【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 開(kāi)始，對(duì)鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的研究逐漸興起，到了 80 年代中期，美國(guó)已經(jīng)有了較為成 型的鏈?zhǔn)介_(kāi)溝設(shè)備。鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) 結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，組裝方便，多為懸掛于農(nóng)用拖拉機(jī)后端的可拆卸設(shè)備。其工作效率突出，且擴(kuò)大了 開(kāi)溝機(jī) 的 使用范圍。伴隨著電信光纜 和地下管道 鋪設(shè) 規(guī)模的擴(kuò)大化 ，鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的使用更為廣泛。 在國(guó)內(nèi)， 天津工程機(jī)械研究所和長(zhǎng)春工程機(jī)械廠 于 70 年代中期開(kāi)始 合作，研制出我國(guó)首臺(tái)輪斗式開(kāi)溝機(jī)。 80年代中期，三、四個(gè)廠家曾分別開(kāi)發(fā)了幾種開(kāi)溝機(jī)械 ， 但由于經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性等原因，未能使開(kāi)溝機(jī)在國(guó)內(nèi)全面推廣。現(xiàn)代農(nóng)裝湖州聯(lián)合收割機(jī)有限公司引進(jìn)美國(guó) Finn 公司 的 技術(shù) ， 生產(chǎn)了 244D 多功能田園機(jī) 。 該機(jī) 采用回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu) ， 圖 11 河南鳳翔 TD50輪盤(pán)式開(kāi)溝機(jī) 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) 2 通過(guò)裝配開(kāi)溝裝置實(shí)現(xiàn)田園開(kāi)溝，但是該機(jī)成本較高。 2020 年天津工程機(jī)械研究院利用 TN654 型拖拉機(jī)改裝成挖溝機(jī) GC65，并于 2020 年研制 成功了 GC65G 型鏈刀式開(kāi)溝機(jī) 。該機(jī) 可用于水利管溝和電纜鋪設(shè)工程， 雖 為機(jī)械傳動(dòng)，但其功率與挖溝效率比，達(dá)到了國(guó) 內(nèi) 外較為先進(jìn) 的 水平。該機(jī)采用天津拖拉機(jī)廠生產(chǎn)的鐵牛 654LA 拖拉機(jī)為底盤(pán)，后部加設(shè)鏈鏟挖溝裝置，前部裝有回填鏟，使其能 同時(shí)完成挖溝回填綜合作業(yè)。挖溝裝置和回填鏟與拖拉機(jī)主體都采用螺栓連接，非挖溝作業(yè)期間可拆卸下來(lái)，恢復(fù)拖拉機(jī)功能。同年，天津工程機(jī)械研究院根據(jù)西氣 東輸?shù)男枰?，開(kāi)發(fā)出 WG300 型履帶式全液壓挖溝機(jī)。該機(jī)最大挖溝寬度可達(dá) 900mm，最大挖溝深度2200mm，挖掘鏈 線 速度 0～ 4m/s，作業(yè)速度最高可達(dá) 1400m/h。 由于鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) （圖 12） 設(shè)備簡(jiǎn)單、組裝方便，可作為懸掛于農(nóng)用拖拉機(jī)后端的可拆卸設(shè)備，并且工作效率突出，使用范圍 廣闊 。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研制的開(kāi)溝機(jī)多采用回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀 按照功率大小的不同，鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)有大型、中型和小型之分，它們有各自的特點(diǎn)。小型鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)大多為專(zhuān)用設(shè)備，使用專(zhuān)用的底盤(pán)，結(jié)構(gòu)緊湊，但是功能單 一，如功率10kw 的威猛 (Vermeer)RT100 手扶鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)；大中型開(kāi)溝機(jī)生產(chǎn)率高，功耗大，自動(dòng)化程度高，使用專(zhuān)門(mén)的大功率配套動(dòng)力，其動(dòng)力機(jī)可以掛接多種工程機(jī)械設(shè)備 ， 如美國(guó)凱斯 (Case)660 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)。 