沈馮崢 ，李 琴，徐 康，袁少飛，張 建，趙建誠，王 波，王洪艷

（1.浙江省林業(yè)科學研究院，浙江省竹類研究重點實驗室，浙江 杭州 310023；2.浙江農(nóng)林大學 工程學院，浙江 杭州 311300）

中國地處世界竹分布中心產(chǎn)區(qū)，竹資源非常豐富，竹種類、竹林面積、竹材蓄積量均居世界首位，素有“竹子王國”之美稱[1]。竹具有生長速度快、成材時間短、力學性能優(yōu)異等特點，是優(yōu)良的代木材料，被廣泛應用于建筑、車輛、包裝、裝飾、家具等領(lǐng)域[1-2]。但是，竹采伐后，會殘留很多伐樁或根徑（即竹蔸）在土壤中，影響竹林土地資源的有效利用[3-4]。毛竹Phyllostachys edulis林地中殘留的竹蔸直徑一般為50～ 150 mm，少數(shù)竹蔸直徑可達150～ 200 mm，濃密的根須占據(jù)直徑為0.5～ 0.7 m 的圓形區(qū)域范圍，其中竹蔸自然腐爛時間一般為7～ 10 a，沒有腐爛的竹蔸嚴重阻礙竹林根系（地下鞭）的擴展與生長，不利于竹林更新，并無效占據(jù)了竹林面積，導致竹林經(jīng)濟效益下降10%～ 20%，而挖掘竹蔸后留下的土坑可以蓄水施肥，進而改善竹林土壤條件[4]，因此竹采伐后及時挖除殘留竹蔸非常必要。

目前，人工挖掘竹蔸，勞動強度大，效率低，勞動成本高；化學腐蝕法去除竹蔸時間較長，且易造成土壤污染、水污染等問題，不適宜大面積推廣應用[4]。多年來國內(nèi)外研究人員致力于研制竹蔸挖掘機械設(shè)備。2008年，張京平[5]設(shè)計的筒形竹根挖掘機通過安裝在圓筒內(nèi)的竹爪將竹蔸取出，但其穩(wěn)定性差，無法保證取出竹蔸的完整性；2016 年，鄧小雷[6]等設(shè)計的DX1B 型竹根挖掘機可完整地挖出竹蔸，但設(shè)備體積較大，不適合在復雜竹林中進行作業(yè)；2018 年，章凱[7]研發(fā)的毛竹根挖掘機可較快且完整地挖出竹蔸，但挖掘竹蔸最大直徑僅為118 mm，不能挖掘較大直徑的竹蔸，設(shè)備存在局限性。而且由于大部分竹林地上石塊較多，上述設(shè)備均存在觸碰石塊后刀具崩裂問題。針對以上問題，本研究研制出兩種竹蔸挖掘設(shè)備——竹蔸挖掘機和竹蔸粉碎機，介紹了兩種設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，并測試其性能指標和工作效率等，以期為竹蔸挖掘設(shè)備的研制提供參考依據(jù)。

1 竹蔸挖掘機研制

竹蔸挖掘機[8]主要以截斷竹蔸周圍的竹鞭將其整根鏟出的方式挖掘竹蔸。挖掘出的竹蔸主體完整，能夠制成竹根雕，具有一定的經(jīng)濟價值。

1.1 動力裝置

目前小型機械設(shè)備的動力源主要有充電電池、柴油機以及汽油機三種。其中，充電電池質(zhì)量輕但續(xù)航能力不足；柴油機熱效率高、工作可靠但其質(zhì)量大、噪聲大；汽油機工作平穩(wěn)、質(zhì)量輕、造價低但燃料消耗率較高。根據(jù)竹林地區(qū)偏遠、不通電和山路崎嶇的現(xiàn)狀，本研究選擇方便攜帶的汽油機作為竹蔸挖掘機的動力源。選擇型號為1E36F-2A 汽油機，主要參數(shù)為：汽油機排量32.6 mL，最大功率0.9 kw，最大轉(zhuǎn)速6 500 r·min-1，凈質(zhì)量3.4 kg。

1.2 傳動機構(gòu)

根據(jù)所選汽油機的最大功率和轉(zhuǎn)速，竹蔸挖掘機的合適轉(zhuǎn)速為250～ 300 r·min-1，這樣既能夠保證刀具的切削速度，又能夠提供合適的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，選擇傳動比為1:25 的減速器。依照竹蔸挖掘機設(shè)計要求，減速器的輸入軸與輸出軸的位置排列方式為垂直相交，所以選擇圓錐圓柱齒輪二級減速器。因為刀具需上下往復運動進行挖掘竹蔸，所以減速器的輸出軸與刀具之間通過曲柄滑塊機構(gòu)相連，由滑塊的來回往復運動帶動刀具進行挖掘作業(yè)。

圖1 竹蔸挖掘機Figure 1 Bamboo culm base excavator

1.3 執(zhí)行機構(gòu)

