雷雄鍇 龔一龍

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

關(guān)鍵詞：竹篼清理機械;問題;趨勢

中圖分類號：S-1 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：Bamboo raft cleaning machinery is the most effective one for bamboo raft cleaningtechnology，Summary of several typical bamboo raft cleaning machines.Pointing out the existingproblems of the existing bamboo raft cleaning machinery and describing the development trend ofthe bamboo raft cleaning machinery. Provide reference for the research of bamboo raft cleaning

machinery.Key words：the cleaning machine of bamboo raft; matter; trend

引言

竹子生長分布廣泛，在熱帶至溫帶均有出產(chǎn)。早在9世紀我國就能利用竹子制造紙張。預計我國2020年木材的缺口量將達到1.8億立方米[1]，巨大的木材消耗和長時間的再生周期加劇了資源的缺乏沖突，而竹子生長時間短，成竹三年即可收獲，是非常好的木材替代物。我國不僅竹子種類繁多且種植和產(chǎn)出量也是全球第一，全國竹林面積有500多萬公頃，在2014年產(chǎn)出大徑竹材22.24億根[2]。隨著環(huán)境保護意識越來越強和造紙技術(shù)的進步，竹材資源的利用對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有重要的實際意義。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年的時間。長此以往，會有大片的竹篼占用林地，且妨礙新生竹子的生長;竹子砍伐后清理竹篼會帶來1086元/hm2[3]的收益。然而竹篼韌性好，人工清理費時、費力。生物清理方式和化學清理方式清理周期仍然很長對促進竹子林業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展意義不顯著。所以，竹篼機械清理方式的發(fā)展對高效清理竹篼有重要的作用，竹篼清理機械可以有效的提升作業(yè)效率，同時降低勞動強度和節(jié)約人工投入，促進竹農(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用，對竹子的機械化作業(yè)研究較少;亞太竹區(qū)中以中國、日本和印度竹資源利用較多，日本因土地資源問題竹資源的利用仍然處于傳統(tǒng)應用范疇且日本的竹種植逐年減少;印度套用英國等的大型林業(yè)機械進行作業(yè)。國外沒有出現(xiàn)專業(yè)的竹篼清理機械;我國近年對竹木資源的開發(fā)利用較多，所以我國的竹篼清理機械發(fā)展相對領(lǐng)先。目前，我國機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)電等用途實現(xiàn)再利用。

1 留存型清理機械

1.1 竹爪式竹根挖掘

浙江大學劉汾陽[4]設(shè)計了竹爪式竹根挖掘機方案，竹爪式竹根挖掘機設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計選用汽油機提供動力。開始時，將竹爪插入竹篼周圍，圓筒鋸下放至土壤表面;氣動汽油機，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)螺旋片向外運出。當根莖被切斷后，剩下的扁竹根部分由竹爪上的反扭轉(zhuǎn)力矩折斷，折斷過后與土層剝離開來的竹篼由人工取出。該機械整機結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作簡單。其缺點在于整體質(zhì)量較大林地搬運費力，性能損失較大，效率一般，工作穩(wěn)定性差。

1.2 竹篼旋挖機

浙江農(nóng)林大學桂仁意、王成軍等 [5]在2011年設(shè)計了一款竹篼旋挖機，如圖2所示。作業(yè)時，先根據(jù)地形調(diào)節(jié)機械底板角度，使得機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。開啟汽油機，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，松開鎖緊手柄由控制導向套控制刀具的進給量和進給速度。旋挖時的土和碎屑由排泄孔排除。隨后人工取出竹篼。

竹篼旋挖機采用汽油機作為動力源，可在林地移動作業(yè)，安全性較高且一人即可操作。其缺點在于適應能力有限，且林地地形復雜針對每個竹篼需進行調(diào)節(jié)支撐底板顯得繁瑣浪費時間降低效率;且設(shè)計多款刀具雖然刀具與竹篼匹配度較高但是同樣更換費時，普適性不夠。

