兩種竹蔸挖掘設(shè)備的研制

沈馮崢 ，李 琴，徐 康，袁少飛，張 建，趙建誠(chéng)，王 波，王洪艷

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

中國(guó)地處世界竹分布中心產(chǎn)區(qū)，竹資源非常豐富，竹種類、竹林面積、竹材蓄積量均居世界首位，素有“竹子王國(guó)”之美稱[1]。竹具有生長(zhǎng)速度快、成材時(shí)間短、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是優(yōu)良的代木材料，被廣泛應(yīng)用于建筑、車輛、包裝、裝飾、家具等領(lǐng)域[1-2]。但是，竹采伐后，會(huì)殘留很多伐樁或根徑（即竹蔸）在土壤中，影響竹林土地資源的有效利用[3-4]。毛竹Phyllostachys edulis林地中殘留的竹蔸直徑一般為50～ 150 mm，少數(shù)竹蔸直徑可達(dá)150～ 200 mm，濃密的根須占據(jù)直徑為0.5～ 0.7 m 的圓形區(qū)域范圍，其中竹蔸自然腐爛時(shí)間一般為7～ 10 a，沒有腐爛的竹蔸嚴(yán)重阻礙竹林根系（地下鞭）的擴(kuò)展與生長(zhǎng)，不利于竹林更新，并無(wú)效占據(jù)了竹林面積，導(dǎo)致竹林經(jīng)濟(jì)效益下降10%～ 20%，而挖掘竹蔸后留下的土坑可以蓄水施肥，進(jìn)而改善竹林土壤條件[4]，因此竹采伐后及時(shí)挖除殘留竹蔸非常必要。

目前，人工挖掘竹蔸，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，勞動(dòng)成本高；化學(xué)腐蝕法去除竹蔸時(shí)間較長(zhǎng)，且易造成土壤污染、水污染等問(wèn)題，不適宜大面積推廣應(yīng)用[4]。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員致力于研制竹蔸挖掘機(jī)械設(shè)備。2008年，張京平[5]設(shè)計(jì)的筒形竹根挖掘機(jī)通過(guò)安裝在圓筒內(nèi)的竹爪將竹蔸取出，但其穩(wěn)定性差，無(wú)法保證取出竹蔸的完整性；2016 年，鄧小雷[6]等設(shè)計(jì)的DX1B 型竹根挖掘機(jī)可完整地挖出竹蔸，但設(shè)備體積較大，不適合在復(fù)雜竹林中進(jìn)行作業(yè)；2018 年，章凱[7]研發(fā)的毛竹根挖掘機(jī)可較快且完整地挖出竹蔸，但挖掘竹蔸最大直徑僅為118 mm，不能挖掘較大直徑的竹蔸，設(shè)備存在局限性。而且由于大部分竹林地上石塊較多，上述設(shè)備均存在觸碰石塊后刀具崩裂問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究研制出兩種竹蔸挖掘設(shè)備——竹蔸挖掘機(jī)和竹蔸粉碎機(jī)，介紹了兩種設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，并測(cè)試其性能指標(biāo)和工作效率等，以期為竹蔸挖掘設(shè)備的研制提供參考依據(jù)。

1 竹蔸挖掘機(jī)研制

竹蔸挖掘機(jī)[8]主要以截?cái)嘀褫車闹癖迣⑵湔P出的方式挖掘竹蔸。挖掘出的竹蔸主體完整，能夠制成竹根雕，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.1 動(dòng)力裝置