根據(jù)挖掘要求，竹蔸挖掘機的刀具由刀柄和刀鏟組成，如圖1a 和b。刀具由經(jīng)過淬火+中溫回火的熱處理工藝的鎢鋼制成，強度、硬度和韌性較高，確保刀具挖掘竹蔸過程中觸碰石塊后不易斷裂，解決了現(xiàn)有竹蔸挖掘設(shè)備在挖掘過程中因觸碰石塊導致的刀具易崩斷問題。刀鏟部分具有一定圓弧度，一方面可以增加與竹蔸的有效接觸面積，更高效地切斷竹根，另一方面，相比于扁平型刀具，圓弧面有利于排土，可減少挖掘過程中的阻力。

1.4 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

根據(jù)上述設(shè)計與選型設(shè)計竹蔸挖掘機的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1c。竹蔸挖掘機主要由汽油機、減速齒輪箱、曲柄、連桿、活塞、氣缸、刀具、把手、機架等組成，整機質(zhì)量為12.8 kg。機架上方固定著汽油機，汽油機的離合碟外邊蓋與減速齒輪箱的輸入軸固定連接，減速齒輪箱的輸出軸上安裝著曲柄。連桿一端與曲柄鉸接，連桿另一端與活塞鉸接，活塞安裝于氣缸內(nèi)，四者構(gòu)成了曲柄滑塊機構(gòu)，使得活塞在氣缸中進行來回往復運動。刀具安裝于氣缸內(nèi)，并與活塞接觸，因此活塞來回往復運動可以帶動刀具深入土壤并切斷竹蔸根系。兩個把手通過螺柱安裝于機架兩側(cè)，可根據(jù)操作習慣調(diào)整把手間夾角。熄火開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機熄火。油門開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機轉(zhuǎn)速進而控制汽油機離合碟的接合和分離從而控制竹蔸挖掘設(shè)備的工作和停止。汽油箱通過連接架安裝于汽油機一側(cè)，為汽油機提供能量。

工作時，操作人員手扶把手，關(guān)閉風口，拉動汽油機拉繩點火進而啟動汽油機，竹蔸挖掘機處于待機狀態(tài)。挖掘竹蔸時，按住油門開關(guān)，此時汽油機轉(zhuǎn)速提高，汽油機離合碟接合進而讓汽油機帶動減速齒輪箱輸入軸轉(zhuǎn)動。通過減速齒輪箱減速后，減速齒輪箱輸出軸帶動偏心輪轉(zhuǎn)動從而帶動活塞在氣缸內(nèi)部作來回往復運動。在活塞來回往復運動的帶動下使得刀具深入土壤并切斷竹蔸根系。當?shù)剁P部分完全深入土壤中，松開油門開關(guān)，竹蔸挖掘設(shè)備待機，將竹蔸挖掘機提起，繞著竹蔸換另一方位重復上述工作過程，直至將竹蔸四周的根系全部切斷，然后將竹蔸從土壤中起出。因為竹蔸挖掘機是以截斷竹蔸周圍的竹鞭將其整根鏟出的方式挖掘竹蔸的，所以設(shè)備挖掘竹蔸直徑大小可以不受限制。

2 竹蔸粉碎機研制

竹蔸粉碎機[9]主要以由內(nèi)往外的粉碎方式去除殘留的竹蔸。這種方式粉碎的竹蔸內(nèi)部中空，可向其內(nèi)部施肥，提高肥料的利用率，減少肥料對環(huán)境的污染，以促進竹林可持續(xù)發(fā)展。

2.1 動力裝置

選擇型號為1E48F 型汽油發(fā)電機，其主要參數(shù)為：汽油機排量63.3 mL，最大功率2.2 kw，最大轉(zhuǎn)速7 500 r·min-1，凈質(zhì)量為4.6 kg。

2.2 傳動結(jié)構(gòu)

實際工作過程中，刀具由內(nèi)往外粉碎竹蔸，其中刀具轉(zhuǎn)速以300～ 400 r·min-1為最佳，因此選擇傳動比為1:25的減速器。根據(jù)設(shè)計要求，減速器的輸入軸與輸出軸的位置排列方式為平行，因此所選減速器可為圓柱齒輪二級減速器。

2.3 執(zhí)行結(jié)構(gòu)

根據(jù)挖掘要求，竹蔸粉碎機的刀具由芯桿、切割刀具和麻花鉆組成，如圖2a 和b。芯桿上端與驅(qū)動機構(gòu)的輸出軸聯(lián)接，芯桿下端固定有麻花鉆，麻花鉆起到引導作用；芯桿的下部一圈階梯間隔布置切割刀具，切割刀具包括內(nèi)端面、外端面、上端面、下端面和兩個側(cè)面，內(nèi)端面固定在芯桿上，外端面為切割面，切割面與其中一個側(cè)面間的連邊為刀刃，各刀刃均位于以芯桿中心為圓心的同心圓環(huán)上，切割面上自上而下設(shè)置階梯。刀具的刀組數(shù)和階梯數(shù)可根據(jù)竹蔸直徑大小進行增減。為了達到更好的粉碎和排屑效果，在每個階梯下部水平面增設(shè)輔助凹槽。同時結(jié)合其所需的強度和成本，刀具材料采用12 號鉻鋼。

