第４期（总第２０５期） 农产品加工。学刊 Ｎｏ．４ ２０１０年４月 Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌ ｏｆ Ｆａｒｍ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ａｐｒ 文章编号：１６７１—９６４６（２０１０）０４－００８３－０３ 悬挂式小型液压植树挖穴机关键部件的设计计算 张世杰 （山西省农业机械化科学研究院，山西太原０３００３１） 摘要：为了满足植树的需要，研制了自动化程度较高的液压微型挖穴机，该机可由８．８２—１３．２３ ｋＷ的拖拉机悬挂，液 压机构控制升降，主要由机架、液压系统、发动机、升降臂、挖穴钻头等部件组成，具有结构简单、机动灵活、自 动化程度高、安全可靠、经济实惠等特点。基于机械设计理论，设计了挖穴机的钻头、液压系统等关键部件，研究 了微型液压植树挖穴机关键部件的设计。 关键词：植树挖穴机；悬挂式；关键部件 中图分类号：￥２２３．１＋９ 文献标志码：Ａ ｃｌｏｉ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ．１６７１—９６４６（Ｘ）．２０１０．４０．０２６ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏ－ｂｙ ｄｒａｕｌｉｃ Ｄｉｇｇｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｚｈａｎｇ Ｓｈｉｊｉｅ （Ｓｈａｎｘｉ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ ０３００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｐｌａｎｔｉｎｇ ｔｒｅｅｓ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｄｉｇｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｃａｎ ｂｅ ｈｏｉｓｔｅｄ ｂｙ ｓｍａｌｌ ｔｒａｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｒｉｓｅ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｗｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ，ｍｏｔｏｒ，ｌｉｔｆｅｒ ａｎｄ ａｉｇｕｉｌｌｅ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ，ｈｉｇｈ ｄｅｇｒｅｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａ１．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ｔｈｅ ａｉｇｕｉｌｌｅ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎｉ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈｏｌｅ ｄｉｇｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ￣ｄｉｇｇｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｈｏｉｓｔ；ｋｅｙ ｓｅｃｔｏｒ ０引言 置应尽量居中，以保证机组的纵向稳定性和操作安全 性。 