基于機械灌噴裝置的全自動樹苗種植機挖坑裝置創新研究*

陳志斌，陳清化

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006）

0 引言

2015年第五次全國荒漠化和沙化土地監測結果顯示，全國荒漠化土地面積261萬km2，占國土面積的27.2%；沙化土地面積172萬km2，占國土面積的17.9%；有明顯沙化趨勢的土地面積30萬km2，占國土面積的3.1%。我國是世界上荒漠化面積最大、受影響人口最多、風沙危害最嚴重的國家之一[1]。土地沙漠化造成可利用的土地資源大幅度減少，嚴重壓縮了人類的生活空間[2]。防風固沙是指干旱、半干旱地區為了保持水土、防止沙塵暴等惡劣天氣而進行的一種生態建設活動[3]。截至2019年，國家已累計下達轉移支付資金5 000多億元，轉移支付縣域達到817個[4]。

沙柳是沙區造林優勢樹種，而且是利用率高、經濟效益最好的生態經濟灌木樹種之一，在我國廣大沙區有著大面積的推廣種植[5]。目前，沙柳種植僅采用兩種人工種植方法：水沖種植法和鉆孔種植法。這兩種方法均需要兩個及其以上操作人員相互配合才能完成，勞動力成本比較高。水沖種植法會造成水資源的浪費，大量水流失在沙漠表面會被太陽光蒸發掉，在兩孔之間的間隔也在沖水，并沒有發揮其作用，更是加劇了水資源的浪費；鉆孔種植法采用的是柴油鉆孔機，柴油鉆孔機產生的機械振動和噪聲對人體內臟器官和聽覺器官都會造成很大的影響，長時間的工作還會使操作者疲憊不堪。

因此，課題組設計了一種基于機械灌噴裝置的全自動沙柳種植裝置，該裝置實現了智能自動挖坑、打孔、裝苗、種苗、灌噴、澆水、施肥，有效解決了上述問題，具有現實意義和推廣價值。目前，該裝置已獲得國家實用新型專利，其專利號為CN202121282193.6；專利名稱：一種樹苗種植用打孔、種植、澆水一體機。本文詳細介紹全自動沙柳種植機其中的灌噴挖坑裝置的創新研究。

1 整體結構設計及工作原理

沙柳種植環境為荒漠沙質地環境，由于沙質地環境具有流動、坍塌及水分不足等特點，同時以節約資源為出發點，研究挖坑裝置時從兩方面進行了考慮：1）挖坑鉆頭升降時的運動沒有設計成普通的線性運動方式，而是設計成使用連桿驅動具有急回特性的加速運動機構。具體的過程為鉆頭挖坑時勻速下挖，退回時加速退回，這樣能使沙子被迅速帶出坑外。2）挖坑鉆頭沒有直接采用螺旋葉片挖坑鉆頭，而是在傳統螺旋葉片挖坑鉆頭的基礎上設計內置孔，并在鉆軸下端和底部的螺旋葉片中間均勻設置帶有“玉米狀”的螺旋式小孔，鉆頭下端也開設小噴孔，水和營養液通過鉆頭進入所挖的坑。水和營養液進入坑內后不僅能給沙柳苗提供水分、營養，還能防止沙坑坍塌。

灌噴挖坑裝置主要由灌噴螺旋葉片鉆頭裝置和自驅式鉆孔、排屑（沙）升降裝置兩大部分構成，如圖1所示。灌噴螺旋葉片鉆頭裝置主要包括自吸驅動泵，帶灌噴功能螺旋葉片鉆頭，灌噴旋轉滑環，固定鉆頭支架，鉆頭動力電機，傳動齒輪，垂直運動滑塊，帶標尺功能的灌噴挖坑裝置支撐架等；自驅式鉆孔、排屑（沙）裝置主要由搖桿電機，驅動鉆頭升降曲柄搖桿A，驅動鉆頭升降曲柄搖桿B，搖桿支架，搖桿凸輪，搖桿電機等組成。

