竹篼清理機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

竹篼清理機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘

要：竹篼清理機(jī)械是竹篼清理技術(shù)手段中最有效的一種，綜述了幾類典型的竹篼清理機(jī)械。指出了現(xiàn)有竹篼清理機(jī)械的存在的問(wèn)題，闡述了竹篼清理機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)，為竹篼清理機(jī)械的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：竹篼清理機(jī)械;問(wèn)題;趨勢(shì)

00S-1

000A

Abstract：Bambooraftcleaningmachineryisthemosteffectiveoneforbambooraftcleaningtechnology，Summaryofseveraltypicalbambooraftcleaningmachines.Pointingouttheexistingproblemsoftheexistingbambooraftcleaningmachineryanddescribingthedevelopmenttrendofthebambooraftcleaningmachinery.Providereferencefortheresearchofbambooraftcleaning

machinery.Keywords：thecleaningmachineofbambooraft;matter;trend

引言

竹子生長(zhǎng)分布廣泛，在熱帶至溫帶均有出產(chǎn)。早在9世紀(jì)我國(guó)就能利用竹子制造紙張。預(yù)計(jì)我國(guó)2020年木材的缺口量將達(dá)到1.8億立方米[1]，巨大的木材消耗和長(zhǎng)時(shí)間的再生周期加劇了資源的缺乏沖突，而竹子生長(zhǎng)時(shí)間短，成竹三年即可收獲，是非常好的木材替代物。我國(guó)不僅竹子種類繁多且種植和產(chǎn)出量也是全球第一，全國(guó)竹林面積有500多萬(wàn)公頃，在2014年產(chǎn)出大徑竹材22.24億根[2]。隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)和造紙技術(shù)的進(jìn)步，竹材資源的利用對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有重要的實(shí)際意義。在竹子砍伐后留在土層中的根部稱為竹篼或者竹蒲頭，若不加以清理讓它自然腐壞需要8-10年的時(shí)間。長(zhǎng)此以往，會(huì)有大片的竹篼占用林地，且妨礙新生竹子的生長(zhǎng);竹子砍伐后清理竹篼會(huì)帶來(lái)1086元/hm2[3]的收益。然而竹篼韌性好，人工清理費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。生物清理方式和化學(xué)清理方式清理周期仍然很長(zhǎng)對(duì)促進(jìn)竹子林業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展意義不顯著。所以，竹篼機(jī)械清理方式的發(fā)展對(duì)高效清理竹篼有重要的作用，竹篼清理機(jī)械可以有效的提升作業(yè)效率，同時(shí)降低勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)約人工投入，促進(jìn)竹農(nóng)增產(chǎn)增收。

全球分亞太竹區(qū)、美洲竹區(qū)、非洲竹區(qū)。非洲竹區(qū)工業(yè)水平落后，對(duì)竹資源的種植收獲均是人工勞作;美洲竹區(qū)主要以園藝為主要竹資源應(yīng)用，對(duì)竹子的機(jī)械化作業(yè)研究較少;亞太竹區(qū)中以中國(guó)、日本和印度竹資源利用較多，日本因土地資源問(wèn)題竹資源的利用仍然處于傳統(tǒng)應(yīng)用范疇且日本的竹種植逐年減少;印度套用英國(guó)等的大型林業(yè)機(jī)械進(jìn)行作業(yè)。國(guó)外沒(méi)有出現(xiàn)專業(yè)的竹篼清理機(jī)械;我國(guó)近年對(duì)竹木資源的開(kāi)發(fā)利用較多，所以我國(guó)的竹篼清理機(jī)械發(fā)展相對(duì)領(lǐng)先。目前，我國(guó)機(jī)械清理竹篼主要分為兩大類方式：一種是保留竹篼的清理方式，另一種是粉碎竹篼，將碎屑直接回填的清理方式。挖掘出竹篼是基于竹篼可以再利用，利用竹篼可以用于工藝品加工和燃燒發(fā)電等用途實(shí)現(xiàn)再利用。

