手推减振式挖坑机的设计与试验*

齐嘉宝，水东莉，冯义扬，赵 竹，王铎润

（辽宁农业职业技术学院农业装备工程学院，辽宁 营口 115009）

挖坑机是一种使用便捷且应用广泛的整地机。适用于果园设桩、果树追肥、植树造林、城市绿化等整地作业，对提高生产效率和降低劳动强度具有重要意义[1-2]。然而，目前市场上挖坑机存在工作不平稳，坑穴垂直性差[3-5]，劳动强度较大，舒适性差，使用时产生较大振动等问题[6-7]。长期使用可能会导致操作者产生手部疾病或耳部疾病，影响其生活质量[8-10]。因此，研制安全性高、工作效率高、作业稳定、减振性好、使用舒适的挖坑机，以提高挖坑机的使用性和舒适性，避免对劳动者产生劳动伤害，对挖坑机的使用推广具有十分重要的意义[11-12]。

1 整体结构设计

手推减振式挖坑机整体由动力机构、隔音装置、减振弹簧、承载台、深度控制机构、车架等构成。其中深度控制机构由限位销、移动把手构成；动力机构由电机和钻头构成；隔音装置由隔音棉、隔音罩和隔音装置构成；承载机构由支撑台、支撑杆构成；车架由把手、支撑杆、稳定杆、导轨构成；以及车轮、开关、刻度孔等辅件构成。手推减振式挖坑机具体结构如图1所示。

图1 手推减振式挖坑机机构示意图

2 工作原理

作业时为一人一机，先根据坑径和坑深的要求选择适合的钻头；通过把手驱动车架，将挖坑机推至作业位置，通过稳固杆和车轮的相互作用，固定挖坑机。通过调整移动把手将限位销插入预设深度的刻度孔，设定好挖坑深度，按下动力开关，发动机带动钻头沿着轨道竖直自动向下运动，当达到设置深度后，限位销阻止钻头继续向下运动。过程中，隔音罩起到降低发动机产生的噪声的作用，同时隔音装置和减振弹簧的协同作用吸收挖坑时产生的振动。

3 主要技术参数

手推减振式挖坑机设计参数如表1所示。

表1 主要技术参数

4 关键部件结构

4.1 隔音装置

如图2 所示，隔音装置由减振装置、隔音棉和隔音罩构成，减振装置位于电机与隔音棉之间。其中减振装置由弹簧、限位槽、移动活塞、减振套、移动杆构成，如图3 所示。电机位于隔音罩内，作业时，通过减振套中移动杆、移动活塞、弹簧和电机四者之间的相互作用，限制电机的运动空间，减少电机产生振动，并且通过隔音棉和隔音罩降低电机产生的噪声传播。

图2 隔音装置示意图

图3 减振装置示意图

4.2 减振弹簧

减振弹簧通过压缩变形减轻动力机构对车架的动应力，达到减轻振动的目的。因等距弹簧有利于定量分析吸收振动力，提高机体的控制性[13]，本文根据GB/T 2089—2009《普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数（两端圈并紧磨平或制扁）》，选用碳素弹簧钢的等节距弹簧[13]，其具体参数见表2。

表2 减振弹簧技术参数

将表2 中的减振弹簧技术参数代入公式（1）中，得弹簧刚度k＝33.94 N/mm。

若预压力f＝F1＝300 N，代入公式（2）中，得弹簧预压缩长度L1＝8.8 mm，再将减振弹簧技术参数代入公式（3）和（4）中[13]，得工作载荷F2＝1 165.42 N，稳定工作时弹簧的行程L2＝34.34 mm。

当减振弹簧处于完全压缩状态，L1＝8.8 mm 时，将减振弹簧技术参数代入公式（5）和（6）：

当弹簧压缩完全时，弹簧极限工作行程L3＝ 105.2 mm，极限载荷F3＝3 570.49 N。

由此可知，减振弹簧的工作载荷极限为3 570.49 N，当工作载荷为1 165.42 N 时，工作效果最佳，且使弹簧的使用寿命得到保障。

5 试验

5.1 减振效果试验

采用LMS Test 系统分析该挖坑机的减振效果，将三向加速度传感器分别放置于车把和动力机构上，每隔50 Hz 测量一组两个位置的振动加速度值，并且对不同激励频率下的三方向振动加速度取均方根值，频率范围为0～500 Hz。

隔振率是反映减振效果的重要指标之一，其数值越大，说明机构的减振效果越显著。将不同激励频率下车把和动力机构三方向振动加速的均方根代入式子（7）中[14]。

式中：aa为动力机构位置的振动加速度值；ap为车把位置的振动加速度值；T为隔振率。不同激励频率该挖坑机的隔振率图，如图4所示。

图4 不同频率挖坑机的隔振率

由图4 可知，机构的隔振率范围为52.1%～ 91.6%，平均隔振率84.72%，说明通过隔音装置和减振弹簧的协同作用，使机构减振效果明显，可以有效减少车把端的振动感。

不同频率车把和动力机构端加速度曲线图，如图5所示。

图5 不同频率车把和动力机构端加速度

由图5 可知，不同频率下，车把端的加速度均小于动力机构端加速度。当频率为114 Hz 时，动力机构端和车把端的三方向振动加速度的均方根值最大，且由11.47 m/s 降至5.32 m/s，这是由于电机的转动频率和此处的激励频率在此处发生共振。这进一步表明机构的隔音装置和减振弹簧的协同作用可以有效阻隔动力机构产生的振动传向车把传递。

5.2 田间试验

为了检验手推减振式挖坑机的作业效果，在没有较大作物根茎和沙石的土壤环境中进行该挖坑机的性能试验[15]，具体试验条件见表3。测试指标包含作业效率、坑径、坑深、抛土半径等[16]，具体指标见表4。

表3 试验条件

表4 测试指标与技术标准对照表

试验表明，该挖坑机作业稳定性高，通过性良好，坑穴垂直度高，抛土效果好，动力配套合理，坑深、坑径、平均抛土半径、出土率均满足技术标准要求，其中出土率高达92.3%，作业效率达104 坑/小时，说明该挖坑机设计合理。

6 结论

1）手推减振式挖坑机的减振弹簧的工作载荷极限为3 570.49 N，当工作载荷为1 165.42 N 时，工作效果最佳。

2）隔音装置和减振弹簧的协同作用减振效果显著，机构的隔振率范围为52.1%～91.6%，平均隔振率84.72%，可以有效减少车把端的振动感。

3）手推减振式挖坑机作业稳定性高，通过性良好，坑穴垂直度高，平均出土率92.3%，作业效率104坑/小时。