基于机械灌喷装置的全自动树苗种植机挖坑装置创新研究*

陈志斌，陈清化

（湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412006）

0 引言

2015年第五次全国荒漠化和沙化土地监测结果显示，全国荒漠化土地面积261万km2，占国土面积的27.2%；沙化土地面积172万km2，占国土面积的17.9%；有明显沙化趋势的土地面积30万km2，占国土面积的3.1%。我国是世界上荒漠化面积最大、受影响人口最多、风沙危害最严重的国家之一[1]。土地沙漠化造成可利用的土地资源大幅度减少，严重压缩了人类的生活空间[2]。防风固沙是指干旱、半干旱地区为了保持水土、防止沙尘暴等恶劣天气而进行的一种生态建设活动[3]。截至2019年，国家已累计下达转移支付资金5 000多亿元，转移支付县域达到817个[4]。

沙柳是沙区造林优势树种，而且是利用率高、经济效益最好的生态经济灌木树种之一，在我国广大沙区有着大面积的推广种植[5]。目前，沙柳种植仅采用两种人工种植方法：水冲种植法和钻孔种植法。这两种方法均需要两个及其以上操作人员相互配合才能完成，劳动力成本比较高。水冲种植法会造成水资源的浪费，大量水流失在沙漠表面会被太阳光蒸发掉，在两孔之间的间隔也在冲水，并没有发挥其作用，更是加剧了水资源的浪费；钻孔种植法采用的是柴油钻孔机，柴油钻孔机产生的机械振动和噪声对人体内脏器官和听觉器官都会造成很大的影响，长时间的工作还会使操作者疲惫不堪。

因此，课题组设计了一种基于机械灌喷装置的全自动沙柳种植装置，该装置实现了智能自动挖坑、打孔、装苗、种苗、灌喷、浇水、施肥，有效解决了上述问题，具有现实意义和推广价值。目前，该装置已获得国家实用新型专利，其专利号为CN202121282193.6；专利名称：一种树苗种植用打孔、种植、浇水一体机。本文详细介绍全自动沙柳种植机其中的灌喷挖坑装置的创新研究。

1 整体结构设计及工作原理

沙柳种植环境为荒漠沙质地环境，由于沙质地环境具有流动、坍塌及水分不足等特点，同时以节约资源为出发点，研究挖坑装置时从两方面进行了考虑：1）挖坑钻头升降时的运动没有设计成普通的线性运动方式，而是设计成使用连杆驱动具有急回特性的加速运动机构。具体的过程为钻头挖坑时匀速下挖，退回时加速退回，这样能使沙子被迅速带出坑外。2）挖坑钻头没有直接采用螺旋叶片挖坑钻头，而是在传统螺旋叶片挖坑钻头的基础上设计内置孔，并在钻轴下端和底部的螺旋叶片中间均匀设置带有“玉米状”的螺旋式小孔，钻头下端也开设小喷孔，水和营养液通过钻头进入所挖的坑。水和营养液进入坑内后不仅能给沙柳苗提供水分、营养，还能防止沙坑坍塌。

灌喷挖坑装置主要由灌喷螺旋叶片钻头装置和自驱式钻孔、排屑（沙）升降装置两大部分构成，如图1所示。灌喷螺旋叶片钻头装置主要包括自吸驱动泵，带灌喷功能螺旋叶片钻头，灌喷旋转滑环，固定钻头支架，钻头动力电机，传动齿轮，垂直运动滑块，带标尺功能的灌喷挖坑装置支撑架等；自驱式钻孔、排屑（沙）装置主要由摇杆电机，驱动钻头升降曲柄摇杆A，驱动钻头升降曲柄摇杆B，摇杆支架，摇杆凸轮，摇杆电机等组成。

