國內外果木栽植機械研究現狀及發展趨勢

康杰 孫為云 周喜 雷騰飛

摘 要：在機械化造林及果木栽植設備中挖坑機是一種不可或缺的機具，挖坑機會直接影響果木栽植和植樹造林的速度和質量。介紹了國內外挖坑機的發展現狀，分析了挖坑機的發展趨勢，并且展望了挖坑機研制的發展方向。

關鍵詞：挖坑機;果木栽植;現狀;發展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.056

0 引言

林果業是農業產業結構的重要組成部分[1]。隨著我國經濟的快速發展和產業結構的急劇調整，森林覆蓋率與林果種植面不斷擴大。當前，該產業已成為中國種植業中的又一大新興產業[2]。目前中國人均水果質量與世界其它國家相比差距較大，但近年來隨著人們消費水平的提高和消費結構的日益多元化，對水果的需求將會大大增加，所以提高林果種植面積，大力發展水果業，已成為當前的首要任務。

目前中國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]。各級政府因地制宜，在丘陵、河川、坡地等不適于農作物生長的地方發展林果業，已成為發展經濟、最終實現小康的規劃目標。

近年來經調查發現，由于丘陵、坡地土質及地形自身所具有的特點，國內針對丘陵、坡地的小型果樹林木種植機械的研究少之又少。因此，精準把握果木栽植機械—挖坑機的研究現狀及發展趨勢，研制針對不同形貌地勢研制相應果樹栽培機械已成為當前農機領域研究熱點。

1 挖坑機的類型及設計要求

1.1 挖坑機的類型

用于果木栽植的挖坑機種類非常多，按照與配套動力的掛機方式可將其分為手提式、懸掛式、自走式及牽引式挖坑機;按挖坑機鉆頭數量配置的情況可分為多鉆頭、雙鉆頭和單鉆頭挖坑機，而它的鉆頭根據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，是將機器懸掛在動力機械上，它主要用于底心平緩或動力機械便于通行的地區，該類型挖坑機的挖坑直徑和深度比較大，同時還可多鉆頭作業。

（2）手提式挖坑機，它是將汽油發動機與挖坑機裝配成為一個整體，有操作者手提作業，該類型的挖坑機質量較輕，適合于動力機械不方便行走丘陵山地較多、地形復雜的地帶，挖坑直徑和深度都比較小。

（3）牽引式挖坑機，是將該機直接由動力機械牽引，掛接方便，不受動力機械結構的限制，但該類型的挖坑機結構復雜、機動性較差。

（4）自走式挖坑機，該類型的機器通過性能較好，而且本身能夠提供動力，自動化程度高，同時成本也較高。

1.2 挖坑機的設計要求

（1）挖坑機對挖出坑徑具有一定的垂直度有很高的要求，坑壁應整齊。

（2）挖坑機挖出的坑深與坑徑必須滿足栽植林果數量的要求。

（3）挖坑時土壤的拋出范圍不宜過大，以便土壤回填方便。

2 國內外果木栽植機械發展現狀

國內外果木栽植機械種類非常之多，尤其是以挖坑機的應用最為廣泛。它是由動力機驅動的立軸旋轉式土工機械，是一種重要的土壤作業機械。主要用于果樹栽培及其他樹種栽培前的穴狀整地作業 [5]。手提式和牽引式挖坑機的主要特點是結構緊湊、重量輕，適合于山地丘陵和小坡度的山丘的挖坑作業，工作適應能力較強，但缺點是操作者的疲勞強度高;懸掛式挖坑機是將拖拉機做為主要動力輸出動力源。懸掛式坑機與手提式挖坑機相比，其特點主要是：機動靈活，動力足，非常適合挖掘直徑較大、坑深較深的坑穴，同時該機的掛具形式紛繁復雜，即可懸掛于動力機械的相應部位，還可配備于多種不同機型的牽引機械，但它也有明顯的缺點，即作業范圍受到較大的限制，不適合丘陵和大坡度山地等地區。

1958年，中國第一次成功研制出拖拉機懸掛式挖坑機和手提式挖坑機，十五年后，ZW5、ZB5型號的挖坑機也相繼問世，該機器一度發展為其它同類型產品后被批量生產[6]。2000年以后，市場上陸續出現手提式及自走式挖坑機。目前挖坑機主要生產廠家有：北京沃林，赤峰田豐農林機械廠、山東大豐機械有限公司等。

