全 文 ： 第 vz卷 第 v期u s s t年 x 月
林 业 科 学
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半干旱沙地深栽造林钻孔机的性能试验与研究
俞国胜 顾正平 钱 桦 陈 劭 许 静
k北京林业大学森林工业学院 北京 tsss{vl
摘 要 } 深栽造林是解决半干旱沙地造林成活率和保存率最有效的方法之一 o深栽造林钻孔机是用于深栽
造林最为有效的设备 ∀通过对设计制造的深栽造林钻孔机在实地 p科尔沁沙地进行的钻孔阻力矩与钻头转
速 !进给速度不同造林地不同土壤硬度之间的关系等的性能试验表明 }该机在科尔沁半干旱沙地进行造林作
业 !在钻头转速为 vys ∗ wssµΠ°¬±和进给速度为 s qswz °Π¶时具有最佳工作状况和最大钻孔造林效率 ∀在科尔
沁沙地的土壤硬度条件下 o用于深栽造林钻孔机的钻孔直径为 |s °°时最大的钻孔阻力矩为 xv ‘° o而该机所
能提供的钻孔力矩完全满足这一要求 o并具有足够的扭矩储备 ∀
关键词 } 荒漠化 o深栽造林 o钻孔机 o钻孔阻力矩 o性能试验
收稿日期 }usss2tt2uw ∀
ΤΗΕ ΦΥΝΧΤΙΟΝ ΤΕΣΤ ΑΝ∆ ΡΕΣΕΑΡΧΗ ΟΦ ∆ΕΕΠ ΠΛΑΝΤΙΝΓ ΕΑΡΤΗ ΑΥΓΕΡ
ΙΝ ΣΕΜΙΑΡΙ∆ ΣΑΝ∆
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k Σχηοολοφ Φορεστ Προδυχτσ ανδ Ενγινεερινγ o Βειϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγtsss{vl
Αβστραχτ } ×µ¨¨§¨ ³¨ ³¯¤±·¬±ª¬¶²±¨ ²©·«¨ ¥¨¶·°¨ ·«²§¶¬± ¶¨ °¬¤µ¬§¶¤±§¤µ¨¤ º¬·««¬ª«2³¯¤±·¨§·µ¨ .¨ ¶¶∏µ√¬√¤¯
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Κεψ ωορδσ} ⁄¨ ¶¨µ·¬©¬¦¤·¬²±o×µ¨¨§¨ ³¨ ³¯¤±·¬±ªo∞¤µ·«¤∏ª¨µo• ¶¨¬¶·¤±¦¨ ·²µ´∏¨ oƒ∏±¦·¬²±·¨¶·
据联合国环境计划署 t||u年全球荒漠化统计资料作出的评估k¨¯¬«ot||zl o全球干旱地区的土地
面积已超过 yt ≅ ts{ «°u o占全球土地面积的 tΠv ∀其中 ts ≅ ts{ «°u 的超干旱地区几乎不可能使人类生
存 ∀其余 xt ≅ ts{ «°u 是干旱 !半干旱和亚湿润干旱地区 ∀全球大约 ts ≅ ts{ «°u 的土地k占 us h的干
旱 !半干旱和亚湿润干旱区l是由于人为因素而造成的土地荒漠化 ∀每年要消失 yss ≅ tsw «°u 的可耕种
土地 o更大面积的土地正在丧失它原有的生物功能 ∀
我国是世界上荒漠化危害最严重的国家之一 o据文献报导k周金星 o孙保平等 ot|||l o干旱 !半干旱
和亚湿润干旱区的总面积为 v qvuz ≅ ts{ «°u o占国土面积的 vw qy h ∀其中实际发生荒漠化的土地面积
