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秸稈粉碎機新聞動態
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毛竹蒲頭電動粉碎機研發及應用初報
發布時間:2013-10-23 09:39 來源:未知
為有效解決毛竹蒲頭的清除問題,改進林農生產工具,降低勞動強度,提高工作效率,促進毛竹經營的機械化水平的提高,自2009年開始與相關技術人員對毛竹蒲頭電動粉碎機進行了研究和攻關。2010年7月撰寫了《(毛竹蒲頭粉碎機械開發的幾點構想》,提交當年浙江省林學會竹類專業委員會年會進行書面交流。同時,在浙江省林科院的支持下開展試驗,并在吳興區埭溪鎮莫家柵村開展推廣應用示范,取得階段性成果。
1、設計理念
毛竹蒲頭電動粉碎機是一種基本的生產工具,在基本理清開發思路的前提下,堅持“安全可靠、牢固便捷、省力實用、效率適中、成本低廉、利于推廣”的設計理念,分層破解,循序漸進。
(1)安全可靠從使用者的角度出發,按照山區野外的工作條件,盡最大努力防止鉆頭高速運轉和電源等帶來的人身意外傷害,確保正常運行時的安全性和可靠性。
(2)牢固便捷生產工具必須經久耐用,攜帶方便,重量適中,操作簡單,一看就懂,一學就會,維護容易,整機堅固。
(3)省力實用生產工具的改進,必須最大限度地減輕勞動者的工作強度,其主攻方向就是林農急需解決的突出矛盾,使產品開發與生產實踐有機結合。
(4)效率適中一種生產工具,如果沒有效率就脫離了生產實際,不僅竹農不歡迎,而且沒有實際使用價值,開發研究就沒有任何意義。
(5)成本低廉從林農的角度出發,投入與產出之間的比例必須有機協調,成本過高竹農投入困難用不起,沒有產出即使成本較低,竹農同樣沒有積極性。
(6)利于推廣生產工具的推廣應用,有別于技術的推廣,設備有形產出無形,必須真實理解林農的意圖并被他們所接受。
2、技術方案
機械產品開發是跨學科理論知識的綜合應用,涉及機電機械制造、動力學、機械力學、材料科學等方面,主要考慮了以下幾種技術方案:
2.1動力源的選擇
機械開發,首先就是動力源問題,我們主要設想了主動式、被動式2種動力源。
2.1.1主動式動力源
依據現有風力滅火器等現有產品的技術成果,擬采用小型汽油機或柴油機作動力源,并與湖州某機械生產企業等有關技術人員進行了廣泛討論,集思廣益后一致認為這種方式難以實現。主動式動力源存在以下問題:一是機器工作振動和噪音大,使用者不能長期工作;二是重量與速率矛盾突出,高效率必然大功率,大功率必然導致勞動者負重增加;三是機器與鉆頭傳動方式沒有現成產品,自主開發費用高、周期長、風險大。
2.1.2被動式動力源
以通用電動工具為藍本,采取市電電源供電、動力電池供電和發電機供電,市電與發電機供電通用等4種方法。被動式動力源可行性分析:一是市電供電在毛竹主產區來講還有相當大的困難,拉電上山的可能性較小;二是可充電動力電池供電,目前國內市場最高供電電壓為48V,相關產品仍處于研發階段,國外市場只有日本等發達國家有此類的動力電池,但價格相當昂貴,林農難以承受;三是便捷式汽油發電機技術已非常成熟,產品可選性大,價格也比較適中,山區農民一般都能承受。
2.1.3綜合判斷
經綜合分析、類比篩選和現場實驗,最終確定用市電和發電機通用的辦法,解決動力源問題。地勢平坦和房前屋后及毛竹現代園區,供電條件較好,具有可行性和可操作性,利于推廣應用;坡度較大的材用竹林,在林區道路建設的基礎上,發電機上山供電條件也基本具備,特別是在規;洜I和專業化采伐等地區,能夠被經營者和林農所接受。
2.2鉆頭的選擇
鉆頭是整個機械開發最為關鍵的核心部件,主要包括形狀、直徑、刃長、錐角、刃角、結構、材料等。
2.2.1形狀
粉碎鉆頭形狀種類主要有錐形雙刃、錐形3刃、錐形4刃和錐形螺旋。錐形雙刃效率較低;錐形4刃動平衡較差;錐形螺旋加工工藝復雜,造價太高。而錐形3刃效率高,動平衡、角平衡容易掌握和控制,安全性好,加工簡單,成本較低。
