减震手提式挖坑机的结构设计与试验

2021-08-11水东莉

辽宁农业职业技术学院学报 2021年4期

水东莉

（辽宁农业职业技术学院，辽宁营口 115009）

随着农业机械化的不断推进，挖坑机已被广泛应用于农业生产。因其可以降低劳动强度、提高生产效率和提高整地的质量，故被广泛应用于植树造林、果树施肥、四旁绿化和农业大棚安置地桩等[1]场所。目前，市场上挖坑机主要包括手提式和悬挂式两类[2]。其中手提式挖坑机，由于不具有减震降噪音的作用，长时间工作，会给劳动者的耳膜带来不同程度的伤害，严重威胁着操作者的身心健康[3-4]。

针对上述问题，我们设计出一种结构简单，易于操作，具有减震降噪音功能的手提式挖坑机。该挖坑机提高了使用的舒适性，降低了劳动强度，操作简单且通过性好，对促进我国挖坑机的推广具有现实意义。

1 总体结构设计及工作原理

减震手提式挖坑机主要由手柄、承载板、电机、隔音罩、隔音棉、减震装置和钻头等部分组成。电机置于隔音罩的内腔，隔音罩的材质为铝合金板，其厚度为5 mm。隔音罩和电机由承载板承接，钻杆贯穿承载板。隔音罩的内壁设有隔音棉，减震装置位于隔音棉与电机之间。总体结构设计如图1所示。

图1 减震手提式挖坑机结构示意图

挖坑作业时，操作者手提挖坑机，动力由配套的电机提供给钻头，带动其转动，钻头对土壤进行切削，被切削的土壤随着钻头的转动，沿着螺旋叶片输送至地表并抛出坑穴外。通过隔音罩、隔音棉、减震装置和电机的相互配合，起到减震降噪音的作用。

2 主要技术参数

为了满足设计要求，挖坑机的主要技术参数见表1。

表1 挖坑机主要技术参数

3 关键部件

3.1 减震装置

如图2、图3所示，减震装置由减震杆，减震座，移动板，限位槽和减震弹簧构成。减震杆的一端设有移动板，减震座的内腔两侧设有限位槽，用于与移动板相适配，减震座与移动板的底部之间由减震弹簧连接。通过减震杆、减震座、移动板、减震弹簧、隔音棉、隔音罩以及电机之间的相互配合，使挖坑机具有减震降噪音的作用。

图2 减震装置内腔结构示意图

图3 减震装置俯视结构示意图

3.2 钻头设计分析

钻头是挖坑机的重要工作部件，由转杆、螺旋叶片和切土刀片组成，如图4所示。作业时，钻尖、切土刀片和螺旋叶片始终与土壤发生摩擦，使钻头表面产生较大的磨损，在较大的冲击力作用下甚至可能发生弯折，导致作业失效。通过对钻头进行渗硼处理，使其表面形成高耐磨、高耐蚀和高硬度的合金层，从而提高钻头的使用寿命[5]。

图4 钻头结构示意图

作业时，当钻头的转速大于土壤的临界转速，且土壤的离心力大于所受的摩擦力时，切削的土壤通过叶片的螺旋运动被抛出坑穴，且土壤不宜抛出太远。所以，钻头的工作转速需在一定范围，将选用钻头的参数和常量代入公式（1）得出钻头的有效作业转速范围[6]为182 r/min～568 r/min。

式中：Φ为钻头的直径（m）；μ为土壤的摩擦系数，普通沙土一般取0.58-0.7；g为重力加速度，取9.8 m/s；β为钻头的外径螺旋升角（度）；ω为钻头的角速度（r/s）；h为螺距（m）；ψ1为螺旋面与土垡间的摩擦角，一般取21°-30°；ψ2为土壤的内摩擦角，一般取25°；α为钻头的内径螺旋升角（度）。

3.3 手柄的设计

挖坑机的手柄设计如图1所示，承载板底部的一端设有手柄，手柄通过固定柱与承载板进行固定连接，防止手柄在使用时出现松动的状况。手柄的提握处外表面包了一层防滑套，防滑套与手柄通过粘合剂连接，可对手柄起到防滑减震的作用。

4 试验

4.1 减振效果分析

为了研究挖坑机的减振效果，分别在手柄端和电动机端布置三向加速度传感器，采用LMS Test系统对振动信号进行采集和数据处理分析。取不同激励频率下手柄端和电动机端加速度的均方根值，对比加速度反映减振效果。具体试验结果如图5所示。

图5 手柄和电动机端加速度响应曲线

由图5可知，不同激励频率下手柄端的振动加速值均小于电动机端的振动加速值。其中，当激励频率为86 Hz时，电动机端和手柄端的振动加速度值分别达到最大，且由15.46 m/s降至2.13 m/s。说明减震装置起到了减振作用，且效果显著。

4.2 田间试验

为了测试减震手提式挖坑机的经济性能指标和减震降噪的效果，于2020年4月7日对样机进行了田间试验。试验田地下无较大作物根茎和沙石，土壤坚实度为3.76×104MPa，含水量为19.7%。样机由一人单独操作，挖坑直径为300 mm，深度为400 mm，试验坑距为2 m。测试包括坑型的尺寸、噪声、抛土半径及作业效率等内容，具体试验结果见表2。