淺析一種沙漠植樹鉆孔機械的設計

張藝博，謝艷梅，周小愉

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710399）

1 研究背景

隨著經濟的快速發展，我國環境狀況日益惡劣，特別是荒漠化和沙化問題日益嚴重，我國是世界上荒漠化、沙化面積最大的國家，荒漠化發生率居于高位，為了應對這一問題，改善我國環境現狀，國家大力提倡生態造林項目，積極推進我國林業的發展，但土地荒漠化和沙化的趨勢尚未得到根本改變，全國還有31萬km2具有明顯沙化趨勢的土地。

在荒漠地區植樹，尤其在沙漠上植樹是十分困難的，傳統的植樹方式人工的勞動強度大，效率低下，而已有的大型植樹機械面臨著諸如地形等作業環境的限制，而中小型植樹機械鉆孔深度有限停留在表層，且缺少配套的灌溉注水裝置，極大的降低了樹苗的成活率。

2 設計思路

沙漠植樹機械是機械化植樹造林的主要設備，按坑形分，沙漠植樹機械可分為連續開溝式、間斷開溝式和選擇挖坑式三種，如圖1所示，連續開溝式和間斷開溝式植樹機在工作時，開溝器切開、破碎和推移土壤，形成連續或間斷的栽植溝。苗木按規定的栽植深度和株距被栽入溝內，覆土壓實輪隨即推擁苗木周圍的土壤并壓實。這兩種機械只適用于較平坦的地區，而且其破壞地表原有植被很嚴重，栽種樹苗的對中性較差，不適用于本來地表植被很少的荒漠化地區。本文中的沙漠植樹鉆孔機械為選擇挖坑式，可以定點植樹，對生態破壞小，可應用于山地與丘陵地帶等多種地形。

圖1 植樹機械坑形分類

3 結構設計與工作原理

本文中所設計的沙漠植樹鉆孔器由環形鉆筒、鉆桿、鉆頭夾具、鉆頭、托架、水箱、車輪盤、車輪等部件組成，該沙漠植樹鉆孔器是一種雙層套管型的金屬管狀植樹器，可以在沙漠針對松散的沙土快速省力的鉆出所種植樹苗孔徑大小的孔洞，并且可以針對不同樹苗類型依據鉆筒孔壁刻度線調整鉆進深度（圖2）。

圖2 沙漠植樹鉆孔機械結構圖

沙漠植樹鉆孔器的托架側端安裝有軸承，軸承外圈與車輪盤固結，車輪盤呈120°三角形，車輪安裝在車輪盤上，可隨車輪盤作圓周運動，復雜爬坡地形，車輪盤調整方位角使車輪旋轉到固定角度以適應不同地形需要；環形鉆筒固定安裝在托架一側的圓孔內，螺栓穿過環形鉆筒的限位孔相切與鉆桿的滑槽，一字連接件Ⅱ一端孔與螺栓形成間隙配合，另一端鉚接于轉動軸，一字連接件Ⅰ與鉆桿通過第一銷軸連接并限制在環形鉆筒的滑道內，一字連接件Ⅰ左端孔與第二銷軸連接，鉆桿末端與驅動電機固結，驅動電機輸出軸與鉆頭夾具相連，鉆頭夾具夾緊鉆頭，驅動電機輸出軸帶動鉆頭夾具及鉆頭旋轉運動，牽引推拉桿帶動鉆孔植樹器到達指定作業位置，通過向下壓動第二銷軸，迫使第二銷軸帶動鉆桿在環形鉆筒的滑道內運動，配合鉆頭的旋轉實現鉆孔作業；托架另一側放置有水箱，水箱通過引流管將水箱內的水引至鉆孔作業位置處，避免鉆頭鉆進過程因沙地松軟導致的孔壁坍塌，同時浸濕土壤，為后續栽植的樹苗提供一個濕潤的生存環境。環形鉆筒滑道兩側標有刻度線，可直觀測量鉆頭鉆進深度，鉆頭鉆進至指定深度后，驅動電機停止旋轉，向上提拉第二銷軸，鉆頭螺旋葉片裹挾沙屑向孔外運動，牽引推拉桿帶動鉆孔植樹器移動至下一作業點，至此，鉆孔作業整個過程完成，樹苗可插入鉆好的孔內，將沙土填平即可；可根據不同類型的樹苗選取更換不同尺寸的鉆頭，滿足鉆孔植樹要求。

4 壓桿受力分析

鉆進過程主要通過對一字連接件施加向下的壓力，帶動銷軸在環形鉆筒滑道內滑動，進而實現鉆頭向下鉆進，現對一字連接件進行受力分析。AC=450mm，AD=100mm；選取LVIB3×14×30.25 GB/T 2088的彈簧；考慮潤滑環型套筒管壁的摩擦系數f=0.3（圖3）。

圖3

初始狀態，桿件自然下垂，壓動鉆桿鉆進所需要的初始壓力F為

式中，F為D點作用的壓力；K為彈簧得剛度；LAC為AC段長度；X為彈簧伸長量；L彈為彈簧原長度。

代入公式計算得F=54.225N≈5.5kgf

中間狀態，桿件旋轉到某一角度時，鉆頭向沙地所施加得最大鉆進壓力P（忽略桿件及鉆頭自重）：

圖4

化簡得：

式中，X′為彈簧伸長量；f為環形鉆筒孔壁動摩擦系數；P為鉆桿對沙地的壓力。

代入公式計算得出如表1所示。

表1

由上述數據可得當施加一定時，角度與之間有如下關系：隨著角度的增大，大小近似呈線性減小，故為保持鉆孔過程中鉆進壓力，對一字連接件施加的壓力也應隨角度增大而按比例增加。

5 結語

本文設計的沙漠植樹鉆孔機械結構簡單、使用方便，改善了傳統的鉆孔方式較為單一、孔壁容易塌陷合攏、孔深較淺樹苗種植受到制約等缺點，可根據不同樹苗類型，更換鉆頭大小以滿足鉆進孔徑、孔深等需求，架體可與水箱營養液相配套，極大的提高了樹苗栽種的成活率，并分析了鉆桿鉆進所需要的初始壓力及鉆進過程中角度與鉆桿壓力間的關系，本文設計的沙漠植樹鉆孔機械可以大幅提升現階段沙漠植樹鉆孔種植的效率，彌補了大型機械設備無法實施作業等地形的空缺，對于抑制土地荒漠化與植樹綠化領域有著重要意義。