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題 目：小型植樹挖坑機設計
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小型植樹挖坑機
目 錄
中文摘要及關鍵詞 IV
英文摘要及關鍵詞 V
1 引言 1
1.1 選題背景及其意義 1
1.2 國內外研究現(xiàn)狀 1
1.3 發(fā)展趨勢 5
2 方案對比與結構 6
2.1 國內外研究現(xiàn)狀 6
2.1.1 國內研究現(xiàn)狀 6
2.2.2 國外研究現(xiàn)狀 7
2.2 挖坑機的構造 7
2.2.1 挖坑機的工作條件 7
2.2.2 挖坑機的分類 7
2.2.3 挖坑機的鉆頭 8
3 挖坑機的設計 10
3.1 手提式挖坑機的工作原理 10
3.2 動力選擇 11
3.3 螺旋鉆頭的設計與計算 11
3.3.1 螺旋工作面的設計 12
3.3.2 刀片的設計 13
3.3.3 鉆尖的設計 14
3.4 離合器的設計 14
3.5 減速器的設計 20
3.6 潤滑與密封 23
3.7 擺線輪、針齒、柱銷的計算 24
結 論 30
參考文獻 31
致 謝 32
9
中文摘要及關鍵詞
摘 要：植樹挖坑機是一種造林機械設備，目前國內造林機械的發(fā)展水平還不高，多為人工控制，很少能實現(xiàn)自動化作業(yè)。如何將先進的自動化、智能化技術應用到機械造林中，提高造林機械的自動化、智能化水平是擺在林業(yè)機械科研工作者面前的一個技術問題。國外挖坑機的發(fā)展要先進得多，主要發(fā)展方向是對于大型的挖坑機要集多種功能于一身，增加輔助設備。小型的挖坑機，本設計建立了合理的動力分析數(shù)學模型，對擺線針輪傳動中的擺線輪、轉臂軸承、柱銷及軸進行 準確的受力分析，并其求解。計算并校核主要件的強度及轉臂軸承、各支承軸承的壽命，分析結果可 以看到，各軸承性能指標均符合要求。
本課題來源于生產(chǎn)實際,目前，我國正在大力加強植樹造林建設，特別是江蘇沿海地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個問題，需要大量的人力來投入，而現(xiàn)在，國家倡導綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了機械造林。動機通過分動機構提供動力，液壓系統(tǒng)來控制各個部分的運動，從而實現(xiàn)挖坑作業(yè)。
關鍵詞：植樹挖坑機,挖坑機,擺線針輪
英文摘要及關鍵詞
Abstract: tree planting digging machine is a mechanical device afforestation, reforestation current level of development of domestic machinery is not high, mostly for manual control, very few can realize automatic operation. How to apply advanced automation, intelligent technology in mechanical afforestation, reforestation increased automation machinery and intelligence is placed in front of forestry machinery researchers of a technical problem. Development of foreign digging machine is much more advanced, the main development direction for large digging confidential combines many functions in one, adding auxiliary equipment. Small digging machine, the present design provides a reasonable analysis of dynamic mathematical model of the cycloid cycloidal gear, the boom bearing pin and the shaft accurate stress analysis, and its solution. Calculating and checking the strength of the main bearing member and the pivot arm, each support bearing life, the analysis results can be seen, each of the bearing performance indexes meet the requirements.
This subject comes from actual production, present, China is working to strengthen afforestation construction, especially in the coastal areas of Jiangsu, government departments are planning afforestation every year, but there is a problem afforestation, need to invest a lot of manpower, and now, the national advocate green afforestation, in order to more effectively afforestation, reforestation has a mechanical. Providing motive power, divided by a hydraulic system to control the movement of each mechanism part, thereby achieving digging operation.