圖2 竹蔸粉碎機Figure 2 Bamboo culm base grinder

2.4 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

根據(jù)上述設(shè)計與選型設(shè)計竹蔸粉碎機的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2c。竹蔸粉碎機主要由汽油機、減速箱、把手、機架、刀具等組成，整機質(zhì)量為13.2 kg。機架上方固定著齒輪減速箱，汽油機的離合碟外邊蓋與減速齒輪箱的輸入軸固定連接，減速器的輸出軸與刀具相連。把手通過螺柱安裝于機架兩側(cè)。熄火開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機熄火。油門開關(guān)安裝于把手上，控制汽油機轉(zhuǎn)速進而控制汽油機離合碟的接合和分離從而控制竹蔸挖掘設(shè)備的工作和停止。汽油箱通過連接架安裝于汽油機一側(cè)，為汽油機提供能量。

工作時，操作人員手扶把手，關(guān)閉風口，拉動汽油機拉繩點火進而啟動汽油機，竹蔸粉碎機處于待機狀態(tài)。在粉碎竹蔸的過程中，操作人員現(xiàn)將竹蔸粉碎機刀具的麻花鉆鉆頭與竹蔸中心重合，而后按住油門開關(guān)，汽油箱轉(zhuǎn)速提高，通過減速器使刀具以合適轉(zhuǎn)速工作。隨著刀具的轉(zhuǎn)動，竹蔸由內(nèi)往外被粉碎，而粉碎的竹屑順著凹槽排出。同時操作人員對設(shè)備施加壓力，使刀具由上向下粉碎竹蔸，從而完成粉碎竹蔸作業(yè)。

3 性能測試

為驗證兩種竹蔸挖掘設(shè)備的工作性能，在浙江安吉、長興、龍游等地的毛竹林地進行挖掘竹蔸試驗，選擇挖掘的竹蔸直徑為70～ 150 mm，竹蔸殘留年限為1～ 3 a。圖3a 和b 分別為在竹林中進行竹蔸挖掘和竹蔸粉碎的試驗照片，其部分試驗結(jié)果如表1。

圖3 兩種竹蔸挖掘設(shè)備試驗情況照片F(xiàn)igure 3 Test of bamboo culm base excavator and grinder

表1 兩種竹蔸挖掘設(shè)備性能試驗結(jié)果Table 1 Performance test results

由表1 可知，竹蔸挖掘機的最大挖掘深度為350 mm，挖掘平均時長為163.3 s·個-1；竹蔸粉碎機可粉碎竹蔸最大直徑為150 mm，粉碎平均時長為142.4 s·個-1。傳統(tǒng)人工挖掘竹蔸時長一般為5～ 15 min·個-1[6]，相比人工挖掘，機械挖掘工作效率大幅提高。由圖4 可知，竹蔸挖掘機的挖掘時間與挖掘深度有關(guān)，挖掘深度越深，挖掘時間越長。由圖5 可知，竹蔸粉碎機的粉碎時間與竹蔸直徑有關(guān)，竹蔸直徑越大，粉碎時間越長。

圖4 挖掘深度與挖掘時長的關(guān)系Figure 4 Relationship between excavating depth and the excavation time

圖5 竹蔸直徑與粉碎時長的關(guān)系Figure 5 Relationship between the diameter of the bamboo base and the grinder time

4 結(jié)論

本研究研制了兩種竹蔸挖掘設(shè)備——竹蔸挖掘機和竹蔸粉碎機，分別對竹蔸進行整根挖掘和內(nèi)部粉碎，其中竹蔸挖掘機由汽油機、減速齒輪箱、曲柄、連桿、活塞、氣缸、刀具、把手、機架等組成，且刀具由到刀柄和刀鏟組成；竹蔸粉碎機由汽油機、減速箱、把手、機架、刀具組成，且刀具由芯桿、切割刀具和麻花鉆組成。設(shè)備具有攜帶方便、操作簡單等優(yōu)點，適合去除林地中殘留的竹蔸，適用于大面積筍竹兩用林，有利于竹資源的可持續(xù)發(fā)展。

性能實驗結(jié)果表明，竹蔸挖掘機最大挖掘深度為350 mm，挖掘平均時長為163.3 s·個-1；竹蔸粉碎機可粉碎竹蔸最大直徑為150 mm，粉碎平均時長為142.4 s·個-1。相比人工挖掘，機械挖掘工作效率大幅提高。