目前小型機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力源主要有充電電池、柴油機(jī)以及汽油機(jī)三種。其中，充電電池質(zhì)量輕但續(xù)航能力不足；柴油機(jī)熱效率高、工作可靠但其質(zhì)量大、噪聲大；汽油機(jī)工作平穩(wěn)、質(zhì)量輕、造價(jià)低但燃料消耗率較高。根據(jù)竹林地區(qū)偏遠(yuǎn)、不通電和山路崎嶇的現(xiàn)狀，本研究選擇方便攜帶的汽油機(jī)作為竹蔸挖掘機(jī)的動(dòng)力源。選擇型號(hào)為1E36F-2A 汽油機(jī)，主要參數(shù)為：汽油機(jī)排量32.6 mL，最大功率0.9 kw，最大轉(zhuǎn)速6 500 r·min-1，凈質(zhì)量3.4 kg。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)所選汽油機(jī)的最大功率和轉(zhuǎn)速，竹蔸挖掘機(jī)的合適轉(zhuǎn)速為250～ 300 r·min-1，這樣既能夠保證刀具的切削速度，又能夠提供合適的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，選擇傳動(dòng)比為1:25 的減速器。依照竹蔸挖掘機(jī)設(shè)計(jì)要求，減速器的輸入軸與輸出軸的位置排列方式為垂直相交，所以選擇圓錐圓柱齒輪二級(jí)減速器。因?yàn)榈毒咝枭舷峦鶑?fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行挖掘竹蔸，所以減速器的輸出軸與刀具之間通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)相連，由滑塊的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刀具進(jìn)行挖掘作業(yè)。

圖1 竹蔸挖掘機(jī)Figure 1 Bamboo culm base excavator

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)挖掘要求，竹蔸挖掘機(jī)的刀具由刀柄和刀鏟組成，如圖1a 和b。刀具由經(jīng)過(guò)淬火+中溫回火的熱處理工藝的鎢鋼制成，強(qiáng)度、硬度和韌性較高，確保刀具挖掘竹蔸過(guò)程中觸碰石塊后不易斷裂，解決了現(xiàn)有竹蔸挖掘設(shè)備在挖掘過(guò)程中因觸碰石塊導(dǎo)致的刀具易崩斷問(wèn)題。刀鏟部分具有一定圓弧度，一方面可以增加與竹蔸的有效接觸面積，更高效地切斷竹根，另一方面，相比于扁平型刀具，圓弧面有利于排土，可減少挖掘過(guò)程中的阻力。

1.4 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

根據(jù)上述設(shè)計(jì)與選型設(shè)計(jì)竹蔸挖掘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1c。竹蔸挖掘機(jī)主要由汽油機(jī)、減速齒輪箱、曲柄、連桿、活塞、氣缸、刀具、把手、機(jī)架等組成，整機(jī)質(zhì)量為12.8 kg。機(jī)架上方固定著汽油機(jī)，汽油機(jī)的離合碟外邊蓋與減速齒輪箱的輸入軸固定連接，減速齒輪箱的輸出軸上安裝著曲柄。連桿一端與曲柄鉸接，連桿另一端與活塞鉸接，活塞安裝于氣缸內(nèi)，四者構(gòu)成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使得活塞在氣缸中進(jìn)行來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。刀具安裝于氣缸內(nèi)，并與活塞接觸，因此活塞來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)刀具深入土壤并切斷竹蔸根系。兩個(gè)把手通過(guò)螺柱安裝于機(jī)架兩側(cè)，可根據(jù)操作習(xí)慣調(diào)整把手間夾角。熄火開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機(jī)熄火。油門開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制汽油機(jī)離合碟的接合和分離從而控制竹蔸挖掘設(shè)備的工作和停止。汽油箱通過(guò)連接架安裝于汽油機(jī)一側(cè)，為汽油機(jī)提供能量。