1留存型清理機(jī)械

1.1竹爪式竹根挖掘

浙江大學(xué)劉汾陽(yáng)[4]設(shè)計(jì)了竹爪式竹根挖掘機(jī)方案，竹爪式竹根挖掘機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計(jì)選用汽油機(jī)提供動(dòng)力。開(kāi)始時(shí)，將竹爪插入竹篼周圍，圓筒鋸下放至土壤表面;氣動(dòng)汽油機(jī)，經(jīng)皮帶輪、蝸桿、蝸輪及鍵傳遞扭矩使得圓筒鋸旋轉(zhuǎn);圓筒鋸旋轉(zhuǎn)切割竹篼周圍的根莖，土和碎屑經(jīng)螺旋片向外運(yùn)出。當(dāng)根莖被切斷后，剩下的扁竹根部分由竹爪上的反扭轉(zhuǎn)力矩折斷，折斷過(guò)后與土層剝離開(kāi)來(lái)的竹篼由人工取出。該機(jī)械整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)在于整體質(zhì)量較大林地搬運(yùn)費(fèi)力，性能損失較大，效率一般，工作穩(wěn)定性差。

1.2竹篼旋挖機(jī)

浙江農(nóng)林大學(xué)桂仁意、王成軍等[5]在2011年設(shè)計(jì)了一款竹篼旋挖機(jī)，如圖2所示。作業(yè)時(shí)，先根據(jù)地形調(diào)節(jié)機(jī)械底板角度，使得機(jī)械有適宜的工作姿態(tài)。然后，選擇尺寸匹配的刀具，調(diào)節(jié)刀具的高度并由鎖緊手柄固定刀的高度。開(kāi)啟汽油機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，松開(kāi)鎖緊手柄由控制導(dǎo)向套控制刀具的進(jìn)給量和進(jìn)給速度。旋挖時(shí)的土和碎屑由排泄孔排除。隨后人工取出竹篼。

竹篼旋挖機(jī)采用汽油機(jī)作為動(dòng)力源，可在林地移動(dòng)作業(yè)，安全性較高且一人即可操作。其缺點(diǎn)在于適應(yīng)能力有限，且林地地形復(fù)雜針對(duì)每個(gè)竹篼需進(jìn)行調(diào)節(jié)支撐底板顯得繁瑣浪費(fèi)時(shí)間降低效率;且設(shè)計(jì)多款刀具雖然刀具與竹篼匹配度較高但是同樣更換費(fèi)時(shí)，普適性不夠。

1.3環(huán)切竹篼挖掘機(jī)

浙江農(nóng)林大學(xué)陳喜庭[6]設(shè)計(jì)了一種環(huán)切竹篼挖掘機(jī)，如圖3所示。運(yùn)作時(shí)，將環(huán)切鉆筒套住目標(biāo)竹根，使竹根被包裹在圓筒內(nèi)。隨后打開(kāi)開(kāi)關(guān)，讓環(huán)切筒運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)達(dá)到一定速度后入土，緩慢加大油門，到最大值時(shí)，握緊汽油機(jī)把手。如果機(jī)械下鉆費(fèi)力時(shí)可用力下壓機(jī)械或者將機(jī)械提起來(lái)再下放挖掘，到達(dá)一定深度時(shí)可取出挖掘成功的竹篼。

環(huán)切竹篼挖掘機(jī)采用汽油機(jī)做動(dòng)力源，可在林間便利移動(dòng)。采用三角合金型刀片嵌入環(huán)切鉆筒，能有效切除周邊根系，工作效率高，使用壽命長(zhǎng)，單根挖掘時(shí)間為30秒/根，機(jī)械工作性能穩(wěn)定。但機(jī)械質(zhì)量稍重，有較大的反作用力，稍長(zhǎng)的連續(xù)工作容易使工人疲勞。該機(jī)械存在一定的危險(xiǎn)性，且排土效果不好，容易造成泥土滯留，需要人工排土，同時(shí)不能自動(dòng)排除竹根;機(jī)械鉆筒工作時(shí)存在下鉆吃力的問(wèn)題。

1.4自動(dòng)竹根挖掘機(jī)

