筇毛竹蒲头电动粉碎机研发及应用初报

朱 炜 杨倩倩 张幼生 章德友 杨 健吴建明 朱志建 钱银才 张 建 王 波

(浙江省湖州市林业局 313000)

筇毛竹蒲头电动粉碎机研发及应用初报

朱 炜 杨倩倩 张幼生 章德友 杨 健吴建明 朱志建 钱银才 张 建 王 波

(浙江省湖州市林业局 313000)

针对毛竹生产中存在的实际问题，研制开发了毛竹蒲头电动粉碎机，并进行了试验与应用。结果表明，设计技术路线正确，机械安全、可靠、简便、实用，生产效率大大提高。该机械的应用具有很高的经济效益和生态效益。综合分析了机械的应用效果，并对林业机械的开发提出建议。

竹蒲头粉碎机；研制；试验；应用

为有效解决毛竹蒲头的清除问题，改进林农生产工具，降低劳动强度，提高工作效率，促进毛竹经营的机械化水平的提高，自2009年开始与相关技术人员对毛竹蒲头电动粉碎机进行了研究和攻关。2010年7月撰写了《毛竹蒲头粉碎机械开发的几点构想》，提交当年浙江省林学会竹类专业委员会年会进行书面交流。同时，在浙江省林科院的支持下开展试验，并在吴兴区埭溪镇莫家栅村开展推广应用示范，取得阶段性成果。

1 设计理念

毛竹蒲头电动粉碎机是一种基本的生产工具，在基本理清开发思路的前提下，坚持“安全可靠、牢固便捷、省力实用、效率适中、成本低廉、利于推广”的设计理念，分层破解，循序渐进。

(1) 安全可靠 从使用者的角度出发，按照山区野外的工作条件，尽最大努力防止钻头高速运转和电源等带来的人身意外伤害，确保正常运行时的安全性和可靠性。

(2) 牢固便捷 生产工具必须经久耐用，携带方便，重量适中，操作简单，一看就懂，一学就会，维护容易，整机坚固。

(3) 省力实用 生产工具的改进，必须最大限度地减轻劳动者的工作强度，其主攻方向就是林农急需解决的突出矛盾，使产品开发与生产实践有机结合。

(4) 效率适中 一种生产工具，如果没有效率就脱离了生产实际，不仅竹农不欢迎，而且没有实际使用价值，开发研究就没有任何意义。

(5) 成本低廉 从林农的角度出发，投入与产出之间的比例必须有机协调，成本过高竹农投入困难用不起，没有产出即使成本较低，竹农同样没有积极性。

(6) 利于推广 生产工具的推广应用，有别于技术的推广，设备有形产出无形，必须真实理解林农的意图并被他们所接受。

2 技术方案

机械产品开发是跨学科理论知识的综合应用，涉及机电机械制造、动力学、机械力学、材料科学等方面，主要考虑了以下几种技术方案：

2.1 动力源的选择

机械开发，首先就是动力源问题，我们主要设想了主动式、被动式2种动力源。

2.1.1 主动式动力源

依据现有风力灭火器等现有产品的技术成果，拟采用小型汽油机或柴油机作动力源，并与湖州某机械生产企业等有关技术人员进行了广泛讨论，集思广益后一致认为这种方式难以实现。主动式动力源存在以下问题：一是机器工作振动和噪音大，使用者不能长期工作；二是重量与速率矛盾突出，高效率必然大功率，大功率必然导致劳动者负重增加；三是机器与钻头传动方式没有现成产品，自主开发费用高、周期长、风险大。

2.1.2 被动式动力源

以通用电动工具为蓝本，采取市电电源供电、动力电池供电和发电机供电，市电与发电机供电通用等4种方法。被动式动力源可行性分析：一是市电供电在毛竹主产区来讲还有相当大的困难，拉电上山的可能性较小；二是可充电动力电池供电，目前国内市场最高供电电压为48V，相关产品仍处于研发阶段，国外市场只有日本等发达国家有此类的动力电池，但价格相当昂贵，林农难以承受；三是便捷式汽油发电机技术已非常成熟，产品可选性大，价格也比较适中，山区农民一般都能承受。

2.1.3 综合判断

经综合分析、类比筛选和现场实验，最终确定用市电和发电机通用的办法，解决动力源问题。地势平坦和房前屋后及毛竹现代园区，供电条件较好，具有可行性和可操作性，利于推广应用；坡度较大的材用竹林，在林区道路建设的基础上，发电机上山供电条件也基本具备，特别是在规模化经营和专业化采伐等地区，能够被经营者和林农所接受。

