吳偉斌，冉曉，陳姍，岳丹丹，梁榮軒， 陳理，洪添勝

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化研究室/廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣州 510642

挖穴是果樹和茶樹種植不可缺少的重要環(huán)節(jié)[1]。受山地林果茶園地理環(huán)境限制，傳統(tǒng)懸掛式、牽引式挖穴機(jī)整機(jī)體積較大，導(dǎo)致無法適應(yīng)山地林果茶園的狹窄地形[2-3]。目前普遍采用手提式挖穴機(jī)進(jìn)行挖穴作業(yè)，但手提式挖穴機(jī)需要人工完成鉆頭升降作業(yè)和搬運(yùn)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低的問題[4-5]。同時(shí)，挖穴機(jī)作業(yè)時(shí)振動(dòng)較大，鉆頭換向需要人工操作，導(dǎo)致其可操作性差[6]，且挖穴工作安全性得不到保證。

為解決上述問題，溫威[7]設(shè)計(jì)了一種雙立柱便攜式挖穴機(jī)，該挖穴機(jī)采用手輪與雙立柱控制鉆頭升降，但只能解決挖穴機(jī)振動(dòng)的問題，仍需人工完成鉆頭的升降運(yùn)動(dòng)。王警梁[8]采用開合螺母機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)手提式挖穴機(jī)鉆頭的自動(dòng)勻速進(jìn)給作業(yè)，但挖穴作業(yè)完成后，需要人工完成鉆頭復(fù)位操作。馬麗娜等[9]基于三星齒輪換向原理設(shè)計(jì)了一種齒輪換向機(jī)構(gòu)，將汽油機(jī)單一動(dòng)力方向轉(zhuǎn)換為正反2個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)鉆頭主動(dòng)進(jìn)行挖穴作業(yè)，在挖穴作業(yè)完成后，能自動(dòng)回程復(fù)位。但該挖穴機(jī)換向時(shí)仍需要人工操作，機(jī)具移動(dòng)時(shí)需要人工推動(dòng)。

本研究設(shè)計(jì)一種具有行駛動(dòng)力且能自動(dòng)完成鉆頭進(jìn)給與回程運(yùn)動(dòng)的小型電動(dòng)挖穴機(jī)，旨在解決我國山地林果茶園挖穴作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、安全性差以及傳統(tǒng)挖穴機(jī)無法適應(yīng)山地林果茶園工作的難題，促進(jìn)丘陵山區(qū)水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高果農(nóng)收入。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與主要技術(shù)參數(shù)

針對(duì)山地林果茶園環(huán)境與果樹茶樹挖穴施肥農(nóng)藝要求，本研究設(shè)計(jì)了一種小型電動(dòng)自走式挖穴機(jī)。該機(jī)具有行駛動(dòng)力、鉆頭自動(dòng)完成進(jìn)給行程與復(fù)位行程以及整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等特點(diǎn)，并具備在15°的斜坡穩(wěn)定進(jìn)行挖穴作業(yè)的能力。該挖穴機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：長、寬、高分別為950、550、1 520 mm，整機(jī)質(zhì)量143 kg，旋轉(zhuǎn)電機(jī)規(guī)格為48 V/1 200 W，升降電機(jī)規(guī)格為24 V/15 W，行走電機(jī)規(guī)格為24 V/500 W，動(dòng)力電池采用12 V-20 A鉛酸電池，具備挖穴直徑300 mm、挖穴坑深400 mm的作業(yè)能力。

1.2 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

山地林果茶園電動(dòng)自走式挖穴機(jī)由挖穴機(jī)構(gòu)、自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和機(jī)架組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，挖穴機(jī)構(gòu)由48 V直流電機(jī)、轉(zhuǎn)換頭和鉆頭組成；自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)由動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和行程限定裝置組成；行走機(jī)構(gòu)由24 V輪轂電機(jī)和萬向輪組成；支撐機(jī)構(gòu)由活動(dòng)支撐架、連接桿、調(diào)節(jié)裝置組成；機(jī)架采用30 mm×30 mm方鋼焊接形成。整機(jī)機(jī)構(gòu)緊湊、輕簡(jiǎn)以及操作方便。

