果园枝条粉碎机的研究现状与发展对策

2022-09-03王治民

安徽农业科学 2022年16期

何磊，王强，周艳，张景，宋龙，王治民

(1.新疆农垦科学院机械装备研究所,新疆石河子 832000;2.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

我国果园种植面积约有1 116.8万hm，每年因修剪和更新换代而产生的废弃枝条最高可达800万t。现有的废弃枝条处理方式多为堆放田间路边或拢堆焚烧，造成资源浪费和环境污染。废弃枝条的再利用主要有制作成固体燃料、有机肥、食用菌培养皿、代替木材作为人造板原料、生产液态油和轻质气体等。无论哪种方式，都要先将废弃枝条进行粉碎处理。目前，国内外已经研制了多种结构形式的枝条粉碎机械，具有不同的结构特点。笔者对这些枝条粉碎机进行介绍，并归纳存在的问题及未来的发展趋势，以期为枝条粉碎机的研究提供参考。

1 国内外枝条粉碎机发展现状

我国果园多分布在丘陵地区，地势复杂多变，种植分布分散，规范程度低。大型的运输车很难进入果园，小型或者人工搬运，运输效率低，收集难度大。现有的大型枝条粉碎机和固定式枝条粉碎机难以高效率地完成果园粉碎工作，因此利用移动式枝条粉碎机灵活、高效等特点能够解决上述存在的问题。移动式枝条粉碎机主要分为自走式、悬挂式和牵引式。该研究介绍了几款国内的移动式枝条粉碎机械产品：

(1)自走式。浙江省农业机械研究院王涛等研制的丘陵山区果树枝条粉碎机用行走和粉碎相互独立的双汽油机作为动力(图1)。行走部分设有高速档和低速档各三前进一后退总共8个挡位，可以满足不同果园所需的作业速度。双离合的机构，可以使行走转弯更加灵活方便。粉碎装置采用直刃滚筒结构，选用11 kW汽油机作为粉碎动力，生产能力达823 kg/h，吨料油耗2.62 kg。最大粉碎枝条的直径100 mm，粉碎后小于50 mm木屑的合格率为93.46%。

注：1.履带式底盘；2.机架；3.汽油机 Ⅱ；4.粉碎机构；5.汽油机 Ⅰ；6.操作扶手 Note:1.Crawler chassis;2.Rack;3.Gasoline engine Ⅱ;4.Crushing mechanism;5.Gasoline engine Ⅰ;6.Operating armrest图 1 丘陵山区果树枝条粉碎机结构Fig.1 Structure diagram of fruit tree branch crusher in hilly and mountainous areas

塔里木大学张洪洲等研制的枣园残枝粉碎装置。采用自走、残枝的收集和粉碎以及碎枝还田的一体机构(图2)。工作时，将行走速度和粉碎转速等参数通过由单片机控制的调速系统进行设置，柴油机进行驱动前行；楔形板铲起地面修剪下来的残枝，通过逆时针转动的收集辊，将残枝送至履带，再由履带将其送至料斗内，经粉碎系统进行粉碎筛选后还田。该粉碎机在粉碎效果最佳的条件下作业速度可达1.5 km/h，但其转向需要由人工通过扶手实现。

注：1.防护罩；2.残枝收集辊；3.楔形板；4.转向轮；5.底壳；6.出料口；7.筛网；8.动力轮；9.皮带；10.柴油机；11.机架；12.扶手；13.调速控制器；14.料斗；15.中心轴及锤片;16.履带输送装置 Note:1.Protective cover;2 Residual branch collection roller;3.Wedge plate;4.Steering wheel;5.Bottom shell;6.Outlet;7.Screen;8.Power wheel;9.Belt;10.Diesel engine;11.Rack;12.Handrail;13.Speed controller;14.Hopper;15.Central shaft and hammer;16.Crawler conveyor图 2 枣园残枝粉碎装置结构Fig.2 Structure diagram of jujube garden residual branch crushing device

自走式粉碎机主要采用电机、汽油机或者柴油机作为动力源，具有灵活、噪音小、功耗低、易适应于不同地形等特点，适合中小型果园的粉碎作业。

(2)悬挂式。哈尔滨林业机械研究所牛晓华等研制了一款3ZSX-20型树枝粉碎机(图3)，该机采用拖拉机作为动力源，通过万向传动轴使一部分动力驱动粉碎装置，另一部分动力传至液压系统驱动进料辊的旋转，保证进料顺畅。与拖拉机的连接选用悬挂的方式，可使粉碎机运行更加安全。

注：1.传动系统；2.壳体；3.进料装置；4.粉碎装置；5.排料管 Note:1.Transmission system; 2.Housing;3.Feeding device;4.Crushing device;5.Discharge pipe图 3 3ZSX-20树枝粉碎机结构Fig.3 Structural diagram of 3ZSX-20 branch crusher