Keywords: tree planting digging machine, digging machine, cycloid
1 引言
1.1 選題背景及其意義
本課題來源于生產(chǎn)實際,目前，我國正在大力加強植樹造林建設，特別是江蘇沿海地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個問題，需要大量的人力來投入，而現(xiàn)在，國家倡導綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了機械造林。本課題是設計一臺植樹挖坑機，與東風EQ140汽車底盤相匹配，用于植樹造林，代替人力勞動，實現(xiàn)機械化造林。
我國在“十二五”規(guī)劃中把生存環(huán)境建設擺到了突出的戰(zhàn)略位置。我國三峽長江流域防護林體系建設工程、退耕還林工程中面積為26329.5萬公頃,森林面積為15874.1萬公頃，近年來人們越來越重視身邊的生態(tài)環(huán)境，“植樹造林,保護環(huán)境”已成為全民參與的一項大型義務活動，所以單靠手工種樹，已經(jīng)不能滿足生態(tài)和發(fā)展的需求，機械化造林勞動效率高，減輕勞動強度，還能保證質量，降低成本，不僅能得到很好的經(jīng)濟效益，又會帶來巨大的生態(tài)效益和社會效益。在國內，懸掛式挖坑機的生產(chǎn)和應用較為廣泛，該類挖坑機通常具有較大的功率，機動性強，能挖較大較深坑，大多應用與大面積植樹造林，但我國生產(chǎn)的技術水平比較低，在陡坡和復雜地區(qū)很難正常進行植樹挖坑作業(yè)，只能依靠手提式挖坑機。手提式挖坑機在我國剛剛嶄露頭角，很多方面不夠完善特別是在人機關系方面。相比之下，國外研究狀況要好一些。有日本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機采用柴油機作為動力，適用于坡度高達56°的陡坡作業(yè)，每天可挖坑植樹300～400個。美國生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機鉆頭之間的距離是可調節(jié)的，適用于平原地區(qū)大面積植樹造林，工作效率高。但國外的挖坑機大都價格昂貴。結合中外挖坑機的特點，本設計主要設計方向是質優(yōu)價廉，人機協(xié)調的懸掛式挖坑機。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀
中國植樹挖坑機產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結構不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品；技術密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家；生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。我國植樹造林機具現(xiàn)狀我國植樹造林機械赴較晚，主要在南方為種植橡膠實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有為東方紅-75、熱特-25型拖拉機配套的植樹挖坑機，而北方地區(qū)為栽植果樹和防護林，也研制了為中型輪式拖拉機如上海-50、神牛-25型拖拉機配套的開溝機、植樹挖坑機，這種機具既可以挖植樹穴坑，也可以挖梯形溝槽用于果樹施溝肥。對大面積的機械植樹造林，多采用鏵式系歹開溝機，如1K-40、1K-50和1K-60型開溝機。我國植樹造林機械雖有多個品種，但由于栽種樹苗多在山地、坡地，土質條件復雜，影響了機械的使用效果，基本上用人工挖坑栽苗，使用生產(chǎn)的植樹挖坑機批量較小。