图1 挖坑灌喷装置整体设计结构图

进行挖坑作业时，摇杆电机驱动整个灌喷螺旋叶片钻头装置下挖，同时钻头动力电机带动螺旋叶片钻头开始自转，当挖坑钻头钻入沙地10 mm时（设置第1组上限位光电检测开关，光电开关为可调检测开关，目的是根据不同的苗木种植要求调整种植目标深度和灌喷区域，下同），自吸驱动泵立即启动，从水箱中第一次抽出水和营养液（设置第2组上限位光电检测开关）。通过滑环进入钻头，并从钻头底部和侧面的小孔喷出，待钻头离挖坑最大位置10 mm时（设置第2组下限位光电检测开关）停止灌喷，钻头继续下挖；当到达最下端限位时（设置第1组下限位光电检测开关），即达到钻孔深度。摇杆电机继续工作使整个灌喷螺旋叶片钻头装置上升，通过上述灌喷区域会第二次灌喷水和营养液。详细图解如图2所示。在挖坑钻头滑块固定支架上还标有深度标尺，根据实际挖坑深度需要调整挖坑检测和灌喷检测的上、下光电检测开关，可以控制挖坑深度及灌喷区域。

图2 螺旋叶片钻头灌喷图解

1.1 灌喷钻头的设计与制作

1.1.1 钻轴结构设计

为使钻轴有足够的强度和刚性，同时水和营养液能够科学送至坑内，把钻轴外径设计成Φ12 mm，并在钻轴内部设计直径为5 mm的内置孔，水和营养液通过内孔从钻头侧面和底部小水孔喷出。直接外接水管会被旋转的钻头扭转，在钻头颈部装配G1/8″单通道液体旋转滑环，如图3所示。钻头需要自钻驱动力，由于钻头上端无法提供动力输出，所以在钻头颈部安装圆柱直齿轮，再用齿轮配对形成径向位移，提供输出扭力。

图3 灌喷钻头与滑环连接结构设计图

1.1.2 钻头叶片设计

种植的沙柳苗直径大小约为5 mm~10 mm，种植机前进一个株距后能顺利进入坑内，把灌喷钻头螺旋叶片的参数设计成外径×内径×螺距=Φ32 mm×Φ12 mm×30 mm，钻头为单头叶片，旋向为右旋，钻头总长为200 mm，钻头直径为6.25 mm。

1.1.3 钻头转速分析

钻头转速的大小会影响土壤的升运效率，已知钻头尺寸，参考相关文献，钻头临界转速和设计转速可通过下式确定[6]：

式中，ω临为螺旋钻头进阶转速；g为重力加速度，取g=9.8 m/s2；α为螺旋钻头升角，根据挖坑钻头螺旋升角取值范围为15°~22°，取α=18°；φ1为钢材与土壤摩擦角，钢材与土壤摩擦系数取0.48，故取φ1=25.7°；r0为钻头半径，已知钻头直径为32 mm，故钻头半径r0=16 mm；ξ为叶片外缘某一点牵连速度与水平速度的夹角，经计算，取ξ=30°；f2为沙子间摩擦系数，这里取f2=0.6；k为系数，通常取1.2~2，这里取k=2。

将已知数据代入公式，计算得到：ω设=2×ω临=65.4 r/min。

1.1.4 灌喷钻头加工分析

为了提高生产效率、降低加工成本，把钻轴和螺旋叶片分开加工。由于钻轴是空心轴，钻头强度和刚性不如实心轴，所以钻轴选用45号钢淬火处理，使其硬度达到HRC20~HRC30，保障良好的韧性。螺旋叶片选用高锰碳钢材质，其具有以下优点：1）热处理后可以得到较高的硬度（HRC60~HRC65）和较好的耐磨性；2）退火状态下硬度适中，具有较好的可切削性；3）原材料易得，生产成本低，并在钻尖处对钻头进行渗硼处理，使其表面形成高耐磨、高耐蚀、高硬度的合金层，从而延长钻头的使用寿命[7]。

灌喷钻头零件并不复杂，钻头的加工精度要求不高，可以选择在普车CA6132车床上面完成加工，G1/8″为英制55°锥螺纹，普车上加工要准确计算好挂轮，如果批量生产，则在数控机床上加工效率更高。钻轴加工难点主要是钻轴内部孔直径为4 mm的细长孔加工，细长孔加工步骤可按照以下四个方面进行：首先是加工工艺过程中的工件预加工，其次是长杆钻具以及工件装夹，再次是对冷却液的处理，最后是切削参数的处理与退刀排屑的应对[8]。钻轴上侧面灌喷小孔在台钻上直接钻削，钻削前预先用样冲打孔并把定位孔打大一些，防止钻削时跑偏。螺旋叶片通过焊接固定在芯轴上，采用50 mm间隔断焊工艺，保证螺旋叶片不变形、不翘边，螺旋叶片成形平滑[9]。

