两种竹蔸挖掘设备的研制

沈冯峥 ，李 琴，徐 康，袁少飞，张 建，赵建诚，王 波，王洪艳

（1.浙江省林业科学研究院，浙江省竹类研究重点实验室，浙江 杭州 310023；2.浙江农林大学 工程学院，浙江 杭州 311300）

中国地处世界竹分布中心产区，竹资源非常丰富，竹种类、竹林面积、竹材蓄积量均居世界首位，素有“竹子王国”之美称[1]。竹具有生长速度快、成材时间短、力学性能优异等特点，是优良的代木材料，被广泛应用于建筑、车辆、包装、装饰、家具等领域[1-2]。但是，竹采伐后，会残留很多伐桩或根径（即竹蔸）在土壤中，影响竹林土地资源的有效利用[3-4]。毛竹Phyllostachys edulis林地中残留的竹蔸直径一般为50～ 150 mm，少数竹蔸直径可达150～ 200 mm，浓密的根须占据直径为0.5～ 0.7 m 的圆形区域范围，其中竹蔸自然腐烂时间一般为7～ 10 a，没有腐烂的竹蔸严重阻碍竹林根系（地下鞭）的扩展与生长，不利于竹林更新，并无效占据了竹林面积，导致竹林经济效益下降10%～ 20%，而挖掘竹蔸后留下的土坑可以蓄水施肥，进而改善竹林土壤条件[4]，因此竹采伐后及时挖除残留竹蔸非常必要。

目前，人工挖掘竹蔸，劳动强度大，效率低，劳动成本高；化学腐蚀法去除竹蔸时间较长，且易造成土壤污染、水污染等问题，不适宜大面积推广应用[4]。多年来国内外研究人员致力于研制竹蔸挖掘机械设备。2008年，张京平[5]设计的筒形竹根挖掘机通过安装在圆筒内的竹爪将竹蔸取出，但其稳定性差，无法保证取出竹蔸的完整性；2016 年，邓小雷[6]等设计的DX1B 型竹根挖掘机可完整地挖出竹蔸，但设备体积较大，不适合在复杂竹林中进行作业；2018 年，章凯[7]研发的毛竹根挖掘机可较快且完整地挖出竹蔸，但挖掘竹蔸最大直径仅为118 mm，不能挖掘较大直径的竹蔸，设备存在局限性。而且由于大部分竹林地上石块较多，上述设备均存在触碰石块后刀具崩裂问题。针对以上问题，本研究研制出两种竹蔸挖掘设备——竹蔸挖掘机和竹蔸粉碎机，介绍了两种设备的基本结构，并测试其性能指标和工作效率等，以期为竹蔸挖掘设备的研制提供参考依据。

1 竹蔸挖掘机研制

竹蔸挖掘机[8]主要以截断竹蔸周围的竹鞭将其整根铲出的方式挖掘竹蔸。挖掘出的竹蔸主体完整，能够制成竹根雕，具有一定的经济价值。

1.1 动力装置

目前小型机械设备的动力源主要有充电电池、柴油机以及汽油机三种。其中，充电电池质量轻但续航能力不足；柴油机热效率高、工作可靠但其质量大、噪声大；汽油机工作平稳、质量轻、造价低但燃料消耗率较高。根据竹林地区偏远、不通电和山路崎岖的现状，本研究选择方便携带的汽油机作为竹蔸挖掘机的动力源。选择型号为1E36F-2A 汽油机，主要参数为：汽油机排量32.6 mL，最大功率0.9 kw，最大转速6 500 r·min-1，净质量3.4 kg。

1.2 传动机构

根据所选汽油机的最大功率和转速，竹蔸挖掘机的合适转速为250～ 300 r·min-1，这样既能够保证刀具的切削速度，又能够提供合适的转矩。根据上述数据，选择传动比为1:25 的减速器。依照竹蔸挖掘机设计要求，减速器的输入轴与输出轴的位置排列方式为垂直相交，所以选择圆锥圆柱齿轮二级减速器。因为刀具需上下往复运动进行挖掘竹蔸，所以减速器的输出轴与刀具之间通过曲柄滑块机构相连，由滑块的来回往复运动带动刀具进行挖掘作业。