鄧小雷、李欣等[7]設(shè)計(jì)了一種DX1B型竹根挖掘機(jī)械，如圖4所示。首先，調(diào)整好支撐腿使其能夠穩(wěn)定站立，并調(diào)節(jié)電機(jī)至正常工作需要的高度，隨后打開(kāi)汽油發(fā)電機(jī)，電壓達(dá)到220v時(shí)打開(kāi)電力輸出開(kāi)關(guān)。另一方面打開(kāi)氣泵輸出氣流，氣壓達(dá)到閥值時(shí)打開(kāi)出氣閥門，氣缸做好準(zhǔn)備。開(kāi)啟電機(jī)，待電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后;操作控制板打開(kāi)掘進(jìn)通氣閥門，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀筒旋轉(zhuǎn)、挖掘，挖掘的土壤從圓形刀筒外壁上的螺旋導(dǎo)泥槽排出，當(dāng)竹篼周圍的根莖被切斷后，操作控制面板電機(jī)停轉(zhuǎn)、氣缸收縮，刀筒上升;該機(jī)械在挖掘過(guò)程刀筒內(nèi)中泥土和竹篼緊密的結(jié)合。刀筒旋轉(zhuǎn)時(shí)已經(jīng)將連接部位扭斷，刀筒上升時(shí)即可將竹篼帶出，待刀筒上升到一定位置時(shí)刀筒內(nèi)的壓力彈簧推動(dòng)推盤(pán)排除泥土和竹篼。

該機(jī)械使用汽油發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，采用電機(jī)和氣泵驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電機(jī)和氣泵的運(yùn)用使得該機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)挖掘、排土和排根，擁有一定的自動(dòng)化水平，為后來(lái)竹篼挖掘的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了參考。三角支架在設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)共振頻率，使得該機(jī)械工作穩(wěn)定性很高。但機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)、質(zhì)量很大，不宜在林地移動(dòng)工作。挖掘機(jī)構(gòu)更換目標(biāo)竹篼時(shí)需要重新調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)高度和更換匹配刀筒，工序多較為繁瑣。

1.5葫蘆助力式竹篼起拔機(jī)

中國(guó)北京林業(yè)科學(xué)研究院劉婧婧[8]設(shè)計(jì)了一種葫蘆助力式竹篼起拔機(jī)，如圖5所示。開(kāi)始工作前將組裝好的起拔機(jī)正對(duì)竹篼，調(diào)整好支架使其穩(wěn)定。隨后，用抓鉤抓住竹篼，使其有效咬合在竹篼上。最后驅(qū)動(dòng)葫蘆開(kāi)始起拔工作。助力起拔機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工，成本低廉。但是人力驅(qū)動(dòng)起拔費(fèi)力，且在夾持咬合時(shí)需要輔助清理土壤以便能有較好的夾持效果，耽誤工時(shí)。機(jī)械工作穩(wěn)定性較低，會(huì)出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。

2粉碎型竹篼清理機(jī)械

2.1毛竹蒲頭粉碎機(jī)

浙江省楊建、楊倩倩[9]等設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)竹篼粉碎機(jī)械。該機(jī)械由電鉆改裝而成。其實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用220v工頻交流電與2800w便捷式發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)切割竹篼，竹篼在鉆頭的作用下粉碎。粉碎效率是人工清除的3倍，直徑10cm以下竹篼50只/時(shí)。該機(jī)械制造成本低單，但是電力供應(yīng)不方便，采用市電受電網(wǎng)限制，移動(dòng)便攜式發(fā)電機(jī)費(fèi)力，不適宜野外林地作業(yè)。

2.2竹篼鉆孔爆破裝置

福建海峽科化股份有限公司[10]設(shè)計(jì)一種竹篼鉆孔爆破裝置如圖6所示，由動(dòng)力單元、連接單元、傳動(dòng)單元、動(dòng)力輸出單元、伸縮單元和彈性單元構(gòu)成。動(dòng)力單元輸出轉(zhuǎn)矩傳遞執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，鉆頭對(duì)竹篼上端竹節(jié)部分進(jìn)行鉆孔，打孔至竹篼內(nèi)部。隨后伸縮單元開(kāi)始注入生態(tài)炸藥，準(zhǔn)備就緒后安全起爆，破碎竹篼。該裝置結(jié)構(gòu)輕巧，但運(yùn)用爆破手段對(duì)竹篼進(jìn)行破碎，易出現(xiàn)危險(xiǎn)。竹篼進(jìn)過(guò)爆破破碎成塊腐壞周期仍然較長(zhǎng)。

