朱 煒 楊倩倩 張幼生 章德友 楊 健吳建明 朱志建 錢銀才 張 建 王 波

(浙江省湖州市林業(yè)局 313000)

筇毛竹蒲頭電動粉碎機研發(fā)及應用初報

朱 煒 楊倩倩 張幼生 章德友 楊 健吳建明 朱志建 錢銀才 張 建 王 波

(浙江省湖州市林業(yè)局 313000)

針對毛竹生產(chǎn)中存在的實際問題，研制開發(fā)了毛竹蒲頭電動粉碎機，并進行了試驗與應用。結果表明，設計技術路線正確，機械安全、可靠、簡便、實用，生產(chǎn)效率大大提高。該機械的應用具有很高的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。綜合分析了機械的應用效果，并對林業(yè)機械的開發(fā)提出建議。

竹蒲頭粉碎機；研制；試驗；應用

為有效解決毛竹蒲頭的清除問題，改進林農(nóng)生產(chǎn)工具，降低勞動強度，提高工作效率，促進毛竹經(jīng)營的機械化水平的提高，自2009年開始與相關技術人員對毛竹蒲頭電動粉碎機進行了研究和攻關。2010年7月撰寫了《毛竹蒲頭粉碎機械開發(fā)的幾點構想》，提交當年浙江省林學會竹類專業(yè)委員會年會進行書面交流。同時，在浙江省林科院的支持下開展試驗，并在吳興區(qū)埭溪鎮(zhèn)莫家柵村開展推廣應用示范，取得階段性成果。

1 設計理念

毛竹蒲頭電動粉碎機是一種基本的生產(chǎn)工具，在基本理清開發(fā)思路的前提下，堅持“安全可靠、牢固便捷、省力實用、效率適中、成本低廉、利于推廣”的設計理念，分層破解，循序漸進。

(1) 安全可靠 從使用者的角度出發(fā)，按照山區(qū)野外的工作條件，盡最大努力防止鉆頭高速運轉和電源等帶來的人身意外傷害，確保正常運行時的安全性和可靠性。

(2) 牢固便捷 生產(chǎn)工具必須經(jīng)久耐用，攜帶方便，重量適中，操作簡單，一看就懂，一學就會，維護容易，整機堅固。

(3) 省力實用 生產(chǎn)工具的改進，必須最大限度地減輕勞動者的工作強度，其主攻方向就是林農(nóng)急需解決的突出矛盾，使產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)實踐有機結合。

(4) 效率適中 一種生產(chǎn)工具，如果沒有效率就脫離了生產(chǎn)實際，不僅竹農(nóng)不歡迎，而且沒有實際使用價值，開發(fā)研究就沒有任何意義。

(5) 成本低廉 從林農(nóng)的角度出發(fā)，投入與產(chǎn)出之間的比例必須有機協(xié)調，成本過高竹農(nóng)投入困難用不起，沒有產(chǎn)出即使成本較低，竹農(nóng)同樣沒有積極性。

(6) 利于推廣 生產(chǎn)工具的推廣應用，有別于技術的推廣，設備有形產(chǎn)出無形，必須真實理解林農(nóng)的意圖并被他們所接受。

2 技術方案

機械產(chǎn)品開發(fā)是跨學科理論知識的綜合應用，涉及機電機械制造、動力學、機械力學、材料科學等方面，主要考慮了以下幾種技術方案：

2.1 動力源的選擇

機械開發(fā)，首先就是動力源問題，我們主要設想了主動式、被動式2種動力源。

2.1.1 主動式動力源

依據(jù)現(xiàn)有風力滅火器等現(xiàn)有產(chǎn)品的技術成果，擬采用小型汽油機或柴油機作動力源，并與湖州某機械生產(chǎn)企業(yè)等有關技術人員進行了廣泛討論，集思廣益后一致認為這種方式難以實現(xiàn)。主動式動力源存在以下問題：一是機器工作振動和噪音大，使用者不能長期工作；二是重量與速率矛盾突出，高效率必然大功率，大功率必然導致勞動者負重增加；三是機器與鉆頭傳動方式?jīng)]有現(xiàn)成產(chǎn)品，自主開發(fā)費用高、周期長、風險大。