2.2 钻头的选择

钻头是整个机械开发最为关键的核心部件，主要包括形状、直径、刃长、锥角、刃角、结构、材料等。

2.2.1 形状

粉碎钻头形状种类主要有锥形双刃、锥形3刃、锥形4刃和锥形螺旋。锥形双刃效率较低；锥形4刃动平衡较差；锥形螺旋加工工艺复杂，造价太高。而锥形3刃效率高，动平衡、角平衡容易掌握和控制，安全性好，加工简单，成本较低。

2.2.2 直径

锥形钻头上端直径与锥角、刃长紧密相关，也是粉碎效率的3大基本要素。直径可选择7～12cm，8cm及以下效率较低，10cm及以上效率虽高，但功耗大、稳定性差。因此，直径选择8.2～9.8cm，能够满足设计和实际操作的需要。

2.2.3 刃长

刃长是锥形钻头的3要素之一，是粉碎效率的核心要素。刃长选择6.5～14cm，8cm以下，效率低，10cm以上效率虽高，不仅功耗大，而且随刃长加长，出现卡死和反弹频率增加，安全性差。因此，刃长可选择8～10cm，可以满足设计和实际操作的需要，而且能用1个钻头对大小毛竹进行粉碎，使用方便简单。

2.2.4 锥角

锥角是指锥形顶端的夹角，为3要素中的关键要素之一。锥角可选择35～90o，39o以下刃角不好掌握，容易卡死、反弹，而且振动大，竹屑排出不畅，效率低；50o以上随角度增加，刃角也应随之减小，虽然效率能够加快，但刀刃的使用寿命随角度减小而缩短；当锥角大于65o以上时，振动和动平衡问题难以掌握，安全性差。因此，锥角选择40～50o较为合适，能够满足设计要求和实际需要。

2.2.5 刃角

刃角决定刀口的锋利程度，刃角越小，刀口越锋利；刀口决定效率，但刀口过于锋利，反而会降低效率甚至崩断。刃角可选择60～90o，79o以下随角度减小效率递减，卡死频率增加，反弹振动逐步增加；85o以下，刨花逐渐向竹屑变化，效率随角度增大降低。因此，刃角选择79～84o较为合适，既能满足设计需要，又能达到刀刃永不磨损的目的，使用寿命长。

2.2.6 结构

粉碎钻头结构分为锥形单节、锥形加麻花钻双节等2种。锥形单节粉碎时初速度很快，竹蒲头呈锥形孔状时速度减缓，至“镙丝钉”部容易卡死，稳定性差；锥形加麻花钻双节结构，速率与麻花定心钻关系密切。麻花钻直径小于14mm时，稳定性较好，自主下钻咬力小，效率较低；麻花钻直径大于20～25mm时，速度虽快但稳定性逐步降低，与锥形钻本身的牢固度关系很大，影响其使用寿命。结构选择锥形加麻花钻双节结构，直径15～18mm、长度25～28mm较为适宜。长度低于25mm，自主性差，大于28mm，容易攻破蒲头壁碰到周边石头折断的概率大。

2.2.7 材料

材料是钻头的生命，也决定其造价，采用普通钢、高速耐磨钢、钨钢合金钢、普通钢基座加合金钢刀刃等4种。普通钢、高速耐磨钢，加工工艺简单，刃角容易掌握和控制，但磨损快、耐用性差；钨钢合金钢造价太高，维修困难。选择普通钢基座加焊钨钢合金钢刀片，满足永不磨损和更换维修方便的需要，降低造价。

2.3 连接方式选择

连接是指锥形钻头与电机的结合，现行通用电机主要有卡接、抱接、拧接等方式，嫁接以上方法，进行了卡接、抱接和拧接3种方式的试验。

2.3.1 卡接

锥形钻头在手提工具中尺寸、重量较大，卡接时连接处自然公差间隙影响转子同心度，既容易脱落，也会产生振动。

2.3.2 抱接

抱接虽然能解决同心度及振动问题，但工作时产生的振动，容易松动抱接部或撕裂钻头连杆，导致钻头脱落，抱柱及钻头连杆使用寿命短。

2.3.3 拧接

拧接是以电机转子镙丝连接为基础，开发同轴镙母、镙丝一体连接器，解决上述不足。因此，拧接符合野外作业条件的需要，又不易脱落，也利于维修更换。

2.4 电机选择

电机市场可选成熟产品品种繁多，主要有电钻、电镐和冲击钻等。电钻承载水平扭力工作，电镐承载垂直冲击力工作，冲击钻既承载水平扭力，又具有垂直冲击力。

毛竹蒲头强度远没有石头、砖块等墙体大，只要运用水平扭力在一定速率下匀速旋转，就能进行切削粉碎；而当外加垂直冲击力时，就会反弹。因此，以电钻为基础进行改进，方便易行效果好，而且投入成本低。改进部件重点为延长操纵连杆和手柄，连杆为抗拉性能较好的普通方钢管，承载扭力120kg以上。由于扭矩随连杆延伸，承载扭力过低，容易扭曲变形或折断。

