发展单体式连栋式等各类 温室大棚的建设已逐渐应用和推广这对我国的农 业经济起到了巨大的推进作用常见的塑料薄膜 大棚改良温室骨架如图 1所示 1 . 纵梁 2 . 吊柱 3 . 拱杆 4 . 立柱 图 1 塑料薄膜大棚改良温室骨架 大棚结构尺寸单棚面积 0 . 0 6 7 0 . 1 h m 2 跨度 1 2 1 5 m 棚高 2 . 8 3 . 4 m , 肩高 1 . 5 1 . 7 m 长度 4 0 4 5 m , 立柱列行间距为 3 2 m 从图 1可以看出: 用来栽埋拱杆 立柱的孔穴数量极多( 如图 2所示) 且布局质量要求越来越高通常实际挖穴轴线与理 论孔穴轴线同轴误差在1 03 0 m m之间但是在 温室大棚的基建施工过程中野外环境极差这就 要求对掘孔时的工作环境孔穴彼此对称性劳动 强度等因素进行考虑寻求一种便利高效的挖掘 方法及配套机具 传统的坑穴挖掘方法一般采用人力手工挖掘 配套工具简单粗糙挖掘效率低强度大投入大 但其可保证坑穴的对中性近年来也曾出现了拖 拉机配套动力机具挖掘虽然可大大提高效率大 幅度减轻劳动强度但在实际施工中表明拖拉机 配套动力机具在挖掘对中要求低且坑穴直径大时 有明显优势而对于温室大棚基建施工中的对中要 求高数量众多的桩坑孔穴挖掘时就显示出了费 时且达不到要求的缺点为此解决动力和对中性 就成了该配套机具的关键所在 图 2 孔穴尺寸 2 研究方案的确定 鉴于动力和对中性考虑有两种可行方案一 是采用电动手提式挖掘机具以电动机为动力源 带动钻头转动手提进行对中掘孔虽可减轻劳动 强度提高工作效率且坑穴的对中性也能保证但 由于在野外施工电力很难保证这成了很棘手的 问题二是采用内回转内燃机手提式挖掘机具它 不仅能达到方案一的优点更加突出的是不受环境 的影响能随时便利的提供动力源相比之下采用 方案二就不言而定了 3 机具的配置设计 3 . 1 结构与工作原理 ( 1 ) 结构内燃手提式挖掘机具由二冲程汽油 发动机和冲击挖穴机两大部分组成如图 3所示 收稿日期 2 0 0 3 - 0 8 - 1 2 作者简介 阳厚森1 9 7 1 -男云南昆明人讲师主要从事农业机械化方面的研究工作 1 2 3 4 5 5 0 0 m m 泥土 2 0 0 m m 万方数据 2004 年 7 月 农 机 化 研 究 第 4 期 - 82 - 1 . 曲柄 2 . 发动机活塞 3 . 冲击活塞 4 . 前气室孔 5 . 后气室孔 6 . 棘爪 7 . 螺旋花键套 8 . 螺旋花键槽 9 . 转轴 1 0 . 支撑套 1 1 . 轴承盖 1 2 . 推力轴承 图 3 手提式挖掘机结构简图 ( 2 ) 工作原理发动机活塞和冲击活塞在公 共燃烧室内的爆炸压力作用下做相反方向运动 发动机活塞做往复运动 以维持发动机的工作循环 冲击活塞的往复运动冲击转轴并使其旋转从而带 动钻头旋转完成挖掘机的工作循环 3 . 2 主要工作部分简介 ( 1 ) 发动机部分采用二冲程回流扫气曲轴 箱增压的汽油发动机 与一般汽油发动机不同的是 整个发动机是倒置的曲轴不输出功率进排气系 统采用泡沫塑料滤清器使用 6 6 # 7 0 # 汽油由于 该机要在铅垂方向上作业和水平方向上摆置为了 防止回油采用无浮子式化油器将 1 5 #汽油机润 滑机油按 1 : 2 1 : 2 0的比例混入汽油内混合油雾 化后进入曲轴箱对发动机部分进行润滑采用可控 硅无触点磁电机为点火系设置导风罩产生较大的 冷却风量进行风冷拉绳回缩机构为其简单可靠的 起动机构 ( 2 ) 冲击挖掘机部分发动机汽缸的延长部分 就是挖穴机的汽缸其重要工作零件为带有螺旋花 键的活塞体及棘轮机构冲击活塞在正行程中向右 运动其上的螺旋花键槽左侧面沿正行程方向看 给花键套一个切向力该切向力迫使花键套沿顺时 针旋转 但由于棘爪与花键套外围棘齿的相互作用 使花键套不能旋转而此时固定这样在切向作用力 与反作用力的作用下 冲击活塞轴产生逆时针旋转 以将一冲击旋转运动传给转轴从而使转轴旋转 反行程中螺旋花键槽右侧面沿正行程方向看 也给花键一个切向力该切向力要迫使花键套沿逆 时针方向旋转而此时棘爪不能阻止棘齿在冲击 活塞轴的惯性力及切向力作用下花键套随冲击活 塞轴逆时针方向旋转从而避免了冲击活塞轴反转 的现象 ( 3 ) 钻头部分钻头部分为该机具的切土钻孔 部件如图 4所示该部件由转轴螺旋叶片刀 座钻头及刀片组成工作时土壤被凿形刀片切 下在摩擦力和离心力的作用下被由下而上进行 输送并抛撒在洞穴周围刀片用沉头方孔螺钉安装 在刀座上并可调 以适应不同孔径 刀片厚度为 8 1 0 m m 刃角为 2 53 0刃厚为 0 . 5 1 m m 刀片材 料采用 6 5 S i M n R e钢板或 6 5 M n钢刃部淬火区宽度 为 2 5 3 5 m m 硬度为 H R C 4 8 5 6 非淬火取硬度不 大于 H R C 3 3 1 . 钻头 2 . 螺旋叶片 3 . 刀座 4 . 刀片 图 4 钻头部件简图 3 . 