A:挖穴機(jī)正視圖 Front view of three-dimensional structure of electric self-propelled digging machine; B:挖穴機(jī)三維立體結(jié)構(gòu)圖 Three-dimensional structure diagram of electric self-propelled digging machine; 1.下行程開關(guān) Down stroke switch; 2.連接桿 Connecting rod; 3.上行程開關(guān) Up stroke switch; 4.調(diào)節(jié)裝置 Adjuster; 5.剎車把手 Brake handle; 6.調(diào)速裝置 Speed-regulating device; 7.升降電機(jī) Lifting motor; 8.旋轉(zhuǎn)電機(jī) Rotating motor; 9.支撐座 Support seat; 10.鉆頭 Drill; 11.上滑塊 Upper slider; 12.下滑塊 Lower slider; 13.絲桿 Screw; 14.光軸 Axis;15.剎車組件 Brake components; 16.鉛酸蓄電池 Lead-acid battery; 17.活動(dòng)支撐架 Active support frame; 18.電控箱 Electric control box; 19.絲桿螺母 Screw nut; 20.機(jī)架 Rack; 21.萬向輪 Universal wheel; 22.輪轂電機(jī) Hub motor.

調(diào)節(jié)支撐輪使其與機(jī)架呈90°狀態(tài)，操作員通過電門手把將挖穴機(jī)調(diào)整至行走姿態(tài)，閉合挖穴機(jī)總電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)電門手把，輪轂電機(jī)開始為挖穴機(jī)提供行走動(dòng)力，當(dāng)挖穴機(jī)行走至工作地點(diǎn)后，調(diào)節(jié)支撐輪使其呈原始狀態(tài)，調(diào)節(jié)支撐機(jī)構(gòu)，使鉆頭豎直于地面，即為挖穴姿態(tài)。閉合挖穴開關(guān)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，升降電機(jī)帶動(dòng)挖穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，螺旋鉆頭逐漸下降，鉆尖最先鉆進(jìn)土層，定位洞穴的中心點(diǎn)，然后刀片鉆進(jìn)土層切削土壤，螺旋葉片將土壤輸送到洞穴的周圍。當(dāng)挖穴機(jī)構(gòu)下降至預(yù)定位置時(shí)，下滑塊軸承將觸碰下行程開關(guān)，此時(shí)升降電機(jī)反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止工作，挖穴機(jī)構(gòu)將被提起，當(dāng)提升至預(yù)定位置時(shí)，上滑塊軸承將觸碰上行程開關(guān)，此時(shí)升降電機(jī)停止工作。至此，完成一個(gè)工作流程。

1.3 挖穴機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

挖穴機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、轉(zhuǎn)換頭、銷釘以及螺旋鉆頭組成，鉆頭與直流電機(jī)通過轉(zhuǎn)換頭進(jìn)行連接。挖穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1)鉆頭設(shè)計(jì)。根據(jù)林果茶園挖穴施肥技術(shù)要求[10-12]，確定施肥穴直徑D為300 mm，深度H為400 mm。為保證挖穴機(jī)挖穴作業(yè)過程平穩(wěn)，且耗能低，本研究選取雙刀片單螺旋葉片式鉆頭?？紤]到鉆頭作業(yè)振動(dòng)對(duì)施肥穴直徑的影響，螺旋葉片直徑D1=0.95D、D=25 mm，擬定鉆頭螺旋角α為15°，鉆頭導(dǎo)程h=240 mm，根據(jù)施肥穴深度確定螺旋葉片長度，H1=H=400 mm，鉆尖選擇分叉型。

1.鉆頭 Drill; 2.銷釘組件 Pin components; 3.轉(zhuǎn)換頭 Converter; 4.48 V直流電機(jī) DC motor of 48 V.