依据国家中西部地区退耕还林、农业产业结构调 （４）机器应便于操作、调整、维修和保养，传动 整的宏观，林业、农业、环境保护、园林绿化、 路线简便，便于发挥其效能。 经济林木更新换代、退耕还林生产的需求，山西省农 机化研究院研制了微型挖穴机。 ２设计目标 １ 设计原则 整体设计的目标是：实现机具高效、安全、移动 方便，实用和油耗低等性能，并具有先进性、可靠性 微型挖穴机的整体设计涉及到各工作部件的相互 和经济性。 配置，整机的平衡性、稳定性和动力性等诸多因素， 这些因素不仅互相关联，而且互相影响。经研究分 ３关键部件的设计计算 析，确定了整体设计原则…： ３．１钻头设计 （１）所挖出的坑径与坑深应满足设计的要求，挖 参照现有普通挖穴机的通用钻头，配套直径小于 出的坑要有较好的垂直度，坑壁应整齐，但不宜太光 ４００ ｍｍ，钻孔深度小于６００／Ｔｉｍ，单螺旋，以提高其 滑，否则不利于根系生长。 适应性，降低扭矩，简化结构，减小整机质量。 （２）在贫瘠的土地上挖坑时，要求出土率在 ３．１．１ 刀片选取与参数确定 ９０％以上，以便于向坑内添加肥料和表土回填，改善 刀片：选用梯形刀片； 树木的生长条件；在肥土层较厚的土地上挖穴时，可 安装角度：根据实验资料，安装角以小于４５。为 以将２５％～４０％松土留在坑内；挖穴时，抛出的土应 宜，本机选取３０。； 在穴的周围，抛土半径不应太大，以便回填。 刀片厚度：８ １０ ｍｍ； （３）正确配置整机的重心位置，挖穴机的重心位 刀刃厚度：０．５～１．０ ｍｍ； 收稿日期：２００９—１１－０３ 作者简介：张世杰（１９７５一），男，山西人，工程师，硕士，研究方向：农业机械。 ・８４・ 农产品加工’学刊 ２０１０年第４期 刀片材料：６５ ＳｉＭｎＲｅ钢或６５ Ｍｎ钢： 式中： 系数，经验值（１．２～２．０），取 ＝２．０。 刀片硬度：ＨＲＣ４６ ＨＲＣ６０。 凡设 Ｋ ／／，临 ２×１＝２ ｒ／ｓ． ３．１．２钻头螺旋外径的确定 ３．２．５钻头角速度 的确定 螺旋外径是根据树坑直径确定的，钻头的螺旋外 确定钻头速度的公式如下： 径应略小于树坑直径，而且随着土壤类型的不同而有 （６） 所差异。可以根据下面经验公式确定： ／设——设计转速，２ ｒ／ｓ （０．９２－０．９８）Ｄ０． （１） 式中：／＝ ． ＝式中： 螺旋外径，１ＴＩ； Ｄ 广一树坑直径，取０．５ ｍ。 将数据代入（１）式，得： Ｄ＝（０．９２－０．９８）×０．５＝（０．４６－０．４９）ｍ 该机具根据实际经验取Ｄ＝０．４７ ｍ。 ３．１．３螺旋长度确定 一般钻头螺旋长度 应不小于坑深 ，即 Ｈ Ｈ 该机根据挖穴深度Ｈ＜０．６０ ｍ，取Ｈ＝０．５７ １１３。 ３．２挖穴机钻头传动所需转矩的设计 ３．２．１钻头螺旋升角 的确定 ａ＜９０。一（ ｌ＋ ２）． （２） 式中： 。——土壤与钢的摩擦角，取３０。； 厂土壤之间的摩擦角，取４４。。 把上述数据代入（２）式，得： ａ＜９０。－（３０。＋４Ｏ。、． 根据国内试验资料，ａ＝（１５。一２２。），该机取Ｏ／为 １６。。 ３．２．２钻头导程ｈ的确定 确定钻头导程ｈ的计算公式： ｈ＝￣Ｄｔａｎａ． （３） 式中： 钻头螺旋外径，取０．４７ ｍ； ——钻头螺旋升角，取１６。。 