2.1.2 被動式動力源

以通用電動工具為藍本，采取市電電源供電、動力電池供電和發(fā)電機供電，市電與發(fā)電機供電通用等4種方法。被動式動力源可行性分析：一是市電供電在毛竹主產(chǎn)區(qū)來講還有相當大的困難，拉電上山的可能性較??；二是可充電動力電池供電，目前國內市場最高供電電壓為48V，相關產(chǎn)品仍處于研發(fā)階段，國外市場只有日本等發(fā)達國家有此類的動力電池，但價格相當昂貴，林農(nóng)難以承受；三是便捷式汽油發(fā)電機技術已非常成熟，產(chǎn)品可選性大，價格也比較適中，山區(qū)農(nóng)民一般都能承受。

2.1.3 綜合判斷

經(jīng)綜合分析、類比篩選和現(xiàn)場實驗，最終確定用市電和發(fā)電機通用的辦法，解決動力源問題。地勢平坦和房前屋后及毛竹現(xiàn)代園區(qū)，供電條件較好，具有可行性和可操作性，利于推廣應用；坡度較大的材用竹林，在林區(qū)道路建設的基礎上，發(fā)電機上山供電條件也基本具備，特別是在規(guī)?；?jīng)營和專業(yè)化采伐等地區(qū)，能夠被經(jīng)營者和林農(nóng)所接受。

2.2 鉆頭的選擇

鉆頭是整個機械開發(fā)最為關鍵的核心部件，主要包括形狀、直徑、刃長、錐角、刃角、結構、材料等。

2.2.1 形狀

粉碎鉆頭形狀種類主要有錐形雙刃、錐形3刃、錐形4刃和錐形螺旋。錐形雙刃效率較低；錐形4刃動平衡較差；錐形螺旋加工工藝復雜，造價太高。而錐形3刃效率高，動平衡、角平衡容易掌握和控制，安全性好，加工簡單，成本較低。

2.2.2 直徑

錐形鉆頭上端直徑與錐角、刃長緊密相關，也是粉碎效率的3大基本要素。直徑可選擇7～12cm，8cm及以下效率較低，10cm及以上效率雖高，但功耗大、穩(wěn)定性差。因此，直徑選擇8.2～9.8cm，能夠滿足設計和實際操作的需要。

2.2.3 刃長

刃長是錐形鉆頭的3要素之一，是粉碎效率的核心要素。刃長選擇6.5～14cm，8cm以下，效率低，10cm以上效率雖高，不僅功耗大，而且隨刃長加長，出現(xiàn)卡死和反彈頻率增加，安全性差。因此，刃長可選擇8～10cm，可以滿足設計和實際操作的需要，而且能用1個鉆頭對大小毛竹進行粉碎，使用方便簡單。

2.2.4 錐角

錐角是指錐形頂端的夾角，為3要素中的關鍵要素之一。錐角可選擇35～90o，39o以下刃角不好掌握，容易卡死、反彈，而且振動大，竹屑排出不暢，效率低；50o以上隨角度增加，刃角也應隨之減小，雖然效率能夠加快，但刀刃的使用壽命隨角度減小而縮短；當錐角大于65o以上時，振動和動平衡問題難以掌握，安全性差。因此，錐角選擇40～50o較為合適，能夠滿足設計要求和實際需要。

2.2.5 刃角

刃角決定刀口的鋒利程度，刃角越小，刀口越鋒利；刀口決定效率，但刀口過于鋒利，反而會降低效率甚至崩斷。刃角可選擇60～90o，79o以下隨角度減小效率遞減，卡死頻率增加，反彈振動逐步增加；85o以下，刨花逐漸向竹屑變化，效率隨角度增大降低。因此，刃角選擇79～84o較為合適，既能滿足設計需要，又能達到刀刃永不磨損的目的，使用壽命長。

