竹篼清理机械的发展现状和趋势获奖科研报告

竹篼清理机械的发展现状和趋势获奖科研报告

摘

要：竹篼清理机械是竹篼清理技术手段中最有效的一种，综述了几类典型的竹篼清理机械。指出了现有竹篼清理机械的存在的问题，阐述了竹篼清理机械的发展趋势，为竹篼清理机械的研究提供参考。

关键词：竹篼清理机械;问题;趋势

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Abstract：Bambooraftcleaningmachineryisthemosteffectiveoneforbambooraftcleaningtechnology，Summaryofseveraltypicalbambooraftcleaningmachines.Pointingouttheexistingproblemsoftheexistingbambooraftcleaningmachineryanddescribingthedevelopmenttrendofthebambooraftcleaningmachinery.Providereferencefortheresearchofbambooraftcleaning

machinery.Keywords：thecleaningmachineofbambooraft;matter;trend

引言

竹子生长分布广泛，在热带至温带均有出产。早在9世纪我国就能利用竹子制造纸张。预计我国2020年木材的缺口量将达到1.8亿立方米[1]，巨大的木材消耗和长时间的再生周期加剧了资源的缺乏冲突，而竹子生长时间短，成竹三年即可收获，是非常好的木材替代物。我国不仅竹子种类繁多且种植和产出量也是全球第一，全国竹林面积有500多万公顷，在2014年产出大径竹材22.24亿根[2]。随着环境保护意识越来越强和造纸技術的进步，竹材资源的利用对实现可持续发展有重要的实际意义。在竹子砍伐后留在土层中的根部称为竹篼或者竹蒲头，若不加以清理让它自然腐坏需要8-10年的时间。长此以往，会有大片的竹篼占用林地，且妨碍新生竹子的生长;竹子砍伐后清理竹篼会带来1086元/hm2[3]的收益。然而竹篼韧性好，人工清理费时、费力。生物清理方式和化学清理方式清理周期仍然很长对促进竹子林业经济的快速发展意义不显著。所以，竹篼机械清理方式的发展对高效清理竹篼有重要的作用，竹篼清理机械可以有效的提升作业效率，同时降低劳动强度和节约人工投入，促进竹农增产增收。

全球分亚太竹区、美洲竹区、非洲竹区。非洲竹区工业水平落后，对竹资源的种植收获均是人工劳作;美洲竹区主要以园艺为主要竹资源应用，对竹子的机械化作业研究较少;亚太竹区中以中国、日本和印度竹资源利用较多，日本因土地资源问题竹资源的利用仍然处于传统应用范畴且日本的竹种植逐年减少;印度套用英国等的大型林业机械进行作业。国外没有出现专业的竹篼清理机械;我国近年对竹木资源的开发利用较多，所以我国的竹篼清理机械发展相对领先。目前，我国机械清理竹篼主要分为两大类方式：一种是保留竹篼的清理方式，另一种是粉碎竹篼，将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艺品加工和燃烧发电等用途实现再利用。

1留存型清理机械

1.1竹爪式竹根挖掘

浙江大学刘汾阳[4]设计了竹爪式竹根挖掘机方案，竹爪式竹根挖掘机设计结构如图1所示，设计选用汽油机提供动力。开始时，将竹爪插入竹篼周围，圆筒锯下放至土壤表面;气动汽油机，经皮带轮、蜗杆、蜗轮及键传递扭矩使得圆筒锯旋转;圆筒锯旋转切割竹篼周围的根茎，土和碎屑经螺旋片向外运出。当根茎被切断后，剩下的扁竹根部分由竹爪上的反扭转力矩折断，折断过后与土层剥离开来的竹篼由人工取出。该机械整机结构简单，成本低，操作简单。其缺点在于整体质量较大林地搬运费力，性能损失较大，效率一般，工作稳定性差。

1.2竹篼旋挖机

浙江农林大学桂仁意、王成军等[5]在2011年设计了一款竹篼旋挖机，如图2所示。作业时，先根据地形调节机械底板角度，使得机械有适宜的工作姿态。然后，选择尺寸匹配的刀具，调节刀具的高度并由锁紧手柄固定刀的高度。开启汽油机，调节转速，松开锁紧手柄由控制导向套控制刀具的进给量和进给速度。旋挖时的土和碎屑由排泄孔排除。随后人工取出竹篼。

竹篼旋挖机采用汽油机作为动力源，可在林地移动作业，安全性较高且一人即可操作。其缺点在于适应能力有限，且林地地形复杂针对每个竹篼需进行调节支撑底板显得繁琐浪费时间降低效率;且设计多款刀具虽然刀具与竹篼匹配度较高但是同样更换费时，普适性不够。

1.3环切竹篼挖掘机

浙江农林大学陈喜庭[6]设计了一种环切竹篼挖掘机，如图3所示。运作时，将环切钻筒套住目标竹根，使竹根被包裹在圆筒内。随后打开开关，让环切筒运转起来达到一定速度后入土，缓慢加大油门，到最大值时，握紧汽油机把手。如果机械下钻费力时可用力下压机械或者将机械提起来再下放挖掘，到达一定深度时可取出挖掘成功的竹篼。

环切竹篼挖掘机采用汽油机做动力源，可在林间便利移动。采用三角合金型刀片嵌入环切钻筒，能有效切除周边根系，工作效率高，使用寿命长，单根挖掘时间为30秒/根，机械工作性能稳定。但机械质量稍重，有较大的反作用力，稍长的连续工作容易使工人疲劳。该机械存在一定的危险性，且排土效果不好，容易造成泥土滞留，需要人工排土，同时不能自动排除竹根;机械钻筒工作时存在下钻吃力的问题。

