智能型可變徑植樹(shù)挖坑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

0 引言

植樹(shù)挖坑機(jī)是一種用于野外植樹(shù)挖坑或整地工作的林業(yè)機(jī)械，普遍具有便攜性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易操作等特性，可以一定程度上降低植樹(shù)工作中的人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提升整體植樹(shù)效率。我國(guó)的植樹(shù)造林工作是支撐我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展工作中的重要一環(huán)。至今，梭梭樹(shù)、紫桿柳、沙棘等沙漠植物已經(jīng)逐漸成為我國(guó)固沙造林環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)種植物種。然而，目前我國(guó)所使用的植樹(shù)挖坑機(jī)工作原理大多來(lái)自國(guó)外的傳統(tǒng)的植樹(shù)經(jīng)驗(yàn)。這些以螺旋葉片為主要結(jié)構(gòu)加工而成的植樹(shù)挖坑機(jī)普遍具有不能變徑、出土率低等性能缺陷，已經(jīng)逐漸不能滿足我國(guó)實(shí)際的植樹(shù)造林需求。因此，本文針對(duì)當(dāng)前植樹(shù)挖坑機(jī)暴露出的某些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可變徑植樹(shù)挖坑機(jī)，對(duì)該機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)和工作特征等進(jìn)行了詳細(xì)闡述，旨在為我國(guó)林業(yè)機(jī)械發(fā)展提供借鑒。

表4和表5是實(shí)證結(jié)果的穩(wěn)健性檢驗(yàn)。本文根據(jù)人均工資水平來(lái)判斷哪些企業(yè)受到了最低工資規(guī)定的影響。據(jù)Draca 等(2005，2011)[18,19]以及Rebecca Riley等(2017)[20]的研究，最有可能受到最低工資規(guī)定影響的是那些勞動(dòng)力成本較低的企業(yè)。雖然無(wú)法基于本文的研究樣本對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)(需要企業(yè)員工個(gè)體工資數(shù)據(jù)，本文樣本并不具備)，但是根據(jù)穩(wěn)健性檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這種判斷方式具有一定的合理性。

1 傳統(tǒng)挖坑機(jī)功能缺陷

1.1 傳統(tǒng)挖坑機(jī)基本結(jié)構(gòu)

如今使用頻率較高的兩種挖坑機(jī)主要有便攜式挖坑機(jī)、手推式挖坑機(jī)等(圖1)。圖1(a)所示的便攜式挖坑機(jī)沒(méi)有手推功能，一般需要2至4人協(xié)作使用；圖1(b)所示的手推式挖坑機(jī)只需一人便可以進(jìn)行操作，且由于可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)力裝置助力，本身在推動(dòng)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度并不高。

快速、準(zhǔn)確地對(duì)故障等級(jí)進(jìn)行判斷有助于設(shè)計(jì)人員有針對(duì)性地進(jìn)行故障維修重點(diǎn)分析以及設(shè)計(jì)改進(jìn)，也有助于維修保障人員選擇適當(dāng)?shù)木S修方式，避免出現(xiàn)花大代價(jià)處理次要問(wèn)題，而嚴(yán)重問(wèn)題卻未被重視的情況。如何科學(xué)合理地制定決策規(guī)則從而判斷故障所屬等級(jí)是研究的難題，而本文提出的結(jié)合了灰色粗糙集組合理論的決策方法可以較好地予以解決。

兩種挖坑機(jī)除在手推結(jié)構(gòu)方面存在一定差異外，基本都主要?jiǎng)恿C(jī)構(gòu)、鉆頭、升降機(jī)、扶手以及離合器等部分組成。

1.2 傳統(tǒng)挖坑機(jī)功能缺陷

用“modest”,“thoughtful”,“kind”形容姨父，與下文“姨父”偽善、虛偽的本質(zhì)形成對(duì)比，起到了反諷的效果。

在我國(guó)的未來(lái)的植樹(shù)造林事業(yè)中，這種螺旋式的便攜式挖坑機(jī)已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足操作人員的實(shí)際需求。而某些車載式挖坑機(jī)或手推式挖坑機(jī)盡管挖坑直徑大、勞動(dòng)強(qiáng)度低，但是通常操作靈活性會(huì)有所下降，在復(fù)雜的沙漠、戈壁等地帶進(jìn)行挖坑，反而會(huì)增加作業(yè)難度。因此，開(kāi)發(fā)出一種可變徑、便攜式、易操作的挖坑機(jī)，是提升植樹(shù)造林及我國(guó)林業(yè)整體工作效率的重要舉措。