为 u qyuuv ≅ ts{ «°u o占国土面积的 uz qvu h o涉及 t{个省k区 !市l的 wzt个县k旗l o风蚀荒漠化土地仍以
每年 u qwy ≅ tsw «°u 的速度扩展 o近 w ≅ ts{ 人口受到土地荒漠化的危害 ∀
因此 o无论从全球范围还是从我国情况来看 o防治荒漠化都是当前面临的一项紧迫而艰巨的重要任
务 ∀最近我国已经把防治荒漠化 !改善生态环境作为开发西部的头等大事 o并且到 usts年要实现全国
森林覆盖率达到 tz h !用材林面积达 tsz{s ≅ tsw «°u !薪碳林面积达 zyy ≅ tsw «°u 这样一个目标k中华人
民共和国林业部 ot||xl o只有依靠机械化造林才能实现 ∀
我国虽然在 xs年代中期 o在土地沙化比较严重的科尔沁地区就建立了一批机械化林场 o使用蔡斯
金式植树机 ! p vs¦°型牵引式植树机 !÷ p ux型悬挂式植树机造林 o但由于上述植树机造林栽植深
度最大为 ws¦° o满足不了那些地下水位低 o风蚀严重的干旱半流动沙丘的造林要求 ∀中国林业科学研
究院 !内蒙古喀喇沁旗林业科学研究院曾经研制过后置门架结构 !液压式 !钻孔深度分别为 v qx °和 v qw
°的深孔钻 o但没有得到推广应用 ∀
t||s年以来 o在科尔沁沙地开展的深栽造林试验表明 o在那些干旱半流动沙丘 o造林栽植深度达到
{s¦°以上时具有较高的成活率k{s h ∗ |s h l o当栽植深度达到 t qw °以上时 o其成活率和保存率几乎
达到 tss h k俞国胜等 ousssl ∀因此 o进行干旱地区造林技术装备的研究 o尤其是深栽造林技术装备的研
究对加速荒漠化地区植被的恢复 !尽快改善生态环境具有极其重要的意义 ∀
自作者 t||x年为国际援助 Š≤°Π≤°•Πss|Π…∞项目研制第一台深栽造林钻孔机以来 o至今已发展到
了第 v代 p牵引式深栽造林钻孔机 ∀根据科尔沁沙地深栽造林试验的结果 o这种机器为导轨结构 o最大
钻孔深度为 t qz ° o钻孔直径为 |s ¦°∀液压操纵 o具有操作简单 o维修保养方便等特点 ∀多年来使用深
栽造林钻孔机营造的杨树林成活率和保存率都在 |s h以上 o尤其是在 usss年东北地区 !科尔沁沙地特
大干旱的年份 o用其它造林方式造林的成活率在不断采用人力浇水后只有 us h的情况下 o使用深栽造
林钻孔机营造的林木成活率仍在 |s h以上 o并且没有采用任何灌溉和浇水措施 ∀深栽造林钻孔机在我
国西部 !特别在干旱和半干旱地区造林具有广阔和特殊的应用前景 ∀
t 深栽造林钻孔机性能试验
在深栽造林钻孔机的使用过程中 o其造林作业效率随操作者的不同其造林作业效率从每小时造林 vs
棵到 tus棵不等 ∀钻孔效率的高低除与操作者的技术熟练程度有关以外 o与造林地土壤的性质 !钻头的旋
转速度 !钻头的驱动扭矩 !钻头向下移动的速度及其钻头的结构有直接的关系 ∀在钻头结构已确定的情况
下 o不同土壤条件 !不同钻头转速 !不同钻头进给速度所需钻孔扭矩不同 ∀确定各种情况下所需的钻头扭
矩 o找出最佳钻头转速和钻头进给速度将对这类机械设备的设计和正确使用起到重大的指导作用 ∀
1 .1 试验仪器
图 t 测试装置及连接状况
ƒ¬ªqt × ¶¨·¬±¶·µ∏° ±¨·¶¤±§·«¨¬µ¦²±±¨ ¦·¬±ª