工作時(shí)，操作人員手扶把手，關(guān)閉風(fēng)口，拉動(dòng)汽油機(jī)拉繩點(diǎn)火進(jìn)而啟動(dòng)汽油機(jī)，竹蔸挖掘機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。挖掘竹蔸時(shí)，按住油門開關(guān)，此時(shí)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速提高，汽油機(jī)離合碟接合進(jìn)而讓汽油機(jī)帶動(dòng)減速齒輪箱輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)減速齒輪箱減速后，減速齒輪箱輸出軸帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)部作來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在活塞來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下使得刀具深入土壤并切斷竹蔸根系。當(dāng)?shù)剁P部分完全深入土壤中，松開油門開關(guān)，竹蔸挖掘設(shè)備待機(jī)，將竹蔸挖掘機(jī)提起，繞著竹蔸換另一方位重復(fù)上述工作過(guò)程，直至將竹蔸四周的根系全部切斷，然后將竹蔸從土壤中起出。因?yàn)橹褫诰驒C(jī)是以截?cái)嘀褫車闹癖迣⑵湔P出的方式挖掘竹蔸的，所以設(shè)備挖掘竹蔸直徑大小可以不受限制。

2 竹蔸粉碎機(jī)研制

竹蔸粉碎機(jī)[9]主要以由內(nèi)往外的粉碎方式去除殘留的竹蔸。這種方式粉碎的竹蔸內(nèi)部中空，可向其內(nèi)部施肥，提高肥料的利用率，減少肥料對(duì)環(huán)境的污染，以促進(jìn)竹林可持續(xù)發(fā)展。

2.1 動(dòng)力裝置

選擇型號(hào)為1E48F 型汽油發(fā)電機(jī)，其主要參數(shù)為：汽油機(jī)排量63.3 mL，最大功率2.2 kw，最大轉(zhuǎn)速7 500 r·min-1，凈質(zhì)量為4.6 kg。

2.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

實(shí)際工作過(guò)程中，刀具由內(nèi)往外粉碎竹蔸，其中刀具轉(zhuǎn)速以300～ 400 r·min-1為最佳，因此選擇傳動(dòng)比為1:25的減速器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，減速器的輸入軸與輸出軸的位置排列方式為平行，因此所選減速器可為圓柱齒輪二級(jí)減速器。

2.3 執(zhí)行結(jié)構(gòu)

根據(jù)挖掘要求，竹蔸粉碎機(jī)的刀具由芯桿、切割刀具和麻花鉆組成，如圖2a 和b。芯桿上端與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸聯(lián)接，芯桿下端固定有麻花鉆，麻花鉆起到引導(dǎo)作用；芯桿的下部一圈階梯間隔布置切割刀具，切割刀具包括內(nèi)端面、外端面、上端面、下端面和兩個(gè)側(cè)面，內(nèi)端面固定在芯桿上，外端面為切割面，切割面與其中一個(gè)側(cè)面間的連邊為刀刃，各刀刃均位于以芯桿中心為圓心的同心圓環(huán)上，切割面上自上而下設(shè)置階梯。刀具的刀組數(shù)和階梯數(shù)可根據(jù)竹蔸直徑大小進(jìn)行增減。為了達(dá)到更好的粉碎和排屑效果，在每個(gè)階梯下部水平面增設(shè)輔助凹槽。同時(shí)結(jié)合其所需的強(qiáng)度和成本，刀具材料采用12 號(hào)鉻鋼。

圖2 竹蔸粉碎機(jī)Figure 2 Bamboo culm base grinder

2.4 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

根據(jù)上述設(shè)計(jì)與選型設(shè)計(jì)竹蔸粉碎機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2c。竹蔸粉碎機(jī)主要由汽油機(jī)、減速箱、把手、機(jī)架、刀具等組成，整機(jī)質(zhì)量為13.2 kg。機(jī)架上方固定著齒輪減速箱，汽油機(jī)的離合碟外邊蓋與減速齒輪箱的輸入軸固定連接，減速器的輸出軸與刀具相連。把手通過(guò)螺柱安裝于機(jī)架兩側(cè)。熄火開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機(jī)熄火。油門開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制汽油機(jī)離合碟的接合和分離從而控制竹蔸挖掘設(shè)備的工作和停止。汽油箱通過(guò)連接架安裝于汽油機(jī)一側(cè)，為汽油機(jī)提供能量。