目前主要的鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)生產(chǎn)廠商均在美國(guó)。美國(guó) 有限公司的產(chǎn)品 —AFT 65 型開(kāi)溝機(jī) （圖 13） 采用拖拉機(jī)牽引，在崎嶇不平的地形上能夠顯示 出 很高的工作性能。開(kāi)溝設(shè)備掛接 5080 馬力的標(biāo)準(zhǔn)拖拉機(jī)， 且 不需要對(duì)拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)做任何修改。該機(jī) 能應(yīng)用于 多種 工作場(chǎng)合，降低了設(shè)備成本。 圖 12 山東巨菱 KG1100型鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) 前言 3 美國(guó)的 GASE 公司是世界知名的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)廠商，其 60 系列開(kāi)溝機(jī)有七個(gè)機(jī)型，功率范圍 ～ 。其最新推出的 960 機(jī)型 （ 圖 13）可 根據(jù)土壤條件的不同，配 備 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝器和巖石輪等開(kāi)溝裝置 ； 根據(jù)土壤硬度和管線直徑的大小，可為開(kāi)溝機(jī)選配杯型齒、巖石和凍土齒等不同材質(zhì)和尺寸的鏈條和齒塊。機(jī)器的前部同時(shí)裝 有 挖掘裝置和六向推土板，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、擴(kuò)寬 和 回填的連續(xù)作業(yè)，大大增強(qiáng)了機(jī)器的使用性能和應(yīng)用范圍。 國(guó)內(nèi)的開(kāi)溝機(jī)的研究和使用起步較晚。 由中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的1K30懸掛式鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) （圖 14） 和 1KZ30型自走式鏈刀開(kāi)溝機(jī)非常具有代表性。這兩種鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)主要用于 開(kāi)挖 農(nóng)田矩形溝槽 、 鋪設(shè)管道或電纜，以及種植山藥等農(nóng)作物。 其 特點(diǎn)是投資少、一臺(tái)機(jī)器能替代幾十個(gè)工人的工作；開(kāi)溝質(zhì)量好，溝寬 最小 可控制到 10cm，深度可達(dá) 150cm，溝 直壁陡；切削刀片和鏈條采用特殊材料與工藝制造，使用壽命長(zhǎng)。另外這 兩種機(jī)型的工作效率也很高，其中自走式的效率更為突出。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維護(hù)容易。 河北深遠(yuǎn)機(jī)械廠生產(chǎn)的回旋式挖溝機(jī) （圖 15） 在國(guó)內(nèi) 同類(lèi) 產(chǎn)品中 性能較好。 該開(kāi)溝機(jī)采用回旋 鏈刀式 開(kāi)溝器，分為大、中、 小 三種型號(hào) 。 其 小型開(kāi)溝機(jī)的開(kāi)溝寬度為 10～30cm，深度 50～ 150cm，工作效率 150～ 450m∕h ；中型開(kāi)溝機(jī)的開(kāi)溝寬度為 20～ 60cm，深度 60～ 180cm，工作效率 150～ 500m∕h ；大型開(kāi)溝機(jī)的開(kāi)溝寬度 30～ 150cm，深度 50～230cm，工作效率 150～ 400m∕h 。 該機(jī) 廣泛用于農(nóng)田灌溉渠道 挖掘 、煤氣管道 和石油管道鋪設(shè) 、地下電纜鋪設(shè)等 各種 開(kāi)溝作業(yè)，并配套 了 墻邊、路邊專(zhuān)用挖溝設(shè)備。 圖 13 AFT 65鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) 圖 14 1K30型懸掛式鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) 4 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的 刀片有多種形式 [3]，有 用于巖石及高硬度土壤挖掘的子彈 式 （圖 16） 、用于 高硬度 土壤的扁平狀刀具、用于北方凍土挖掘的形似刨刀的合金刀具及用于普通硬度土壤的杯形刀片 (圖 17)。 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)使用的鏈條形式較多，通常是在普通鏈條基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，通 用 鏈條原設(shè)計(jì)是在無(wú)固體介質(zhì)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)品， 對(duì)于 適應(yīng)性還未達(dá)到最佳。