我國目前投入生產(chǎn)和主要使用的植樹挖坑機擁有多種形式的配套動力和挖頭結構。
不同的植樹環(huán)境要求挖坑機具有與之相適應的動力和連接方式、結構型式及重量限制、
鉆頭型式等。根據(jù)作業(yè)方式的不同我們可以簡單地將挖坑機分為便攜式與機載式兩大類，便攜式挖坑機包括手提式、背負式，機載式挖坑機包括懸掛式與牽引式等類型。挖坑機的鉆頭根據(jù)形狀可分為螺旋式鉆頭、螺旋帶型鉆頭、葉片型鉆頭和螺旋齒式鉆頭等。
（1） 手提式挖坑機
手提式挖坑機的結構一般由機架、操作裝置、發(fā)動機、離合器、減速器、鉆頭等部分組成。如圖 1-1所示。離合器是發(fā)動機和工作部件間的連接裝置，一般采用離心式摩擦離合器。當發(fā)動機達到一定轉速時，離合器主動盤重錘所產(chǎn)生的離心力克服了彈簧的拉力，離合器就自動接合，并經(jīng)減速器將動力傳遞給鉆頭。減速器是挖坑機的重要部件，其作用是將發(fā)動機的轉速變?yōu)殂@頭的工作轉速，有圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器和擺線針齒減速器等類型。以采用擺線針齒減速器較普遍，它具有減速比大、體積小、重量輕、噪聲低和傳動平穩(wěn)等特點。操縱裝置常采用可拆卸式的手柄結構，可單人或雙人操作。鉆頭由鉆尖、刀片、導土片和鉆桿組成。鉆尖起定位作用，刀片用于切削土壤，導土片則主要起升土作用。作業(yè)時鉆頭垂直向下運動，在扭矩和軸向力的作用下切削土壤，切下的松碎土壤沿導土片工作面上升，運到地表后被拋離到坑的周圍。 手提式挖坑機結構緊湊，機體與汽油發(fā)動機裝配成整體，體積小、重量輕，機動靈活，由單人或雙人手提操作，適宜于拖拉機不能通過的地形復雜的山地、丘陵和溝壑地區(qū)，挖坑直徑和深度都比較小，也可用于果樹的追肥及埋設樁柱手提式挖坑機在我國起步較晚，但發(fā)展較快，雙人操作的便攜式挖坑機在我國使用比較普遍，生產(chǎn)的型號也比較多，如 3WB-3、3WS-5、WL200等，挖坑直徑約為 100~400mm、坑深為 200~600mm。
手提式挖坑機的適應性很強，不但作為植樹挖坑之用，也可在建筑工地、地質礦山電力交通等部門用于埋設樁、柱、勘探、打眼等作業(yè)。由于家庭及街道作業(yè)的緣故國外的手提式挖坑機興起較早，例如日本生產(chǎn)的 A-7 型手提式挖坑機質量僅為 7.0kg，采用H35D 發(fā)動機；A-8D 型挖坑機可挖坑徑范圍為 20~200mm。德國生產(chǎn)的 BT120C 型挖坑 機發(fā)動機功率 1.3kW，質量 8.2kg，鉆頭轉速 190r/min。
圖1-1 WL-200 型手提式挖坑機
（2）背負式挖坑機
背負式挖坑機如圖 1-2所示，單人操作，輕便，靈活，適用于山地、丘陵地帶作業(yè)，
適用于平緩地帶。此類挖坑機是利用防振架將發(fā)動機背在背后，通過撓性傳動軟軸，將發(fā)動機扭矩傳給鉆頭。操作人員需配有專用的防震護具。
圖 1-2 背負式挖坑機
（3） 懸掛式挖坑機
懸掛式挖坑機有多種形式?？梢酝ㄟ^液壓懸掛裝置掛在拖拉機后面，由拖拉機動力
輸出軸經(jīng)傳動系統(tǒng)驅動鉆頭進行挖坑作業(yè)，也有用液壓馬達直接驅動鉆頭進行作業(yè)的。一般結構都是由傳動軸、減速器、鉆頭、拉桿和機架等組成（見圖 1-3），鉆頭一般采用雙螺旋型。有的挖坑機裝有兩個或兩個以上的鉆頭，稱多鉆頭挖坑機，能充分利用拖拉機的功率來提高生產(chǎn)率。為使鉆頭在工作時不因遇到石塊、樹根等障礙物超負荷時受損，在傳動軸上裝有牙嵌式離合器，在超負荷狀態(tài)下，離合器自動脫離，從而切斷動力的傳遞。
圖 1-3 3WH-60 型懸掛式挖坑機
懸掛式挖坑機由于動力較大，功效高，可挖較大的坑穴，主要用于平緩地形或拖拉