2.2.2直徑
錐形鉆頭上端直徑與錐角、刃長緊密相關,也是粉碎效率的3大基本要素。直徑可選擇7~12cm,8cm及以下效率較低,l0cm及以上效率雖高,但功耗大、穩定性差。因此,直徑選擇8.2—9.8cm,能夠滿足設計和實際操作的需要。
2.2.3刃長
刃長是錐形鉆頭的3要素之一,是粉碎效率的核心要素。刃長選擇6.5~14cm,8cm以下,效率低,10cm以上效率雖高,不僅功耗大,而且隨刃長加長,出現卡死和反彈頻率增加,安全性差。因此,刃長可選擇8~10cm,可以滿足設計和實際操作的需要,而且能用1個鉆頭對大小毛竹進行粉碎,使用方便簡單。
2.2.4錐角
錐角是指錐形頂端的夾角,為3要素中的關鍵要素之一。錐角可選擇35—90°,39°以下刃角不好掌握,容易卡死、反彈,而且振動大,竹屑排出不暢,效率低;50°以上隨角度增加,刃角也應隨之減小,雖然效率能夠加快,但刀刃的使用壽命隨角度減小而縮短;當錐角大于65°以上時,振動和動平衡問題難以掌握,安全性差。因此,錐角選擇40~50°較為合適,能夠滿足設計要求和實際需要。
2.2.5刃角
刃角決定刀口的鋒利程度,刃角越小,刀口越鋒利;刀口決定效率,但刀口過于鋒利,反而會降低效率甚至崩斷。刃角可選擇60~90°,79°以下隨角度減小效率遞減,卡死頻率增加,反彈振動逐步增加;850以下,刨花逐漸向竹屑變化,效率隨角度增大降低。因此,刃角選擇79~84°較為合適,既能滿足設計需要,又能達到刀刃永不磨損的目的,使用壽命長。
2.2.6結構
粉碎鉆頭結構分為錐形單節、錐形加麻花鉆雙節等2種。錐形單節粉碎時初速度很快,竹蒲頭呈錐形孔狀時速度減緩,至“鏍絲釘”部容易卡死,穩定性差;錐形加麻花鉆雙節結構,速率與麻花定心鉆關系密切。麻花鉆直徑小于14mm時,穩定性較好,自主下鉆咬力小,效率較低;麻花鉆直徑大于20~25mm時,速度雖快但穩定性逐步降低,與錐形鉆本身的牢固度關系很大,影響其使用壽命。結構選擇錐形加麻花鉆雙節結構,直徑15~18mm、長度25~28mm較為適宜。長度低于25mm,自主性差,大于28mm,容易攻破蒲頭壁碰到周邊石頭折斷的概率大。
2.2.7材料
材料是鉆頭的生命,也決定其造價,采用普通鋼、高速耐磨鋼、鎢鋼合金鋼、普通鋼基座加合金鋼刀刃等4種。普通鋼、高速耐磨鋼,加工工藝簡單,刃角容易掌握和控制,但磨損快、耐用性差;鎢鋼合金鋼造價太高,維修困難。選擇普通鋼基座加焊鎢鋼合金鋼刀片,滿足永不磨損和更換維修方便的需要,降低造價。
2.3連接方式選擇
連接是指錐形鉆頭與電機的結合,現行通用電機主要有卡接、抱接、擰接等方式,嫁接以上方法,進行了卡接、抱接和擰接3種方式的試驗。
2.3.1卡接
錐形鉆頭在手提工具中尺寸、重量較大,卡接時連接處自然公差間隙影響轉子同心度,既容易脫落,也會產生振動。
2.3.2抱接
抱接雖然能解決同心度及振動問題,但工作時產生的振動,容易松動抱接部或撕裂鉆頭連桿,導致鉆頭脫落,抱柱及鉆頭連桿使用壽命短。
2.3.3擰接
擰接是以電機轉子鏍絲連接為基礎,開發同軸鏍母、鏍絲一體連接器,解決上述不足。因此,擰接符合野外作業條件的需要,又不易脫落,也利于維修更換。
2.4電機選擇
電機市場可選成熟產品品種繁多,主要有電鉆、電鎬和沖擊鉆等。電鉆承載水平扭力工作,電鎬承載垂直沖擊力工作,沖擊鉆既承載水平扭力,又具有垂直沖擊力。
毛竹蒲頭強度遠沒有石頭、磚塊等墻體大,只要運用水平扭力在一定速率下勻速旋轉,就能進行切削粉碎;而當外加垂直沖擊力時,就會反彈。因此,以電鉆為基礎進行改進,方便易行效果好,而且投入成本低。改進部件重點為延長操縱連桿和手柄,連桿為抗拉性能較好的普通方鋼管,承載扭力120kg以上。由于扭矩隨連桿延伸,承載扭力過低,容易扭曲變形或折斷。
3、試驗結果
