果樹殘枝粉碎機研究現(xiàn)狀分析

高 倩，周 嶺※，米 強，王亞梅，吳平凡，努爾比耶柯孜·麥麥提

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，除了農(nóng)林牧業(yè)產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品外，還存在著大量的農(nóng)業(yè)剩余物，充足的陽光讓它們產(chǎn)生光合作用從而形成有機體，這些有機體被統(tǒng)稱為生物質，主要包括農(nóng)作物秸稈等剩余物、林業(yè)剩余物和動物糞便等。生物質能作為唯一可再生的綠色能源，越來越廣泛地受人們的重視，國內外與生物質有關的研究也越來越多。

果樹需要通過修剪殘枝來減少病蟲害和提高產(chǎn)品質量、產(chǎn)量，因此每年都會產(chǎn)生大量的果樹殘枝資源，僅新疆的南疆地區(qū)種植面積最大的五種果樹（紅棗樹、核桃樹、梨樹、杏樹、蘋果樹），就會產(chǎn)生約173.93 萬t 果樹殘枝資源，可收集的果樹殘枝資源為153.11 萬t，折標能源量約為88.07 萬t。由于果樹殘枝資源多而雜，形狀各異，回收與利用難度較大，因此采用粉碎機將其制成粉末或片狀等半成品，用于生物質發(fā)電、制造生物質顆粒、制造人造板、制造菌類培養(yǎng)基、堆肥和造紙行業(yè)等，不僅可以節(jié)省資源，而且減少了果樹殘枝路邊堆置和焚燒的現(xiàn)象發(fā)生，對環(huán)境治理有很大的幫助。

1 粉碎機的工作原理與類型

果樹殘枝粉碎機，一般由機架、切削機構、進料和出料機構等部分組成。粉碎裝置的工作原理比較復雜，主要有壓碎、擊碎、磨碎和剪碎4 種方式（表1）。

1.1 按照粉碎機構的結構形式分類

樹枝粉碎機的核心部件是粉碎機構[1]，按照粉碎機構的結構形式，果樹殘枝粉碎機械可以分為盤式粉碎機、鼓式粉碎機和錘式粉碎機3 種。

1.1.1 盤式粉碎機

盤式粉碎機主要有普通盤式和多刀盤式。普通盤式粉碎機（圖1 和圖2）需配備大功率發(fā)動機，一般采用長刀粉碎，刀盤上有3～5 片飛刀，在切削的過程中由于切削力波動大，導致磨損嚴重，常有粉碎不均勻的情況發(fā)生。芬蘭生產(chǎn)的新型粉碎機采用多刀盤式粉碎機構改善了這種情況，將飛刀的數(shù)量增加到8～12片實現(xiàn)連續(xù)切削，兩把或者多把刀同時切入木材，減少了刀片的磨損，粉碎質量和生產(chǎn)能力都大大提升。

總體來說盤式粉碎機的粉碎質量好，生產(chǎn)率高，適宜加工原木、劈木、木芯和成捆樹枝，多用于造紙、人造板制造等行業(yè)。但是由于盤式粉碎機刀盤直徑的原因，喂料量也受到了限制，使得生產(chǎn)量較小，多用于個體和中小型企業(yè)用戶。

1.1.2 鼓式粉碎機

鼓式削片機的切削機構通常在一個旋轉鼓輪的外圓周面上安裝兩把、四把或更多飛刀，這些旋轉的飛刀與機架上的底刀組成切削副，從而把樹枝切成木片。在切削時飛刀的間歇圓周運動會造成木料跳動，可采用強制進料機構的方式用以減少木料跳動。同時為了提高切片質量和產(chǎn)量，還可采用雙刃面飛刀、增加底刀和將底刀的四個邊制作成刃的方式。

鼓式粉碎機[2]以固定式為主，出料比較整齊，成品便于運輸，具有生產(chǎn)量大，操作簡單，維修方便，成本較低的優(yōu)點，多用于粉碎直徑較大的樹枝，可為刨花板、纖維板、人造板制造等行業(yè)制作原料，適用于大中型企業(yè)。

1.1.3 錘式粉碎機

錘式粉碎機一般采用人工或機械將樹枝從進料口均勻地喂入，通過錘片打擊的方式對樹枝進行粉碎，粉碎好的樹枝屑會通過篩孔落下，未達到要求的樹枝會再一次甩至齒板和篩片搓擦，直至全部通過篩孔。