2)鉆頭臨界轉(zhuǎn)速的確定。根據(jù)鉆頭挖穴升土理論[13]，鉆頭在升土過程中，若轉(zhuǎn)速較低會(huì)造成鉆頭堵塞，土壤無法輸送到水平面上，若轉(zhuǎn)速較高，鉆頭的切削能力下降、消耗的功率增加[14-15]。因此需要計(jì)算鉆頭升運(yùn)土壤的臨界轉(zhuǎn)速nk。

(1)

式(1)中：g為重力加速度；α為螺旋角，取α=15°；φ1為土壤與鋼的摩擦角，取φ1=30°；γ為鉆頭外緣運(yùn)動(dòng)方向與水平面的夾角，取γ=0.7°；r螺為螺旋葉片半徑，取r=142.5 mm；f為土壤與穴壁之間的摩擦系數(shù)，本研究取f=1。將上述參數(shù)代入式(1)可得nk=82.2 r/min?？紤]到挖穴機(jī)工作土壤環(huán)境復(fù)雜，為保證鉆頭工作轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速，計(jì)算鉆頭的儲(chǔ)備轉(zhuǎn)速。

n=Knk

(2)

式(2)中：n為鉆頭工作轉(zhuǎn)速，r/min；K為轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備系數(shù)，取K=1.5；nk為鉆頭臨界轉(zhuǎn)速，nk=82.2 r/min。將上述參數(shù)代入式(2)可得n=123.3 r/min，對(duì)其進(jìn)行取整處理，最終確定n=130 r/min。

3)鉆頭旋轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩確定。鉆頭在挖穴作業(yè)過程中需克服一定的工作轉(zhuǎn)矩，主要包括鉆尖定位作業(yè)所需轉(zhuǎn)矩M尖、刀片作業(yè)所需轉(zhuǎn)矩M刀、螺旋葉片輸送土壤作業(yè)所需轉(zhuǎn)矩M螺[16-17]。鉆尖工作所需轉(zhuǎn)矩：

(3)

刀片切削土壤所需工作轉(zhuǎn)矩：

(4)

螺旋葉片升運(yùn)土壤所需轉(zhuǎn)矩：

(5)

式(3)～(5)中：q為與土壤特性有關(guān)的系數(shù)，堅(jiān)實(shí)土壤q=3 000 N/m；k為與土壤特性有關(guān)的系數(shù)，取k=930 N/m2；s為鉆頭進(jìn)給量，取s=7.8 mm，dj為鉆尖回轉(zhuǎn)直徑，取dj=48 mm；i為鉆頭螺旋葉片數(shù)，取i=1；q0為土壤阻力比例系數(shù)，取q0=3 200 N/m；k0為土壤變形系數(shù)，取k0=2.25×105N/m2；φ為土壤切削阻力與水平面的夾角，取φ=55°；δ為刀片切土角，取δ=45°；r為鉆頭半徑，取r=142.5 mm；rj為鉆尖回轉(zhuǎn)半徑，取rj=24 mm；rt為土流內(nèi)徑，取rt=52 mm；φ1為土壤對(duì)鋼的摩擦角，取φ1=30°；n為系數(shù)，取n=4 397 kg/m；μ為過鉆頭軸線界面r處土流曲線與水平面的傾角，取μ=25°，ε為土流絕對(duì)速度與水平面的夾角，取ε=1.2°。鉆頭工作所需總轉(zhuǎn)矩

M=M尖+M刀+M螺

(6)

由公式(3)～(6)得鉆頭所需工作轉(zhuǎn)矩M=62.1 N·m。

4)旋轉(zhuǎn)電機(jī)所需功率確定。旋轉(zhuǎn)電機(jī)所需功率為：

N=KMn/9550

(7)

式(7)中：K為功率儲(chǔ)備系數(shù)，取K=1.3；M為鉆頭工作所需轉(zhuǎn)矩，N·m；n為鉆頭工作轉(zhuǎn)速，r/min。將上述參數(shù)代入式(7)可得N=1.08 kW。因此，選用尤奈特BM1424HQF型減速電機(jī)，其額定功率為1.2 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，搭配減速比為1∶10的減速器，可滿足挖穴機(jī)挖穴作業(yè)需求。