“中國(guó)-東盟博覽會(huì)（CHINA-ASEAN Exposition簡(jiǎn)稱CAEXPO），簡(jiǎn)稱東博會(huì)，由中國(guó)前國(guó)務(wù)院總理溫家寶倡議，由中國(guó)和東盟10國(guó)經(jīng)貿(mào)主管部門(mén)及東盟秘書(shū)處共同主辦，廣西壯族自治區(qū)人民政府承辦的國(guó)家級(jí)、國(guó)際性經(jīng)貿(mào)交流盛會(huì)，每年在廣西壯族自治區(qū)南寧舉辦。”自東博會(huì)年永久落戶廣西壯族自治區(qū)首府南寧市之后，十多年來(lái)其不斷促進(jìn)南寧的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、金融、信息、旅游等方面的發(fā)展。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，南寧的面目不斷煥發(fā)新顏，人民的生活水平不斷得到提升，同時(shí)也吸引著越來(lái)越多的人來(lái)南寧進(jìn)行旅游度假。

2 智能可變徑挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

智能可變徑挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)集中在升降機(jī)和鉆頭兩部分，動(dòng)力機(jī)構(gòu)、扶手及離合器等部分并不需要重新設(shè)計(jì)。圖2所示為本文設(shè)計(jì)的智能可變徑挖坑機(jī)升降機(jī)和鉆頭兩部分結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2.2 鉆頭部分

11月16日，梨視頻公開(kāi)一段拍客臥底拍攝視頻，內(nèi)容顯示，外賣商家使用外賣料理包（也稱速食包），加熱后再包裝，通過(guò)外賣平臺(tái)大量售出。對(duì)此，餓了么發(fā)布公開(kāi)聲明，對(duì)事件做出回應(yīng)稱“使用問(wèn)題品牌的商家全部下線”。

2.2 核心部件結(jié)構(gòu)

2.2.1 升降機(jī)部分

其次，開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初衷是實(shí)現(xiàn)挖坑機(jī)的初級(jí)智能化。由于開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)的存在，植樹(shù)作業(yè)人員不需要進(jìn)行手動(dòng)操作便可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)挖坑機(jī)構(gòu)的變徑、旋挖、卸土等一系列操作。當(dāng)挖坑機(jī)被提至地面時(shí)，開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)中的壓感向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)部的拉動(dòng)平置彈簧進(jìn)行拉伸，使開(kāi)底軸實(shí)現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)與底蓋脫落底蓋上的土實(shí)現(xiàn)外卸。當(dāng)艙內(nèi)土卸完以后，由于土壤帶來(lái)的壓力消失，底蓋自動(dòng)閉合。

再次，變徑機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)多方向的液壓控制桿伸長(zhǎng)量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)挖坑半徑的變化。刀具在液壓控制桿的作用下可以很容易實(shí)現(xiàn)變徑。在實(shí)際的挖坑作業(yè)時(shí)，操作人員可以通過(guò)編輯或選擇PLC程序的形式對(duì)坑徑進(jìn)行即時(shí)變更，大大降低了坑徑變化帶來(lái)的操作時(shí)間延長(zhǎng)。

從傳統(tǒng)挖坑機(jī)的結(jié)構(gòu)上看，鉆頭基本均為固定直徑的螺旋葉片狀，在需要挖掘不同直徑的樹(shù)坑時(shí)，只能通過(guò)更換鉆頭的形式實(shí)現(xiàn)。首先，從工作效率的視角來(lái)看，這種需要整體拆卸鉆頭才能實(shí)現(xiàn)變徑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工作效率上明顯較低；其次，從出土率角度來(lái)看，這種螺旋葉片狀鉆頭一般會(huì)因?yàn)殡x心力的作用而只能帶出較少的土，且?guī)С龅耐吝€會(huì)因?yàn)殡x心力的作用而被拋灑出較遠(yuǎn)的距離，對(duì)于回填較為不利；最后，從器械的可拓展性來(lái)看，傳統(tǒng)的螺旋葉片旋轉(zhuǎn)式挖坑機(jī)由于受限于葉片直徑、鉆頭尺寸等，在需要進(jìn)行大坑徑作業(yè)時(shí)通常難以通過(guò)人工的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)大型工程器械的要求較高，容易喪失挖坑機(jī)便攜式操作的優(yōu)勢(shì)。