機可以通行的地域，鉆頭的升降通過拖拉機液壓系統(tǒng)操縱，挖坑直徑和深度都比較大。
坑徑多為 600mm~1000mm、深度可達到 1000mm。諸如內蒙古赤峰田豐農(nóng)林機械廠生產(chǎn)的 3WH-60 型（如圖 1-3）、3WC-60 型懸掛式挖坑機，通遼林業(yè)機械制造廠生產(chǎn)的 3WG-60
型、4Z-130 型挖坑機，山東大豐機械廠生產(chǎn)的“大豐王”系列挖坑機 WKJ-60/70，配套不同動力的拖拉機可以挖掘不同直徑不同深度的樹坑。適合于平原、坡度小的山地、丘陵等地況作業(yè)，具有性能好、作業(yè)效率高的特點。
（4） 牽引式挖坑機
牽引式挖坑機的機器裝在小車上，由拖拉機牽引，掛接方便，不受拖拉機結構限制，
但結構復雜，機動性差； 我國在 2001 年由達拉特旗白土梁生態(tài)治理有限公司成功研制 并生產(chǎn)出 JYZ-80 型牽引式液壓植樹機。圖 1-4 為一種拖拉機牽引式深孔鉆。
圖 1-4 牽引式深孔鉆
國外一些專家學者對挖坑機鉆頭也做了大量的研究：Macpherson 用波動理論建立的鉆桿縱向、扭轉振動模型與實際測量結果進行比較。而 Millheim 等應用 D'Alembert 原理在靜力分析的基礎上引入慣性力和摩擦力，運用有限元方法建立鉆柱三維動態(tài)模型用以研究鉆柱動態(tài)行為對鉆頭軌跡的影響，給出了影響鉆頭軌跡的主要因素。Y.Altintas等建立了可描述不同形狀螺旋鉆刀片的動力學通用模型，用時變力系數(shù)的傅立葉級數(shù)展開給出了用于鉆削穩(wěn)定性解析預測鉆削過程的動力學模型及其一般數(shù)學表達式。E.Armarago 等提出了用正交切削數(shù)據(jù)計算切削過程剪切應力、剪切角、后刀面平均摩擦系數(shù)，把正交切削參數(shù)轉換到傾斜鉆削，預測傾斜鉆削力的方法。S.Jensen 給出的切削力模型考慮了進給速度、鉆尖處的幾何形狀以及對柔性工件的動態(tài)特性有影響的主軸軸向振動因素。
1.3 發(fā)展趨勢
植樹挖坑機未來的發(fā)展趨勢主要在以下幾個方面：
（1）一機多能
在我國，植樹造林具有季節(jié)性和區(qū)域性的特點，機具作業(yè)時間短，間隔時間長，單一性能機具的年利用率很低，因此在今后的設計中，應盡量考慮一機多用問題。具體措施：一是更換不同的鉆頭，適應不同的土壤條件和工作環(huán)境；二是設計通用機架，在更換其它工作部件后即可完成其他營林作業(yè)項目，提高其利用率。
（2）人機和諧
凡是人使用的各種機械設備，都應進行完善的人-機工程學設計，以使其符合人的心理與生理學特性，從而最大限度地減輕使用者的操作疲勞和心理負擔，能夠使人舒適和高效率地工作，使整個人-機系統(tǒng)具有最和諧的人機關系和最優(yōu)的綜合效能。同時，要盡量減少噪音對操作者的影響，還需要考慮手提式挖坑機反向轉矩對操作者的安全問題，盡量把轉矩通過機械裝置釋放一些，提高操作者的安全系數(shù)。
（3）應用范圍
挖坑不僅適用于平原、沙地和丘陵，還能夠用于山地和溝壑；不僅適用于坡度56°以下的陡坡林地的整地挖坑，而且還適用于35°以下的坡地挖坑造林。
2 方案對比與結構
2.1 國內外研究現(xiàn)狀
2.1.1 國內研究現(xiàn)狀
在國內懸掛式挖坑機的生產(chǎn)和應用較為廣泛。內蒙古赤峰田豐農(nóng)林機械廠、山東大豐機械有限公司、哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司及寧夏自治區(qū)農(nóng)業(yè)機械研究所等１０余家單位進 行了研究制造和銷售。該類挖坑機通常具有較大的功率，機動性較強，能挖較大和較深的坑，大多應用于大面積植樹造林，應用圍也比較廣.