3 试验结果

2010年9月底，机械试验开始，整机包括钻头、电机和操作手柄等3大部分，重量在10kg左右，用220V市电与2800W便捷式发电机通用作动力源，额定功率1150～1250W。至2011年4月底，前后进行28次，重点对钻头角度、刀刃长度、切入角、刀刃材料、刀刃耐磨性、刚性等进行了试验。

试验结果显示，该机械总体技术路线正确，钻头设计科学，安全、可靠、稳定、简便、实用，粉碎效率是人工清除的3倍。10cm以下竹蒲头每小时50只以上，10～15cm竹蒲头每小时40只左右，基本能够适应山区自然条件，符合林农意愿。

4 效益概算

整机价格在1 800～2 000元之间，整机保修1年，使用寿命5～8年，钻头终身保修；耗电量1.25度/h,折价约4.5元; 汽油耗量0.5L/h,折价约4元；碳刷寿命粉碎5 000～6 000只竹蒲头更换1次。

4.1 综合成本

综合使用成本(含人工工资、油耗、机械磨损等)粉碎每只竹蒲头在0.8元左右,比人工清除节省1/3，效率提高2/3以上。

4.2 效益分析

(1) 经济效益：毛竹林年采伐量平均40支/667m2，每个竹蒲头人工清除费用1.5元，机械粉碎费用0.8元，每支降低农民成本0.7元，每667m2节约成本28元；粉碎竹篼施肥增加毛竹10支/667m2，每支平均价格12元，每667m2增收入120元；增加竹笋50kg，每公斤2元，增收100元/667 m2。以上各项亩实际增收248元/667m2。

浙江省现有毛竹林面积60万hm2，全国有毛竹林面积266万hm2，这项技术的推广应用，对于惠农富民、促进现代林业发展和社会主义新农村建设，将产生极其重大而深远的影响。

(2) 生态效益：机械粉碎后，不破坏林地及地下竹鞭的基本结构，可以减少生态性损失50元/667m2。

5 初步成果

目前，整机申报了2个发明专利、3个实用新型专利和2个外观设计专利，至2011年6月，已有1个发明专利、2个实用新型和1个外观专利获国家知识产权局授权。

在全面展开试验的同时，制作样地574m2，对粉碎竹篼施肥进行跟踪观察，其结果表明，通过机械粉碎竹蒲头，可以达到以下目的：

5.1 林地空间增加

据测算，一个竹蒲头平均占地约0.3m3，需要8～10年才能完全腐烂。“去三头”技术，关键之一就是去竹蒲头。而今，由于劳动力成本增加和山区劳动力转移，去竹蒲头这项劳动强度大的技术已很少有人去做，使得竹林里竹蒲头越积越多，湖州范围内平均立竹量为216株，残留竹蒲头一般在200只/667m2以上，多的已超300只，约占林地有效空间的1/10以上。竹蒲头粉碎后，就能大大缩短有效林地的恢复时间，为竹林发展留出更多的空间。

5.2 竹林产量增加

由于毛竹资源需求量快速增长，相当多的竹农在材用竹林的实际生产中，采取表面施肥或仅用化肥的情况日益增多，有的竹农每年只是简单在竹林里撒一点化肥，导致竹鞭越来越浅，竹子越长越小，虽然立竹量短期内有所增加，但持续经营后继乏力。毛竹蒲头电动粉碎机粉碎作业后，竹兜形成一个空洞，既可以施有机农家肥，也可以施一定量的复合肥或化肥，充分利用竹鞭的趋肥性，让竹鞭“回归”，达到增产增量的目的。

5.3 利于旱季补水

随着毛竹纯林量的增加，竹林旱季缺水已是一个无法回避的现实问题。竹林一旦干旱缺水，必然危及行鞭、孕笋和竹林良性发展。用粉碎机将竹蒲头粉碎，“螺丝钉部”适当保留，便能将雨水积聚其间，干旱季节再通过竹鞭慢慢渗出，解决竹林缺水难题。假如在粉碎竹兜里填入足量的有机质，既有利于林地土壤结构的改善，也可以为竹林保存更多的水分，补水增肥同步进行。2010年12月8日粉碎未彻底打穿的竹篼样地，储水时间长达45天以上。2011年春遭遇特大干旱，574 m2样地新竹成竹103株，对比样地180m2新竹只有16株。

5.4 利于生态保护

人工挖除竹蒲头，一挖就是一个大坑，一些坡度大的竹林，长期挖掘或垦复，就会导致水土流失，危害生态。应用机械粉碎，无须对竹林进行全面挖掘和垦复，竹篼多大，留下的坑就多大，不会松动周边的土壤，加上可以直接在洞穴里施肥，省力省时，肥料不会随雨水流走，既能增产又能保护生态。