吉林大學(xué)劉曉論等設(shè)計(jì)了一種刀式礦土復(fù)合型開(kāi)溝鏈條，如圖 18所示 。 此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)新穎，鏈條夾嚙鏈輪，鏈節(jié)上帶有排土壤介質(zhì)的通槽，從而減少了嚙合與傳動(dòng)的阻力，可提高傳 動(dòng)效率 [4]。 圖 16子彈頭式刀具 圖 17 杯形刀片 圖 15 河北深遠(yuǎn)機(jī)械鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) 圖 18 新型刀式礦土復(fù)合型開(kāi)溝鏈 前言 5 由于鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的優(yōu)越性， 本文所研制的開(kāi)溝機(jī) 決定采用 回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)?開(kāi)溝機(jī) 。 該機(jī) 集開(kāi)溝 和排土于一體、溝深和溝寬都易于調(diào)節(jié)。 當(dāng)?shù)镀惭b角度和排列合理，刃口足夠銳利時(shí)，土壤切片主要是剪切破壞，可減小阻力，且當(dāng)某個(gè)刀片損壞時(shí)，可方便的拆卸下來(lái)進(jìn)行更換。 課題研究意義 在國(guó)外，連續(xù)式開(kāi)溝機(jī)己經(jīng)使用的很普遍，地下公用設(shè)施 的 施工都用專(zhuān)業(yè)開(kāi)溝機(jī)，很少使用單斗挖掘機(jī)。 在我國(guó) ， 除少數(shù)的單 位引進(jìn)國(guó)外的連續(xù)式開(kāi)溝機(jī)外，國(guó)產(chǎn)開(kāi)溝機(jī)投入使用的較少。隨著 我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大 ，開(kāi)溝機(jī)施工工程的規(guī)模 也 越來(lái)越大，如光纜、電纜 和 管道 的 鋪設(shè)等方工作。特別是在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域：大棚作業(yè)、林地開(kāi)溝、果 樹(shù)開(kāi)溝 和 施肥等 用工量很大的 作業(yè) ， 在 我國(guó)幾乎都用人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，從而很難提高經(jīng)濟(jì)效益。由于果園 和林地的環(huán)境條件特殊 ， 而 現(xiàn)有的開(kāi)溝機(jī)產(chǎn)品大多數(shù)以拖拉機(jī)或履帶式工程機(jī)械為平臺(tái)。所以，研發(fā)一種適用于果園等環(huán)境的開(kāi)溝機(jī)成為必要。 表 11 外型 尺寸 整機(jī)質(zhì)量 配套功率 遙控范圍 液壓提升能力 各檔速度 Km/h Ⅰ Ⅱ 1240 740 670 475kg 50m 120KN Ⅲ Ⅳ 陜西東明農(nóng)業(yè)科技公司生產(chǎn)的 非常適合應(yīng) 用于果園的 小型機(jī) 。該機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn)：遙控、人力兩套操縱系統(tǒng)，可以隨機(jī)操縱，也可以人機(jī)分離 ； 圖 19 微耕機(jī) 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) 6 遙控操縱液壓升降，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 ；機(jī)具 高度僅 65cm，通過(guò)性能好 ； 采用履帶行走裝置，附著力強(qiáng)，爬坡能力大；穩(wěn)定性強(qiáng)，能防止機(jī)具作業(yè)中翻倒事故 。 為了響應(yīng)國(guó)家“農(nóng)業(yè)機(jī)械化”的號(hào)召，提高農(nóng)民工作效率， 本文 以 機(jī)為平臺(tái)， 初步 設(shè)計(jì)了一種鏈刀式開(kāi)溝機(jī)。這種開(kāi)溝機(jī)能充分利用微耕機(jī)通過(guò)性好的優(yōu)點(diǎn)，適合在果園、林地等環(huán)境下使 用，從而降低農(nóng)民在開(kāi)溝、施肥時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)整體參數(shù)確定 7 2 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)整體參數(shù)確定 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī) 的設(shè)計(jì)參數(shù) 開(kāi)溝機(jī)工作環(huán)境為果園、深度不超過(guò) 400mm，溝寬限制在 150mm～ 300mm。 