2.2.6 結構

粉碎鉆頭結構分為錐形單節(jié)、錐形加麻花鉆雙節(jié)等2種。錐形單節(jié)粉碎時初速度很快，竹蒲頭呈錐形孔狀時速度減緩，至“鏍絲釘”部容易卡死，穩(wěn)定性差；錐形加麻花鉆雙節(jié)結構，速率與麻花定心鉆關系密切。麻花鉆直徑小于14mm時，穩(wěn)定性較好，自主下鉆咬力小，效率較低；麻花鉆直徑大于20～25mm時，速度雖快但穩(wěn)定性逐步降低，與錐形鉆本身的牢固度關系很大，影響其使用壽命。結構選擇錐形加麻花鉆雙節(jié)結構，直徑15～18mm、長度25～28mm較為適宜。長度低于25mm，自主性差，大于28mm，容易攻破蒲頭壁碰到周邊石頭折斷的概率大。

2.2.7 材料

材料是鉆頭的生命，也決定其造價，采用普通鋼、高速耐磨鋼、鎢鋼合金鋼、普通鋼基座加合金鋼刀刃等4種。普通鋼、高速耐磨鋼，加工工藝簡單，刃角容易掌握和控制，但磨損快、耐用性差；鎢鋼合金鋼造價太高，維修困難。選擇普通鋼基座加焊鎢鋼合金鋼刀片，滿足永不磨損和更換維修方便的需要，降低造價。

2.3 連接方式選擇

連接是指錐形鉆頭與電機的結合，現(xiàn)行通用電機主要有卡接、抱接、擰接等方式，嫁接以上方法，進行了卡接、抱接和擰接3種方式的試驗。

2.3.1 卡接

錐形鉆頭在手提工具中尺寸、重量較大，卡接時連接處自然公差間隙影響轉子同心度，既容易脫落，也會產(chǎn)生振動。

2.3.2 抱接

抱接雖然能解決同心度及振動問題，但工作時產(chǎn)生的振動，容易松動抱接部或撕裂鉆頭連桿，導致鉆頭脫落，抱柱及鉆頭連桿使用壽命短。

2.3.3 擰接

擰接是以電機轉子鏍絲連接為基礎，開發(fā)同軸鏍母、鏍絲一體連接器，解決上述不足。因此，擰接符合野外作業(yè)條件的需要，又不易脫落，也利于維修更換。

2.4 電機選擇

電機市場可選成熟產(chǎn)品品種繁多，主要有電鉆、電鎬和沖擊鉆等。電鉆承載水平扭力工作，電鎬承載垂直沖擊力工作，沖擊鉆既承載水平扭力，又具有垂直沖擊力。

毛竹蒲頭強度遠沒有石頭、磚塊等墻體大，只要運用水平扭力在一定速率下勻速旋轉，就能進行切削粉碎；而當外加垂直沖擊力時，就會反彈。因此，以電鉆為基礎進行改進，方便易行效果好，而且投入成本低。改進部件重點為延長操縱連桿和手柄，連桿為抗拉性能較好的普通方鋼管，承載扭力120kg以上。由于扭矩隨連桿延伸，承載扭力過低，容易扭曲變形或折斷。

3 試驗結果

2010年9月底，機械試驗開始，整機包括鉆頭、電機和操作手柄等3大部分，重量在10kg左右，用220V市電與2800W便捷式發(fā)電機通用作動力源，額定功率1150～1250W。至2011年4月底，前后進行28次，重點對鉆頭角度、刀刃長度、切入角、刀刃材料、刀刃耐磨性、剛性等進行了試驗。