錘式粉碎機有較強的通用性[3]，可根據(jù)實際生產(chǎn)需要調節(jié)粉碎細度[4]，能耗相對較小，生產(chǎn)效率較高，安全穩(wěn)定，維護方便。

1.2 按進料方式分類

按進料方式分可以分為強制進料和非強制進料。強制進料的粉碎機目前在市面上應用較多，對實現(xiàn)粉碎機智能化起到了較好的作用。

1.3 按進料口位置分類

按進料口位置，粉碎機可以分為斜口進料和水平口進料，采用傾斜式進料的方式能夠使物料快速均勻地運送至粉碎機構，應用較為廣泛。

1.4 按安裝方式分類

按安裝方式，粉碎機可以分為固定式和移動式兩類。為了適應隨時隨地工作，移動式粉碎機的研究與應用越來越廣泛，可通過懸掛或者牽引的方式將粉碎機拖至工作場地進行工作，最終粉碎的產(chǎn)物可以作為肥料粉碎還田，也可以將其收集起來做成生物質顆?；蛉嗽彀宓绕渌a(chǎn)品。

2 國內果樹殘枝粉碎機械

粉碎機的研制促進了農(nóng)林生物質資源化利用的發(fā)展，粉碎機的研制與使用在國內已有些年頭，主要用于農(nóng)作物秸稈和飼草的粉碎，用于木材和果樹殘枝方面粉碎設備的研制相對較少。

新型11ZF—110 型自走式樹枝粉碎機[5]（圖5）是由扶風永恒農(nóng)牧機械制造有限責任公司自主研制的，主機結構設計合理，由粉碎機構、液壓喂料機構、行走機構等組成，配套動力是16 kW 柴油機，工作效率為1.2 t/h，直徑110 mm 以下的不同木質和形狀的樹枝都能夠順利完成切削粉碎任務，碎屑質量為3～8 g（90%＜5g）。

QDG1—30 型秸稈枝丫粉碎機[6]（圖6）是由中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術研究所研制，主要由帶腳輪的底座電機進料裝置、鼓式切碎裝置（圖7）、排料裝置及控制系統(tǒng)等組成，該機可根據(jù)需要調整切碎機的材料方向和材料距離，確保碎料能夠排至料堆傳送帶或運輸車輛上，結構簡單，經(jīng)濟實用，生產(chǎn)效率高。

江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學院林彤[7]等，研制的生物質粉碎機械（圖8）從廢棄生物質的形狀、尺寸入手，從粉碎質量、加工效率、刀具壽命等方面進行研究，采用低速揉刀和高速錘片的設計，利用雙重剪切作用，循序漸進、自上而下的層層粉碎和篩選，減少了粉碎腔的體積，可以將不同形狀的廢棄生物質粉碎。

山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院崔相全[8]等，設計的9FQM1000 型樹枝秸稈粉碎機（圖9），不僅采用了雙通道喂入方式，還將盤式切碎和錘片粉碎的優(yōu)勢結合起來（圖10），使得粉碎作業(yè)更加穩(wěn)定，生產(chǎn)效率達到了3 000 kg/h。

浙江省農(nóng)業(yè)機械研究院王濤[9]等，充分考慮果樹樹種、修剪條直徑及力學特性和丘陵山區(qū)等特點，研制了一款履帶底盤的小型果樹枝條粉碎機（圖11 和圖12），最大粉碎枝條直徑達100 mm，生產(chǎn)能力達823 kg/h，粉碎合格率達93.46 %，噸料油耗2.62 kg，適用于丘陵山區(qū)果園使用。

以上粉碎機的研制已經(jīng)較為成熟，相對于國外設備，國產(chǎn)果樹殘枝粉碎機器成本低，適用于小批量生產(chǎn)，但是還存在著動力不足，效率不高，機器不穩(wěn)定的缺點。

3 國外果樹殘枝粉碎機械

國外發(fā)達國家對于樹枝粉碎機的研究已經(jīng)取得了很多成果，技術相比我國已經(jīng)較完善和成熟，自動化程度較高，產(chǎn)品實現(xiàn)了喂料負載控制、轉子轉速控制及出料口物料實時監(jiān)控等功能，典型代表機型如DNZF 型錘片粉碎機（瑞士）、ACM 型粉碎機（日本）、MSV 粉碎機（美國）等。