鏈刀式 開(kāi)溝機(jī)的基本參數(shù)為： 開(kāi)溝寬度 200mm 開(kāi)溝深度 400mm 鏈條線速度 1～ 15m/s 前進(jìn)速度 100～ 300m/h 配套動(dòng)力 動(dòng)力 輸出軸轉(zhuǎn)速 2400r/m 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)工作參數(shù)的確定 開(kāi)溝機(jī)工作鏈刀的速度矢量 關(guān)系 如圖 21所示， 根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，可分別推出開(kāi)溝機(jī)的生產(chǎn)率 Q 和 鏈刀運(yùn)動(dòng)絕對(duì)速度 。 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的生產(chǎn)率： 330Q B H v 2 0 0 4 0 0 1 5 0 / 1 5 . 6 / 0 . 0 0 3 3 3 /m m m m m h m h m s? ? ? ? ? ? （ 21） 式中： B— 溝寬 H— 溝深 0v — 機(jī)組 前進(jìn)速度 由圖 21 可知， 工作 鏈刀的絕對(duì)速度： 2200 2 c o s 4 . 1 0 9 2 . 0 2 7 /a l lv v v v v m s?? ? ? ? ? （ 22） 圖 21 工作鏈刀 速度矢量圖 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) 8 式中： av 一刀片絕對(duì)速度 lv 一鏈條相對(duì)開(kāi)溝機(jī)的線速度 ? — 工 作鏈刀 與水平面之間的夾角 現(xiàn)有開(kāi)溝機(jī)的鏈速一般為 v=1～ 15m/s， 參 考果園的土壤情況， 鏈速設(shè)計(jì)為 2m/s。 由圖可得： + costansinlolvvv ?? ??? （ 23） 由于實(shí)際開(kāi)溝過(guò)程中 lv 0v ，所以上式可以簡(jiǎn)化為： tan cot??? 。 則 有 ： 2????? 即 ? 、 ? 近似互余。 刀片 寬度是刀片在每次切削時(shí)，在鏈寬方向上所切削的土壤寬度?，F(xiàn)挖 200mm 寬的溝，設(shè)計(jì)由 2 把刀片為一組，并使其排列方式滿(mǎn)足不重不漏，則刀片寬度： 2 0 0 4 5 7 7 . 522BKb m m??? ? ? 取 70b mm? 式中： K— 開(kāi)溝鏈寬度 開(kāi)溝機(jī)當(dāng) 量 切削厚度，如圖 21所示： 70 7 m m15 15cb? ? ? ? 對(duì)初步選定的刀刃寬度和鏈條節(jié)距，須要檢驗(yàn)其輸送和清除土壤的能力。正確選擇的切削寬度 b 應(yīng)能滿(mǎn)足下列條件： 1pk??? （ 24） 式中： Q? — 鏈刀按排土能力計(jì)算的生產(chǎn)率 ( 3/mh) pk — 土壤松散系數(shù) 根據(jù)土壤系數(shù)表，土壤類(lèi)型選擇前四類(lèi)，可確定范圍是：(～ ) ? — 與鏈條運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的 散開(kāi)系數(shù) ，見(jiàn)表 21。 表 21 土壤散開(kāi)系數(shù) lv （ m/s） ? 開(kāi)溝時(shí)， 鏈刀組合 受到 主動(dòng) 鏈輪的驅(qū)動(dòng)和土壤阻力的作用，刀刃和鏈節(jié) 銷(xiāo)釘 將發(fā)生磨損和振動(dòng)，為了保證作業(yè)質(zhì)量和避免過(guò)分的振動(dòng)，對(duì)鏈 刀 的運(yùn)動(dòng)速度須作一定的限制。本文中取鏈刀線速度為 ，對(duì)于鏈刀的排土能力的計(jì)算，可以 通過(guò)工作鏈刀的 水平傾角與土壤的自然休止角進(jìn)行比較得出， 其比較原理如下 [5]： 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)整體參數(shù)確定 9 當(dāng) arcta nr dhL????時(shí) 1 t a n ( )2 dlrLQ b h v h ????? ? ? ????? （ 25） 當(dāng) arcta nr dhL????時(shí) c o t ( )2 rldhQ b h v L????? ? ? ? （ 26） 當(dāng) r??? 時(shí) lQ b h v?? ? ? （ 27） 其中： h — 鏈刀的高度； r? — 松散土壤的自然休止角。 土壤的自然休止角，是 指 土壤 在 自然條件下不滑坡的最大傾斜角度。實(shí)際土壤試驗(yàn)中可以利用休止角測(cè)定儀進(jìn)行土壤休止角的測(cè)量， 但需要 根據(jù)土壤的具體情況 確定 。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出的常見(jiàn)土壤休止角（表 22），結(jié)合實(shí)際開(kāi)溝情況， 認(rèn)為 亞粘土 的休止角為 30176?！?40176。，取 r? =35176。 