試驗結果顯示，該機械總體技術路線正確，鉆頭設計科學，安全、可靠、穩(wěn)定、簡便、實用，粉碎效率是人工清除的3倍。10cm以下竹蒲頭每小時50只以上，10～15cm竹蒲頭每小時40只左右，基本能夠適應山區(qū)自然條件，符合林農(nóng)意愿。

4 效益概算

整機價格在1 800～2 000元之間，整機保修1年，使用壽命5～8年，鉆頭終身保修；耗電量1.25度/h,折價約4.5元; 汽油耗量0.5L/h,折價約4元；碳刷壽命粉碎5 000～6 000只竹蒲頭更換1次。

4.1 綜合成本

綜合使用成本(含人工工資、油耗、機械磨損等)粉碎每只竹蒲頭在0.8元左右,比人工清除節(jié)省1/3，效率提高2/3以上。

4.2 效益分析

(1) 經(jīng)濟效益：毛竹林年采伐量平均40支/667m2，每個竹蒲頭人工清除費用1.5元，機械粉碎費用0.8元，每支降低農(nóng)民成本0.7元，每667m2節(jié)約成本28元；粉碎竹篼施肥增加毛竹10支/667m2，每支平均價格12元，每667m2增收入120元；增加竹筍50kg，每公斤2元，增收100元/667 m2。以上各項畝實際增收248元/667m2。

浙江省現(xiàn)有毛竹林面積60萬hm2，全國有毛竹林面積266萬hm2，這項技術的推廣應用，對于惠農(nóng)富民、促進現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展和社會主義新農(nóng)村建設，將產(chǎn)生極其重大而深遠的影響。

(2) 生態(tài)效益：機械粉碎后，不破壞林地及地下竹鞭的基本結構，可以減少生態(tài)性損失50元/667m2。

5 初步成果

目前，整機申報了2個發(fā)明專利、3個實用新型專利和2個外觀設計專利，至2011年6月，已有1個發(fā)明專利、2個實用新型和1個外觀專利獲國家知識產(chǎn)權局授權。

在全面展開試驗的同時，制作樣地574m2，對粉碎竹篼施肥進行跟蹤觀察，其結果表明，通過機械粉碎竹蒲頭，可以達到以下目的：

5.1 林地空間增加

據(jù)測算，一個竹蒲頭平均占地約0.3m3，需要8～10年才能完全腐爛。“去三頭”技術，關鍵之一就是去竹蒲頭。而今，由于勞動力成本增加和山區(qū)勞動力轉移，去竹蒲頭這項勞動強度大的技術已很少有人去做，使得竹林里竹蒲頭越積越多，湖州范圍內平均立竹量為216株，殘留竹蒲頭一般在200只/667m2以上，多的已超300只，約占林地有效空間的1/10以上。竹蒲頭粉碎后，就能大大縮短有效林地的恢復時間，為竹林發(fā)展留出更多的空間。

5.2 竹林產(chǎn)量增加

由于毛竹資源需求量快速增長，相當多的竹農(nóng)在材用竹林的實際生產(chǎn)中，采取表面施肥或僅用化肥的情況日益增多，有的竹農(nóng)每年只是簡單在竹林里撒一點化肥，導致竹鞭越來越淺，竹子越長越小，雖然立竹量短期內有所增加，但持續(xù)經(jīng)營后繼乏力。毛竹蒲頭電動粉碎機粉碎作業(yè)后，竹兜形成一個空洞，既可以施有機農(nóng)家肥，也可以施一定量的復合肥或化肥，充分利用竹鞭的趨肥性，讓竹鞭“回歸”，達到增產(chǎn)增量的目的。