t q液压马达 ‹¼§µ¤∏¯¬¦°²·²µou q扭矩传感器和转速传感器 ײµ´∏¨ ¶¨±¶²µ¤±§µ²·¤·¬²±¶³¨ §¨¶¨±¶²µov q转速显示仪 •²·¤·¬²±¶³¨ §¨µ¨¤§2
µ¨ow q智能称重显示控制仪 • ¤¨§¬±ª¬±¶·µ∏° ±¨·©²µ¬±·¨¯ ¬¯ª¨ ±·ox q磁带记录仪 פ³µ¨¦²µ§¨µoy q不间断电源 ˜°≥ q
试验在自行设计制造的深栽造林钻孔机第 v代样机上进行 ∀钻头由一个摆线齿轮液压马达驱动 o
在液压系统压力达到 ts ®°¤时 o其驱动力矩可达到 tss ‘°∀钻头的上下移动由另一个摆线齿轮液压马
达驱动链传动装置而实现 ∀钻头为右旋螺旋型 o螺旋翼片升程为 zx °° o钻杆直径为 为 <|s °° o最大钻孔深度为 twss °° o钻尖为分叉型 ∀试验时在钻孔机的钻头与摆线齿轮液压马达之间
vtt 第 v期 俞国胜等 }半干旱沙地深栽造林钻孔机的性能试验与研究
加装了一个 „Ž≤ p usx…型扭矩传感器 o其测量范围为 s ∗ xss ‘°∀通过一个 ≤‹Π„ p ttss„…智能称重显
示控制仪给扭矩传感器输入其加载所需 ? tu ∂ 的直流电压 o扭矩传感器测量的钻头扭矩值以毫伏级的
电压再输出给智能称重显示控制仪的另一通道并显示 o同时经过放大以后的电压信号输出给一台 ÷• p
xts≤磁带数据记录仪 o将钻孔机作业过程中的扭矩变化情况记录在磁带上 ∀在安装扭矩传感器的支架
上还安装了一个磁感应式的转速传感器 o用于监测钻头的转速 ∀在野外测试时 o所有显示 !记录仪 !传感
器的电源由一台输出电压为 uus ∂ o功率为 tsss • 的不间断电源提供 ∀图 t为测试装置的连接和实测
状况 ∀
1 .2 试验地状况
造林深孔钻机主要为用于干旱 !半干旱沙地的深栽造林而设计 o试验地点选择在内蒙古科尔沁沙地
的腹部 p奈曼旗的兴隆沼林场 ∀这一地区具有典型的大陆性气候 o年降水量 vxs ∗ yxs°°并多集中于
夏季的 z !{ !|月 ∀冬季寒冷干旱 o春 !秋两季风大且干旱 o平均风速 w qt °Π¶o最大风速 tx °Π¶o年蒸发量
txss ∗ utss °° o年平均气温 y qt ε o最低温 p u| qz ε o最高温 wt ε o无霜期 tus ∗ tws §∀该地区土壤贫
瘠 !沙层深厚 o气候 !自然条件差 o土壤的有机质含量为 y1zxx ªΠ®ª!全氮k‘l为 s1xvu ªΠ®ª!全磷k°l为
s1vt{ªΠ®ª!全钾kŽl为 u1zw ªΠ®ª!³‹值为 z qw o地下水埋深 x °以下 o并且地广人稀 o经济落后 ∀钻孔机
的性能测试分别在大面积造林的固定沙地 !流动沙丘和道路两侧等典型的造林地点进行 ∀图 u是在 v
种不同土壤硬度条件的地区进行试验的实况 ∀
流动沙丘 ²√¬±ª§∏±¨ 沙地 ≥¤±§¶²¬¯ 道路两侧 • ²¤§¶¬§¨
图 u 在流动沙丘 !沙地和道路两侧测试实况
ƒ¬ªqu ׫¨ ·¨¶·¶¬± °²√¬±ª§∏±¨ o¶¤±§¶²¬¯ ¤±§µ²¤§¶¬§¨
1 .3 试验方法 !结果与分析
t qv qt 钻孔阻力矩与钻头进给速度的关系 将发动机转速通过控制调速器操纵杆固定 o这样钻头转速