工作時(shí)，操作人員手扶把手，關(guān)閉風(fēng)口，拉動(dòng)汽油機(jī)拉繩點(diǎn)火進(jìn)而啟動(dòng)汽油機(jī)，竹蔸粉碎機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。在粉碎竹蔸的過(guò)程中，操作人員現(xiàn)將竹蔸粉碎機(jī)刀具的麻花鉆鉆頭與竹蔸中心重合，而后按住油門開關(guān)，汽油箱轉(zhuǎn)速提高，通過(guò)減速器使刀具以合適轉(zhuǎn)速工作。隨著刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)，竹蔸由內(nèi)往外被粉碎，而粉碎的竹屑順著凹槽排出。同時(shí)操作人員對(duì)設(shè)備施加壓力，使刀具由上向下粉碎竹蔸，從而完成粉碎竹蔸作業(yè)。

3 性能測(cè)試

為驗(yàn)證兩種竹蔸挖掘設(shè)備的工作性能，在浙江安吉、長(zhǎng)興、龍游等地的毛竹林地進(jìn)行挖掘竹蔸試驗(yàn)，選擇挖掘的竹蔸直徑為70～ 150 mm，竹蔸殘留年限為1～ 3 a。圖3a 和b 分別為在竹林中進(jìn)行竹蔸挖掘和竹蔸粉碎的試驗(yàn)照片，其部分試驗(yàn)結(jié)果如表1。

圖3 兩種竹蔸挖掘設(shè)備試驗(yàn)情況照片F(xiàn)igure 3 Test of bamboo culm base excavator and grinder

表1 兩種竹蔸挖掘設(shè)備性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Performance test results

由表1 可知，竹蔸挖掘機(jī)的最大挖掘深度為350 mm，挖掘平均時(shí)長(zhǎng)為163.3 s·個(gè)-1；竹蔸粉碎機(jī)可粉碎竹蔸最大直徑為150 mm，粉碎平均時(shí)長(zhǎng)為142.4 s·個(gè)-1。傳統(tǒng)人工挖掘竹蔸時(shí)長(zhǎng)一般為5～ 15 min·個(gè)-1[6]，相比人工挖掘，機(jī)械挖掘工作效率大幅提高。由圖4 可知，竹蔸挖掘機(jī)的挖掘時(shí)間與挖掘深度有關(guān)，挖掘深度越深，挖掘時(shí)間越長(zhǎng)。由圖5 可知，竹蔸粉碎機(jī)的粉碎時(shí)間與竹蔸直徑有關(guān)，竹蔸直徑越大，粉碎時(shí)間越長(zhǎng)。

圖4 挖掘深度與挖掘時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系Figure 4 Relationship between excavating depth and the excavation time

圖5 竹蔸直徑與粉碎時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系Figure 5 Relationship between the diameter of the bamboo base and the grinder time

4 結(jié)論

本研究研制了兩種竹蔸挖掘設(shè)備——竹蔸挖掘機(jī)和竹蔸粉碎機(jī)，分別對(duì)竹蔸進(jìn)行整根挖掘和內(nèi)部粉碎，其中竹蔸挖掘機(jī)由汽油機(jī)、減速齒輪箱、曲柄、連桿、活塞、氣缸、刀具、把手、機(jī)架等組成，且刀具由到刀柄和刀鏟組成；竹蔸粉碎機(jī)由汽油機(jī)、減速箱、把手、機(jī)架、刀具組成，且刀具由芯桿、切割刀具和麻花鉆組成。設(shè)備具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合去除林地中殘留的竹蔸，適用于大面積筍竹兩用林，有利于竹資源的可持續(xù)發(fā)展。

性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，竹蔸挖掘機(jī)最大挖掘深度為350 mm，挖掘平均時(shí)長(zhǎng)為163.3 s·個(gè)-1；竹蔸粉碎機(jī)可粉碎竹蔸最大直徑為150 mm，粉碎平均時(shí)長(zhǎng)為142.4 s·個(gè)-1。相比人工挖掘，機(jī)械挖掘工作效率大幅提高。