5.3 利于旱季補水

隨著毛竹純林量的增加，竹林旱季缺水已是一個無法回避的現(xiàn)實問題。竹林一旦干旱缺水，必然危及行鞭、孕筍和竹林良性發(fā)展。用粉碎機將竹蒲頭粉碎，“螺絲釘部”適當保留，便能將雨水積聚其間，干旱季節(jié)再通過竹鞭慢慢滲出，解決竹林缺水難題。假如在粉碎竹兜里填入足量的有機質，既有利于林地土壤結構的改善，也可以為竹林保存更多的水分，補水增肥同步進行。2010年12月8日粉碎未徹底打穿的竹篼樣地，儲水時間長達45天以上。2011年春遭遇特大干旱，574 m2樣地新竹成竹103株，對比樣地180m2新竹只有16株。

5.4 利于生態(tài)保護

人工挖除竹蒲頭，一挖就是一個大坑，一些坡度大的竹林，長期挖掘或墾復，就會導致水土流失，危害生態(tài)。應用機械粉碎，無須對竹林進行全面挖掘和墾復，竹篼多大，留下的坑就多大，不會松動周邊的土壤，加上可以直接在洞穴里施肥，省力省時，肥料不會隨雨水流走，既能增產(chǎn)又能保護生態(tài)。

5.5 利于資源利用

竹蒲頭里也有十分豐富的竹資源。但在傳統(tǒng)的做法中，這些資源除極少數(shù)被挖掘制作工藝品之外，被竹農(nóng)挖出的部分大都只能當柴燒，大量的資源還是放在山上自然爛掉。一個10cm的竹蒲頭，粉碎后的竹屑約有500g多，大的竹篼可達1kg以上，只要簡單收集起來，就能作為基質、燒制竹炭、壓制人造板等原料進行合理利用，這也為竹制品加工企業(yè)找到了新的資源。

5.6 符合碳匯規(guī)則

用粉碎方法去除竹蒲頭，它在縮短林地恢復時間的同時，增加竹林立足量的過程，實際也是一個吸收二氧化碳而固碳的過程。應對氣候變化，林業(yè)的使命光榮又艱巨。對毛竹林實施機械粉碎竹蒲頭，在不擴大林地面積中增加竹林產(chǎn)出率，符合碳匯林業(yè)規(guī)則和要求，這也為林業(yè)應對氣候變化做出了貢獻。

6 問題討論

毛竹蒲頭電動粉碎機的開發(fā)研究，開啟了林業(yè)機械開發(fā)研究的一個新課題，雖然目前階段還不能做到盡善盡美，但具有深遠的示范引領意義。從南方小林區(qū)實際出發(fā)，推進生態(tài)文明和林業(yè)現(xiàn)代化建設，林業(yè)機械開發(fā)研究應當引起行業(yè)主管部門的高度關注，具體應當做到“認識到位，建好隊伍，完善保障”。

6.1 認識到位

生產(chǎn)關系一定要適應生產(chǎn)力的發(fā)展。集體林權制度改革，是生產(chǎn)關系的調整和發(fā)展。在這種情況下，我們應當使生產(chǎn)關系與生產(chǎn)力保持相適應。在勞動者、勞動對象和生產(chǎn)工具構成的生產(chǎn)力3要素中，勞動者的素質正在逐步提升，但生產(chǎn)工具千年未變，這勢必制約生產(chǎn)力的發(fā)展，這勢必導致生產(chǎn)力與生產(chǎn)關系之間的關系不協(xié)調。沒有林業(yè)機械化，就沒有林業(yè)現(xiàn)代化。浙江是全國林業(yè)現(xiàn)代化的試點省，也是中國竹子產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達、最為活躍、最具代表性的省份。林業(yè)現(xiàn)代化試點，基礎性的第一產(chǎn)業(yè)，不僅是第二、第三產(chǎn)業(yè)的基石，而且是直接惠農(nóng)富民，促進社會主義新農(nóng)村建設的推進器。在農(nóng)村勞動力轉移、人們生活水平大幅提升的情況下，農(nóng)業(yè)機械化轟轟烈烈，而南方林區(qū)的機械化至今裹足不前，這顯然與林業(yè)現(xiàn)代的大趨勢不相適應。改進生產(chǎn)工具，開發(fā)林業(yè)機械，實在已迫在眉捷，勢在必行。