北京沃林生產的雷神系列SD-B350型號的便攜挖坑機（圖1a）可由一個操作員操作，也可實現兩個操作員共同操作，山東大豐機械有限公司研制的DY-40K型機具（圖1b）均屬于便攜式類型的挖坑機。

赤峰田豐農機廠生產的3WH-60型懸掛式挖坑機，具有易于操作，結構合理的特點，每小時可挖高達一百六十個坑。此外我國還有研制了W-80D、WX-70、ZW-72等系列型號的機具如圖1（c）所示即為3WH-60型懸掛式液壓挖坑機。

相比國內對果木栽植機械的研究，國外（日本、美國、德國等）的研發一直處于領先地位。尤其是在便攜式挖坑機機型的研究制造上，歐美、日本等一些國家發展水平曾一度領先，比如美國的A-7型手提式挖坑機，質量不足十公斤，采用H35D型發動機作為牽引的動力源;加拿大研制的A-8D 型挖坑機，所挖坑的直徑徑范圍可以精確控制在20-200mm;日本生產的G431型、AG530型，德國STIHL生產的BTl20C型挖坑機等都是市場主流的便攜式、手提式類型挖坑機（如圖2）。

國外研制機具充分考慮了人機工程學原理，比如通過液壓裝置將容易發生劇烈抖動的發動機安裝在距人較遠的地方;同時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是國內的主流，直徑在0.6m以上的大坑適合用懸掛式挖坑機施工，而便攜式挖坑機的挖坑直徑一般在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，其根莖生長條件往往要求坑徑一般應介于0.30 m-0.6 m之間，另外，針對復雜工況的挖坑作業機械種類又非常之少，因此大力研制大功率、適于復雜條件的林果栽植機械成已成為當前農機具發展的大趨勢。

3 國內外理論研究方向

無論是國內還是國外，對挖坑機理論方面的研究目前大都停留在其關鍵零部件部件結構形狀和參數等方面，尤其是這些參數對機器性能方面影響的研究頗多。比如最近，山東農業大學的李學超則對挖坑機具螺旋鉆頭的工作過程進行了ANSYS模擬仿真，獲得一些理論研究方面的突破性進展[7]。

值得一提的是，目前機具結構性能一體化設計與工作過程仿真模擬已成為機械設計制造及其自動化領域發展的必然方向，這種發生在樣機制造出來之前，利用計算機進行模擬仿真的方法不僅極大地縮短設計、制造、實驗、調試等的周期，同時機具設計的可靠性和安全度也在一定程度上得到了很大的提高。

4 發展趨勢

機器設計符合人機工程學原理：操作者為人的各種機械設備，都應盡可能的完善人機工程學設計，使機具符合操作者的生理和心理學特性，進而最大程度地減輕操作者的心理負擔和操作疲勞，使整個人機系統具有最和諧的關系和最優化的綜合效能。

機器實用的多功能性：根據中國的地情地貌，栽植果木及造林植樹表現出極大的區域性和季節性，所以果木栽植機械類的機具作業場所、時間極其有限，機具的較低使用率使得單一性能表現尤為突出，因此在今后對挖坑機的研發、制造過程中必須考慮單機多用的問題。

總之，挖坑機的研發、制造必須根據區域特點，因地制宜。對于大規模的造林區，應積極開發高效率、高自動化程度的多頭大型挖坑植樹機具，而對于小面積的陡坡、高山和多石的地區，應開發機動靈活、小型的便攜式挖坑機。

參考文獻：

[1]于建國，屈錦衛.國內外挖坑機的研究現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2006，12（12）：38-41.

[2]蔣泉山.植樹挖坑機的設計[J].林業機械與木工設備，2006，34 （05）：24-25.

[3]卓鳳英，程祥之，杜世敏等.營林液壓挖坑機的研制[J].南京林產工業學院學報，1983（02）：75-82.

[4]卓鳳英.挖坑機[M].中國林業出版社，1989.

[5]渠聚鑫.新型自走式植樹挖坑機的研究[D].北京：中國林業科學院碩士論文，2009.

[6]茅也冰.石質山地手提式挖坑機鉆頭的研制[J].北京林業大學學報，1991，13（03）：42-49.

[7]李學超.液壓挖坑機的研制及其關鍵部件工作過程仿真[D].山東農業大學，2013.

作者簡介：康杰（1985-），男，河南開封人，碩士，助教，研究方向：計算機模擬仿真、特種加工技術（激光加工）。