挖坑機(jī)在林業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

房強(qiáng)

摘要：挖坑機(jī)是植樹造林中使用最多的機(jī)械。隨著我國生態(tài)保護(hù)意識的增強(qiáng)和植樹造林的需要，對挖坑機(jī)需求較大，技術(shù)要求越來越高。介紹常用的便攜式和懸掛式挖坑機(jī)工作原理及其應(yīng)用范圍和典型機(jī)具，分析挖坑機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，提出技術(shù)研究方向。

關(guān)鍵詞：林業(yè);挖坑機(jī);現(xiàn)狀;問題

綠水青山就是金山銀山。隨著我國生態(tài)保護(hù)意識的提高，林業(yè)發(fā)展進(jìn)入了快車道。2019年我國造林面積706.7萬hm2，高居世界首位，森林覆蓋率接近23%。傳統(tǒng)造林以人工為主，速度慢、效率低、工作強(qiáng)度大、人工成本高。林業(yè)機(jī)械化的應(yīng)用有助于提高作業(yè)效率、降低體力消耗、節(jié)省造林成本，成為林業(yè)發(fā)展的重要支撐。挖坑機(jī)作為植樹造林使用較多的機(jī)械，其應(yīng)用較為廣泛。

1 挖坑機(jī)分類及原理

常用的挖坑機(jī)主要有便攜式挖坑機(jī)和懸掛式挖坑機(jī)。便攜式挖坑機(jī)使用靈活，效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工挖坑，在山坡、窄小地塊等地方均可使用。懸掛式挖坑機(jī)通常配合拖拉機(jī)作業(yè)，在地形允許的情況下可以實現(xiàn)大面積植樹作業(yè)，使用方便，動力強(qiáng)勁，效率更高。

1.1 便攜式挖坑機(jī)

便攜式挖坑機(jī)分為手提式挖坑機(jī)（包括推輪式）和背負(fù)式挖坑機(jī)，主要由動力機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、鉆頭等組成，見圖1。

1） 動力機(jī)構(gòu)是將其他形式的能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。可選用電機(jī)、發(fā)動機(jī)或使用電機(jī)加增程器（發(fā)動機(jī)），林間工作通常選用1.1～4.3 kW的二沖程汽油發(fā)動機(jī)。

2） 傳動機(jī)構(gòu)是將發(fā)動機(jī)曲軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鉆頭，并且實現(xiàn)改變方向，輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，一般由離合器、減速器、傳動軸（軟軸）、變速器、萬向節(jié)等組成。離合器通常采用離心式摩擦片離合器，直接與發(fā)動機(jī)輸出軸相連，通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制完成動力傳遞或切斷。當(dāng)鉆頭遇到石塊或樹根等硬物時，可通過摩擦片打滑來切斷動力。減速器與離合器輸出軸相連，起到降速增矩的作用。便攜式挖坑機(jī)體積較小，通常采用行星齒輪或擺線針輪減速器，通過萬向節(jié)和傳動軸將動力作用于固定鉆頭。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、噪聲小。

3） 操縱機(jī)構(gòu)制成手柄狀，便于操作人員把握。目前有單人操縱、雙人操縱機(jī)兩種，也有廠家將其改進(jìn)成推輪式機(jī)架，移動方便、操縱簡便、防止震手。手柄內(nèi)帶有手動油門，通過控制進(jìn)氣量調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，通過離合器控制鉆頭工作狀態(tài)。

4） 鉆頭可根據(jù)需要選擇不同長短粗細(xì)的型號;刀片有螺旋狀、彎刀狀、葉片狀;刀尖呈一定角度的圓錐形，可定位進(jìn)土。鉆頭旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)土片旋出坑內(nèi)積土。鉆頭工作速度通常為150～350 r/min，這個速度可使刀片圓周速度較慢，防止出現(xiàn)積土甩飛安全隱患。