就成为不变因素 ∀不同的钻头进给速度的调节是通过一个液压调速阀来实现的 ∀调速阀串联在手动控
制阀与驱动钻头上下移动的液压马达连接的油路上 o为单向调速 o即当钻头下降时可起调速作用 o而钻
头上升时调速阀不起作用 o可快速回位 ∀
图 v 不同进给速度与钻孔阻力的关系曲线
ƒ¬ªqv ׫¨ §¬¤ªµ¤° ¥¨·º¨ ±¨ §µ¬¯¯ ¥¬·©¨ §¨¬±ª¤±§¬·¶µ¨¶¬¶·¤±¦¨
π) ) ) s1svw °Π¶~ τ) ) ) s1swt °Π¶~ ω) ) ) s1swz °Π¶~ ≅) ) ) s1syu°Π¶q
在该项试验中 o钻头的转速控制在 vss ∗
vysµΠ°¬±o钻孔进给速度从 s qsvw °Π¶至 s qsyu °Π¶等 w
个变化范围 ∀从试验所得数据的结果看 o进给速度越
小 o所需钻孔扭矩越小 ∀在进给速度小于 s qswz °Π¶范
围内 o所需钻孔扭矩变化较小 ∀而当进给速度在 s q
syu °时 o所需钻孔扭矩值明显增大k图 vl ∀在试验
中 o当钻头进给速度大于 s qsyu °Π¶时 o由于钻孔阻力
急剧增大 o导致拖拉机发动机驱动功率在此转速下不
足而熄火 ∀
造成上述情况的原因是由于在钻头螺旋升土翼
片最底部的切土刀片的部分或全部实际切削后角或
wtt 林 业 科 学 vz卷
称为隙角小于零所造成 ∀切土刀片的实际切削后角 Α隙 为刀片后角 Α后 与运动角 Α运动之差 o即 }
Α隙 € Α后 p Α运动
刀片上某点的运动角 Α运动是进给速度 υ与该点切削速度 ϖ合成方向 p即实际切削速度 ϖ实际与水平
面的夹角k图 wl ∀当某点的运动角 Α运动大于后角 Α后 时就会发生刀片不能切土 !阻力急剧上升的现象 ∀
由于刀片为径向布置 o当钻头在某一转速旋转时 o沿刀片刃部每一点的切削速度随径向距离的增大而增
大 ∀在一定进给速度的情况下 o沿径向刀片各点的实际切削后角是不同的 o随距钻头轴心线的半径增大
而实际切削后角增大 ∀因此 o随进给速度的增大 o刀片实际切削后角小于零的情况先发生在距钻头轴心
线半径较小的部位 o而后沿径向向外延伸直至全部刀片长 ∀刀片后角 Α后 一般与钻头翼片的螺旋升角
相一致 ∀在一定转速下 o钻头的进给应控制在使距钻头轴心线最近点刀片实际后角不等于或小于零的
速度 ∀
图 w 钻头刀片切土运动示意图
ƒ¬ªqw ⁄µ¤©·²©¤∏ª¨µ¥¯¤§¨ ¦∏·¬±ª¶²¬¯
t qv qu 钻孔阻力矩与钻头不同旋转速度的关系 将钻头进给速度固定 o改变钻孔钻头的旋转速度 o测
量不同转速时钻孔阻力矩 ∀钻头旋转速度是通过改变拖拉机发动机调速器操纵杆的位置以改变发动机
的转速 o从而改变液压油泵的供油量进而改变驱动钻头的液压马达的转速来实现的 ∀但在实际钻孔作
业中 o随钻孔深度的变化 o不同深度层的土壤硬度不同 o钻孔阻力也不同 o从而造成钻头的转速不能绝对
稳定在某一个值 o而是在该值上下波动 ∀因此 o本试验的不同转速是在不同的转速范围 ∀在试验过程
中 o钻头转速的调节范围在 uwsµΠ°¬±至 yssµΠ°¬±之间 o钻头进给速度固定在 s qsy °Π¶∀试验时每一转速
钻 x个孔 o测量不同钻孔深度时的扭矩 o并取 x次测量的平均值 ∀试验是在固定沙地进行 ∀