１）內蒙赤峰田豐農(nóng)林機械廠生產(chǎn)的 3WH-60 型懸掛式挖坑機結構合理，使用方便靈 活，易于操作，每小時可挖 80-150 個坑，其可與多種型號 36.8KW 以上拖拉機配合使用，用 于大面積植樹造林及工業(yè)挖坑，挖坑直徑 250-600mm，深度 0-1200mm，適用于平原丘陵及沙 地作業(yè)。
２）山東大豐機械廠生產(chǎn)的大豐王系列挖坑機 WKJ-60/70，,可與 18.4-36.8KW 的多種 拖 拉 機 配 合 使 用 挖 坑 直 徑 400-800mm ， 可 根 據(jù) 用 戶 要 求 特 別 制 作 深 度 650-800mm ， 轉 速
248r/min，每小時可挖 60 個坑。
３）哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司生產(chǎn)的懸掛式挖坑機，可與鐵牛 40.4KW 或 18.4KW 以 上 的 具 有 動 力 輸 出 和 懸 掛 裝 置 的 拖 拉 機 配 套 ， 挖 坑 直 徑 為 250-600mm ， 挖 坑 深 度 為 0-800mm，挖坑效率為 120 坑/h。
４）手提式挖坑機在我國剛剛嶄露頭角，適用于家庭或地形復雜地區(qū)的小面積植樹造 林，也可用于打樁和樹木追肥挖坑，如哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司生產(chǎn)的 3WS-2.8 型手提 式挖坑機，采用 051A-1 型發(fā)動機最大功率為 2.8KW 轉速為 280-320r/min，挖坑尺寸坑徑深 度為φ320mm-500mm，質量為 17.6kg，該機主要應用于地形復雜的山地丘陵區(qū)和溝壑區(qū)在坡 度 35 以下的荒山荒地,、次生林地以及黃土高原的溝坡進行挖坑或整地。 國內的一些林業(yè)高等院校和科研院所也對挖坑機進行了一些研究分析。關于挖坑機的論文大 約有幾十篇，涉及鉆頭升土理論及鉆頭臨界轉速的研究、鉆頭螺旋面強度的分析以及螺旋升 角的選擇問題，還得出了在不同條件下的挖坑機的動態(tài)力學參數(shù)，指出了鉆頭轉矩的主要影 響因素，對挖坑機的一些結構參數(shù)的確定起到了指導作用，為國內挖坑機的優(yōu)化設計提供理 了論支持。
2.2.2 國外研究現(xiàn)狀
相比之下國外的研究狀況要好一些，由日本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機采用柴油機作動力，行走腳與輪胎組合，行走裝置為全液壓式，平時用輪胎行駛，坡地靠行走腳行走， 適用于坡度高達 56 的陡坡林地作業(yè)。作業(yè)時４只腳可上下左右移動，并能保證包括駕駛室在 內的機器上半部始終呈水平狀態(tài)。該機的液壓臂端部可安裝液壓式割灌機或挖坑機，每天可挖植樹坑 300-400 個。實現(xiàn)了一機多用。日本生產(chǎn)的 A-7 型手提式挖坑機質量僅為 7.0kg，采用 H35D 發(fā)動機.A8D 型挖坑機可挖坑徑范圍為 20-200m。德國生產(chǎn) BT120C 型挖坑機如圖６ 所示發(fā)動機功率 1.3KW，質量 8.2kg，鉆頭轉速 190r/min，發(fā)動機轉矩 1.7N?m，鉆頭的轉矩79.0N?m。英國生產(chǎn)的 05H8300 型懸掛式挖坑機和美國生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機，鉆頭之間 的距離是可調節(jié)的，即行距可調，適用于平原地區(qū)的大面積植樹造林，工作效率很高。美國 和加拿大生產(chǎn)的手提式挖坑機，發(fā)動機與鉆頭采用分離式，通過液壓傳動，驅動鉆頭工作。 美國生產(chǎn)的 HYD-TB11H 型液壓挖坑機 ,質量為 170kg，最大流量為 22.7L/min，最大轉速為141r/min，鉆頭最大扭矩 349N?m。美國生產(chǎn)的 MDL-5B 型挖坑機,發(fā)動機采用動力為 4.1KW 的 BS Intec Pro OHV 的挖坑機在工作時發(fā)動機離操作者有較遠的距離 ,大大減少了噪音對操作 者的影響,充分考慮了人－機工程學原理,有的手提式挖坑機安裝了１個支點即輪子,使挖坑機 的攜帶比較方便,工作時還可以把挖坑機的反向轉矩釋放給輪體,減小操作者手上的反向力矩, 增加其安全性并減輕了操作者的疲勞程度。
2.2 挖坑機的構造
2.2.1 挖坑機的工作條件
挖坑機的主要作業(yè)地點是荒山坡地、沙荒沙丘、采伐跡地、林間空地、草場、沼澤地、
橡膠、果園和城市街道等。這些地方的土壤組成、土層厚度、土壤的物理機械性質等都存在 著較大的差異，因此要求工作部件堅固耐磨，通過性能要好，同時由于挖坑機的作業(yè)受立地 條件和作業(yè)技術的影響，使挖坑機的工作速度受到一定的限制，即不宜過大。
2.2.2 挖坑機的分類
挖坑機的種類很多，一般按配套動力和掛結方式、傳動方式、鉆頭安裝位置進行分類。
2.2.2.1 按配套動力和掛結方式分
一）手提式挖坑機
機具與小型二沖程汽油發(fā)動機（ 2.23—3.73kW）裝置成整體，由單人或雙人操作，主要 應用于復雜的山區(qū)、丘陵區(qū)和溝壑區(qū)，在坡度 350 以下的地區(qū)進行造林前的整地和挖坑，同 時也可用于果園、桑園、苗圃和城鎮(zhèn)進行小樹移植、挖坑追肥以及埋設樁柱等，坑徑一般 在0.3m 以內.