手提式挖坑機(jī)的鉆頭與傳動機(jī)構(gòu)剛性鏈接，發(fā)動機(jī)在鉆頭正上方，輸出動力通過離合器、減速器直接作用于鉆頭。通過安裝倒轉(zhuǎn)齒輪還可以實現(xiàn)鉆頭反旋，防止鉆頭被樹根纏繞而不能退土。

推輪式挖坑機(jī)在手提式設(shè)計基礎(chǔ)上，將機(jī)架設(shè)計成獨輪推車型，可用車輪作為支點，手柄端向下壓便可進(jìn)行挖坑。輪體可將反向轉(zhuǎn)矩吸收，從而增加使用操作的安全性。

背負(fù)式挖坑機(jī)是通過防震支架將發(fā)動機(jī)置于后背，動力通過軟軸連接在減速器和鉆頭中間，實現(xiàn)彎曲傳遞動力。其工作原理與手提式挖坑機(jī)相同。

1.2 懸掛式挖坑機(jī)

懸掛式挖坑機(jī)分為前置式和后置式兩種，見圖2。挖坑機(jī)的機(jī)架安裝在拖拉機(jī)前端或后端，拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)既作為移動動力源，也作為挖坑動力源，應(yīng)用范圍廣，傳遞動力大，可以挖深坑和在堅硬土質(zhì)上作業(yè)，工作效率高，節(jié)省人力，適于大面積植樹，也可用于其他挖坑用途。

挖坑機(jī)的機(jī)架通過螺栓安裝在拖拉機(jī)上，拖拉機(jī)不需改動，機(jī)架升降、移動由液壓缸推動，可實現(xiàn)鉆頭的上下垂直移動，用以控制鉆頭定位和挖坑。有的可實現(xiàn)上下左右四個方向移動，更加靈活。拖拉機(jī)動力輸出軸將動力通過十字軸萬向節(jié)、傳動軸、離合器、變速器等傳動給鉆頭，實現(xiàn)變向、變速、變矩，保證鉆頭勻角速度旋轉(zhuǎn)。為了約束鉆頭軌跡，通常安裝曲線板或變向梯形定位裝置，實現(xiàn)鉆頭方向位置的控制。還有一些挖坑機(jī)采用全液壓傳動，傳動穩(wěn)定、噪音更小。

挖坑機(jī)前置和后置各有特點，適于不同作業(yè)場景。

2 國內(nèi)外挖坑機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

美國、日本、德國、加拿大等一些工業(yè)大國和農(nóng)業(yè)大國的挖坑機(jī)技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)用了智能化、人性化等設(shè)計。例如美國生產(chǎn)的MDL-5B型挖坑機(jī)采用4.1 kW發(fā)動機(jī)，機(jī)械臂設(shè)計較長，駕駛室距離發(fā)動機(jī)較遠(yuǎn)，降低噪音對人的影響。英國產(chǎn)05H8300型懸掛式挖坑機(jī)和美國產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機(jī)可實現(xiàn)一次作業(yè)挖多個坑，行間距可調(diào)，平地作業(yè)效率大大提高。日本A-7型便攜式挖坑機(jī)質(zhì)量僅為7 kg，采用二沖程汽油發(fā)動機(jī)，可配多個鉆頭，結(jié)構(gòu)緊湊，使用靈活，適合單人作業(yè)。日本還設(shè)計生產(chǎn)一種自走式挖坑整地機(jī)，它運(yùn)用仿生學(xué)原理，使用復(fù)雜的機(jī)械連接輪胎和機(jī)械臂行走裝置，由液壓泵提供動力，可切換車輪行走和機(jī)械臂行走。機(jī)械臂行走時能保證駕駛室和鉆頭平行于地面，爬坡高度56 °，克服了地形限制，作業(yè)效率300～400個/d。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國挖坑機(jī)生產(chǎn)行家很多，主要為走實用型路線，產(chǎn)品差異不大，但質(zhì)量千差萬別，許多為小作坊生產(chǎn)，同質(zhì)化競爭加劇。利潤水平不高。主要集中在山東、河北、浙江等省份。山東臨汾祥燁園林有限公司生產(chǎn)的手提挖坑機(jī)，有單人操作、雙人操作、推輪作業(yè)等多種型號，其中便攜型搭載雅馬哈99CC二沖程發(fā)動機(jī)，最大功率3.8 kW，最高轉(zhuǎn)速9 600 r/min，鉆頭直徑4～30cm偶數(shù)選擇，深度70cm以內(nèi)，減速增距傳動比28～34，適于小面積作業(yè)，也適于山地、丘陵、溝壑等地形復(fù)雜地區(qū)作業(yè)。山東奧萊機(jī)械有限公司生產(chǎn)的后懸掛CM03型植樹挖坑機(jī)搭載40馬力以上拖拉機(jī)，采用雙螺旋鉆頭，挖坑直徑70～80 cm，深度最大90 cm，作業(yè)效率80～150個/h，適合大面積植樹作業(yè)。濟(jì)寧皓康機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的前懸掛式挖坑機(jī)配套100 kW動力，鉆頭和機(jī)架移動均為液壓控制，操作簡單，使用方便，不僅適于植樹挖坑，還能移栽帶原土的直徑8～20 cm的樹苗，挖坑直徑高達(dá)100 cm，快速高效，一機(jī)多用。