把数据代人公式（３）中，得： ｈ＝ＴｒＤｔａｎａ＝３．１４×０．４７ ｘ ０．２７１＝０．４０ １ＴＩ． ３．２．３临界转速的确定 确定Ｉ临界转速的公式： 蓐￣１ ｔａｎｏ￣＼２ ｒ。 （４） 式中：ｒ 广一钻头回转半径，取０．２５ １１＂１； ——与土壤间的摩擦系数，取０．９６５ ７； ｒ为钻头外缘的运动方向与水平面的夹 角，取０．４。。 将数据代人公式（４）中，得： 临 ９～。『临：‘／ （１ ｔ９．０８ ４ｘ￣ａｎ ｔ）ｘ ａｎ（０．１５￣２５ ＋ｘ ３０￣０．）９６５ ７一 一：１ ｒ／ｓ． ＂ｒｔａｎｌ３一３．２．４设计转速ｎ设的确定 只有当钻头的转速大于临界转速，即凡设＞ｒｔｌ临，土 壤质点才有可能向上升运 。 ｎ设＝Ｋ・ｎ ｌ临． （５） 代人公式（６）得： ：静：三 １２．５ ｒ／ｓ． ３．２．６定位尖转矩的确定 确定定位尖转矩的公式： Ｍ尖＝（ｑ ｌ＋ １ｓ）ｏ１ ． （７） 式中：ｇ广一系数，坚实土壤，ｑ１＝３２．３７×１０２ Ｎ／ｍ， 一般土壤取ｑｌ的２／３，ｑＩ＝２１５８×１０ Ｎ／ｍ； ——系数，一般土壤取７８．４８ ｋＰａ： Ｓ——给进量，取１×１０ Ｉｌｌ ； Ｄ ——钻尖旋转直径，取０．１ Ｉｌｌ。 将数据代入公式（７）中，得： Ｍ尖 （ｑ １十 １Ｓ）Ｄ１２＝ （２１．５８×１０。＋７８．４８×１０－２）×（１０一 ）＝２９．４３ Ｎ・ｍ． ３．２．７钻铧切削转矩计算 ’ 钻铧切削转矩的计算公式如下： Ｍ ７３＝０．５［ｉｑｃｏｓ ＋Ｋ２ｓｉｎ（８＋￣１）】（ｒ０２一ｒｌ２）． （８） 式中： ——螺旋头数，取ｉ＝２； ｑ——土壤阻力比例系数，取１３５×１０ Ｐａ； Ｋ广土壤变形阻力系数，取１６．６×１０４Ｐａ。 ——土壤切削阻力与水平面的夹角，一般为 （３０。 ５８。），取５５。。 钻铧的入土角，取３０。。 把数据代人（８）式，得： Ｍ刀＝０．５［２×１３．５ Ｘ １０４ｃｏｓ５５。＋１６．６×１０ × ｓｉｎ（３０。＋３０。）】×（０．２５ －０．０５２）＝９６．３６ Ｎ・１ＴＩ． ３．２．８升运土壤的转矩计算 升运土壤转矩计算公式如下： Ｍ升＝ 刀（１．３—１．８） （９） 把（８）计算结果代人（９）公式得： Ｍ升＝Ｍ ｊｊ（１．３－１．８）＝９６．３６（１．３－１．８）＝１ｏ５．９－１７６．４４ 取经验系数为１．５６，得到Ｍ升＝１５０．３２ Ｎ・ｍ。 ３．２．９钻头传动所需的总转矩计算 钻头传动所需的总转矩计算公式如下： Ｍ总＝ ｆ尖＋ 升＋ 刀 （１０） 把（７）式、 （８）式和（９）式计算结果代人（１０） 得： Ｍ总＝ 尖＋ 升＋Ｍ刀＝２７６．１１ Ｎ‘ｍ ３．３液压系统设计计算说明 ３．３．１ 液压发动机的计算说明 （１）液压发动机输出转矩的计算 ２０１０年第４期 张世杰：悬挂式小型液压植树挖穴机关键部件的设计计算 ‘８５‘ 液压发动机输出转矩计算公式： 制油压就能控制输出转矩，采用旁路节流调整回路， Ｍ２出＝１．５８２×１０＿４×卫 ，＿叼． （１１） 回路中的溢流阀起着过载保护作用。 ３．４其他机构的设计选择 式中：ｐ——液压发动机理论流量，取０．８３ Ｌ／ｓ； ３．４．１机架操作机构 ｐ——工作压力，取１ ０７９×１０４ Ｐａ； 根据人机工程学功能参数及相关标准确定ｆ５ｊ。 ｎ——转速，取２ ｒ／ｓ ３．４．２机架钻臂 矿一总效率，取０．６９。 通过控制机动图，合理选择机架杆件的长度，可 把数据代人（１１）式得： 以使钻头入土工作时的运动轨迹接近直线，钻头的侧 出：１．