Sulaiman[10]等開發(fā)的錘式破碎機是臥式的，結構穩(wěn)定，粉碎效果較好。R.Mugabi[11]等對錘片形狀進行了優(yōu)化設計，分析了錘片排列方式、末端線速度等對粉碎機的影響規(guī)律。Eisenlauer M[12]等對山毛櫸、橡木和云杉木屑的工藝參數(shù)進行了研究，這對木材粉碎機械的研究起到了促進作用。還有一些國外的研究者[13-14]為了減少研究周期，還將數(shù)值模擬技術應用于粉碎設備的結構優(yōu)化問題的研宄中，取得了較多的研究成果。從粉碎機械總體性能來說，國外相比國產(chǎn)粉碎機械穩(wěn)定性好，生產(chǎn)率較高，但是進口的粉碎機械普遍價錢昂貴，設備的維修與更換不方便，并且體積偏大不易移動，不適宜在我國大面積推廣。

4 我國果樹殘枝粉碎機械存在的問題

4.1 穩(wěn)定性能差

我國多采用小型果樹殘枝粉碎機，由于果樹殘枝硬度大，在粉碎的過程中需要一定的動力[15]，機器很容易產(chǎn)生晃動，長時間工作受發(fā)熱影響會降低機器的穩(wěn)定性，同時機器在工作時粉塵較多，噪聲偏大，工作環(huán)境較差。

4.2 粉碎質量不高

果樹種類繁多，殘枝形狀大小不一，力學性能也有較大差異，因此對果樹殘枝粉碎機的要求就相對較高。比如，果樹殘枝生長年數(shù)和生長部位不同、含水率等因素導致樹枝的各項物理、化學指標都略有不同，這就使得粉碎機在粉碎物料時操作難度增大，粉碎質量較難保證。

4.3 加工效率偏低

我國果樹殘枝粉碎機的加工效率相對較低，一方面是由于粉碎機構的結構單一，造成動力不足；另一方面是由于我國果樹種植模式和不同樹種之間的差異性導致粉碎效果差。

4.4 刀具的壽命相對較短

由于我國的材料及加工技術相對較低，在使用的過程中，用戶缺少對機器的日常維護，加上設計可能存在缺陷，導致粉碎機械的刀具在使用的過程中磨損情況時有發(fā)生，從而減少刀具的使用壽命，經(jīng)常更換刀具使得加工成本提高。

5 對策與建議

5.1 加大研發(fā)力度，形成產(chǎn)學研合力

根據(jù)查閱文獻了解到我國的果樹殘枝粉碎機械目前還存在著較多的問題，分析其原因主要是專業(yè)研發(fā)人員相對較少，導致研發(fā)力度不夠。應當加強農(nóng)業(yè)部門、高校及研究部門的聯(lián)系與溝通，增加科研投入經(jīng)費，加強研究成果的推廣工作，真正形成產(chǎn)學研合力。

5.2 因地制宜，因料制宜，提升產(chǎn)品實用性

發(fā)展農(nóng)業(yè)機械，首先要搞清楚農(nóng)業(yè)實際的生產(chǎn)需求，果樹殘枝粉碎機的研發(fā)人員要與當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)技術人員建立聯(lián)系，多溝通，按照各地區(qū)實際果樹的種植情況考慮設計參數(shù)，比如樹種植的行間距、樹種不同導致的樹枝硬度的差異等因素。設計出的產(chǎn)品要因地制宜[16]，因料制宜[17]，只有在研究時針對性增強，才能提升產(chǎn)品的實用性。小型、可移動作業(yè)、成本低廉、具有針對性[18-19]的果樹殘枝粉碎機比較能夠適應我國生產(chǎn)規(guī)模小、規(guī)范程度低的種植方式[20]。

5.3 加大政府幫扶力度

果樹種植較多地區(qū)的各級政府應當加強有關果樹殘枝亂堆放和焚燒情況的治理，加大果樹殘枝粉碎機械的研發(fā)資金，建立一定的補貼政策，同時增加環(huán)境保護、設備維護及維修技術的宣傳和推廣力度，從根本上提升農(nóng)民的環(huán)保意識及資源化利用意識，使果樹殘枝“變廢為寶”。

6 結束語

環(huán)境污染及CO2排放逐年增加，使得全球氣候變暖，環(huán)境危機已經(jīng)成了全球需要面對的問題。盡管我國制定了相關的法律法規(guī)，而秸稈及果樹殘枝的焚燒現(xiàn)象依舊存在，要想從根本上解決這個問題，就要加大生物質資源化利用的相關機械和技術的研究，而粉碎機械是開啟生物質資源化利用的關鍵之門，因此研究出輕便靈活、移動方便[21]、噪聲小、智能化及精量化[22]的果樹殘枝粉碎機械迫在眉睫。