本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)鉆頭與一般的碳鋼螺旋葉片結(jié)構(gòu)存在很大差異。鉆頭部分主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等4部分組成(圖4)。

挖坑機(jī)在進(jìn)行實(shí)際作業(yè)時(shí)，由動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)升降機(jī)和鉆頭工作。升降機(jī)通過(guò)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆頭的上下運(yùn)動(dòng)；鉆頭則在獨(dú)立的動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下進(jìn)行坑徑變化、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

首先，動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用二/四沖程汽油機(jī)作為動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，通過(guò)帶動(dòng)伺服電機(jī)采用單片機(jī)控制單元對(duì)絲杠螺母進(jìn)行控制，伺服系統(tǒng)通過(guò)控制轉(zhuǎn)速帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同速度的上/下指令。其次，絲杠螺母是連接動(dòng)力機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)的重要部件。由于植樹(shù)挖機(jī)工作通常都在沙地、戈壁等環(huán)境下，因此，絲杠螺母需要滿足鉆頭帶來(lái)的高度振動(dòng)。因此，本文將絲杠螺母直接固定在機(jī)架上，以降低絲杠螺母振動(dòng)帶來(lái)的機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定性。再次，升降機(jī)構(gòu)材質(zhì)為碳鋼能反向自鎖的升降機(jī)構(gòu)，同樣旨在提升機(jī)構(gòu)整體工作穩(wěn)定性，降低因外界惡劣工作環(huán)境對(duì)挖坑機(jī)帶來(lái)的振動(dòng)影響。最后，機(jī)架是整個(gè)升降機(jī)部分的承載機(jī)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的升降機(jī)機(jī)架布設(shè)了滑道結(jié)構(gòu)和預(yù)留孔機(jī)構(gòu)，可以與機(jī)器人手臂或牽引裝置連接，實(shí)現(xiàn)挖坑機(jī)的智能化或自動(dòng)化作業(yè)。

首先，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)銷軸和鉆頭連接，主要負(fù)責(zé)通過(guò)接受伺服電機(jī)指令實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)和變徑。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用45碳鋼材料加工而成，直徑為90mm，可承受鉆頭最大扭矩為2000Nm。由于伺服電機(jī)可以通過(guò)單片機(jī)控制單元實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)速調(diào)整。因此，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處并不需要設(shè)置傳統(tǒng)挖坑機(jī)中的加減速(離合)裝置，一定程度上降低了機(jī)構(gòu)整體自重，使挖坑機(jī)操作更為靈活。

植樹(shù)挖坑機(jī)鉆頭的上下運(yùn)動(dòng)主要由升降機(jī)部分帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)升降機(jī)主要包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)等4部分，如圖3所示。

“行了。”帥哥擰好最后一顆螺釘，用手背擦了擦額頭上的汗，笑著對(duì)呂凌子說(shuō)。帥哥笑得極富感染力。呂凌子沒(méi)笑，她笑不出來(lái)，只禮貌性地道了聲謝。

最后，旋挖機(jī)構(gòu)包含了刀具、鉆頭等部分。兩把刀具所在的刀具架上設(shè)計(jì)有滑槽裝置，如果刀具損壞可以很方便地進(jìn)行更換。刀具與鉆頭間的蓋底部分設(shè)置進(jìn)土口，方便進(jìn)行進(jìn)土和卸土。這種設(shè)計(jì)的好處除了可以更好、更快地實(shí)現(xiàn)土壤運(yùn)輸外，還有利于后期的機(jī)械保養(yǎng)和維護(hù)，不會(huì)因?yàn)槟骋涣慵霈F(xiàn)問(wèn)題而需要更換所有鉆頭部件。

3 智能可變徑挖坑機(jī)性能優(yōu)勢(shì)