５８２×１０－４× ×０．６９ 向移动量尽可能减少。 ＝４８８ Ｎ‘ｍ ４结论 （２）液压发动机输入功率的计算 液压发动机输入功率的计算公式： 微型液压微型挖穴机，拟采用拖拉机悬挂，液压 传动，转头旋转、升降均采用液压传动自动化作业， Ⅳ２人 ・ （１２） 作业安全性、可靠性大幅度提高。该挖穴机具有以下 式中：Ｐ，ｐ意义同（１１）式。 特点：机具小巧，移动方便，钻头液压升降，大大降 把（１１）式中的数据代入（１２）式，得： 低了人工作业强度，挖穴速度也大大提高；另外，可 配预留多功能液压驱动接口，进行割草、林木修剪、 ，ｖ２人＝ ： ：８．９ ｋＷ 灌木收割等项目的多功能作业，为今后开发新型田间 （３）液压发动机输出功率的计算 自动化作业机械提供基础部件和设计经验。 液压发动机输出功率的计算公式： 参考文献： Ⅳ２出＝Ⅳ２人７７． （１３） 式中：Ｊ７、７ 人的意义同（１２）式；叼的意义同（１１） 【１】 郭贵生，高梦祥，郭康权，等．基于ＭＡＴＬＡＢ挖坑机螺 式。 旋钻头参数的研究『Ｊ１．西北农林科技大学学报（自然 把（１２）式计算结果代人（１３）式得： 科学版），２００４，３１（３）：７９—８２． 『２］ 李国强，李肖婷．３ＷＹ一４０微型液压挖坑机研制成 ，ｖ２出＝Ⅳ２人７／＝０．６９×８．９＝６．１４ ｋＷ 功【Ｊ１．山西农机，２００４（６）：１０－１１． （４）液压发动机的选择 【３］ 孟庆华，于建国．范数最优控制理论在植树挖坑机钻头主 出＝６．１４ ｋＷ＞Ｎ＝３．７３ ｋＷ 轴纵向振动系数中的应用【Ｊ］．机械设计，２００６，２３（９）： 出＝４８８ Ｎ。ｍ＞Ｍ总＝２７６．１１ Ｎ。ｉｎ ２５—２７． ３．３．２液压调速方案的确定 ［４Ｊ 刘会敏．挖坑机动态力学参数测试试验装置的研制【Ｊ］． 挖坑机的钻头部件随着土壤阻力的变化而变化， 北京林业大学学报，２００４，２６（１）：７９—８２． 而液压发动机的输出转矩与供给油压有关，因此，控 ［５１ 阳厚森．便携式挖穴机的研究设计［Ｊ１．农机化研究， ２００４（４）：８１—８３． （上接第６５页） 参考文献： ５讨论 【１】 梁丽丰．氢化物一原子荧光法测生活饮用水中汞不确定 本文建立的方法具有快速、灵敏及重现性的特 度分析ｆＪ］，海峡预防医学杂志，２００８（３）：４８—４９． 点。该方法的不确定度来源为 的标准不确定度， 【２】 顾霞萍．ＨＹＤＲＡ—ＡＡ测汞仪测定水中汞的不确定度评 定容体积引入的不确定度，前处理引入的不确定度， 定［Ｊ１．中国实用医药，２００９，３０：２４７—２４８． 测试过程中随机效应的不确定度。其中 的标准不 ［３】 陶书峰．冷原子荧光法测定水中汞不确定度评定【Ｊ１．环 确定度为主要分量，如增加标准曲线校准点，将标准 境科学导刊，２００８（１）：８９—９１． 【４】 中国实验室国家认可委员会编．化学分析中不确定度的 溶液的浓度由５个水平增加到６个水平或更多，选用 评估指南【ｓ１．北京：中国计量出版社，２００２：７－３２． 精度更高的玻璃量器来稀释和定容标准溶液和样品溶 ［５】 国家质量监督检验检疫局发布．ＪＪＦ １ １３Ｓ一２０ｏ５中华人 液，可以减少 的标准不确定度。 民共和国计量技术规范化学分析测量不确定度评定ｒＳ／ ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｇｃｎ．ｃｎ／ｂｅｎｃａｎｄｙ／ｐｈｐ？ｆｉｄ＝１ ２５＆ｉｄ＝２３４００．
