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(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(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(zhì)，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(zhì)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(nèi)外與生物質(zhì)有關(guān)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(zhì)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(zhì)發(fā)電、制造生物質(zhì)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(gòu)、進料和出料機構(gòu)等部分組成。粉碎裝置的工作原理比較復(fù)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(gòu)的結(jié)構(gòu)形式分類

樹枝粉碎機的核心部件是粉碎機構(gòu)[1]，按照粉碎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(gòu)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(zhì)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(zhì)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(gòu)通常在一個旋轉(zhuǎn)鼓輪的外圓周面上安裝兩把、四把或更多飛刀，這些旋轉(zhuǎn)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(gòu)的方式用以減少木料跳動。同時為了提高切片質(zhì)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(diào)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(yīng)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(gòu)，應(yīng)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(yīng)隨時隨地工作，移動式粉碎機的研究與應(yīng)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(zhì)顆粒或人造板等其他產(chǎn)品。

2 國內(nèi)果樹殘枝粉碎機械

粉碎機的研制促進了農(nóng)林生物質(zhì)資源化利用的發(fā)展，粉碎機的研制與使用在國內(nèi)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(shè)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(fēng)永恒農(nóng)牧機械制造有限責(zé)任公司自主研制的，主機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，由粉碎機構(gòu)、液壓喂料機構(gòu)、行走機構(gòu)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(zhì)和形狀的樹枝都能夠順利完成切削粉碎任務(wù)，碎屑質(zhì)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(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)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(diào)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(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用，生產(chǎn)效率高。

江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院林彤[7]等，研制的生物質(zhì)粉碎機械（圖8）從廢棄生物質(zhì)的形狀、尺寸入手，從粉碎質(zhì)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(shè)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(zhì)粉碎。

山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院崔相全[8]等，設(shè)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(jié)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(xué)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(shè)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(shù)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)應(yīng)用于粉碎設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhì)量不高

果樹種類繁多，殘枝形狀大小不一，力學(xué)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(dǎo)致樹枝的各項物理、化學(xué)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(zhì)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(gòu)的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shù)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(shè)計可能存在缺陷，導(dǎo)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(xué)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(dǎo)致研發(fā)力度不夠。應(yīng)當(dāng)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(xué)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(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)技術(shù)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(shè)計參數(shù)，比如樹種植的行間距、樹種不同導(dǎo)致的樹枝硬度的差異等因素。設(shè)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(yīng)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(yīng)當(dāng)加強有關(guān)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(shè)備維護及維修技術(shù)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(jié)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(guān)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(zhì)資源化利用的相關(guān)機械和技術(shù)的研究，而粉碎機械是開啟生物質(zhì)資源化利用的關(guān)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。