挖坑机在林业发展中的应用

房强

摘要：挖坑机是植树造林中使用最多的机械。随着我国生态保护意识的增强和植树造林的需要，对挖坑机需求较大，技术要求越来越高。介绍常用的便携式和悬挂式挖坑机工作原理及其应用范围和典型机具，分析挖坑机国内外发展现状和存在的问题，提出技术研究方向。

关键词：林业;挖坑机;现状;问题

绿水青山就是金山银山。随着我国生态保护意识的提高，林业发展进入了快车道。2019年我国造林面积706.7万hm2，高居世界首位，森林覆盖率接近23%。传统造林以人工为主，速度慢、效率低、工作强度大、人工成本高。林业机械化的应用有助于提高作业效率、降低体力消耗、节省造林成本，成为林业发展的重要支撑。挖坑机作为植树造林使用较多的机械，其应用较为广泛。

1 挖坑机分类及原理

常用的挖坑机主要有便携式挖坑机和悬挂式挖坑机。便携式挖坑机使用灵活，效率远远高于人工挖坑，在山坡、窄小地块等地方均可使用。悬挂式挖坑机通常配合拖拉机作业，在地形允许的情况下可以实现大面积植树作业，使用方便，动力强劲，效率更高。

1.1 便携式挖坑机

便携式挖坑机分为手提式挖坑机（包括推轮式）和背负式挖坑机，主要由动力机构、传动机构、操纵机构、钻头等组成，见图1。

1） 动力机构是将其他形式的能转变成机械能。可选用电机、发动机或使用电机加增程器（发动机），林间工作通常选用1.1～4.3 kW的二冲程汽油发动机。

2） 传动机构是将发动机曲轴产生的旋转动力传递给钻头，并且实现改变方向，输出转速和转矩，一般由离合器、减速器、传动轴（软轴）、变速器、万向节等组成。离合器通常采用离心式摩擦片离合器，直接与发动机输出轴相连，通过发动机转速控制完成动力传递或切断。当钻头遇到石块或树根等硬物时，可通过摩擦片打滑来切断动力。减速器与离合器输出轴相连，起到降速增矩的作用。便携式挖坑机体积较小，通常采用行星齿轮或摆线针轮减速器，通过万向节和传动轴将动力作用于固定钻头。其特点是结构紧凑、传动比大、噪声小。

3） 操纵机构制成手柄状，便于操作人员把握。目前有单人操纵、双人操纵机两种，也有厂家将其改进成推轮式机架，移动方便、操纵简便、防止震手。手柄内带有手动油门，通过控制进气量调整发动机转速，通过离合器控制钻头工作状态。

4） 钻头可根据需要选择不同长短粗细的型号;刀片有螺旋状、弯刀状、叶片状;刀尖呈一定角度的圆锥形，可定位进土。钻头旋转时，导土片旋出坑内积土。钻头工作速度通常为150～350 r/min，这个速度可使刀片圆周速度较慢，防止出现积土甩飞安全隐患。

手提式挖坑机的钻头与传动机构刚性链接，发动机在钻头正上方，输出动力通过离合器、减速器直接作用于钻头。通过安装倒转齿轮还可以实现钻头反旋，防止钻头被树根缠绕而不能退土。

推轮式挖坑机在手提式设计基础上，将机架设计成独轮推车型，可用车轮作为支点，手柄端向下压便可进行挖坑。轮体可将反向转矩吸收，从而增加使用操作的安全性。

背负式挖坑机是通过防震支架将发动机置于后背，动力通过软轴连接在减速器和钻头中间，实现弯曲传递动力。其工作原理与手提式挖坑机相同。

1.2 悬挂式挖坑机

悬挂式挖坑机分为前置式和后置式两种，见图2。挖坑机的机架安装在拖拉机前端或后端，拖拉机发动机既作为移动动力源，也作为挖坑动力源，应用范围广，传递动力大，可以挖深坑和在坚硬土质上作业，工作效率高，节省人力，适于大面积植树，也可用于其他挖坑用途。

挖坑机的机架通过螺栓安装在拖拉机上，拖拉机不需改动，机架升降、移动由液压缸推动，可实现钻头的上下垂直移动，用以控制钻头定位和挖坑。有的可实现上下左右四个方向移动，更加灵活。拖拉机动力输出轴将动力通过十字轴万向节、传动轴、离合器、变速器等传动给钻头，实现变向、变速、变矩，保证钻头匀角速度旋转。为了约束钻头轨迹，通常安装曲线板或变向梯形定位装置，实现钻头方向位置的控制。还有一些挖坑机采用全液压传动，传动稳定、噪音更小。