1.4自动竹根挖掘机

邓小雷、李欣等[7]设计了一种DX1B型竹根挖掘机械，如图4所示。首先，调整好支撑腿使其能够稳定站立，并调节电机至正常工作需要的高度，随后打开汽油发电机，电压达到220v时打开电力输出开关。另一方面打开气泵输出气流，气压达到阀值时打开出气阀门，气缸做好准备。开启电机，待电机运行稳定后;操作控制板打开掘进通气阀门，驱动电机向下运动，电机驱动刀筒旋转、挖掘，挖掘的土壤从圆形刀筒外壁上的螺旋导泥槽排出，当竹篼周围的根茎被切断后，操作控制面板电机停转、气缸收缩，刀筒上升;该机械在挖掘过程刀筒内中泥土和竹篼紧密的结合。刀筒旋转时已经将连接部位扭断，刀筒上升时即可将竹篼带出，待刀筒上升到一定位置时刀筒内的压力弹簧推动推盘排除泥土和竹篼。

该机械使用汽油发电机提供动力，采用电机和气泵驱动执行机构。电机和气泵的运用使得该机械能够实现自动挖掘、排土和排根，拥有一定的自动化水平，为后来竹篼挖掘的自动化设计提供了参考。三角支架在设计时避开共振频率，使得该机械工作稳定性很高。但机械系统复杂，结构、质量很大，不宜在林地移动工作。挖掘机构更换目标竹篼时需要重新调节机构高度和更换匹配刀筒，工序多较为繁琐。

1.5葫芦助力式竹篼起拔机

中国北京林业科学研究院刘婧婧[8]设计了一种葫芦助力式竹篼起拔机，如图5所示。开始工作前将组装好的起拔机正对竹篼，调整好支架使其稳定。随后，用抓钩抓住竹篼，使其有效咬合在竹篼上。最后驱动葫芦开始起拔工作。助力起拔机结构简单易于加工，成本低廉。但是人力驱动起拔费力，且在夹持咬合时需要辅助清理土壤以便能有较好的夹持效果，耽误工时。机械工作稳定性较低，会出现劈裂现象。

2粉碎型竹篼清理机械

2.1毛竹蒲头粉碎机

浙江省杨建、杨倩倩[9]等设计了一种电动竹篼粉碎机械。该机械由电钻改装而成。其实验中运用220v工频交流电与2800w便捷式发电机驱动电机旋转切割竹篼，竹篼在钻头的作用下粉碎。粉碎效率是人工清除的3倍，直径10cm以下竹篼50只/时。该机械制造成本低单，但是电力供应不方便，采用市电受电网限制，移动便携式发电机费力，不适宜野外林地作业。

2.2竹篼钻孔爆破装置

福建海峡科化股份有限公司[10]设计一种竹篼钻孔爆破装置如图6所示，由动力单元、连接单元、传动单元、动力输出单元、伸缩单元和弹性单元构成。动力单元输出转矩传递执行机构上，钻头对竹篼上端竹节部分进行钻孔，打孔至竹篼内部。随后伸缩单元开始注入生态炸药，准备就绪后安全起爆，破碎竹篼。该装置结构轻巧，但运用爆破手段对竹篼进行破碎，易出现危险。竹篼进过爆破破碎成块腐坏周期仍然较长。

3竹篼清理机械发展中存在的问题

（1）機械缺乏普适性

目前随着环保意识的加强竹子这一林业经济了有较大的发展，此前国内外对竹篼清理机械的研究不多。目前大多数是环切挖掘竹篼的设备，这一类设备都针对毛竹而设计，毛竹属于单轴散生型竹种，单株间距较大，环切设备能够放下。但是，比如四川的慈竹、广西的撑绿竹这类丛生竹种，面对竹篼密布的情况环切机械就不再适宜。

（2）机械适应力不足

竹林种植地形复杂，山陡坡高。当前的清理机械中一类存在着体积、质量较大;更换目标竹篼时，在林间搬运机械极大增加了劳动负荷，大体积、大质量的机械不够便携，不适应林间劳动。另一类在机械在执行机构上设计有脚架，调整脚架是必须的步骤，导致清理工作工序繁琐，同时频繁的在目标竹篼间架立脚非常耽误工时;且脚架设计在面对复杂的地况时其适应力有限。

（3）自动化水平低

现有的机械中以环切式为主体，此类机械目的是为了清理并收集竹篼。四类环切机械中只有一种能够切除竹篼周边的根茎并将竹篼与地下相连的竹鞭分离开，实现自动排根;其它的都需依靠人工辅助完成，处于一个人工与机械相结合才能完成工作的水平。这样的一个自动化水平面对未来的规模化种植将是一个短板，极大的限制产业高效的运营与管理。

4竹篼清理设备的发展趋势

（1）发展便携与环保清理机械

随着新能源电池技术的发展，出现大功率高容量电池是必然结果，在未来希望将新能源电池作为竹篼清理机械的驱动能源，这将极大的提升机械的携带能力和轻量化设计。以新能源电池作为驱动能源将消除由汽油机作为动力源带来的对人的震动冲击、噪音危害以及化石燃料燃烧带来的空气污染。当前，竹林经济的市场的不断扩大，竹木需求飞速上升，便携的竹篼清理机械有着广阔的市场前景。从技术发展趋势和市场经济条件来看，开发便携、环保的清理设备是未来发展的主要方向。

（2）发展自动化清理机械

自动化机械在各项生产中有着重要的作用，能够在极大程度上替代人工，将人从高强度、恶劣工作条件的生产中解放出来;并能够起到提高生产效率、优化生产工作体系。我国乃至全球竹篼清理机械发展较晚，尽管近年我国随着竹林经济的发展有了较多的研究，但是机械的自动