1.4 自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，該挖穴機(jī)中的自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)主要包括動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及行程限定裝置。其中，動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、帶輪、皮帶、絲桿、螺母；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括光軸、光軸座；行程限定裝置由2個(gè)行程開關(guān)組成。從圖3可知，動(dòng)力由直流電機(jī)輸出，通過帶傳動(dòng)與絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)使底板獲得往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，兩根光軸與絲桿完成對(duì)底板的旋轉(zhuǎn)自由度限定。

1.上滑塊 Upper slider; 2.下滑塊 Lower slider; 3.絲桿螺母 Screw nut; 4.上行程開關(guān) Up stroke switch; 5.下行程開關(guān) Down stroke switch; 6.帶輪 Pulley; 7.皮帶 Belt; 8.24 V直流電機(jī) DC motor of 24 V; 9.機(jī)架 Rack; 10.支撐座 Support seat; 11.絲桿 Screw; 12.光軸 Axis.

1)鉆頭位移速度與位移行程確定。根據(jù)螺旋鉆頭的挖土理論，巨頂螺旋鉆頭能否順利將土壤輸送到地面的主要因素有2個(gè)，即鉆頭轉(zhuǎn)速和鉆頭進(jìn)給速度。當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速一定時(shí)，鉆頭下降速度小于土壤質(zhì)點(diǎn)垂直上升速度時(shí)，土壤才能被順利輸送到地面。反之，鉆頭將發(fā)生堵塞[18]。土壤質(zhì)點(diǎn)上升速度為：

(8)

式(8)中：r為鉆頭半徑，取r=142.5 mm；ω為鉆頭工作角速度，取ω=13.5 rad/s；b為系數(shù)，b=tanα=0.268；a為系數(shù)，a=1；A為系數(shù)，A=cot(α+φ1)=1；B為系數(shù)，B=b+2a+0.4ab=2.375；p為系數(shù)，p=b(1+0.4b+0.4a+0.16ab)+a=1.415；E為系數(shù)，E=g/rω2；c為系數(shù)，c=4.76。

鉆頭進(jìn)給速度為：

VS=sωk/π

(9)

式(9)中：s為鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，取s=7.8 mm；ω為鉆頭工作角速度，取ω=13.5 rad/s；k為土壤膨脹系數(shù)，取k=1.5。

根據(jù)式(8)和式(9)計(jì)算可知：VZ=41 mm/s，VS=17 mm/s。為提高整機(jī)工作效率，以及考慮到挖穴機(jī)工作環(huán)境為山地林果茶園，其土壤環(huán)境中存在許多樹根、小石塊等雜物，會(huì)造成鉆頭堵塞現(xiàn)象。本研究擬定鉆頭位移速度V為20 mm/s，大于鉆頭進(jìn)給速度，但小于土壤質(zhì)點(diǎn)上升速度，上升速度與下降速度相同。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，需要挖出深度為400 mm的穴。同時(shí)，考慮到山地林果茶園地面平整度較低，若下降行程設(shè)計(jì)為400 mm，鉆尖剛好與水平面接觸，易與地面凸起處發(fā)生沖突，所以預(yù)留高度為50 mm的空白升降空間，將鉆尖與水平面直接的距離控制在50 mm左右，因此將下降行程設(shè)計(jì)為450 mm。

2)升降電機(jī)選型。升降電機(jī)作為自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)中的唯一動(dòng)力源，需要其為挖穴機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。其中，挖穴機(jī)構(gòu)下降阻力主要為鉆頭工作阻力在鉆頭軸上的分力，該力絕大部分被旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供的動(dòng)力克服，升降電機(jī)需要提供動(dòng)力可忽略不計(jì)；上升動(dòng)力為提升旋轉(zhuǎn)電機(jī)座和挖穴機(jī)構(gòu)需要的力。旋轉(zhuǎn)電機(jī)質(zhì)量為5.08 kg，鉆頭與旋轉(zhuǎn)電機(jī)座的質(zhì)量通過Pro/E構(gòu)建兩者三維模型、添加材料屬性等操作獲得其總質(zhì)量為22 kg，升降電機(jī)需克服的總上升阻力F=270.8 N。電動(dòng)機(jī)功率為：

P=FV

(10)