2010年9月底,機械試驗開始,整機包括鉆頭、電機和操作手柄等3大部分,重量在lOkg左右,用220V市電與2800W便捷式發電機通用作動力源,額定功率1150~12 50W。至201 1年4月底,前后進行28次,重點對鉆頭角度、刀刃長度、切入角、刀刃材料、刀刃耐磨性、剛性等進行了試驗。
試驗結果顯示,該機械總體技術路線正確,鉆頭設計科學,安全、可靠、穩定、簡便、實用,粉碎效率是人工清除的3倍。lOcm以下竹蒲頭每小時50只以上,10—15cm竹蒲頭每小時40只左右,基本能夠適應山區自然條件,符合林農意愿。
4、效益概算
整機價格在1800~2 000元之間,整機保修1年,使用壽命5~8年,鉆頭終身保修;耗電量1.25度/h,折價約4.5元;汽油耗量0.5L/h,折價約4元;碳刷壽命粉碎5 000~6 000只竹蒲頭更換1次。
4.1綜合成本
綜合使用成本(含人工工資、油耗、機械磨損等)粉碎每只竹蒲頭在0.8元左右,比人工清除節省1/3,效率提高2/3以上。
4.2效益分析
(1)經濟效益:毛竹林年采伐量平均40支/667m2,每個竹蒲頭人工清除費用1.5元,機械粉碎費用0.8元,每支降低農民成本0.7元,每667m2節約成本28元;粉碎竹篼施肥增加毛竹1 0支/667m2,每支平均價格12元,每667m2增收入120元;增加竹筍50kg,每公斤2元,增收100元/667m2。以上各項畝實際增收248元/667m2。
浙江省現有毛竹林面積60萬hm2,全國有毛竹林面積266萬hm2,這項技術的推廣應用,對于惠農富民、促進現代林業發展和社會主義新農村建設,將產生極其重大而深遠的影響。
(2)生態效益:機械粉碎后,不破壞林地及地下竹鞭的基本結構,可以減少生態性損失50元/667m2。
5、初步成果
目前,整機申報了2個發明專利、3個實用新型專利和2個外觀設計專利,至201 1年6月,已有1個發明專利、2個實用新型和1個外觀專利獲國家知識產權局授權。
在全面展開試驗的同時,制作樣地574m2,對粉碎竹篼施肥進行跟蹤觀察,其結果表明,通過機械粉碎竹蒲頭,可以達到以下目的:
5.1林地空間增加
據測算,一個竹蒲頭平均占地約0.3m3,需要8~10年才能完全腐爛。 “去三頭“技術,關鍵之一就是去竹蒲頭。而今,由于勞動力成本增加和山區勞動力轉移,去竹蒲頭這項勞動強度大的技術已很少有人去做,使得竹林里竹蒲頭越積越多,湖州范圍內平均立竹量為216株,殘留竹蒲頭一般在200只/667m2以上,多的已超300只,約占林地有效空間的1/10以上。竹蒲頭粉碎后,就能大大縮短有效林地的恢復時間,為竹林發展留出更多的空間。
5.2竹林產量增加
由于毛竹資源需求量快速增長,相當多的竹農在材用竹林的實際生產中,采取表面施肥或僅用化肥的情況日益增多,有的竹農每年只是簡單在竹林里撒一點化肥,導致竹鞭越來越淺,竹子越長越小,雖然立竹量短期內有所增加,但持續經營后繼乏力。毛竹蒲頭電動粉碎機粉碎作業后,竹兜形成一個空洞,既可以施有機農家肥,也可以施一定量的復合肥或化肥,充分利用竹鞭的趨肥性,讓竹鞭“回歸”,達到增產增量的目的。
5.3利于旱季補水
隨著毛竹純林量的增加,竹林旱季缺水已是一個無法回避的現實問題。竹林一旦干旱缺水,必然危及行鞭、孕筍和竹林良性發展。用粉碎機將竹蒲頭粉碎, “螺絲釘部”適當保留,便能將雨水積聚其間,干旱季節再通過竹鞭慢慢滲出,解決竹林缺水難題。假如在粉碎竹兜里填人足量的有機質,既有利于林地土壤結構的改善,也可以為竹林保存更多的水分,補水增肥同步進行。2010年12月8日粉碎未徹底打穿的竹篼樣地,儲水時間長達45天以上。2011年春遭遇特大干旱,574m2樣地新竹成竹103株,對比樣地l80m2新竹只有16株。
5.4利于生態保護
人工挖除竹蒲頭,一挖就是一個大坑,一些坡度大的竹林,長期挖掘或墾復,就會導致水土流失,危害生態。應用機械粉碎,無須對竹林進行全面挖掘和墾復,竹篼多大,留下的坑就多大,不會松動周邊的土壤,加上可以直接在洞穴里施肥,省力省時,肥料不會隨雨水流走,既能增產又能保護生態。