图1 竹蔸挖掘机Figure 1 Bamboo culm base excavator

1.3 执行机构

根据挖掘要求，竹蔸挖掘机的刀具由刀柄和刀铲组成，如图1a 和b。刀具由经过淬火+中温回火的热处理工艺的钨钢制成，强度、硬度和韧性较高，确保刀具挖掘竹蔸过程中触碰石块后不易断裂，解决了现有竹蔸挖掘设备在挖掘过程中因触碰石块导致的刀具易崩断问题。刀铲部分具有一定圆弧度，一方面可以增加与竹蔸的有效接触面积，更高效地切断竹根，另一方面，相比于扁平型刀具，圆弧面有利于排土，可减少挖掘过程中的阻力。

1.4 整机结构和工作原理

根据上述设计与选型设计竹蔸挖掘机的总体结构示意图，如图1c。竹蔸挖掘机主要由汽油机、减速齿轮箱、曲柄、连杆、活塞、气缸、刀具、把手、机架等组成，整机质量为12.8 kg。机架上方固定着汽油机，汽油机的离合碟外边盖与减速齿轮箱的输入轴固定连接，减速齿轮箱的输出轴上安装着曲柄。连杆一端与曲柄铰接，连杆另一端与活塞铰接，活塞安装于气缸内，四者构成了曲柄滑块机构，使得活塞在气缸中进行来回往复运动。刀具安装于气缸内，并与活塞接触，因此活塞来回往复运动可以带动刀具深入土壤并切断竹蔸根系。两个把手通过螺柱安装于机架两侧，可根据操作习惯调整把手间夹角。熄火开关安装于把手上，控制汽油机熄火。油门开关安装于把手上，控制汽油机转速进而控制汽油机离合碟的接合和分离从而控制竹蔸挖掘设备的工作和停止。汽油箱通过连接架安装于汽油机一侧，为汽油机提供能量。

工作时，操作人员手扶把手，关闭风口，拉动汽油机拉绳点火进而启动汽油机，竹蔸挖掘机处于待机状态。挖掘竹蔸时，按住油门开关，此时汽油机转速提高，汽油机离合碟接合进而让汽油机带动减速齿轮箱输入轴转动。通过减速齿轮箱减速后，减速齿轮箱输出轴带动偏心轮转动从而带动活塞在气缸内部作来回往复运动。在活塞来回往复运动的带动下使得刀具深入土壤并切断竹蔸根系。当刀铲部分完全深入土壤中，松开油门开关，竹蔸挖掘设备待机，将竹蔸挖掘机提起，绕着竹蔸换另一方位重复上述工作过程，直至将竹蔸四周的根系全部切断，然后将竹蔸从土壤中起出。因为竹蔸挖掘机是以截断竹蔸周围的竹鞭将其整根铲出的方式挖掘竹蔸的，所以设备挖掘竹蔸直径大小可以不受限制。

2 竹蔸粉碎机研制

竹蔸粉碎机[9]主要以由内往外的粉碎方式去除残留的竹蔸。这种方式粉碎的竹蔸内部中空，可向其内部施肥，提高肥料的利用率，减少肥料对环境的污染，以促进竹林可持续发展。

2.1 动力装置

选择型号为1E48F 型汽油发电机，其主要参数为：汽油机排量63.3 mL，最大功率2.2 kw，最大转速7 500 r·min-1，净质量为4.6 kg。

2.2 传动结构

实际工作过程中，刀具由内往外粉碎竹蔸，其中刀具转速以300～ 400 r·min-1为最佳，因此选择传动比为1:25的减速器。根据设计要求，减速器的输入轴与输出轴的位置排列方式为平行，因此所选减速器可为圆柱齿轮二级减速器。

2.3 执行结构

根据挖掘要求，竹蔸粉碎机的刀具由芯杆、切割刀具和麻花钻组成，如图2a 和b。芯杆上端与驱动机构的输出轴联接，芯杆下端固定有麻花钻，麻花钻起到引导作用；芯杆的下部一圈阶梯间隔布置切割刀具，切割刀具包括内端面、外端面、上端面、下端面和两个侧面，内端面固定在芯杆上，外端面为切割面，切割面与其中一个侧面间的连边为刀刃，各刀刃均位于以芯杆中心为圆心的同心圆环上，切割面上自上而下设置阶梯。刀具的刀组数和阶梯数可根据竹蔸直径大小进行增减。为了达到更好的粉碎和排屑效果，在每个阶梯下部水平面增设辅助凹槽。同时结合其所需的强度和成本，刀具材料采用12 号铬钢。