图 x是在 w个不同转速范围时钻头随钻孔深度变化的扭矩曲线 ∀从图中可以看出钻头转速在 vys
∗ wssµΠ°¬±时钻头所需的扭矩值最小 o随钻孔深度的增加 o所需扭矩值几乎呈线性关系增加 ∀钻头转速
过低或过高时 o钻孔所需的扭矩值均较大 ∀钻头转速过低时钻孔阻力矩过大的原因与上述的钻孔螺旋
叶片切土刀片实际切削后角变小相同 ∀而钻头转速过高时 o钻孔阻力的增大是由于被切下的土壤在钻
头螺旋翼片中上升过程中 o土壤粒子对孔壁的压力增大而造成钻孔阻力矩增大 ∀在钻头转速为 vss ∗
vysµΠ°¬±时 ox个测试点中的 u个点在钻深 ys¦°时遇到硬土层 o导致该点的平均阻力矩上升 o因而在图
中有一峰值 ∀
t qv qv 钻孔阻力矩与不同土壤硬度的关系 钻孔阻力矩测试在流动沙丘 !固定沙地和道路两侧 v种典
型的造林地点进行 ∀对 v种类型土壤的硬度用南京土壤仪器厂生产的 ×∞p v型土壤硬度计在钻孔机最
大钻孔深度范围内每间隔 vs¦°进行测量 o在 v种造林地土壤硬度与深度之间的关系见图 y ∀在固定沙
地土壤硬度测试中发现 o在距地表面 t °以上深度范围内的土壤含水率几乎为零 o土壤板结从 ws ¦°深
开始至 t °深 ot °以下土壤开始湿润 ot qu °以下为细沙 ∀土壤硬度随土壤的板结而加大 ∀在深度为
ys¦°左右为最大硬度 o深 tss¦°以后土壤硬度开始降低 o测试深度到达 tus ∗ tws¦°时 o土壤硬度只有
vwy ‘∀
在道路两侧的土壤测试中 o距地表面深 s ∗ us ¦°为土壤最大硬度 ovs ¦°深以后土壤硬度逐渐降
低 o深 xs¦°以下开始出现沙土 o深 tts¦°以下为细纱 ∀
xtt 第 v期 俞国胜等 }半干旱沙地深栽造林钻孔机的性能试验与研究
图 x 不同钻头转速与所需扭矩之间的关系曲线
ƒ¬ªqx ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²± ¥¨·º¨¨ ± ¤∏ª¨µµ²·¤·¬²± ¶³¨ §¨¶¤±§±¨ §¨¨§·²µ´∏¨ º«¨ ± §µ¬¯¯ «²¯ ¶¨
σ) ) ) uws ∗ vssµΠ°¬±~ τ) ) ) vss ∗ vysµΠ°¬±~ ω) ) ) vys ∗ wssµΠ°¬±~ ≅) ) ) xws ∗ yssµΠ°¬±q
在进行不同土壤条件钻孔阻力试验时 o钻头的转速为 vssµΠ°¬±o进给速度为 s qsww °Π¶o钻头本身的
结构参数与其它试验相同 ∀从试验记录数据和作出的曲线k图 zl可以看出 }
图 y v种造林地土壤硬度随深度变化曲线
ƒ¬ªqy ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²± ²©·«µ¨¨®¬±§¶²©¶²¬¯ «¤µ§±¨ ¶¶
º¬·«·«¨¬µ§¨³·«
υ) ) ) 固定沙地 ≥¤±§¶²¬¯~ ω) ) ) 道路两侧 •²¤§¶¬§¨ ~
σ) ) ) 流动沙丘 ²√¬±ª§∏±¨ q
图 z v种不同造林地点钻孔阻力随不同深度变化曲线
ƒ¬ªqz ⁄¬¤ªµ¤° ²©¤∏ª¨µ§µ¬¯¯¬±ªµ¨¶¬¶·¤±¦¨ º¬·«§¬©©¨µ¨±·§¨³·«
¬±·«µ¨¨®¬±§²©³¯¤±·¬±ª³¯¤¦¨¶