5.5利于資源利用
竹蒲頭里也有十分豐富的竹資源。但在傳統的做法中,這些資源除極少數被挖掘制作工藝品之外,被竹農挖出的部分大都只能當柴燒,大量的資源還是放在山上自然爛掉。一個10cm的竹蒲頭,粉碎后的竹屑約有500g多,大的竹篼可達lkg以上,只要簡單收集起來,就能作為基質、燒制竹炭、壓制人造板等原料進行合理利用,這也為竹制品加工企業找到了新的資源。
5.6符合碳匯規則
用粉碎方法去除竹蒲頭,它在縮短林地恢復時間的同時,增加竹林立足量的過程,實際也是一個吸收二氧化碳而固碳的過程。應對氣候變化,林業的使命光榮又艱巨。對毛竹林實施機械粉碎竹蒲頭,在不擴大林地面積中增加竹林產出率,符合碳匯林業規則和要求,這也為林業應對氣候變化做出了貢獻。
6、問題討論
毛竹蒲頭電動粉碎機的開發研究,開啟了林業機械開發研究的一個新課題,雖然目前階段還不能做到盡善盡美,但具有深遠的示范引領意義。從南方小林區實際出發,推進生態文明和林業現代化建設,林業機械開發研究應當引起行業主管部門的高度關注,具體應當做到“認識到位,建好隊伍,完善保障”。
6.1認識到位
生產關系一定要適應生產力的發展。集體林權制度改革,是生產關系的調整和發展。在這種情況下,我們應當使生產關系與生產力保持相適應。在勞動者、勞動對象和生產工具構成的生產力3要素中,勞動者的素質正在逐步提升,但生產工具千年未變,這勢必制約生產力的發展,這勢必導致生產力與生產關系之間的關系不協調。沒有林業機械化,就沒有林業現代化。浙江是全國林業現代化的試點省,也是中國竹子產業最為發達、最為活躍、最具代表性的省份。林業現代化試點,基礎性的第一產業,不僅是第二、第三產業的基石,而且是直接惠農富民,促進社會主義新農村建設的推進器。在農村勞動力轉移、人們生活水平大幅提升的情況下,農業機械化轟轟烈烈,而南方林區的機械化至今裹足不前,這顯然與林業現代的大趨勢不相適應。改進生產工具,開發林業機械,實在已迫在眉捷,勢在必行。
6.2建好隊伍
隨著人們生活水平的提高,勞動力成本增加已是一個不爭的事實,建立林業機械開發研究隊伍,要廣開渠道,善納眾言,集思廣益,博采眾長;既要善納機械制造專家、制造企業的意見和建議,更重要的是要深入林農之中,傾聽他們的呼聲和要求,想他們所想,急他們所急,辦他們想辦而不能辦、辦不到、辦不好的事。建好林業機械開發研究隊伍,要虛實結合,通過溝通、嫁接、聯合,綜合運用專業院校、生產企業等各種社會力量,使之各展所長,為我所用; “虛位”不虛擬,突破成立專門研究機構等傳統模式,由需求方(林農)提出產品意向,由學、研、產聯合對接會診,確定方向和目標,避免閉門開發的盲目性和無用性,實現無縫對接。
6.3完善保障
林業機械與一般的農業機械開發不同。林業生產經營,大多自然條件較差,山高坡陡,林石交錯,林種繁多,高低錯落,因而機械開發錯綜復雜,風險大、回報低,必須從政策、機制和資金上予以保障,集小贏為大贏。一是政策保障。政府和行業主管部門,應當充分運用政策杠桿,調動研發者、生產者、使用者的積極性。林業機械一旦開發出來,主管部門應積極建議將其列為農機下鄉的政策補助范圍,確保政策保障到位。二是機制保障。要完善激勵機制,要尊重群眾的首創精神,要依靠和發動群眾來創新、創造。要沖破現有研發機制,研究機構、專業院校要改變理念和方式,變坐在辦公室里編項目、拿經費、爭獎金,為沉到一線尋需求、找方向、定目標,圍繞服務林農、圍繞一線生產、圍繞科學發展搞研究、做開發、出成果。要改革辦學和人才培育機制,填補現行高校此類人才培育上的空白,開設與機械開發相關的專業,架起林農需求與機械開發和企業之間的橋梁。三是資金保障。 “巧婦難做無米之飲”,科技創新更離不開資金,投入不足是當前機械開發的一個突出瓶頸,而這方面的投入往往又是一本萬利的,因而無論是政府層面還是行業主管部門,都應該高度重視并大力予以保障。
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