國(guó)內(nèi)外果木栽植機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

康杰 孫為云 周喜 雷騰飛

摘 要：在機(jī)械化造林及果木栽植設(shè)備中挖坑機(jī)是一種不可或缺的機(jī)具，挖坑機(jī)會(huì)直接影響果木栽植和植樹造林的速度和質(zhì)量。介紹了國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了挖坑機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，并且展望了挖坑機(jī)研制的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：挖坑機(jī);果木栽植;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

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

0 引言

林果業(yè)是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的急劇調(diào)整，森林覆蓋率與林果種植面不斷擴(kuò)大。當(dāng)前，該產(chǎn)業(yè)已成為中國(guó)種植業(yè)中的又一大新興產(chǎn)業(yè)[2]。目前中國(guó)人均水果質(zhì)量與世界其它國(guó)家相比差距較大，但近年來隨著人們消費(fèi)水平的提高和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的日益多元化，對(duì)水果的需求將會(huì)大大增加，所以提高林果種植面積，大力發(fā)展水果業(yè)，已成為當(dāng)前的首要任務(wù)。

目前中國(guó)有約十億畝荒山荒地急待綠化造林，有一千多萬畝采伐跡地需要造林更新[3]。各級(jí)政府因地制宜，在丘陵、河川、坡地等不適于農(nóng)作物生長(zhǎng)的地方發(fā)展林果業(yè)，已成為發(fā)展經(jīng)濟(jì)、最終實(shí)現(xiàn)小康的規(guī)劃目標(biāo)。

近年來經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于丘陵、坡地土質(zhì)及地形自身所具有的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)針對(duì)丘陵、坡地的小型果樹林木種植機(jī)械的研究少之又少。因此，精準(zhǔn)把握果木栽植機(jī)械—挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，研制針對(duì)不同形貌地勢(shì)研制相應(yīng)果樹栽培機(jī)械已成為當(dāng)前農(nóng)機(jī)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

1 挖坑機(jī)的類型及設(shè)計(jì)要求

1.1 挖坑機(jī)的類型

用于果木栽植的挖坑機(jī)種類非常多，按照與配套動(dòng)力的掛機(jī)方式可將其分為手提式、懸掛式、自走式及牽引式挖坑機(jī);按挖坑機(jī)鉆頭數(shù)量配置的情況可分為多鉆頭、雙鉆頭和單鉆頭挖坑機(jī)，而它的鉆頭根據(jù)其形狀又可分為葉片型、螺旋式、螺旋齒式和螺旋帶式等鉆頭[4]。

（1）懸掛式挖坑機(jī)，是將機(jī)器懸掛在動(dòng)力機(jī)械上，它主要用于底心平緩或動(dòng)力機(jī)械便于通行的地區(qū)，該類型挖坑機(jī)的挖坑直徑和深度比較大，同時(shí)還可多鉆頭作業(yè)。

（2）手提式挖坑機(jī)，它是將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與挖坑機(jī)裝配成為一個(gè)整體，有操作者手提作業(yè)，該類型的挖坑機(jī)質(zhì)量較輕，適合于動(dòng)力機(jī)械不方便行走丘陵山地較多、地形復(fù)雜的地帶，挖坑直徑和深度都比較小。

（3）牽引式挖坑機(jī)，是將該機(jī)直接由動(dòng)力機(jī)械牽引，掛接方便，不受動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，但該類型的挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)動(dòng)性較差。