图2 竹蔸粉碎机Figure 2 Bamboo culm base grinder

2.4 整机结构和工作原理

根据上述设计与选型设计竹蔸粉碎机的总体结构示意图，如图2c。竹蔸粉碎机主要由汽油机、减速箱、把手、机架、刀具等组成，整机质量为13.2 kg。机架上方固定着齿轮减速箱，汽油机的离合碟外边盖与减速齿轮箱的输入轴固定连接，减速器的输出轴与刀具相连。把手通过螺柱安装于机架两侧。熄火开关安装于把手上，控制汽油机熄火。油门开关安装于把手上，控制汽油机转速进而控制汽油机离合碟的接合和分离从而控制竹蔸挖掘设备的工作和停止。汽油箱通过连接架安装于汽油机一侧，为汽油机提供能量。

工作时，操作人员手扶把手，关闭风口，拉动汽油机拉绳点火进而启动汽油机，竹蔸粉碎机处于待机状态。在粉碎竹蔸的过程中，操作人员现将竹蔸粉碎机刀具的麻花钻钻头与竹蔸中心重合，而后按住油门开关，汽油箱转速提高，通过减速器使刀具以合适转速工作。随着刀具的转动，竹蔸由内往外被粉碎，而粉碎的竹屑顺着凹槽排出。同时操作人员对设备施加压力，使刀具由上向下粉碎竹蔸，从而完成粉碎竹蔸作业。

3 性能测试

为验证两种竹蔸挖掘设备的工作性能，在浙江安吉、长兴、龙游等地的毛竹林地进行挖掘竹蔸试验，选择挖掘的竹蔸直径为70～ 150 mm，竹蔸残留年限为1～ 3 a。图3a 和b 分别为在竹林中进行竹蔸挖掘和竹蔸粉碎的试验照片，其部分试验结果如表1。

图3 两种竹蔸挖掘设备试验情况照片Figure 3 Test of bamboo culm base excavator and grinder

表1 两种竹蔸挖掘设备性能试验结果Table 1 Performance test results

由表1 可知，竹蔸挖掘机的最大挖掘深度为350 mm，挖掘平均时长为163.3 s·个-1；竹蔸粉碎机可粉碎竹蔸最大直径为150 mm，粉碎平均时长为142.4 s·个-1。传统人工挖掘竹蔸时长一般为5～ 15 min·个-1[6]，相比人工挖掘，机械挖掘工作效率大幅提高。由图4 可知，竹蔸挖掘机的挖掘时间与挖掘深度有关，挖掘深度越深，挖掘时间越长。由图5 可知，竹蔸粉碎机的粉碎时间与竹蔸直径有关，竹蔸直径越大，粉碎时间越长。

图4 挖掘深度与挖掘时长的关系Figure 4 Relationship between excavating depth and the excavation time

图5 竹蔸直径与粉碎时长的关系Figure 5 Relationship between the diameter of the bamboo base and the grinder time

4 结论

本研究研制了两种竹蔸挖掘设备——竹蔸挖掘机和竹蔸粉碎机，分别对竹蔸进行整根挖掘和内部粉碎，其中竹蔸挖掘机由汽油机、减速齿轮箱、曲柄、连杆、活塞、气缸、刀具、把手、机架等组成，且刀具由到刀柄和刀铲组成；竹蔸粉碎机由汽油机、减速箱、把手、机架、刀具组成，且刀具由芯杆、切割刀具和麻花钻组成。设备具有携带方便、操作简单等优点，适合去除林地中残留的竹蔸，适用于大面积笋竹两用林，有利于竹资源的可持续发展。

性能实验结果表明，竹蔸挖掘机最大挖掘深度为350 mm，挖掘平均时长为163.3 s·个-1；竹蔸粉碎机可粉碎竹蔸最大直径为150 mm，粉碎平均时长为142.4 s·个-1。相比人工挖掘，机械挖掘工作效率大幅提高。