由式(10)可得P=8.12 W，考慮到在帶傳動(dòng)、滾珠絲桿與滾珠絲桿螺母之間以及滑塊軸承與光軸之間的功率損耗，本研究選取功率為15 W的直流電機(jī)作為升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，搭載1∶12.5的減速器。

3)帶傳動(dòng)的確定。自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)中動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)包括帶傳動(dòng)和絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)。確定直流電機(jī)機(jī)型后，首先進(jìn)行帶傳動(dòng)部件尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)。經(jīng)過直徑設(shè)計(jì)計(jì)算，得到帶傳動(dòng)尺寸參數(shù)。其中，主動(dòng)帶輪基準(zhǔn)直徑為63 mm，從動(dòng)帶輪基準(zhǔn)直徑為63 mm，中心距為206 mm，選用的皮帶帶型為V帶Z型，皮帶根數(shù)為2根，皮帶長度為630 mm。

4)絲桿選型。滾珠絲桿的導(dǎo)程S為：

(11)

式(11)中：V升為鉆頭位移速度，取V升=20 mm/s；i為帶傳動(dòng)傳遞效率，取i=0.97；n為絲桿輸入轉(zhuǎn)速，取n=240 r/min。將上述參數(shù)代入式(11)可得S=5.2 mm，因?yàn)殂@頭工作時(shí)不堵塞的條件是鉆頭的下降速度小于土壤質(zhì)點(diǎn)的上升速度，故導(dǎo)程需要小于5.2 mm，但導(dǎo)程越小，滾珠絲桿精度等級(jí)越高，價(jià)格也會(huì)隨之增加許多，故取滾珠絲桿導(dǎo)程S=5 mm。依據(jù)導(dǎo)程選擇單螺母滾珠絲桿，型號(hào)為SFU60054。

1.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)由輪轂電機(jī)和萬向輪組成。其中，輪轂電機(jī)輪胎直徑為300 mm，幅寬為80 mm，萬向輪輪胎直徑為150 mm，幅寬為60 mm。在Pro/E中構(gòu)建整機(jī)三維模型，并添加材料屬性，獲得整機(jī)質(zhì)量M為135 kg。因挖穴機(jī)需要人跟隨駕駛，將挖穴機(jī)行走速度v設(shè)計(jì)為1.25 m/s?？紤]到挖穴機(jī)爬坡所需動(dòng)力大于平路面，根據(jù)挖穴機(jī)爬坡所需動(dòng)力選擇輪轂電機(jī)功率。挖穴機(jī)爬坡力學(xué)分析見圖4。

圖4 挖穴機(jī)爬坡力學(xué)分析圖

挖穴機(jī)爬坡所需動(dòng)力F：

F=Mgsinα+Mgfcosα

(12)

輪轂電機(jī)所需功率P：

P=KFv/2

(13)

輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速n：

(14)

式(12)～(14)中，f為摩擦阻力系數(shù)，取f=0.2；α為坡度，取α=12°；K為后備功率系數(shù)，取K=1.3；F為挖穴機(jī)行走所需動(dòng)力，N；v為行走速度，取v=1.25 m/s；d為輪轂電機(jī)輪胎直徑，取d=300 mm。由式(12)～(14)可得：P=440 W，n=79.6 r/min。考慮到挖穴機(jī)行駛過程中會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，本研究選取功率為500 W、轉(zhuǎn)速為85 r/min的輪轂電機(jī)作為行走電機(jī)。

1.6 支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐機(jī)構(gòu)由支撐腳、活動(dòng)支架、連接桿、定位盤和定位把手組成，其中定位把手由拉線、彈簧、鎖緊件以及把手組成。正常狀態(tài)下，定位把手中的鎖緊件鎖緊在定位盤的某相鄰兩齒之間，此時(shí)活動(dòng)支撐腳的高度確定，當(dāng)需要調(diào)節(jié)活動(dòng)支撐腳的高度以適應(yīng)地形時(shí)，通過操縱定位把手使鎖緊件縮回定位把手內(nèi)，鎖緊件與定位齒輪分離，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)定位把手，連接桿帶動(dòng)活動(dòng)支撐腳繞著與機(jī)架的交接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變活動(dòng)支撐腳的高度，當(dāng)調(diào)節(jié)到合適高度后，調(diào)整定位把手，使鎖緊件鎖緊在定位齒輪的相應(yīng)兩齒間。定位把手作業(yè)原理：當(dāng)需要鎖緊尖回縮時(shí)，操作員通過按壓把手進(jìn)而通過拉線拉動(dòng)鎖緊件縮進(jìn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)需要鎖緊件伸出時(shí)，操作員只需要松開把手，在彈簧的作用力下鎖緊件被壓出結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