3 主要参数的确定 ( 1 ) 发动机区垫腔压缩比= 3 5 ( 2 ) 发动机转速考虑到手持式挖掘机的震动 特点发动机转速一般为 1 n= 2 7 0 0 3 0 0 0 r / m i n ( 3 ) 冲击数值实际上等于发动机转速数值, 即 nf = ( 4 ) 输出扭矩可按下式确定为 )tan(108 . 92/ 4 1 =SpdKM m 式中 m K为扭矩修正系数取 m K= 0 . 2 5 0 . 2 8 1 d 为活塞杆平均直径c mS为冲击活塞冲击时的受 压面积p为作用在冲击活塞受压面上的爆炸压力 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 3 1 2 1 2 3 4 4 万方数据 2004 年 7 月 农 机 化 研 究 第 4 期 - 83 - k g f / c m 2 为螺旋副螺旋升角为螺旋副摩擦 角 ( 5 ) 输出转速为 MnAn2/8 . 9 12 = 式中M为扭矩N m 2 A为转钻时所消耗的功 J 1 n为发动机转速r / m i n ( 6 ) 螺旋叶片的螺旋升角当螺旋叶片旋转 工作时叶片给泥块一个与中径圆周相切的水平力 F推压泥块由于泥块间的彼此相互挤压若把泥 块看成是一个整体螺旋叶片相对静止则泥块沿 螺旋叶片向上输送的过程可看成是泥块在一个与 水平力F大小相等方向相反的力 t F的推动下沿 螺旋面等速上升这样就可以用滑块与斜面之间力 的关系模型来进行分析得出螺旋叶片的螺旋升角 如图 5所示 图 5 模型图 当滑块沿斜面等速上滑时其上除受Q力外和 水平力 1 F外还有斜面对滑块的法向反力N和向下 方的摩擦力fNF = f f为接触面间的滑动摩擦系 数将N和 f F的合力R称为斜面对滑块的总反力 R和N之间的夹角为由图 5可知 fNNfNF=/tan f farctan= 式中为泥块与叶片的摩擦角f为泥块钢的摩 擦系数f= 0 . 9 由于滑块等速运动根据作用在其上的 3个力 QR的平衡条件做出封闭力多边形得 )tan( 1 += QF MdF=2/ 1 )tan(2/ +=QdM ( * ) 式中M为钻头输出转矩Q为个螺旋导程的泥块 质量4/ dSQ=d为螺旋叶片中径螺旋叶片 螺旋升角 根据( * ) 式可确定螺旋叶片的设计螺旋升角 4 机具特点 便携式挖穴机结构简单质量轻应用操作方 便对中性高小坑中心误差在1 0 m m以内生产 率可达 9 0个/ h 人坑穴直径范围可在1 5 0 3 0 0 m m 5 结语 通过分析讨论基于人工挖穴和拖拉机挖穴两 种方法的对比与综合采用机械与手工结合各取 所长既保证小坑穴挖掘对中准确同时又提高了 施工效率便携挖掘机广泛应用于温室大棚的基建 施工中大大降低了建设成本另外本机具还可 用于植树造林挖穴随着云南农村产业结构的不断 调整和现代农业的发展小坑挖穴机的应用及推广 将具有广阔的前景 参 考 文 献 1 王长椿. 怎样建造塑料薄膜大棚 J . 农村实用科 技, 1 9 9 81 05 - 6 . 2 周西利, 田应学. 钢架竹木大棚结构性能及其特点 J . 西北园艺, 2 0 0 213 5 - 3 7 . 3 沈 鸿. 机械工程手册1 0 M . 北京机械工 业出版社1 9 8 2 . 4 陈秀宁. 机械设计基础二版 M . 杭州浙江 大学出版社1 9 9 9 . Design and Study on Portable Digging Machine YANG Hou-sen (Yunnan Agricultural University,Kunming 6 5 0 2 0 1 ,China) Abstract The main purpose of the article is to show people a way and composition replacing human force with machines when digging holes in greenhouse and also presents a method how to do theoretical analysis and calculation based on the digging conditions , characteristics and requirements during the building process of greenhouse. Key words agricultural engineering; digging machine; design; greenhouse N QQ Ft Ff R R QQ Ft + 万方数据 便携式挖穴机的研究设计便携式挖穴机的研究设计 作者：阳厚森 作者单位：云南农业大学,工程技术学院,云南,昆明,650201 刊名： 农机化研究 英文刊名：JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH 年，卷(期)：2004，(4) 引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条) 1.王长椿 怎样建造塑料薄膜大棚 1998(10) 2.周西利.田应学 钢架竹木大棚结构性能及其特点 2002(1)