挖坑机前置和后置各有特点，适于不同作业场景。

2 国内外挖坑机发展现状

2.1 国外研究现状

美国、日本、德国、加拿大等一些工业大国和农业大国的挖坑机技术先进，运用了智能化、人性化等设计。例如美国生产的MDL-5B型挖坑机采用4.1 kW发动机，机械臂设计较长，驾驶室距离发动机较远，降低噪音对人的影响。英国产05H8300型悬挂式挖坑机和美国产的悬挂式三钻头挖坑机可实现一次作业挖多个坑，行间距可调，平地作业效率大大提高。日本A-7型便携式挖坑机质量仅为7 kg，采用二冲程汽油发动机，可配多个钻头，结构紧凑，使用灵活，适合单人作业。日本还设计生产一种自走式挖坑整地机，它运用仿生学原理，使用复杂的机械连接轮胎和机械臂行走装置，由液压泵提供动力，可切换车轮行走和机械臂行走。机械臂行走时能保证驾驶室和钻头平行于地面，爬坡高度56 °，克服了地形限制，作业效率300～400个/d。

2.2 国内研究现状

目前，我国挖坑机生产行家很多，主要为走实用型路线，产品差异不大，但质量千差万别，许多为小作坊生产，同质化竞争加剧。利润水平不高。主要集中在山东、河北、浙江等省份。山东临汾祥烨园林有限公司生产的手提挖坑机，有单人操作、双人操作、推轮作业等多种型号，其中便携型搭载雅马哈99CC二冲程发动机，最大功率3.8 kW，最高转速9 600 r/min，钻头直径4～30cm偶数选择，深度70cm以内，减速增距传动比28～34，适于小面积作业，也适于山地、丘陵、沟壑等地形复杂地区作业。山东奥莱机械有限公司生产的后悬挂CM03型植树挖坑机搭载40马力以上拖拉机，采用双螺旋钻头，挖坑直径70～80 cm，深度最大90 cm，作业效率80～150个/h，适合大面积植树作业。济宁皓康机电设备有限公司生产的前悬挂式挖坑机配套100 kW动力，钻头和机架移动均为液压控制，操作简单，使用方便，不仅适于植树挖坑，还能移栽带原土的直径8～20 cm的树苗，挖坑直径高达100 cm，快速高效，一机多用。

2.3 存在的问题

国外挖坑机技术研究成熟而先进，主要用于大规模作业，节省大量人工。我国各地植树造林方兴未艾，现有挖坑机基本能够满足植树造林的需求，但尚有一些问题需要改进。一是通用性较差。挖坑机使用过程中一旦损坏，很难找到通用零部件及时替换。同时，使用不同动力机械时找不到通用的匹配挖坑机架。二是通过性研究不够。国外机械臂式挖坑机应用较多，适应性强。我国多数悬挂式挖坑机都能适合空旷平地作业，但实际上植树造林多在地形复杂地区进行，只能采用便携式挖坑机，作业效率较低。三是舒适性有待提高。没有考虑挖坑机作业的舒适性，作业时机器产生的噪音和振动对操作人员的影响较大。

3 挖坑机研究方向

3.1 提高通过性和适应性

挖坑机的作业环境千差万别，有的地方山坡坡度较大，有的地方地面不平拖拉机无法行走，这就需要进一步提升挖坑机的通过性。可以汲取国内外先进技术经验，采用履带式设计或四轮驱动方式，利用电控机械臂仿生学原理，开发出通过性好、适应性强的挖坑机产品。

3.2 提高钻头工艺质量水平

挖坑机最易损坏的部件是钻头，这就需要加强材料工艺研究，提高钻头的硬度和韧性，延长使用寿命。优化螺旋曲度设计，提升挖坑机作业质量和作业效率。

3.3 注重人性化设计

挖坑机作业时产生的振动和轰鸣声较大，这就需要在机架和拖拉机连接中要防止发生共振现象，在传动方式上，多采用液压传动等方式，以减少机械传动的噪声。通过这些人性化设计，提高操作者的舒适度，提高作业效率。

参考文献

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