2.3 存在的問題

國外挖坑機(jī)技術(shù)研究成熟而先進(jìn)，主要用于大規(guī)模作業(yè)，節(jié)省大量人工。我國各地植樹造林方興未艾，現(xiàn)有挖坑機(jī)基本能夠滿足植樹造林的需求，但尚有一些問題需要改進(jìn)。一是通用性較差。挖坑機(jī)使用過程中一旦損壞，很難找到通用零部件及時替換。同時，使用不同動力機(jī)械時找不到通用的匹配挖坑機(jī)架。二是通過性研究不夠。國外機(jī)械臂式挖坑機(jī)應(yīng)用較多，適應(yīng)性強(qiáng)。我國多數(shù)懸掛式挖坑機(jī)都能適合空曠平地作業(yè)，但實際上植樹造林多在地形復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行，只能采用便攜式挖坑機(jī)，作業(yè)效率較低。三是舒適性有待提高。沒有考慮挖坑機(jī)作業(yè)的舒適性，作業(yè)時機(jī)器產(chǎn)生的噪音和振動對操作人員的影響較大。

3 挖坑機(jī)研究方向

3.1 提高通過性和適應(yīng)性

挖坑機(jī)的作業(yè)環(huán)境千差萬別，有的地方山坡坡度較大，有的地方地面不平拖拉機(jī)無法行走，這就需要進(jìn)一步提升挖坑機(jī)的通過性?？梢约橙鴥?nèi)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗，采用履帶式設(shè)計或四輪驅(qū)動方式，利用電控機(jī)械臂仿生學(xué)原理，開發(fā)出通過性好、適應(yīng)性強(qiáng)的挖坑機(jī)產(chǎn)品。

3.2 提高鉆頭工藝質(zhì)量水平

挖坑機(jī)最易損壞的部件是鉆頭，這就需要加強(qiáng)材料工藝研究，提高鉆頭的硬度和韌性，延長使用壽命。優(yōu)化螺旋曲度設(shè)計，提升挖坑機(jī)作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率。

3.3 注重人性化設(shè)計

挖坑機(jī)作業(yè)時產(chǎn)生的振動和轟鳴聲較大，這就需要在機(jī)架和拖拉機(jī)連接中要防止發(fā)生共振現(xiàn)象，在傳動方式上，多采用液壓傳動等方式，以減少機(jī)械傳動的噪聲。通過這些人性化設(shè)計，提高操作者的舒適度，提高作業(yè)效率。

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