1.2 钻孔、排沙装置的理论分析

驱动挖坑升降运动的机构为曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构是一种较为常见的传动机构，在多个领域都有广泛的应用，许多研究者曾致力于其结构的优化设计[10]。曲柄摇杆机构杆长之和成立条件：平面四杆机构的最短杆和最长杆的长度之和小于或者等于其余两杆长度之和。钻孔、排沙曲柄摇杆机构的运动简图如图4所示。

图4 钻孔、排沙机构运动简图

根据设计模型，曲柄摇杆机构的结构参数如表1所示。

表1 曲柄摇杆机构的结构参数

1.2.1 位置分析

根据图4的运动简图，建立坐标系，如图5所示。

图5 钻孔、排沙机构运动简图坐标系

1.2.2 建立矢量方程

由封闭图形ABCA可写出机构的一个封闭矢量方程：

其分量形式为：

由封闭图形CDEFC可写出机构的另一个封闭矢量方程：

其分量形式为：

求解未知参数：

1.2.3速度分析

利用式（4）和式（6）对时间t求一次导数，得到速度关系：

1.2.4 加速度分析

利用式（11）和（12）对时间t求二次导数，可得加速度关系表达式。用矩阵形式表示为：

根据模型的特点，灌喷装置采用基于底座装置的自底向上设计原则，通过Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件设计零件的三维模型并在组件模块下把所有零件装配完成后，进入分析-模型模式进行全局间隙和全局干涉等检测（轴承在装配中一般是过渡配合，需要剔除这一块的检测），以保障后期加工制作出来的零件满足装配工艺要求。

从装配下切到机构模块，根据上述计算公式要求对其进行仿真验证。具体的操作步骤如下：1）设置驱动摇杆连接深沟球轴承与驱动钻头升降曲柄摇杆B长腰槽为凸轮连接，启用升离为0（本设计凸轮运动无需分离），摩擦系数设置μs为0.3，μk为0.2。2）驱动钻头升降曲柄摇杆A、驱动钻头升降曲柄摇杆B以及挖坑钻头驱动支架用销钉连接。3）钻头是在钻头支架上上下滑动，设置挖坑钻头上下移动滑块与挖坑钻头滑块固定支架为滑动杆连接。4）设置电机的驱动转速为36 r/min。5）把灌喷钻头拖动到最上方位置后快拍一张照片并定义为初始位置。6）机构分析，设置持续时间为10 s，帧频为50—选择初始位置—运行分析。7）进行新建灌喷钻头钻孔移动速度分析和灌喷钻头钻孔移动加速度分析，连接件都是选取挖坑钻头驱动支架，灌喷钻头为一个整体。再选取结果集为上一步分析结果，得出灌喷钻头钻孔移动速度分析如图6所示，灌喷钻头钻孔移动加速度分析如图7所示。

图6 灌喷钻头钻孔移动速度分析图

图7 灌喷钻头钻孔移动加速度分析图

2 灌喷钻头挖坑装置喷水钻孔实验分析

实验前准备工作：1）选取24 V，功率为28.8 W，流量为450 L/h的无刷水泵作为喷水驱动泵；2）在滑环A端连接灌喷水管和水泵出水管之间添加一个1 L/min~15 L/min的涡轮流量瞬时流量计量表；3）灌喷钻头转速调整为65.4 r/min；4）用4 mm网格过滤筛过滤完全脱水的干河沙，将其放置在适合测试的木箱内。

通过2组不同钻孔深度、9组不同灌喷钻头输出流量（L/min），得出钻头钻孔后的出沙率、坍塌率，如表2所示。

表2 灌喷钻头性能

3 结束语

全自动灌喷钻头装置改变了传统单独挖坑机或水冲机种植作业方法，减少了人工成本，提高了种植效率，节约了水资源，同时可以避免劳动者长期工作对身体造成的伤害。该装置适用于沙柳苗、红柳苗、白杨苗等防风固沙植物的挖坑、灌喷工作。