国内外果木栽植机械研究现状及发展趋势

康杰 孙为云 周喜 雷腾飞

摘 要：在机械化造林及果木栽植设备中挖坑机是一种不可或缺的机具，挖坑机会直接影响果木栽植和植树造林的速度和质量。介绍了国内外挖坑机的发展现状，分析了挖坑机的發展趋势，并且展望了挖坑机研制的发展方向。

关键词：挖坑机;果木栽植;现状;发展趋势

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

0 引言

林果业是农业产业结构的重要组成部分[1]。随着我国经济的快速发展和产业结构的急剧调整，森林覆盖率与林果种植面不断扩大。当前，该产业已成为中国种植业中的又一大新兴产业[2]。目前中国人均水果质量与世界其它国家相比差距较大，但近年来随着人们消费水平的提高和消费结构的日益多元化，对水果的需求将会大大增加，所以提高林果种植面积，大力发展水果业，已成为当前的首要任务。

目前中国有约十亿亩荒山荒地急待绿化造林，有一千多万亩采伐迹地需要造林更新[3]。各级政府因地制宜，在丘陵、河川、坡地等不适于农作物生长的地方发展林果业，已成为发展经济、最终实现小康的规划目标。

近年来经调查发现，由于丘陵、坡地土质及地形自身所具有的特点，国内针对丘陵、坡地的小型果树林木种植机械的研究少之又少。因此，精准把握果木栽植机械—挖坑机的研究现状及发展趋势，研制针对不同形貌地势研制相应果树栽培机械已成为当前农机领域研究热点。

1 挖坑机的类型及设计要求

1.1 挖坑机的类型

用于果木栽植的挖坑机种类非常多，按照与配套动力的挂机方式可将其分为手提式、悬挂式、自走式及牵引式挖坑机;按挖坑机钻头数量配置的情况可分为多钻头、双钻头和单钻头挖坑机，而它的钻头根据其形状又可分为叶片型、螺旋式、螺旋齿式和螺旋带式等钻头[4]。

（1）悬挂式挖坑机，是将机器悬挂在动力机械上，它主要用于底心平缓或动力机械便于通行的地区，该类型挖坑机的挖坑直径和深度比较大，同时还可多钻头作业。

（2）手提式挖坑机，它是将汽油发动机与挖坑机装配成为一个整体，有操作者手提作业，该类型的挖坑机质量较轻，适合于动力机械不方便行走丘陵山地较多、地形复杂的地带，挖坑直径和深度都比较小。

（3）牵引式挖坑机，是将该机直接由动力机械牵引，挂接方便，不受动力机械结构的限制，但该类型的挖坑机结构复杂、机动性较差。

（4）自走式挖坑机，该类型的机器通过性能较好，而且本身能够提供动力，自动化程度高，同时成本也较高。

1.2 挖坑机的设计要求

（1）挖坑机对挖出坑径具有一定的垂直度有很高的要求，坑壁应整齐。

（2）挖坑机挖出的坑深与坑径必须满足栽植林果数量的要求。

（3）挖坑时土壤的抛出范围不宜过大，以便土壤回填方便。

2 国内外果木栽植机械发展现状

国内外果木栽植机械种类非常之多，尤其是以挖坑机的应用最为广泛。它是由动力机驱动的立轴旋转式土工机械，是一种重要的土壤作业机械。主要用于果树栽培及其他树种栽培前的穴状整地作业 [5]。手提式和牵引式挖坑机的主要特点是结构紧凑、重量轻，适合于山地丘陵和小坡度的山丘的挖坑作业，工作适应能力较强，但缺点是操作者的疲劳强度高;悬挂式挖坑机是将拖拉机做为主要动力输出动力源。悬挂式坑机与手提式挖坑机相比，其特点主要是：机动灵活，动力足，非常适合挖掘直径较大、坑深较深的坑穴，同时该机的挂具形式纷繁复杂，即可悬挂于动力机械的相应部位，还可配备于多种不同机型的牵引机械，但它也有明显的缺点，即作业范围受到较大的限制，不适合丘陵和大坡度山地等地区。

1958年，中国第一次成功研制出拖拉机悬挂式挖坑机和手提式挖坑机，十五年后，ZW5、ZB5型号的挖坑机也相继问世，该机器一度发展为其它同类型产品后被批量生产[6]。2000年以后，市场上陆续出现手提式及自走式挖坑机。目前挖坑机主要生产厂家有：北京沃林，赤峰田丰农林机械厂、山东大丰机械有限公司等。