（4）自走式挖坑機(jī)，該類型的機(jī)器通過性能較好，而且本身能夠提供動(dòng)力，自動(dòng)化程度高，同時(shí)成本也較高。

1.2 挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)要求

（1）挖坑機(jī)對(duì)挖出坑徑具有一定的垂直度有很高的要求，坑壁應(yīng)整齊。

（2）挖坑機(jī)挖出的坑深與坑徑必須滿足栽植林果數(shù)量的要求。

（3）挖坑時(shí)土壤的拋出范圍不宜過大，以便土壤回填方便。

2 國(guó)內(nèi)外果木栽植機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外果木栽植機(jī)械種類非常之多，尤其是以挖坑機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。它是由動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的立軸旋轉(zhuǎn)式土工機(jī)械，是一種重要的土壤作業(yè)機(jī)械。主要用于果樹栽培及其他樹種栽培前的穴狀整地作業(yè) [5]。手提式和牽引式挖坑機(jī)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，適合于山地丘陵和小坡度的山丘的挖坑作業(yè)，工作適應(yīng)能力較強(qiáng)，但缺點(diǎn)是操作者的疲勞強(qiáng)度高;懸掛式挖坑機(jī)是將拖拉機(jī)做為主要?jiǎng)恿敵鰟?dòng)力源。懸掛式坑機(jī)與手提式挖坑機(jī)相比，其特點(diǎn)主要是：機(jī)動(dòng)靈活，動(dòng)力足，非常適合挖掘直徑較大、坑深較深的坑穴，同時(shí)該機(jī)的掛具形式紛繁復(fù)雜，即可懸掛于動(dòng)力機(jī)械的相應(yīng)部位，還可配備于多種不同機(jī)型的牽引機(jī)械，但它也有明顯的缺點(diǎn)，即作業(yè)范圍受到較大的限制，不適合丘陵和大坡度山地等地區(qū)。

1958年，中國(guó)第一次成功研制出拖拉機(jī)懸掛式挖坑機(jī)和手提式挖坑機(jī)，十五年后，ZW5、ZB5型號(hào)的挖坑機(jī)也相繼問世，該機(jī)器一度發(fā)展為其它同類型產(chǎn)品后被批量生產(chǎn)[6]。2000年以后，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)手提式及自走式挖坑機(jī)。目前挖坑機(jī)主要生產(chǎn)廠家有：北京沃林，赤峰田豐農(nóng)林機(jī)械廠、山東大豐機(jī)械有限公司等。

北京沃林生產(chǎn)的雷神系列SD-B350型號(hào)的便攜挖坑機(jī)（圖1a）可由一個(gè)操作員操作，也可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作員共同操作，山東大豐機(jī)械有限公司研制的DY-40K型機(jī)具（圖1b）均屬于便攜式類型的挖坑機(jī)。

赤峰田豐農(nóng)機(jī)廠生產(chǎn)的3WH-60型懸掛式挖坑機(jī)，具有易于操作，結(jié)構(gòu)合理的特點(diǎn)，每小時(shí)可挖高達(dá)一百六十個(gè)坑。此外我國(guó)還有研制了W-80D、WX-70、ZW-72等系列型號(hào)的機(jī)具如圖1（c）所示即為3WH-60型懸掛式液壓挖坑機(jī)。

相比國(guó)內(nèi)對(duì)果木栽植機(jī)械的研究，國(guó)外（日本、美國(guó)、德國(guó)等）的研發(fā)一直處于領(lǐng)先地位。尤其是在便攜式挖坑機(jī)機(jī)型的研究制造上，歐美、日本等一些國(guó)家發(fā)展水平曾一度領(lǐng)先，比如美國(guó)的A-7型手提式挖坑機(jī)，質(zhì)量不足十公斤，采用H35D型發(fā)動(dòng)機(jī)作為牽引的動(dòng)力源;加拿大研制的A-8D 型挖坑機(jī)，所挖坑的直徑徑范圍可以精確控制在20-200mm;日本生產(chǎn)的G431型、AG530型，德國(guó)STIHL生產(chǎn)的BTl20C型挖坑機(jī)等都是市場(chǎng)主流的便攜式、手提式類型挖坑機(jī)（如圖2）。

國(guó)外研制機(jī)具充分考慮了人機(jī)工程學(xué)原理，比如通過液壓裝置將容易發(fā)生劇烈抖動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在距人較遠(yuǎn)的地方;同時(shí)在增加其安全性的前提下，極大程度上減輕了操作者的疲勞。