3竹篼清理機(jī)械發(fā)展中存在的問(wèn)題

（1）機(jī)械缺乏普適性

目前隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)竹子這一林業(yè)經(jīng)濟(jì)了有較大的發(fā)展，此前國(guó)內(nèi)外對(duì)竹篼清理機(jī)械的研究不多。目前大多數(shù)是環(huán)切挖掘竹篼的設(shè)備，這一類設(shè)備都針對(duì)毛竹而設(shè)計(jì)，毛竹屬于單軸散生型竹種，單株間距較大，環(huán)切設(shè)備能夠放下。但是，比如四川的慈竹、廣西的撐綠竹這類叢生竹種，面對(duì)竹篼密布的情況環(huán)切機(jī)械就不再適宜。

（2）機(jī)械適應(yīng)力不足

竹林種植地形復(fù)雜，山陡坡高。當(dāng)前的清理機(jī)械中一類存在著體積、質(zhì)量較大;更換目標(biāo)竹篼時(shí)，在林間搬運(yùn)機(jī)械極大增加了勞動(dòng)負(fù)荷，大體積、大質(zhì)量的機(jī)械不夠便攜，不適應(yīng)林間勞動(dòng)。另一類在機(jī)械在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有腳架，調(diào)整腳架是必須的步驟，導(dǎo)致清理工作工序繁瑣，同時(shí)頻繁的在目標(biāo)竹篼間架立腳非常耽誤工時(shí);且腳架設(shè)計(jì)在面對(duì)復(fù)雜的地況時(shí)其適應(yīng)力有限。

（3）自動(dòng)化水平低

現(xiàn)有的機(jī)械中以環(huán)切式為主體，此類機(jī)械目的是為了清理并收集竹篼。四類環(huán)切機(jī)械中只有一種能夠切除竹篼周邊的根莖并將竹篼與地下相連的竹鞭分離開(kāi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排根;其它的都需依靠人工輔助完成，處于一個(gè)人工與機(jī)械相結(jié)合才能完成工作的水平。這樣的一個(gè)自動(dòng)化水平面對(duì)未來(lái)的規(guī)?；N植將是一個(gè)短板，極大的限制產(chǎn)業(yè)高效的運(yùn)營(yíng)與管理。

4竹篼清理設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

（1）發(fā)展便攜與環(huán)保清理機(jī)械

隨著新能源電池技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)大功率高容量電池是必然結(jié)果，在未來(lái)希望將新能源電池作為竹篼清理機(jī)械的驅(qū)動(dòng)能源，這將極大的提升機(jī)械的攜帶能力和輕量化設(shè)計(jì)。以新能源電池作為驅(qū)動(dòng)能源將消除由汽油機(jī)作為動(dòng)力源帶來(lái)的對(duì)人的震動(dòng)沖擊、噪音危害以及化石燃料燃燒帶來(lái)的空氣污染。當(dāng)前，竹林經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，竹木需求飛速上升，便攜的竹篼清理機(jī)械有著廣闊的市場(chǎng)前景。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件來(lái)看，開(kāi)發(fā)便攜、環(huán)保的清理設(shè)備是未來(lái)發(fā)展的主要方向。

（2）發(fā)展自動(dòng)化清理機(jī)械

自動(dòng)化機(jī)械在各項(xiàng)生產(chǎn)中有著重要的作用，能夠在極大程度上替代人工，將人從高強(qiáng)度、惡劣工作條件的生產(chǎn)中解放出來(lái);并能夠起到提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)工作體系。我國(guó)乃至全球竹篼清理機(jī)械發(fā)展較晚，盡管近年我國(guó)隨著竹林經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有了較多的研究，但是機(jī)械的自動(dòng)