北京沃林生产的雷神系列SD-B350型号的便携挖坑机（图1a）可由一个操作员操作，也可实现两个操作员共同操作，山东大丰机械有限公司研制的DY-40K型机具（图1b）均属于便携式类型的挖坑机。

赤峰田丰农机厂生产的3WH-60型悬挂式挖坑机，具有易于操作，结构合理的特点，每小时可挖高达一百六十个坑。此外我国还有研制了W-80D、WX-70、ZW-72等系列型号的机具如图1（c）所示即为3WH-60型悬挂式液压挖坑机。

相比国内对果木栽植机械的研究，国外（日本、美国、德国等）的研发一直处于领先地位。尤其是在便携式挖坑机机型的研究制造上，欧美、日本等一些国家发展水平曾一度领先，比如美国的A-7型手提式挖坑机，质量不足十公斤，采用H35D型发动机作为牵引的动力源;加拿大研制的A-8D 型挖坑机，所挖坑的直径径范围可以精确控制在20-200mm;日本生产的G431型、AG530型，德国STIHL生产的BTl20C型挖坑机等都是市场主流的便携式、手提式类型挖坑机（如图2）。

国外研制机具充分考虑了人机工程学原理，比如通过液压装置将容易发生剧烈抖动的发动机安装在距人较远的地方;同时在增加其安全性的前提下，极大程度上减轻了操作者的疲劳。

目前，便携式、悬挂式两种类型的挖坑机是国内的主流，直径在0.6m以上的大坑适合用悬挂式挖坑机施工，而便携式挖坑机的挖坑直径一般在0.3以下（其所挖坑径小的主要原因是受机具功率的限制），但是自林果、幼苗等苗木栽植过程中，其根茎生长条件往往要求坑径一般应介于0.30 m-0.6 m之间，另外，针对复杂工况的挖坑作业机械种类又非常之少，因此大力研制大功率、适于复杂条件的林果栽植机械成已成为当前农机具发展的大趋势。

3 国内外理论研究方向

无论是国内还是国外，对挖坑机理论方面的研究目前大都停留在其关键零部件部件结构形状和参数等方面，尤其是这些参数对机器性能方面影响的研究颇多。比如最近，山东农业大学的李学超则对挖坑机具螺旋钻头的工作过程进行了ANSYS模拟仿真，获得一些理论研究方面的突破性进展[7]。

值得一提的是，目前机具结构性能一体化设计与工作过程仿真模拟已成为机械设计制造及其自动化领域发展的必然方向，这种发生在样机制造出来之前，利用计算机进行模拟仿真的方法不仅极大地缩短设计、制造、实验、调试等的周期，同时机具设计的可靠性和安全度也在一定程度上得到了很大的提高。

4 发展趋势

机器设计符合人机工程学原理：操作者为人的各种机械设备，都应尽可能的完善人机工程学设计，使机具符合操作者的生理和心理学特性，进而最大程度地减轻操作者的心理负担和操作疲劳，使整个人机系统具有最和谐的关系和最优化的综合效能。

机器實用的多功能性：根据中国的地情地貌，栽植果木及造林植树表现出极大的区域性和季节性，所以果木栽植机械类的机具作业场所、时间极其有限，机具的较低使用率使得单一性能表现尤为突出，因此在今后对挖坑机的研发、制造过程中必须考虑单机多用的问题。

总之，挖坑机的研发、制造必须根据区域特点，因地制宜。对于大规模的造林区，应积极开发高效率、高自动化程度的多头大型挖坑植树机具，而对于小面积的陡坡、高山和多石的地区，应开发机动灵活、小型的便携式挖坑机。

参考文献：

[1]于建国，屈锦卫.国内外挖坑机的研究现状及发展趋势[J].农机化研究，2006，12（12）：38-41.

[2]蒋泉山.植树挖坑机的设计[J].林业机械与木工设备，2006，34 （05）：24-25.

[3]卓凤英，程祥之，杜世敏等.营林液压挖坑机的研制[J].南京林产工业学院学报，1983（02）：75-82.

[4]卓凤英.挖坑机[M].中国林业出版社，1989.

[5]渠聚鑫.新型自走式植树挖坑机的研究[D].北京：中国林业科学院硕士论文，2009.

[6]茅也冰.石质山地手提式挖坑机钻头的研制[J].北京林业大学学报，1991，13（03）：42-49.

[7]李学超.液压挖坑机的研制及其关键部件工作过程仿真[D].山东农业大学，2013.

作者简介：康杰（1985-），男，河南开封人，硕士，助教，研究方向：计算机模拟仿真、特种加工技术（激光加工）。