二） 懸掛式挖坑機
鉆頭裝置懸掛在拖拉機的后方、前方或側向。懸掛機構通過上拉桿、下拉桿以及三個鉸 鏈與拖拉機連接，由拖拉機的液壓系統(tǒng)操縱其挖坑機鉆頭裝置升降。它可以挖較大的坑徑和 較深的坑。用于拖拉機可以通過的地區(qū)進行挖坑作業(yè)。
三）自走式挖坑機
1.與手扶拖拉機配套 挖坑機鉆頭旋轉的動力源是由底盤上的動力輸出軸經(jīng)過一級皮帶減速、一級直角錐齒輪減速器并直接輸?shù)酵诳訖C的鉆頭。鉆頭是采用 M27 螺紋同箱體聯(lián)接，這樣裝拆方便，又能自 動防止拆脫，如 1W-40 型挖坑機就是與工農(nóng)-3 型手扶拖拉機配套的。該型挖坑機通過性能較好，但需要人力操縱其鉆頭入土。該型挖坑機適于在水平帶上作 業(yè)或用于茶園施肥、茶苗一只和果園施肥等挖坑作業(yè)。
2.與汽車底盤配套與汽車底盤配套的挖坑機，一般是屬于起重地鉆裝置，如 D70S(E)起重地鉆機是由汽車 動力輸出、伸出支撐、回轉系統(tǒng)、起吊變幅系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和鉆頭裝 置等組成。從汽車的發(fā)動機中輸出驅動油泵，是發(fā)動機的機械能轉化為液壓能，以供機械的 各部分。地鉆裝置主要由帶油馬達的減速器、鉆頭組成。液壓油通過各控制元件來驅動油馬 達旋轉，從而通過減速器轉動鉆頭軸，有一方軸裝在鉆頭軸中，此軸只要拔出定位銷及管子 向下延伸即可增加挖坑的深度。該機可挖坑徑 0.45m、坑深 4.5m 的坑。
QW-1000 型挖坑機基本上是屬于這種類型，但它是車載鉆機的形式。
2.2.2.2 按鉆頭安裝位置
一 ）立式挖坑機立式挖坑機是常見的一種類型，亦稱立軸式挖坑機，即鉆頭的鉆桿與減速器輸出軸聯(lián)接 是垂直于地面的。該類型的挖坑機主要用于挖坑作業(yè)。
二）臥式挖坑機 臥式挖坑機亦稱水平軸式挖坑機，即鉆頭的軸桿幾乎是水平配置的，根據(jù)作業(yè)要求，可調整氣鉆桿的傾斜角度。
2.2.3 挖坑機的鉆頭
2.2.3.1 挖坑機鉆頭的主要類型 挖坑機的鉆頭是挖坑機的主要工作部件，根據(jù)各地區(qū)條件和作業(yè)的技術要求，分為整地、挖坑和開溝三大類。螺旋式鉆頭的挖坑機在工作狀態(tài)時，土壤全部或絕大部分從坑里拋 出，該形式主要用于建筑工作和栽植作業(yè)上。而整地用的挖坑機在工作狀態(tài)時，土壤不出 坑，該形式主要用于播種造林等。開溝用的挖坑機在工作狀態(tài)時，土壤是從一側或兩側拋 出。本設計選用螺旋式鉆頭螺旋式鉆頭主要由鉆桿 1、螺旋翼片 2、鉆鏵（刀片）3 和鉆尖 4 組成。工作時鉆頭旋轉 同時向下作進給運動。鉆尖不僅起挖坑機工作時的定心作用，并切去中心部分的土壤，繼而 按一定軌跡排列的刀片（或鉆鏵）切土，刀片切下的土壤沿著螺旋翼片上升，并拋至坑的四 周，土壤出坑的數(shù)量由鉆頭螺旋部分長度決定。如果鉆頭的長度小于坑的深度，采用多次旋 拋土壤的方式。其工作面的形成為垂直與鉆頭軸線的直線段，沿著圓柱體上劃出的導向螺旋 線移動而成。利用同心圓柱體來截鉆頭的表面，則得到多條螺旋線，其螺旋升角隨著圓柱體 半徑的減少而增加。螺旋形鉆頭工作面不能展開成平面。螺旋形鉆頭又分為單頭螺旋鉆頭和多頭螺旋鉆頭。單頭螺旋鉆頭工作時消耗能量較少， 但由于切土負載不對稱，因此工作穩(wěn)定性比雙頭螺旋鉆頭差。為了克服上述存在的缺陷，單 頭螺旋鉆頭可安裝兩個鉆鏵，按徑向對稱布置。一般小型懸掛式挖坑機和手提式挖坑機采用 單頭螺旋鉆頭。多頭螺旋鉆頭工作時穩(wěn)定性較好，但消耗能量較大，一般懸掛式中型挖坑機 常用雙頭螺旋鉆頭。螺旋型鉆頭挖坑范圍很大，能挖 H/D0=0.5-16 的坑（H-坑的深度；D0-坑的直徑）。
