淺析一種沙漠植樹(shù)鉆孔機(jī)械的設(shè)計(jì)

張藝博，謝艷梅，周小愉

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710399）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)環(huán)境狀況日益惡劣，特別是荒漠化和沙化問(wèn)題日益嚴(yán)重，我國(guó)是世界上荒漠化、沙化面積最大的國(guó)家，荒漠化發(fā)生率居于高位，為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，改善我國(guó)環(huán)境現(xiàn)狀，國(guó)家大力提倡生態(tài)造林項(xiàng)目，積極推進(jìn)我國(guó)林業(yè)的發(fā)展，但土地荒漠化和沙化的趨勢(shì)尚未得到根本改變，全國(guó)還有31萬(wàn)km2具有明顯沙化趨勢(shì)的土地。

在荒漠地區(qū)植樹(shù)，尤其在沙漠上植樹(shù)是十分困難的，傳統(tǒng)的植樹(shù)方式人工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低下，而已有的大型植樹(shù)機(jī)械面臨著諸如地形等作業(yè)環(huán)境的限制，而中小型植樹(shù)機(jī)械鉆孔深度有限停留在表層，且缺少配套的灌溉注水裝置，極大的降低了樹(shù)苗的成活率。

2 設(shè)計(jì)思路

沙漠植樹(shù)機(jī)械是機(jī)械化植樹(shù)造林的主要設(shè)備，按坑形分，沙漠植樹(shù)機(jī)械可分為連續(xù)開(kāi)溝式、間斷開(kāi)溝式和選擇挖坑式三種，如圖1所示，連續(xù)開(kāi)溝式和間斷開(kāi)溝式植樹(shù)機(jī)在工作時(shí)，開(kāi)溝器切開(kāi)、破碎和推移土壤，形成連續(xù)或間斷的栽植溝。苗木按規(guī)定的栽植深度和株距被栽入溝內(nèi)，覆土壓實(shí)輪隨即推擁苗木周圍的土壤并壓實(shí)。這兩種機(jī)械只適用于較平坦的地區(qū)，而且其破壞地表原有植被很嚴(yán)重，栽種樹(shù)苗的對(duì)中性較差，不適用于本來(lái)地表植被很少的荒漠化地區(qū)。本文中的沙漠植樹(shù)鉆孔機(jī)械為選擇挖坑式，可以定點(diǎn)植樹(shù)，對(duì)生態(tài)破壞小，可應(yīng)用于山地與丘陵地帶等多種地形。

圖1 植樹(shù)機(jī)械坑形分類

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

本文中所設(shè)計(jì)的沙漠植樹(shù)鉆孔器由環(huán)形鉆筒、鉆桿、鉆頭夾具、鉆頭、托架、水箱、車輪盤(pán)、車輪等部件組成，該沙漠植樹(shù)鉆孔器是一種雙層套管型的金屬管狀植樹(shù)器，可以在沙漠針對(duì)松散的沙土快速省力的鉆出所種植樹(shù)苗孔徑大小的孔洞，并且可以針對(duì)不同樹(shù)苗類型依據(jù)鉆筒孔壁刻度線調(diào)整鉆進(jìn)深度（圖2）。