1.7 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1)控制系統(tǒng)的組成?？刂葡到y(tǒng)由電磁繼電器、控制器、調(diào)速器、熔斷器、降壓模塊、防側(cè)傾模塊、保險(xiǎn)絲、行程開關(guān)、指示燈等電器元件組成。

2)控制器選型?？刂破髯鳛榭刂齐姍C(jī)啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和停止的核心元件，需根據(jù)挖穴機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和輪轂電機(jī)的額定電壓、額定功率以及相應(yīng)的功能需要進(jìn)行選擇。本研究選擇時(shí)代電子KY48424-10065型控制器作為旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制器，選取時(shí)代電子KY248012G-SH型控制器作為輪轂電機(jī)控制器，具體參數(shù)如表1所示。

表1 行走電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制器參數(shù) Table 1 Parameter of controller for walking motor and rotating motor

3)控制系統(tǒng)工作方式。挖穴過程工作方式為：按順序閉合電源總開關(guān)、鉆頭下行速度擋位、鉆頭下行開關(guān)，升降電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)同時(shí)工作，挖穴作業(yè)開始進(jìn)行。當(dāng)需要升降電機(jī)停止工作時(shí)，將鉆頭下行速度閉合至空擋擋位；當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)電機(jī)與升降電機(jī)同時(shí)停止工作時(shí)，閉合鉆頭空擋開關(guān)；當(dāng)需要鉆頭做復(fù)位運(yùn)動(dòng)時(shí)，閉合鉆頭上行開關(guān)。特別的是，該挖穴機(jī)的控制系統(tǒng)在鉆頭下降過程中遇到過大阻力時(shí)(如碰到樹根、石頭等)，會(huì)自動(dòng)升起鉆頭，以保護(hù)電機(jī)和鉆頭。挖穴機(jī)行走過程工作方式為：每個(gè)輪轂電機(jī)分別配有空擋開關(guān)和倒擋開關(guān)。當(dāng)需要挖穴機(jī)直線行駛時(shí)，只需調(diào)節(jié)調(diào)速裝置，即可控制挖穴機(jī)以不同的速度直線行駛；當(dāng)挖穴機(jī)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，如右轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊右空擋開關(guān)，右側(cè)輪轂電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，左側(cè)輪轂電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，挖穴機(jī)將向右側(cè)行駛，左轉(zhuǎn)同右轉(zhuǎn)原理相同；當(dāng)需要倒退行走時(shí)，點(diǎn)擊左右倒擋開關(guān)，左右輪轂電機(jī)同時(shí)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，挖穴機(jī)倒退行走。

2 結(jié)果與分析

2.1 挖穴性能試驗(yàn)

樣機(jī)如圖5A所示。2019年3月，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行挖穴性能試驗(yàn)與動(dòng)力性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證挖穴機(jī)是否符合設(shè)計(jì)要求。在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)柑橘園選取2塊試驗(yàn)地，采用5點(diǎn)取樣法在2塊試驗(yàn)地各選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，并測(cè)得深度20 cm處土層平均土壤含水率分別為24.30%和18.49%，平均土壤緊實(shí)度分別為437、837 kPa。在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)茶園選取1塊試驗(yàn)地，采用與上文相同的選點(diǎn)方法，并測(cè)得深度20 cm處土層平均土壤含水率為22.01%，平均土壤緊實(shí)度為372 kPa。挖穴機(jī)行走到相應(yīng)試驗(yàn)地，在不同試驗(yàn)地分別進(jìn)行6次挖穴試驗(yàn)，并利用秒表測(cè)定單次作業(yè)有效挖穴時(shí)間、庫侖計(jì)測(cè)定單次作業(yè)有效挖穴能耗，利用卷尺測(cè)定所挖施肥穴深度和直徑，測(cè)定結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2可知，單次作業(yè)平均有效挖穴時(shí)間為50.7 s，比人工鋤頭挖穴快1.77倍；單次作業(yè)有效挖穴能耗為5.2 W·h；施肥穴平均深度為392 mm，施肥穴平均直徑為303 mm，滿足施肥農(nóng)藝要求，且與設(shè)計(jì)要求相差較小，初步滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)， 其挖穴效果如圖5B所示。