3 挖坑機的設計
3.1 手提式挖坑機的工作原理
手提式挖坑機由小型二沖程汽油發(fā)動機（ 2.2-3.68Kw）3、離合器 4、減速器 5、鉆桿及 套 6、安全及保護罩 7 和鉆頭裝置 8 等組成。其工作原理如下：
由發(fā)動機通過離合器、減速器而驅動鉆頭作旋轉運動。操作裝置通常采用可拆卸式的手 柄結構。手柄的設計要求操作靈敏和便于操作發(fā)動機油門開關。
圖3-1 手提式挖坑機結構示意圖
1.油箱 2.手柄 3.發(fā)動機 4.離合器 5.減速器 6.鉆桿及套 7.安全保護罩 8.鉆頭裝置
由蘇聯(lián)研制的手提式塊狀整地機，可在坡度為 300 地區(qū)作業(yè)，在塊狀整地的同時其中心 部挖出植樹的坑。該機的工作部件由 “友誼”或“烏拉爾”發(fā)動機驅動。工作部件是螺旋形 鉆頭 8，在其軸桿上用兩個螺栓固定在橫梁 5 上，其橫軸上焊有帶兩個水平刀 7 的主柱和三 個垂直刀 6。在發(fā)動機的底板上固定有保護罩 9，它用于防止土壤的拋散。工作時，松土刀 6 切斷水平方向的根系并疏松土壤；水平刀 7 用于切斷垂直根系，消滅雜草和逐漸切下土層。
圖 3-2 手提式塊狀整地機結構示意圖
1.發(fā)動機 2.減速器 3.機架 4.手柄 5.橫梁 6.垂直刀 7.水平刀 8.鉆頭 9.保護罩 10.平整器
該型機具可以同時實現(xiàn)兩種作業(yè)，即整地（面積直徑為 0.5-0.55m）并在塊狀地面中心 挖出直徑為 0.2m、深為 0.25m 的坑。為了使該機具可以自走，可以在減速器的輸出軸上裝升降輪組，當機具到達作業(yè)地點 后，取下輪組再換裝其鉆頭。
3.2 動力選擇
原數(shù)據(jù) 坑徑：400mm
坑深：400mm
整機重量≤15kg
挖坑效率 120 孔/h.
挖坑的動力消耗與坑徑、坑深、土壤硬度和下降速度有關。通過試驗，手提式挖坑機配套動力應在 2.2~3.68kW 之間。
3.3 螺旋鉆頭的設計與計算
手提式挖坑機鉆頭由大刀翼 2，小刀翼 4，刀體 3 及其中心刃 1 等組成（圖 1-17）。其 大、小刀翼的切削面磨成 200 的刀刃；入土角。
圖3-1 雙頭螺旋式鉆頭結構示意圖
1.鉆桿 2.螺旋翼片 3.鉆鏵 4.鉆尖 5.鉆鏵
3.3.1 螺旋工作面的設計
1 螺旋的外直徑 D
根據(jù)挖坑直徑 D0 確定
D=（0.94-0.95）D0=0.95x400=380mm
2 螺旋長度 H0 應大于坑深 H=400mm
3 螺旋升角α（外直徑處）導程 h升角
α是螺旋線與其軸線垂直平面的夾角
導程 h 是螺旋線上某一點沿螺旋線圍繞其軸線旋轉一周所移動的距離
tgα=h/ΠDξ＜α＜90-φ1-
土壤對螺旋面（鋼）的摩擦角，
通常取φ1=22-31 ，取φ1=25 。
ξ=arctgs/ΠD0
s-鉆頭每轉一周的進給量 s 取 40mm，
ξ=1.820.