5.5 利于资源利用

竹蒲头里也有十分丰富的竹资源。但在传统的做法中，这些资源除极少数被挖掘制作工艺品之外，被竹农挖出的部分大都只能当柴烧，大量的资源还是放在山上自然烂掉。一个10cm的竹蒲头，粉碎后的竹屑约有500g多，大的竹篼可达1kg以上，只要简单收集起来，就能作为基质、烧制竹炭、压制人造板等原料进行合理利用，这也为竹制品加工企业找到了新的资源。

5.6 符合碳汇规则

用粉碎方法去除竹蒲头，它在缩短林地恢复时间的同时，增加竹林立足量的过程，实际也是一个吸收二氧化碳而固碳的过程。应对气候变化，林业的使命光荣又艰巨。对毛竹林实施机械粉碎竹蒲头，在不扩大林地面积中增加竹林产出率，符合碳汇林业规则和要求，这也为林业应对气候变化做出了贡献。

6 问题讨论

毛竹蒲头电动粉碎机的开发研究，开启了林业机械开发研究的一个新课题，虽然目前阶段还不能做到尽善尽美，但具有深远的示范引领意义。从南方小林区实际出发，推进生态文明和林业现代化建设，林业机械开发研究应当引起行业主管部门的高度关注，具体应当做到“认识到位，建好队伍，完善保障”。

6.1 认识到位

生产关系一定要适应生产力的发展。集体林权制度改革，是生产关系的调整和发展。在这种情况下，我们应当使生产关系与生产力保持相适应。在劳动者、劳动对象和生产工具构成的生产力3要素中，劳动者的素质正在逐步提升，但生产工具千年未变，这势必制约生产力的发展，这势必导致生产力与生产关系之间的关系不协调。没有林业机械化，就没有林业现代化。浙江是全国林业现代化的试点省，也是中国竹子产业最为发达、最为活跃、最具代表性的省份。林业现代化试点，基础性的第一产业，不仅是第二、第三产业的基石，而且是直接惠农富民，促进社会主义新农村建设的推进器。在农村劳动力转移、人们生活水平大幅提升的情况下，农业机械化轰轰烈烈，而南方林区的机械化至今裹足不前，这显然与林业现代的大趋势不相适应。改进生产工具，开发林业机械，实在已迫在眉捷，势在必行。

6.2 建好队伍

随着人们生活水平的提高，劳动力成本增加已是一个不争的事实，建立林业机械开发研究队伍，要广开渠道，善纳众言，集思广益，博采众长；既要善纳机械制造专家、制造企业的意见和建议，更重要的是要深入林农之中，倾听他们的呼声和要求，想他们所想，急他们所急，办他们想办而不能办、办不到、办不好的事。建好林业机械开发研究队伍，要虚实结合，通过沟通、嫁接、联合，综合运用专业院校、生产企业等各种社会力量，使之各展所长，为我所用；“虚位”不虚拟，突破成立专门研究机构等传统模式，由需求方（林农）提出产品意向，由学、研、产联合对接会诊，确定方向和目标，避免闭门开发的盲目性和无用性，实现无缝对接。

6.3 完善保障

林业机械与一般的农业机械开发不同。林业生产经营，大多自然条件较差，山高坡陡，林石交错，林种繁多，高低错落，因而机械开发错综复杂，风险大、回报低，必须从政策、机制和资金上予以保障，集小赢为大赢。一是政策保障。政府和行业主管部门，应当充分运用政策杠杆，调动研发者、生产者、使用者的积极性。林业机械一旦开发出来，主管部门应积极建议将其列为农机下乡的政策补助范围，确保政策保障到位。二是机制保障。要完善激励机制，要尊重群众的首创精神，要依靠和发动群众来创新、创造。要冲破现有研发机制，研究机构、专业院校要改变理念和方式，变坐在办公室里编项目、拿经费、争奖金，为沉到一线寻需求、找方向、定目标，围绕服务林农、围绕一线生产、围绕科学发展搞研究、做开发、出成果。要改革办学和人才培育机制，填补现行高校此类人才培育上的空白，开设与机械开发相关的专业，架起林农需求与机械开发和企业之间的桥梁。三是资金保障。“巧妇难做无米之饮”，科技创新更离不开资金，投入不足是当前机械开发的一个突出瓶颈，而这方面的投入往往又是一本万利的，因而无论是政府层面还是行业主管部门，都应该高度重视并大力予以保障。

[1]杨健 杨倩倩.毛竹蒲头粉碎机的关键技术与使用要求[J]. 世界竹藤通讯，2011, 9(2) : 38-40.

[2]舒川根.竹资源开发与文化创意的结合[J].世界竹藤通讯，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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