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毛竹蒲头电动粉碎机研发及应用初报
发布时间：2013-10-23 09:39 来源：未知
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��；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�；妥ㄒ祷煞サ鹊厍�，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，l0cm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—90°，39°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；50°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65°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40～50°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60～90°，79°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；850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79～84°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lOkg左右，用220V市电与2800W便捷式发电机通用作动力源，额定功率1150～12 50W。至201 1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。lOcm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1800～2 000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1 0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/667m2。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201 1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人足量的有机质，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，574m2样地新竹成竹103株，对比样地l80m2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lkg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。