6.2 建好隊伍

隨著人們生活水平的提高，勞動力成本增加已是一個不爭的事實，建立林業(yè)機械開發(fā)研究隊伍，要廣開渠道，善納眾言，集思廣益，博采眾長；既要善納機械制造專家、制造企業(yè)的意見和建議，更重要的是要深入林農(nóng)之中，傾聽他們的呼聲和要求，想他們所想，急他們所急，辦他們想辦而不能辦、辦不到、辦不好的事。建好林業(yè)機械開發(fā)研究隊伍，要虛實結合，通過溝通、嫁接、聯(lián)合，綜合運用專業(yè)院校、生產(chǎn)企業(yè)等各種社會力量，使之各展所長，為我所用；“虛位”不虛擬，突破成立專門研究機構等傳統(tǒng)模式，由需求方（林農(nóng)）提出產(chǎn)品意向，由學、研、產(chǎn)聯(lián)合對接會診，確定方向和目標，避免閉門開發(fā)的盲目性和無用性，實現(xiàn)無縫對接。

6.3 完善保障

林業(yè)機械與一般的農(nóng)業(yè)機械開發(fā)不同。林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營，大多自然條件較差，山高坡陡，林石交錯，林種繁多，高低錯落，因而機械開發(fā)錯綜復雜，風險大、回報低，必須從政策、機制和資金上予以保障，集小贏為大贏。一是政策保障。政府和行業(yè)主管部門，應當充分運用政策杠桿，調動研發(fā)者、生產(chǎn)者、使用者的積極性。林業(yè)機械一旦開發(fā)出來，主管部門應積極建議將其列為農(nóng)機下鄉(xiāng)的政策補助范圍，確保政策保障到位。二是機制保障。要完善激勵機制，要尊重群眾的首創(chuàng)精神，要依靠和發(fā)動群眾來創(chuàng)新、創(chuàng)造。要沖破現(xiàn)有研發(fā)機制，研究機構、專業(yè)院校要改變理念和方式，變坐在辦公室里編項目、拿經(jīng)費、爭獎金，為沉到一線尋需求、找方向、定目標，圍繞服務林農(nóng)、圍繞一線生產(chǎn)、圍繞科學發(fā)展搞研究、做開發(fā)、出成果。要改革辦學和人才培育機制，填補現(xiàn)行高校此類人才培育上的空白，開設與機械開發(fā)相關的專業(yè)，架起林農(nóng)需求與機械開發(fā)和企業(yè)之間的橋梁。三是資金保障?！扒蓩D難做無米之飲”，科技創(chuàng)新更離不開資金，投入不足是當前機械開發(fā)的一個突出瓶頸，而這方面的投入往往又是一本萬利的，因而無論是政府層面還是行業(yè)主管部門，都應該高度重視并大力予以保障。

[1]楊健 楊倩倩.毛竹蒲頭粉碎機的關鍵技術與使用要求[J]. 世界竹藤通訊，2011, 9(2) : 38-40.

[2]舒川根.竹資源開發(fā)與文化創(chuàng)意的結合[J].世界竹藤通訊，2011, 9(2) : 19-25.

Bamboo Culm Base Grinder R & D and Its Application

Zhu Wei, Yang Qianqian, Zhang Deyou Yang Jian Wu Jianming, Zhu ZHijian Qian Yincai Zhang Jian, Wang Bo
(Huzhou Forestry Bureau, Zhejiang Province 313000)

In view of the practical problem in moso production, automatic bamboo culm base grinder was researched and developed, and test and application were taken later. The result showed that the technical route design was right,and the machine was safe, reliable, easy and practical to use; the productive eff i ciency was greatly increased. The application of the machine has high economic and ecological benefits. With the comprehensive analysis on the application effect of the machine, some suggestions were provided for forestry machine R & D.

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