1.3 環(huán)切竹篼挖掘機

浙江農(nóng)林大學陳喜庭[6]設(shè)計了一種環(huán)切竹篼挖掘機，如圖3所示。運作時，將環(huán)切鉆筒套住目標竹根，使竹根被包裹在圓筒內(nèi)。隨后打開開關(guān)，讓環(huán)切筒運轉(zhuǎn)起來達到一定速度后入土，緩慢加大油門，到最大值時，握緊汽油機把手。如果機械下鉆費力時可用力下壓機械或者將機械提起來再下放挖掘，到達一定深度時可取出挖掘成功的竹篼。

環(huán)切竹篼挖掘機采用汽油機做動力源，可在林間便利移動。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，單根挖掘時間為30秒/根，機械工作性能穩(wěn)定。但機械質(zhì)量稍重，有較大的反作用力，稍長的連續(xù)工作容易使工人疲勞。該機械存在一定的危險性，且排土效果不好，容易造成泥土滯留，需要人工排土，同時不能自動排除竹根;機械鉆筒工作時存在下鉆吃力的問題。

1.4 自動竹根挖掘機

鄧小雷、李欣等[7]設(shè)計了一種DX1B型竹根挖掘機械，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)電機至正常工作需要的高度，隨后打開汽油發(fā)電機，電壓達到220v時打開電力輸出開關(guān)。另一方面打開氣泵輸出氣流，氣壓達到閥值時打開出氣閥門，氣缸做好準備。開啟電機，待電機運行穩(wěn)定后;操作控制板打開掘進通氣閥門，驅(qū)動電機向下運動，電機驅(qū)動刀筒旋轉(zhuǎn)、挖掘，挖掘的土壤從圓形刀筒外壁上的螺旋導泥槽排出，當竹篼周圍的根莖被切斷后，操作控制面板電機停轉(zhuǎn)、氣缸收縮，刀筒上升;該機械在挖掘過程刀筒內(nèi)中泥土和竹篼緊密的結(jié)合。刀筒旋轉(zhuǎn)時已經(jīng)將連接部位扭斷，刀筒上升時即可將竹篼帶出，待刀筒上升到一定位置時刀筒內(nèi)的壓力彈簧推動推盤排除泥土和竹篼。

該機械使用汽油發(fā)電機提供動力，采用電機和氣泵驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。電機和氣泵的運用使得該機械能夠?qū)崿F(xiàn)自動挖掘、排土和排根，擁有一定的自動化水平，為后來竹篼挖掘的自動化設(shè)計提供了參考。三角支架在設(shè)計時避開共振頻率，使得該機械工作穩(wěn)定性很高。但機械系統(tǒng)復雜，結(jié)構(gòu)、質(zhì)量很大，不宜在林地移動工作。挖掘機構(gòu)更換目標竹篼時需要重新調(diào)節(jié)機構(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

中國北京林業(yè)科學研究院劉婧婧[8]設(shè)計了一種葫蘆助力式竹篼起拔機，如圖5所示。開始工作前將組裝好的起拔機正對竹篼，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)動葫蘆開始起拔工作。助力起拔機結(jié)構(gòu)簡單易于加工，成本低廉。但是人力驅(qū)動起拔費力，且在夾持咬合時需要輔助清理土壤以便能有較好的夾持效果，耽誤工時。機械工作穩(wěn)定性較低，會出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。

2 粉碎型竹篼清理機械

2.1 毛竹蒲頭粉碎機

浙江省楊建、楊倩倩[9]等設(shè)計了一種電動竹篼粉碎機械。該機械由電鉆改裝而成。其實驗中運用220v工頻交流電與2800w便捷式發(fā)電機驅(qū)動電機旋轉(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。該機械制造成本低單，但是電力供應不方便，采用市電受電網(wǎng)限制，移動便攜式發(fā)電機費力，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)計一種竹篼鉆孔爆破裝置如圖6所示，由動力單元、連接單元、傳動單元、動力輸出單元、伸縮單元和彈性單元構(gòu)成。動力單元輸出轉(zhuǎn)矩傳遞執(zhí)行機構(gòu)上，鉆頭對竹篼上端竹節(jié)部分進行鉆孔，打孔至竹篼內(nèi)部。隨后伸縮單元開始注入生態(tài)炸藥，準備就緒后安全起爆，破碎竹篼。該裝置結(jié)構(gòu)輕巧，但運用爆破手段對竹篼進行破碎，易出現(xiàn)危險。竹篼進過爆破破碎成塊腐壞周期仍然較長。