3.1 智能可變徑

本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)初步實(shí)現(xiàn)了挖坑作業(yè)過(guò)程中的智能化變徑。挖坑機(jī)的變徑范圍為150～550mm，若植樹(shù)作業(yè)中有實(shí)際需要，也可以通過(guò)更換鉆頭道具的形式繼續(xù)擴(kuò)大智能可變徑范圍。而一般傳統(tǒng)的挖坑機(jī)刀具均為固定直徑，每次更換刀具時(shí)都需要將原刀具以手動(dòng)形式拆下下來(lái)。這一過(guò)程不僅浪費(fèi)時(shí)間且存在一定的危險(xiǎn)性，會(huì)給植樹(shù)工作帶來(lái)不必要的負(fù)擔(dān)。表1所示為使用不同挖坑機(jī)A、B和本機(jī)在挖掘相同面積、相同數(shù)量但不同坑徑時(shí)的工作效率對(duì)比情況。

由表1數(shù)據(jù)可知，從挖掘每坑用時(shí)來(lái)看，本設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)并不明顯，平均每坑用時(shí)1.02min，挖坑機(jī)A、B平均每坑用時(shí)均為1.112min。單純從挖坑這一環(huán)節(jié)工作來(lái)看，這三種植樹(shù)挖坑機(jī)在挖掘環(huán)節(jié)所用的時(shí)間相差不大。然而，如果從挖掘25個(gè)不同坑徑樹(shù)坑的總用時(shí)來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)工作效率明顯更快。這是因?yàn)榭勺儚揭约把b卸土的初級(jí)智能化設(shè)計(jì)一方面不需要更換刀具，省去了大量更換刀具的時(shí)間；另一方面自動(dòng)卸土的這一動(dòng)作也省去了通過(guò)人力卸土的這一工作所消耗的時(shí)間。因此，盡管本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)在單坑挖掘工作效率方面的優(yōu)勢(shì)并不明顯，但如果是大范圍多種坑徑作業(yè)則明顯可以表現(xiàn)出優(yōu)于一般挖坑機(jī)的工作效率。

3.2 便攜式設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)與一般的挖坑機(jī)相比盡管增設(shè)了絲杠螺母等設(shè)備，但是由于在刀具環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了刀具小型化，因此機(jī)構(gòu)本身的重量并沒(méi)有明顯增加，還可以與一般的便攜式挖坑機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)一到兩人的操控。同時(shí)，由于本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)采用了大量穩(wěn)固性設(shè)計(jì)，在戈壁、硬質(zhì)土地上工作時(shí)的振動(dòng)不大，操控感更為舒適。

3.3 出土率高

由于本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)本身設(shè)有儲(chǔ)存罐，可以通過(guò)進(jìn)土口實(shí)現(xiàn)土壤的裝卸，相比于一般的螺旋葉片挖坑機(jī)而言，本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)不需要考慮葉片離心力對(duì)土壤帶來(lái)的飛散作用，基本上只有很少的土壤從儲(chǔ)存罐縫隙中灑落。因此，本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)在出土率方面具有明顯更高的性能優(yōu)勢(shì)。

3.4 可拓展性強(qiáng)

一方面，本文在設(shè)計(jì)挖坑機(jī)時(shí)在動(dòng)力選擇方面比較靈活。根據(jù)不同的植物種植特征可以選擇不同的動(dòng)力配置，例如二沖程或四沖程汽油機(jī)、柴油機(jī)或電機(jī)等配置均可以較為靈活地安裝在挖坑機(jī)的動(dòng)力裝置處。另一方面，本文設(shè)計(jì)的可變徑植樹(shù)挖坑機(jī)不僅只用于人工工程操作作業(yè)，還可通過(guò)配置不同直徑大小的鉆頭并于拖拉機(jī)等工程器械進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)不同用途的作業(yè)，以滿足不同植物、作物的種植需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前植樹(shù)挖坑機(jī)不能變徑、出土率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可變徑挖坑機(jī)機(jī)械設(shè)備。該設(shè)備基本能夠?qū)崿F(xiàn)150～550mm坑徑范圍內(nèi)的自動(dòng)變徑，初步實(shí)現(xiàn)了挖坑機(jī)的智能化設(shè)計(jì)。與一般的挖坑機(jī)相比，本文設(shè)計(jì)的挖坑機(jī)工作效率高、操作舒適性強(qiáng)，且出土率更高。因此，本文認(rèn)為該設(shè)備可以被廣泛應(yīng)用于戈壁等人工操作勞動(dòng)量較高的植樹(shù)造林事業(yè)中。

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