手提式挖坑機一般取α=10-180.
按導程計算
手提式：h=（0.55-0.9）D=0.6*380=228mm α=arctg h/ΠD=10.820≈110
4 螺旋頭數(shù)
一般手提式挖坑機用單頭
3.3.2 刀片的設計
刀片也稱鉆鏟或鉆鏵，是挖坑機的主要切土零件，也是工作中最易磨損的零件。它的形狀、刀口鋒利程度、耐磨性以及磨損規(guī)律，對挖坑機的阻力矩、生產(chǎn)率都有很大影響。因此，要求在保證足夠 強度和沖擊韌性的條件下，提高刀片的耐磨性。 常用的刀片有以下三種：見圖，雙刃矩形，梯形和三角形。雙刃矩形刀片一面磨損之后，可以掉頭使 用，梯形刀片入土性能較好，阻力小；三角形刀片適用于松軟土壤。
試驗指出，鉆頭的刀片磨損多在外緣，因為離開鉆軸中心越遠，刀刃轉過的路程越長，因此鉆頭 刀片的外緣磨損快。為了延長刀片的適用壽命，在易磨損處將刀片加寬形成鑿形刀片，或制成局部加 厚的刀片。由于鉆頭工作時既有旋轉運動又有進給運動，刀片的實際后角 ε 應由刀片該店的運動方向和刀片 后平面之間的夾角來測量。刀片上各點的 ε 隨著離鉆桿距離增大而增大。
只有當 ε ＞0 時，鉆頭才能入土。當 ε 值不大時，刀片很快形成寬的背棱，入土所需的力矩和阻0 0
力急劇增加，因此，可適當增大名義后角 ε ，以達到增加實際后角 ε 。名義后角 ε 在 250 ? 450 時入0
土力矩和阻力均較小。前角過大和過小入土力矩和入土阻力均增加。名義前角 δ 在 450 時入土力矩和入土阻力最小。
刀片厚度 8-10 毫米，刃厚 0.5-1 毫米。刀片的材料可用 65SiMnRe 鋼或 65Mn 鋼，刃部淬火區(qū)為25-35 毫米，硬度 HRC46-60，非淬火區(qū)硬度不大于 HRC33。刀片用沉頭方頸螺釘安裝于刀座上，刀座 通常以鋼板焊接在螺旋工作面背面，刀片與螺旋面的接縫處應密合平整，不允許螺旋面高出刀片而增 大切削阻力。對于直徑 300 毫米以下的鉆頭，尤其是手提式挖坑機可以用單頭螺旋，這樣消耗扭矩 小。但是為了使受力平衡，一般也要對稱地裝兩個刀片，因此這種結構需要兩個刀座。
3.3.3 鉆尖的設計
鉆尖也稱定位尖，它一般用螺釘連接在鉆尖的拖柄上，鉆尖的型式有平面三角形、平面分叉型、錐形小螺旋型和平面三尖型。 實踐證明，分叉型鉆尖入土阻力最小，錐形小螺旋最大，三角型次之。定位性能以錐形小螺旋最好。一般中型挖坑機（鉆頭重量在 150kg 左右）的鉆頭，應選用分叉型鉆尖，而對于大型的挖坑機的 鉆頭（重在 250kg 左右），為防止鉆頭過重和入土過快（靠自重入土的挖坑機）應選用三角形鉆尖。對 于鉆深坑的挖坑機鉆頭選用平面三尖型的鉆尖更合適。另一方面鉆鏵的切削刃與鉆尖之間的距離 H2 越 大，鉆尖的迴轉直徑 D1（取 0.1-0.16m）越小，那么它的對中性越好。但是隨著 H2 的增加，鉆尖入土 所需的麗也增加，土壤從鉆頭表面排出也更困難。此距采用如下范圍較合理：0.9D1
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