圖1 挖坑灌噴裝置整體設計結構圖

進行挖坑作業時，搖桿電機驅動整個灌噴螺旋葉片鉆頭裝置下挖，同時鉆頭動力電機帶動螺旋葉片鉆頭開始自轉，當挖坑鉆頭鉆入沙地10 mm時（設置第1組上限位光電檢測開關，光電開關為可調檢測開關，目的是根據不同的苗木種植要求調整種植目標深度和灌噴區域，下同），自吸驅動泵立即啟動，從水箱中第一次抽出水和營養液（設置第2組上限位光電檢測開關）。通過滑環進入鉆頭，并從鉆頭底部和側面的小孔噴出，待鉆頭離挖坑最大位置10 mm時（設置第2組下限位光電檢測開關）停止灌噴，鉆頭繼續下挖；當到達最下端限位時（設置第1組下限位光電檢測開關），即達到鉆孔深度。搖桿電機繼續工作使整個灌噴螺旋葉片鉆頭裝置上升，通過上述灌噴區域會第二次灌噴水和營養液。詳細圖解如圖2所示。在挖坑鉆頭滑塊固定支架上還標有深度標尺，根據實際挖坑深度需要調整挖坑檢測和灌噴檢測的上、下光電檢測開關，可以控制挖坑深度及灌噴區域。

圖2 螺旋葉片鉆頭灌噴圖解

1.1 灌噴鉆頭的設計與制作

1.1.1 鉆軸結構設計

為使鉆軸有足夠的強度和剛性，同時水和營養液能夠科學送至坑內，把鉆軸外徑設計成Φ12 mm，并在鉆軸內部設計直徑為5 mm的內置孔，水和營養液通過內孔從鉆頭側面和底部小水孔噴出。直接外接水管會被旋轉的鉆頭扭轉，在鉆頭頸部裝配G1/8″單通道液體旋轉滑環，如圖3所示。鉆頭需要自鉆驅動力，由于鉆頭上端無法提供動力輸出，所以在鉆頭頸部安裝圓柱直齒輪，再用齒輪配對形成徑向位移，提供輸出扭力。

圖3 灌噴鉆頭與滑環連接結構設計圖

1.1.2 鉆頭葉片設計

種植的沙柳苗直徑大小約為5 mm~10 mm，種植機前進一個株距后能順利進入坑內，把灌噴鉆頭螺旋葉片的參數設計成外徑×內徑×螺距=Φ32 mm×Φ12 mm×30 mm，鉆頭為單頭葉片，旋向為右旋，鉆頭總長為200 mm，鉆頭直徑為6.25 mm。

1.1.3 鉆頭轉速分析

鉆頭轉速的大小會影響土壤的升運效率，已知鉆頭尺寸，參考相關文獻，鉆頭臨界轉速和設計轉速可通過下式確定[6]：

式中，ω臨為螺旋鉆頭進階轉速；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；α為螺旋鉆頭升角，根據挖坑鉆頭螺旋升角取值范圍為15°~22°，取α=18°；φ1為鋼材與土壤摩擦角，鋼材與土壤摩擦系數取0.48，故取φ1=25.7°；r0為鉆頭半徑，已知鉆頭直徑為32 mm，故鉆頭半徑r0=16 mm；ξ為葉片外緣某一點牽連速度與水平速度的夾角，經計算，取ξ=30°；f2為沙子間摩擦系數，這里取f2=0.6；k為系數，通常取1.2~2，這里取k=2。

將已知數據代入公式，計算得到：ω設=2×ω臨=65.4 r/min。

1.1.4 灌噴鉆頭加工分析

為了提高生產效率、降低加工成本，把鉆軸和螺旋葉片分開加工。由于鉆軸是空心軸，鉆頭強度和剛性不如實心軸，所以鉆軸選用45號鋼淬火處理，使其硬度達到HRC20~HRC30，保障良好的韌性。螺旋葉片選用高錳碳鋼材質，其具有以下優點：1）熱處理后可以得到較高的硬度（HRC60~HRC65）和較好的耐磨性；2）退火狀態下硬度適中，具有較好的可切削性；3）原材料易得，生產成本低，并在鉆尖處對鉆頭進行滲硼處理，使其表面形成高耐磨、高耐蝕、高硬度的合金層，從而延長鉆頭的使用壽命[7]。

灌噴鉆頭零件并不復雜，鉆頭的加工精度要求不高，可以選擇在普車CA6132車床上面完成加工，G1/8″為英制55°錐螺紋，普車上加工要準確計算好掛輪，如果批量生產，則在數控機床上加工效率更高。鉆軸加工難點主要是鉆軸內部孔直徑為4 mm的細長孔加工，細長孔加工步驟可按照以下四個方面進行：首先是加工工藝過程中的工件預加工，其次是長桿鉆具以及工件裝夾，再次是對冷卻液的處理，最后是切削參數的處理與退刀排屑的應對[8]。鉆軸上側面灌噴小孔在臺鉆上直接鉆削，鉆削前預先用樣沖打孔并把定位孔打大一些，防止鉆削時跑偏。螺旋葉片通過焊接固定在芯軸上，采用50 mm間隔斷焊工藝，保證螺旋葉片不變形、不翹邊，螺旋葉片成形平滑[9]。