目前，便攜式、懸掛式兩種類型的挖坑機(jī)是國(guó)內(nèi)的主流，直徑在0.6m以上的大坑適合用懸掛式挖坑機(jī)施工，而便攜式挖坑機(jī)的挖坑直徑一般在0.3以下（其所挖坑徑小的主要原因是受機(jī)具功率的限制），但是自林果、幼苗等苗木栽植過程中，其根莖生長(zhǎng)條件往往要求坑徑一般應(yīng)介于0.30 m-0.6 m之間，另外，針對(duì)復(fù)雜工況的挖坑作業(yè)機(jī)械種類又非常之少，因此大力研制大功率、適于復(fù)雜條件的林果栽植機(jī)械成已成為當(dāng)前農(nóng)機(jī)具發(fā)展的大趨勢(shì)。

3 國(guó)內(nèi)外理論研究方向

無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)挖坑機(jī)理論方面的研究目前大都停留在其關(guān)鍵零部件部件結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)等方面，尤其是這些參數(shù)對(duì)機(jī)器性能方面影響的研究頗多。比如最近，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的李學(xué)超則對(duì)挖坑機(jī)具螺旋鉆頭的工作過程進(jìn)行了ANSYS模擬仿真，獲得一些理論研究方面的突破性進(jìn)展[7]。

值得一提的是，目前機(jī)具結(jié)構(gòu)性能一體化設(shè)計(jì)與工作過程仿真模擬已成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的必然方向，這種發(fā)生在樣機(jī)制造出來之前，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真的方法不僅極大地縮短設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試等的周期，同時(shí)機(jī)具設(shè)計(jì)的可靠性和安全度也在一定程度上得到了很大的提高。

4 發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)原理：操作者為人的各種機(jī)械設(shè)備，都應(yīng)盡可能的完善人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，使機(jī)具符合操作者的生理和心理學(xué)特性，進(jìn)而最大程度地減輕操作者的心理負(fù)擔(dān)和操作疲勞，使整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)具有最和諧的關(guān)系和最優(yōu)化的綜合效能。

機(jī)器實(shí)用的多功能性：根據(jù)中國(guó)的地情地貌，栽植果木及造林植樹表現(xiàn)出極大的區(qū)域性和季節(jié)性，所以果木栽植機(jī)械類的機(jī)具作業(yè)場(chǎng)所、時(shí)間極其有限，機(jī)具的較低使用率使得單一性能表現(xiàn)尤為突出，因此在今后對(duì)挖坑機(jī)的研發(fā)、制造過程中必須考慮單機(jī)多用的問題。

總之，挖坑機(jī)的研發(fā)、制造必須根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)，因地制宜。對(duì)于大規(guī)模的造林區(qū)，應(yīng)積極開發(fā)高效率、高自動(dòng)化程度的多頭大型挖坑植樹機(jī)具，而對(duì)于小面積的陡坡、高山和多石的地區(qū)，應(yīng)開發(fā)機(jī)動(dòng)靈活、小型的便攜式挖坑機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于建國(guó)，屈錦衛(wèi).國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006，12（12）：38-41.

[2]蔣泉山.植樹挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2006，34 （05）：24-25.

[3]卓鳳英，程祥之，杜世敏等.營(yíng)林液壓挖坑機(jī)的研制[J].南京林產(chǎn)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1983（02）：75-82.

[4]卓鳳英.挖坑機(jī)[M].中國(guó)林業(yè)出版社，1989.

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[6]茅也冰.石質(zhì)山地手提式挖坑機(jī)鉆頭的研制[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，13（03）：42-49.

[7]李學(xué)超.液壓挖坑機(jī)的研制及其關(guān)鍵部件工作過程仿真[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：康杰（1985-），男，河南開封人，碩士，助教，研究方向：計(jì)算機(jī)模擬仿真、特種加工技術(shù)（激光加工）。