υ) ) ) 固定沙地 ≥¤±§¶²¬¯~ ω) ) ) 道路两侧 •²¤§¶¬§¨ ~
σ) ) ) 流动沙丘 ²√¬±ª§∏±¨ q
在流动沙丘钻孔阻力随钻深的增加逐渐增大 o这与流动沙丘的土壤硬度不随深度层变化的情况似
乎并不一致 o但这是符合规律的 ∀钻孔阻力主要由二部分组成 o即切削阻力矩和升土阻力矩 ∀前者主要
取决于土壤硬度 o硬度不变 o阻力矩也不会有大的变化 ~而升土阻力矩则随升土量的增加而增大 o钻孔越
深 o阻力矩也就越大 ∀
在固定沙地钻孔时 o钻孔阻力最大在 ys¦°深左右 o当钻孔深度超过 {s ¦°以后阻力逐渐减小直至
钻孔深度到达 tts¦°以后 o钻孔阻力又开始略有上升 o其阻力上升的趋势与流动沙丘基本相同 ∀这种
情况也与测试土壤的硬度情况相一致 o因为在 ys ¦°深左右有一个明显的板结层 ∀道路两侧的试验表
明 o钻孔时在距地表面 vs¦°深范围内钻孔阻力值增加很快 o越过 vs¦°深以后 o钻孔阻力值开始下降并
趋于稳定在一定的范围 ∀在钻孔深度达到 tus¦°以后 o钻孔阻力值随深度的增加而增大 ∀这种情况与
道路两侧地表面压实程度较大而造成土壤硬度较大的情况相一致 ∀在测试中 o在距地表面 ts ¦°范围
内 o钻孔最大阻力矩曾达到 xv ‘°∀
ytt 林 业 科 学 vz卷
u 结论
从上述 v种性能试验的总体情况看 o用于科尔沁半干旱沙地的深栽造林钻孔机在其钻头转速为 vys
∗ wssµΠ°¬± !进给速度为 s qswz °Π¶左右时具有最高的钻孔效率 ~
深栽造林钻孔机的钻孔阻力矩随土壤硬度的增大而增大 ∀从试验所测得的数据看 o在科尔沁沙地
的最大钻孔阻力矩平均不大于 ws ‘° o但在道路两侧个别地点钻孔阻力矩高达 xv ‘°∀深栽造林钻孔机
所配备的液压马达最大输出扭矩为 tss ‘°o大于最大钻孔阻力矩 o具有足够的扭矩储备 ~
在钻头结构一定的情况下 o进给速度与钻头的旋转速度有一个合理的正比关系 ∀当进给速度过大
与旋转速度不相适应时 o钻孔阻力矩将急剧增大 o最终会导致钻头不钻孔 ∀
参 考 文 献
俞国胜 o卢 琦编译 q林业在防治荒漠化中的地位和作 q第 tt届世界林业大会文献选编 o北京 }中国林业出版社 ot||{ otyt ∗ tyw
俞国胜 o顾正平 o陈 劭 q半干旱沙地机械化造林试验研究及其前景 q林业机械与木工设备 ousss ots }| ∗ tt
周金星 o孙保平等 qut世纪我国的荒漠化防治 q中国林学文献计量研究 p xs年回顾与展望 o北京 }北京图书馆出版社 !中国林业出版社 o
t||| otxy ∗ tyu
中华人民共和国林业部 q中国 ut世纪议程 q林业行动计划 ot||x }tu ∗ tv
¨¯¬«…²¼§¤®q∞≥ׄ…Œ≥‹∞‘× „‘⁄ „‘„Š∞∞‘× ’ƒ ו ∞∞≥ „‘⁄≥ׄ‘⁄≥ Œ‘„•Œ⁄ ’‘∞≥ oµ¨³²µ·¨§²± ∞¬³¨µ·≤²±¶∏¯·¤·¬²± ²±·«¨ • ²¯¨²©©²µ2
¶¨·µ¼¬± ≤²°¥¤·¬±ª ⁄¨ ¶¨µ·¬©¬¦¤·¬²±o „±·¤¯¬¼¤k×∏µ®¨ ¼l ots ∗ tv ’¦·²¥¨µt||z
ztt 第 v期 俞国胜等 }半干旱沙地深栽造林钻孔机的性能试验与研究