中国热带农业科学院机械研究所李玲等在传统单辊卧式粉碎还田机的基础上研制了1BHJ-100型双辊式菠萝叶粉碎还田机(图4)。该机采用三点悬挂式整机悬挂于73 kW及以上功率的拖拉机后。作业时，调整悬挂机器高度，拖拉机作为动力源带动刀辊高速旋转，将前刀辊切削和捡拾的叶杆传送至后刀辊所在的粉碎室，并将其粉碎还田。该机不仅改善了作业效果，减少了重复作业次数，还提高近1倍的作业效率。

注：1.三点悬挂机构；2.传动机构；3.上盖板；4.定刀；5.支撑；6.前刀辊；7.后刀辊；8.机架；9.地轮 Note:1.Three point linkage;2.Transmission mechanism;3.Upper cover plate;4.Fixed knife;5.Brace;6.Front knife roller;7.Rear knife roller;8.Rack;9.Ground wheel图 4 双辊式粉碎还田机结构Fig.4 Structure diagram of double roll crusher

大部分悬挂式粉碎机是通过三点悬挂方式与拖拉机挂接，通过液压系统控制升降，粉碎机可完全离开地面，重量全部由拖拉机承担，可在土壤阻力变化的情况下维持粉碎机的运行安全，但也有上述双辊式粉碎还田机末端安装地轮，以起到支撑机架及对地面仿形的作用。悬挂式粉碎机具有结构设计紧凑、重量轻、转弯半径小、牵引阻力小、工作可靠、操作方便、机动灵活、生产效率高等特点。

(3)牵引式。南京林业大学钱春华研制的一款牵引枝条粉碎机，由于果园枝条的修剪作业面积广，该机通常与果园修剪机一同作业，需要由拖车牵引移动作业。该粉碎机动力在30 kW以上，可粉碎直径200 mm以上的枝条。

东北林业大学唐硕研制了移动式枝桠粉碎机，采用拖拉机牵引作为动力源，可粉碎10～100 mm枝条，粉碎后木质颗粒可达到5 mm以下，但整机体积较大，对于地形平整度要求高，不适宜进行山地果园粉碎作业。

中国农业机械化科学研究院赵俊等设计研制了一款以ATmega16单片机为控制核心，可根据树枝的直径大小自动切换不同喂料速度的移动式树枝切碎机。该机可实时监测切碎负荷，负荷过大，机具自动停止，等机具恢复到正常负荷时，自动重启喂料，其控制系统的结构见图5。该机底盘为移动式，可使用拖拉机牵引作业，整机配套功率60 kW。粉碎机构采用鼓式切削，切削直径最大180 mm，粉碎合格率为95.52%。

北京市农业机械研究所周雪青等研制出双刀盘三喂入式树枝粉碎机，该机由拖拉机牵引移动，动力采用双电机提供。3个不同进料口即水平机械自动进料口，由辅助电机进行物料供给，主刀盘进行切削；倾斜自由进料口，由副刀盘进行切削；上开口进料，不进行切削，直接凭借重力落到锤打装置进行锤打粉碎(图6)。该双刀盘三喂入的设计可适应于不同材质和不同形状的枝条，但需要人工进行筛选喂料，增加了作业劳动强度。

图 5 控制系统结构Fig.5 Control system structure

注：1.机架；2.出料口；3.倾斜进料口；4.上开进料口；5.水平进料口 Note:1.Rack;2.Outlet;3.Inclined feed inlet;4.Open up the feeding port;5.Horizontal feed port图 6 树枝粉碎机整机结构Fig.6 Structure diagram of the whole branch crusher

牵引式枝条粉碎机就是通过牵引装置挂接在拖拉机后部，由拖拉机动力牵引完成粉碎作业，机器的重量均由行走轮承担。相比于悬挂式稳定性更好，对地面状况的适应性强，但机动灵活性差，转弯半径大。

国外研制的相关机具大多用于街道和园林景观树枝的粉碎作业。其中具有代表性的几个产品：

荷兰DE WILD公司研制了一款GTS1300T型多功能移动式粉碎机。该粉碎机可根据进料的不同，选择高、低2个出料口，采用汽油机作为粉碎动力源，功率4.5 kW，整机重量仅有210 kg，尺寸小巧，便于林中穿行作业(图7)。该公司还研制了一款移动式电机碎枝机，采用2.2 kW高性能电机，强劲动力可直接将粉碎物通过出料口抛至指定的容器和车厢，使粉碎物回收更加方便。

德国Heizomat公司研制的HM系列移动式枝条切碎机，其粉碎动力采用柴油发动机，行走机构选择履带底盘，动力强劲，爬坡能力强。该机采用鼓式的方式切碎，功率可达300 kW，最大可切碎直径800 mm的木料(图8)。同样是采用鼓式切碎方式由瑞典Brooks公司研制的805 CT ECO 型移动式树枝切碎机，输入功率331 kW，切碎木料直径可达500 mm。