1.2 鉆孔、排沙裝置的理論分析

驅動挖坑升降運動的機構為曲柄搖桿機構，曲柄搖桿機構是一種較為常見的傳動機構，在多個領域都有廣泛的應用，許多研究者曾致力于其結構的優化設計[10]。曲柄搖桿機構桿長之和成立條件：平面四桿機構的最短桿和最長桿的長度之和小于或者等于其余兩桿長度之和。鉆孔、排沙曲柄搖桿機構的運動簡圖如圖4所示。

圖4 鉆孔、排沙機構運動簡圖

根據設計模型，曲柄搖桿機構的結構參數如表1所示。

表1 曲柄搖桿機構的結構參數

1.2.1 位置分析

根據圖4的運動簡圖，建立坐標系，如圖5所示。

圖5 鉆孔、排沙機構運動簡圖坐標系

1.2.2 建立矢量方程

由封閉圖形ABCA可寫出機構的一個封閉矢量方程：

其分量形式為：

由封閉圖形CDEFC可寫出機構的另一個封閉矢量方程：

其分量形式為：

求解未知參數：

1.2.3速度分析

利用式（4）和式（6）對時間t求一次導數，得到速度關系：

1.2.4 加速度分析

利用式（11）和（12）對時間t求二次導數，可得加速度關系表達式。用矩陣形式表示為：

根據模型的特點，灌噴裝置采用基于底座裝置的自底向上設計原則，通過Pro/ENGINEER Wildfire 5.0軟件設計零件的三維模型并在組件模塊下把所有零件裝配完成后，進入分析-模型模式進行全局間隙和全局干涉等檢測（軸承在裝配中一般是過渡配合，需要剔除這一塊的檢測），以保障后期加工制作出來的零件滿足裝配工藝要求。

從裝配下切到機構模塊，根據上述計算公式要求對其進行仿真驗證。具體的操作步驟如下：1）設置驅動搖桿連接深溝球軸承與驅動鉆頭升降曲柄搖桿B長腰槽為凸輪連接，啟用升離為0（本設計凸輪運動無需分離），摩擦系數設置μs為0.3，μk為0.2。2）驅動鉆頭升降曲柄搖桿A、驅動鉆頭升降曲柄搖桿B以及挖坑鉆頭驅動支架用銷釘連接。3）鉆頭是在鉆頭支架上上下滑動，設置挖坑鉆頭上下移動滑塊與挖坑鉆頭滑塊固定支架為滑動桿連接。4）設置電機的驅動轉速為36 r/min。5）把灌噴鉆頭拖動到最上方位置后快拍一張照片并定義為初始位置。6）機構分析，設置持續時間為10 s，幀頻為50—選擇初始位置—運行分析。7）進行新建灌噴鉆頭鉆孔移動速度分析和灌噴鉆頭鉆孔移動加速度分析，連接件都是選取挖坑鉆頭驅動支架，灌噴鉆頭為一個整體。再選取結果集為上一步分析結果，得出灌噴鉆頭鉆孔移動速度分析如圖6所示，灌噴鉆頭鉆孔移動加速度分析如圖7所示。

圖6 灌噴鉆頭鉆孔移動速度分析圖

圖7 灌噴鉆頭鉆孔移動加速度分析圖

2 灌噴鉆頭挖坑裝置噴水鉆孔實驗分析

實驗前準備工作：1）選取24 V，功率為28.8 W，流量為450 L/h的無刷水泵作為噴水驅動泵；2）在滑環A端連接灌噴水管和水泵出水管之間添加一個1 L/min~15 L/min的渦輪流量瞬時流量計量表；3）灌噴鉆頭轉速調整為65.4 r/min；4）用4 mm網格過濾篩過濾完全脫水的干河沙，將其放置在適合測試的木箱內。

通過2組不同鉆孔深度、9組不同灌噴鉆頭輸出流量（L/min），得出鉆頭鉆孔后的出沙率、坍塌率，如表2所示。

表2 灌噴鉆頭性能

3 結束語

全自動灌噴鉆頭裝置改變了傳統單獨挖坑機或水沖機種植作業方法，減少了人工成本，提高了種植效率，節約了水資源，同時可以避免勞動者長期工作對身體造成的傷害。該裝置適用于沙柳苗、紅柳苗、白楊苗等防風固沙植物的挖坑、灌噴工作。