3 竹篼清理機械發(fā)展中存在的問題

（1）機械缺乏普適性

目前隨著環(huán)保意識的加強竹子這一林業(yè)經(jīng)濟了有較大的發(fā)展，此前國內(nèi)外對竹篼清理機械的研究不多。目前大多數(shù)是環(huán)切挖掘竹篼的設(shè)備，這一類設(shè)備都針對毛竹而設(shè)計，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，面對竹篼密布的情況環(huán)切機械就不再適宜。

（2）機械適應力不足

竹林種植地形復雜，山陡坡高。當前的清理機械中一類存在著體積、質(zhì)量較大;更換目標竹篼時，在林間搬運機械極大增加了勞動負荷，大體積、大質(zhì)量的機械不夠便攜，不適應林間勞動。另一類在機械在執(zhí)行機構(gòu)上設(shè)計有腳架，調(diào)整腳架是必須的步驟，導致清理工作工序繁瑣，同時頻繁的在目標竹篼間架立腳非常耽誤工時;且腳架設(shè)計在面對復雜的地況時其適應力有限。

（3）自動化水平低

現(xiàn)有的機械中以環(huán)切式為主體，此類機械目的是為了清理并收集竹篼。四類環(huán)切機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，實現(xiàn)自動排根;其它的都需依靠人工輔助完成，處于一個人工與機械相結(jié)合才能完成工作的水平。這樣的一個自動化水平面對未來的規(guī)?；N植將是一個短板，極大的限制產(chǎn)業(yè)高效的運營與管理。

4 竹篼清理設(shè)備的發(fā)展趨勢

（1）發(fā)展便攜與環(huán)保清理機械

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，在未來希望將新能源電池作為竹篼清理機械的驅(qū)動能源，這將極大的提升機械的攜帶能力和輕量化設(shè)計。以新能源電池作為驅(qū)動能源將消除由汽油機作為動力源帶來的對人的震動沖擊、噪音危害以及化石燃料燃燒帶來的空氣污染。當前，竹林經(jīng)濟的市場的不斷擴大，竹木需求飛速上升，便攜的竹篼清理機械有著廣闊的市場前景。從技術(shù)發(fā)展趨勢和市場經(jīng)濟條件來看，開發(fā)便攜、環(huán)保的清理設(shè)備是未來發(fā)展的主要方向。

（2）發(fā)展自動化清理機械

自動化機械在各項生產(chǎn)中有著重要的作用，能夠在極大程度上替代人工，將人從高強度、惡劣工作條件的生產(chǎn)中解放出來;并能夠起到提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)工作體系。我國乃至全球竹篼清理機械發(fā)展較晚，盡管近年我國隨著竹林經(jīng)濟的發(fā)展有了較多的研究，但是機械的自動化水平仍然很低。目前，鄧小雷團隊開發(fā)的DX1B型自動竹篼清理機實現(xiàn)了自動挖掘、自動排土、自動排根等部分工作的自動化，但仍然需要人調(diào)節(jié)腳架、收集竹篼等工作，今后研究高水平和符合工作自然條件的自動化竹篼清理機械是重要方向。

5 結(jié)束語

竹篼機械化清理是目前竹篼清理最高效的技術(shù)手段，本文分析了幾種具有代表性的竹篼清理機械，對當前的竹篼清理機械存在的問題進行了切實討論，提出了未來竹篼清理設(shè)備的發(fā)展趨勢，對竹篼清理機械的研究有積極的促進作用。

參考文獻

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作者簡介：雷雄鍇（1992-），男，四川綿陽人，成都大學機械工程學院研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化。