圖2 沙漠植樹(shù)鉆孔機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

沙漠植樹(shù)鉆孔器的托架側(cè)端安裝有軸承，軸承外圈與車輪盤(pán)固結(jié)，車輪盤(pán)呈120°三角形，車輪安裝在車輪盤(pán)上，可隨車輪盤(pán)作圓周運(yùn)動(dòng)，復(fù)雜爬坡地形，車輪盤(pán)調(diào)整方位角使車輪旋轉(zhuǎn)到固定角度以適應(yīng)不同地形需要；環(huán)形鉆筒固定安裝在托架一側(cè)的圓孔內(nèi)，螺栓穿過(guò)環(huán)形鉆筒的限位孔相切與鉆桿的滑槽，一字連接件Ⅱ一端孔與螺栓形成間隙配合，另一端鉚接于轉(zhuǎn)動(dòng)軸，一字連接件Ⅰ與鉆桿通過(guò)第一銷軸連接并限制在環(huán)形鉆筒的滑道內(nèi)，一字連接件Ⅰ左端孔與第二銷軸連接，鉆桿末端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)固結(jié)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸與鉆頭夾具相連，鉆頭夾具夾緊鉆頭，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸帶動(dòng)鉆頭夾具及鉆頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，牽引推拉桿帶動(dòng)鉆孔植樹(shù)器到達(dá)指定作業(yè)位置，通過(guò)向下壓動(dòng)第二銷軸，迫使第二銷軸帶動(dòng)鉆桿在環(huán)形鉆筒的滑道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，配合鉆頭的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)；托架另一側(cè)放置有水箱，水箱通過(guò)引流管將水箱內(nèi)的水引至鉆孔作業(yè)位置處，避免鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程因沙地松軟導(dǎo)致的孔壁坍塌，同時(shí)浸濕土壤，為后續(xù)栽植的樹(shù)苗提供一個(gè)濕潤(rùn)的生存環(huán)境。環(huán)形鉆筒滑道兩側(cè)標(biāo)有刻度線，可直觀測(cè)量鉆頭鉆進(jìn)深度，鉆頭鉆進(jìn)至指定深度后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，向上提拉第二銷軸，鉆頭螺旋葉片裹挾沙屑向孔外運(yùn)動(dòng)，牽引推拉桿帶動(dòng)鉆孔植樹(shù)器移動(dòng)至下一作業(yè)點(diǎn)，至此，鉆孔作業(yè)整個(gè)過(guò)程完成，樹(shù)苗可插入鉆好的孔內(nèi)，將沙土填平即可；可根據(jù)不同類型的樹(shù)苗選取更換不同尺寸的鉆頭，滿足鉆孔植樹(shù)要求。

4 壓桿受力分析

鉆進(jìn)過(guò)程主要通過(guò)對(duì)一字連接件施加向下的壓力，帶動(dòng)銷軸在環(huán)形鉆筒滑道內(nèi)滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭向下鉆進(jìn)，現(xiàn)對(duì)一字連接件進(jìn)行受力分析。AC=450mm，AD=100mm；選取LVIB3×14×30.25 GB/T 2088的彈簧；考慮潤(rùn)滑環(huán)型套筒管壁的摩擦系數(shù)f=0.3（圖3）。

圖3

初始狀態(tài)，桿件自然下垂，壓動(dòng)鉆桿鉆進(jìn)所需要的初始?jí)毫為

式中，F(xiàn)為D點(diǎn)作用的壓力；K為彈簧得剛度；LAC為AC段長(zhǎng)度；X為彈簧伸長(zhǎng)量；L彈為彈簧原長(zhǎng)度。

代入公式計(jì)算得F=54.225N≈5.5kgf

中間狀態(tài)，桿件旋轉(zhuǎn)到某一角度時(shí)，鉆頭向沙地所施加得最大鉆進(jìn)壓力P（忽略桿件及鉆頭自重）：

圖4

化簡(jiǎn)得：

式中，X′為彈簧伸長(zhǎng)量；f為環(huán)形鉆筒孔壁動(dòng)摩擦系數(shù)；P為鉆桿對(duì)沙地的壓力。

代入公式計(jì)算得出如表1所示。

表1

由上述數(shù)據(jù)可得當(dāng)施加一定時(shí)，角度與之間有如下關(guān)系：隨著角度的增大，大小近似呈線性減小，故為保持鉆孔過(guò)程中鉆進(jìn)壓力，對(duì)一字連接件施加的壓力也應(yīng)隨角度增大而按比例增加。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的沙漠植樹(shù)鉆孔機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，改善了傳統(tǒng)的鉆孔方式較為單一、孔壁容易塌陷合攏、孔深較淺樹(shù)苗種植受到制約等缺點(diǎn)，可根據(jù)不同樹(shù)苗類型，更換鉆頭大小以滿足鉆進(jìn)孔徑、孔深等需求，架體可與水箱營(yíng)養(yǎng)液相配套，極大的提高了樹(shù)苗栽種的成活率，并分析了鉆桿鉆進(jìn)所需要的初始?jí)毫般@進(jìn)過(guò)程中角度與鉆桿壓力間的關(guān)系，本文設(shè)計(jì)的沙漠植樹(shù)鉆孔機(jī)械可以大幅提升現(xiàn)階段沙漠植樹(shù)鉆孔種植的效率，彌補(bǔ)了大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法實(shí)施作業(yè)等地形的空缺，對(duì)于抑制土地荒漠化與植樹(shù)綠化領(lǐng)域有著重要意義。