表 22 土壤自然休止角 土的名稱(chēng) 干的度數(shù) 濕潤(rùn)度數(shù) 潮濕的度數(shù) 細(xì)砂 25 30 20 重粘土 45 35 15 亞粘土 輕粘土 50 40 30 輕亞粘土 40 30 20 腐植土 40 35 25 填方的土 35 45 27 鏈刀的高度 h=110mm 鏈刀節(jié)距 dL =4?= 由于 a=50176。 a r c t a n 3 5 3 3 . 2 0 9 6 8 . 2 0 9r dhL??? ? ?? ? ? ? ? 因此取式 (25)計(jì)算： 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) 10 1 6 4 . 0 41 t a n ( ) 1 1 0 2 1 t a n ( 5 0 3 5 ) 1 9 7 . 4 9 42 2 1 1 0dlrLQ b h v b bh ???? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ??????? 由 1pk??? 得 pQkQ ??? ? ，計(jì)算可得 ： ? 為了保證土壤切削后能夠正常的被鏈刀帶出溝，鏈刀的寬度 b 不能小于 60mm。 切削斷面面積 切削斷面面積是在任意位置上，切 削 寬度與切 削 厚度 的 乘積： 24 . 6 7 7 0 3 2 6 . 9cA b m m m m m m?? ? ? ? ? （ 28） 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的 功率計(jì)算 開(kāi)溝過(guò)程中，刀片在土壤中連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削，被切削下來(lái)的土壤，其中一部分在切削刃前面形成 土堆，被刀片帶著向前移動(dòng)；一部分土壤在擠壓力的作用下越過(guò)切削刃前面的土堆進(jìn)入杯形刀體內(nèi)。由此可見(jiàn)，在開(kāi)溝過(guò)程中刀片除了遇到切削阻力外，還會(huì)遇到土壤進(jìn)入杯形刀體內(nèi)的阻力及帶動(dòng)土堆的阻力，后二項(xiàng)合稱(chēng)為裝土阻力。切削阻力與裝土阻力之和稱(chēng)為總阻力 [6]。 開(kāi)溝機(jī)功耗及阻力的計(jì)算方法還不完善，主要通過(guò)借鑒其它切削經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，且不同的參數(shù)下所使用的經(jīng)驗(yàn)公式也不同，因此探求合適的阻力計(jì)算公式是非常關(guān)鍵的。 切土阻力 切削總阻力計(jì)算公式 [7]： 1. 35 ( ) ( 1 ) ( 1 )180r s c HF C b e?? ? ?? ? ? （ 29） 式中： sC — 土壤堅(jiān)實(shí)度計(jì)的沖擊次數(shù)，取 sC =15 ? — 切削厚度 cb — 刀片寬度 ? — 刀片切削角，對(duì)于圓弧形刀片刀片切削角等于后角 2? He — 刀片尖角計(jì)算系數(shù)，取 He = 將上式中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相應(yīng)的調(diào)整后得到單個(gè)刀片的切削阻力： 1. 35 ( ) ( 1 1 ) ( 1 )180r s c HF C b e?? ? ?? ? ? 1. 35 90 129. 8 15 ( 0. 1 4. 67 ) ( 1 0. 01 70 ) ( 1 ) 0. 81180?? ??? ? ? ? ? ? ? ? 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)整體參數(shù)確定 11 ? （ 210） 開(kāi)溝機(jī)鏈刀總切削阻力： 39。 4 1 . 0 3 5 1 0 4 1 0 . 3 5trF F Z N? ? ? ? ? （ 211） 式中： z— 鏈條上同時(shí)與土壤作用的刀片數(shù)。工作時(shí)有 5組 — 即約 10 把刀片同時(shí)切土。 由于刀片受到各種沖擊的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加入動(dòng)載系數(shù)，一般情況下動(dòng)載系數(shù) 0k 取 ～ [8]， 則 39。0 1 . 3 4 1 0 . 3 5 5 3 3 . 4 5 5ttF k F N N? ? ? ? ? （ 212） 開(kāi)溝機(jī)功耗計(jì)算 開(kāi)溝裝置總功耗 a) 開(kāi)溝機(jī) 的總切削功耗為： 53 3. 45 5 2 / 10 66 .9 1t t aP F v N m s W? ? ? ? ? （ 213） 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的總切削比功： 320 1 0 6 6 . 9 1 3 2 0 . 3 9 3 /0 . 0 4 1 7 / 0 . 0 8 4ttPP W kWJ msQ v S m s m? ? ? ?? （ 214） 式中： J — 比功，單位立方米作業(yè)量的切削功耗 s — 溝的斷面面積 表 23 土壤容重 土壤級(jí)別 土壤名稱(chēng) 難易系數(shù) 容重 Ⅰ