2.2 行走動(dòng)力性能試驗(yàn)

1)爬坡性能試驗(yàn)。在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)選取坡度分別為5.4°、8.4°和15.2°的斜坡進(jìn)行爬坡試驗(yàn)。以平直路面與斜坡交界處為起點(diǎn)，利用卷尺測(cè)量9 m的斜坡，選取后5 m為測(cè)試路段。將挖穴機(jī)停于接近坡道的平直路面，行走電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，將電門全開進(jìn)行爬坡，利用秒表測(cè)量挖穴機(jī)通過測(cè)試路段時(shí)間。若第1次爬不上，可進(jìn)行第2次試驗(yàn)，但不超過2次。試驗(yàn)結(jié)果表明，挖穴機(jī)在進(jìn)行第1次試驗(yàn)時(shí)，即可通過相應(yīng)的斜坡，通過測(cè)試路段的時(shí)間分別為4.34、5.38、6.51 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 山地林果茶園電動(dòng)自走式挖穴機(jī)樣機(jī)(A)及挖穴效果(B)

性能 Performance試驗(yàn)地1 Test site 1試驗(yàn)地2 Test site 2試驗(yàn)地3 Test site 3均值 Mean效率/(穴/s) Efficiency49.849.952.450.7能耗/(穴/W·h) Energy consumption4.95.15.55.2直徑/mm Diameter305303301303穴深/mm Depth392390396392

2)最高行走速度試驗(yàn)。在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)選取一段長度為40 m的果園路面。通過前期試驗(yàn)獲得在果園路面行走6 m左右時(shí)，車輪達(dá)到穩(wěn)定最高轉(zhuǎn)速。為減少路面坡度誤差，采用往返測(cè)量取平均值的方式進(jìn)行測(cè)試。前10 m與后10 m為加速路段或減速路段，10～30 m為測(cè)試路段?？紤]到偶然誤差影響，進(jìn)行6次重復(fù)試驗(yàn)，利用秒表測(cè)量通過測(cè)試路段的時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果顯示，挖穴機(jī)在果園路面最高行走速度為1.196～1.226 m/s，與理論最高行走速度相比降低3.8%，但其在設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 討 論

本研究針對(duì)山地林果茶園挖穴作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，設(shè)計(jì)一種具有行走動(dòng)力、能夠自動(dòng)完成鉆頭進(jìn)給與回程運(yùn)動(dòng)的小型電動(dòng)挖穴機(jī)。山地林果茶園電動(dòng)自走式挖穴機(jī)田間試驗(yàn)表明，單次作業(yè)平均有效挖穴時(shí)間為50.7 s；單次作業(yè)有效挖穴能耗為5.2 W·h；施肥穴平均深度為392 mm，施肥穴平均直徑為303 mm，果園路面最高行走速度為1.202 m/s，能夠順利通過15°斜坡。該挖穴機(jī)具有行走動(dòng)力，且挖穴作業(yè)過程中鉆頭進(jìn)給與回程運(yùn)動(dòng)均無需人工操作，降低了山地林果茶園挖穴作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。但該挖穴機(jī)在挖穴作業(yè)過程中，鉆頭振動(dòng)較大，機(jī)具質(zhì)量較大造成需采用高功率的輪轂電機(jī)，使得整體耗能增加。后續(xù)研究可對(duì)挖穴機(jī)構(gòu)和機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。