丘陵地区竹根清理机的研制

陈行，李俭，刘晓文

（成都大学机械工程学院，四川 成都 610106）

我国是竹产业大国，竹子产量居世界首位。我国竹子总类有50多属500多种[1]，竹林面积约420万公顷，年产量1800多万吨。随着社会经济的快速发展，我国得天独厚的竹子资源越来越受到人们的重视[2]。竹子砍伐后残留的竹根，在自然的条件下要10年左右才能够腐烂，不仅占用土地资源，而且在一定的程度上会抑制小竹子的生长，影响整个竹林的新陈代谢[3]。丘陵地区由于交通的不便，中大型竹根清理机无法在丘陵地区开展作业，因此研究一款适用于丘陵地区的竹根清理机是必要的。

1982年，浙江省林科研究所室的余邦模等人，研制了一款双人操作的便捷式挖挖根机； 1984年，浙江省林科所的余邦模等人，为满足竹林产业快速发展的需求，及时的将伐后竹根的清理，在其原来机械的基础上，重新改造设计了一种采用双手扶持作业的震动挖切竹根清理机；2011年，中国林业科学研究院的硕士研究生刘婧婧设计了一种竹篼起拨机；2015年3月，衢州乐创节能公司的吴超，发明了一款手持式竹根挖掘机[4]。竹子更多的生存在维度较低的地方，主要分布在东南亚地区，国外发达国家对竹清理机的研究较少[5]。

根据丘陵地区竹子生长的环境，设计了丘陵地区竹根清理机，详细阐述了各关键部件的设计。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

针对丘陵地区竹根生长的特点和清理技术要求，设计了一种基于背负式动力的丘陵地区竹根清理机，主要由磨削刀具、导泥板、直筒、手扶架、变速箱、软轴、油箱、背负架、背板、汽油机等组成。油箱和汽油机放置在背负架上，汽油机通过软轴与变速箱动力输入端联接，变速箱输出端与直筒联接，导泥板焊接在直筒上。该机利用软轴联接特点，最大程度的分散整机质量，使操作者可方便的在丘陵地区移动作业，竹根清理机总体结构如图1所示。

1、磨削刀具，2、导泥板，3、直筒，4、手扶架，5、变速箱，6、软轴，7、油箱，8、背负架，9、背板，10、汽油机。

1.2 工作原理

工作时，油箱通过输油管为汽油机提供燃料，汽油机联接软轴将动力输送到变速箱，动力经减速箱减速增距后，传递到圆筒，带动圆筒转动并进行竹根清理工作。

2 关键部件设计

2.1 减速箱的设计

蜗轮蜗杆最大的特点是机构紧凑、传动比大，选用蜗轮蜗杆这种简洁的减速机构，更加易于实现工作的目标，很大程度上减轻竹根清理机的重量，方便操作人员机械设备的转移。其结构如图2所示，在对蜗轮蜗杆进行设计时，保证各方面强度、刚度的同时，应以轻量化原则设计蜗轮蜗杆[6]。设计要求蜗轮蜗杆的工作时长为16000h，确定蜗轮蜗杆参数如下：

（1）蜗杆

分度圆直径d1：d1=35.5mm；头数m=3；

轴向齿距为pa:pa=mπ=12.56mm；

齿顶圆直径da1：已知ha1=m；da1=d1+2ha1=37.5mm；

齿根圆直径df1：已知hf1=1.2m；df1=d1-2hf1=28.3mm；

蜗杆有效长度B1：当蜗杆的齿头数为3，变为系数为-0.5时，

B1≥（9.5+0.09×3）×3.15=30.7755mm，此处取35mm。

（2）蜗轮

蜗轮齿数36；变位系数x=-0.5

蜗轮分度圆直径d2：d2=mz2=3.15×36=113.4mm

1、变速箱箱体，2、蜗杆，3、轴承一，4、蜗轮，5、轴承二，6、输入轴，7、轴瓦二，8、轴瓦二。

2.2 圆筒的设计

圆筒的尺寸的设计需根据丘陵地区竹根深度及外形尺寸来设计。研究时，选择了200株5年生的毛竹进行根径研究测量，得出毛竹直径集中在50～130mm，综合各方面因素，确定圆筒的直径为110mm。调查结果显示，竹根在土壤中的长度主要在0～300m的范围内，设计时，将圆筒的高度定为350mm，厚度为4mm。执行机构向下挖掘的过程中，需将泥土及时的排出，需将圆筒内壁开槽口。因此以圆筒的中心轴为基准，开四个相同的槽口，结构示意图如图4所示。

2.3 磨削刀具的设计

竹根清理机在对竹根进行清理时，执行机构需要切断在土壤中的竹鞭，才能进行更深一步的挖掘，若以圆筒直接挖掘竹根，竹根很难被切断，故需在圆筒底部设计竹根切割刀具，其具体结构如图4所示。图中，d1为刀具锯齿的宽度20mm，d2为锯齿长度15mm。为防止刀具卡死并减小土壤及竹鞭的阻力，将锯齿形状定位弧形，其半径R1为21mm。

2.4 导泥片的设计

竹根清理机工作时，导泥片需及时将打碎的泥土清理至地面。资料显示导泥板的宽度范围为15～25mm较为合适，设计导泥板的宽度为20mm。同时，为增加圆筒向下的掘进力，应使导泥片刀头与地面成一定的夹角γ。依据导泥片排土的临界条件，可计算出螺旋角α和夹角γ的取值范围，最终取α=150，γ=300。同时，为保证竹根清理机工作的稳定性和清理效率，将导泥片设计为对称的双螺旋结构，其示意图如图5所示。

3 结语

设计了基于背负式动力的竹根清理机，对机械各机构进行了计算设计，确定了结构与参数。有效解决了丘陵地区因交通不便，竹根清理机械转移作业难问题。