毛竹根挖掘機的設計與試驗

章凱 姚立健 李婷 王雨瀟 王娟

摘要 針對竹根挖掘過程機械化程度低，造成人力、物力浪費等問題，自主研發了一種自動挖掘竹根的機器，其具有過程穩定性強、便于攜帶等優點，適用于大面積竹林資源的開發，有助于竹資源的可持續發展。對所設計的挖掘機進行性能實驗得出，該毛竹根挖掘機的有效挖掘深度為250 mm，而大多數竹根深度為150～200 mm，即使竹根深度超過其有效深度，該機器依然能把竹根完整挖出；該竹根挖掘機挖單個竹根所花費的時間為2～5 min，相比于傳統人工，效率提高了65%，且能實現自動化。土壤濕度越大，挖掘竹根的難度相應增加，當土壤濕度較大時，并不一定能把竹根完整挖出，有時需要人工輔助。對于較干土壤，挖掘機可以完整地把竹根挖出；對于干土壤，該機器也能成功把竹根完整拔出，并且可以切開砂石顆粒，降低土壤硬度，有利于新竹的成長發育。

關鍵詞 竹根；挖掘機；性能實驗

中圖分類號 S222.5+5文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）01-0184-02

Abstract Aiming at the low degree of mechanization of bamboo root excavation process， which caused manpower and material waste， this paper has developed a machine which automatically excavates bamboo roots， which has the advantages of strong process stability and easy carrying. It is very suitable for large area bamboo forest Resource development， contribute to the sustainable development of bamboo resources. The excavation depth of the bamboo root excavator is 250 mm， and most of the bamboo root excavation depth of 150-200 mm， even if the root depth of more than its effective depth， the machine can still dig a complete bamboo root. After the field experiment in the mountainous area of Zhejiang Agriculture and Forestry University， it takes about 2-5 minutes to record the excavation of a single bamboo root， which is 65% higher than that of traditional labor， and can be automated. According to the test results， for the soil with different humidity， with the increase of humidity， the difficulty of digging bamboo root increases accordingly. When the soil moisture is large， it is not necessary to dig out the bamboo root completely， and sometimes need artificial assistance. For the more dry soil， digging machine can be a complete bamboo root dug out. For dry soil， the machine can also successfully pull out the bamboo root， and can cut sand and gravel particles， can reduce the soil hardness， is conducive to the growth and development of new bamboo.

Key words Bamboo root； Excavator； Performance experiment

竹子具有稈形通直、材性優良、再生能力強等優點，近年來在建筑、家居等領域得到廣泛的應用。采伐后的竹根殘留在土壤中，其自然降解時間一般為7～10年，嚴重阻礙竹林根系的擴展與生長，而人工挖除竹根費時費力。對此國內外學者進行了多年的科學研究。盛國成等[1]介紹了日本人研發的一種挖穴機械裝置，但其并不能完整地挖出竹根。華文禮等[2]采用了一種化學方法來解決竹根問題，但其存在加工成本高、污染環境等缺陷，不適合大面積推廣。張京平[3]設計出一種連桿往復鏟式機械設備來挖掘竹根，但其振動幅值很大，使得操作人員產生手麻等問題，導致不能長時間從事工作，降低了加工效率。針對上述問題，吳君琦等[4]設計出一種支架環挖式機械設備來挖掘竹根，實現了持續作業時間，但其生產效率較低。張京平等[5]設計了一種桶型挖掘機，但是其穩定差，不能保證挖掘過程中竹根的完整性。北京林業機械研究所[6]設計了一種可以將竹根打碎的挖根機，但打碎后的竹根同樣需要1～2年的時間才能腐爛，因此該方法在浪費資源的同時，并沒有提高土地資源的利用率。鄧小雷等[7]提出了一種氣泵驅動的挖根機，其能夠完整地將竹根取出，但是其體積龐大，非常不適合在復雜竹林地形作業。

針對上述問題，筆者研制出了一種可自動進行的挖根機，旨在有效且完整地將竹根挖出，提高土地資源的利用率。并對該機進行了性能實驗，實驗數據表明所設計挖根機的合理性及可靠性。因其自動化程度高，能有效保證竹根的完全挖出，具有很高的使用價值，值得推廣。

1 毛竹挖掘機整體設計

1.1 動力源選擇

汽油機相對于氣泵和電機具有攜帶方便的特點，為此該研究選汽油機作為挖掘機動力源。選擇型號為170F汽油機，其主要參數如下：

排量211.6 mL，最大功率4.1 kW，最大轉速3 600 r/min，旋轉方向為左轉，凈質量17.0 kg，油箱容積3.6 L。

1.2 傳動結構的設計

竹根挖掘機的傳動有多種，如齒輪、鏈條傳動等。為提高挖掘機的穩定性并根據其工作環境，該研究選擇齒輪傳動。根據所選汽油機的最大功率和轉速，較為合適的圓筒切削速度為240～300 r/min，這樣既能保證切削效率，又能提供合適的扭矩力。綜上所述，該研究選擇文獻[8]所選的減速器相關參數，具體如下：

高速軸小齒輪齒數Z1為17個，中間軸大齒輪齒數Z2為101個，中間軸小齒輪齒數Z3為46個，低速軸大齒輪齒數Z4為177個，高速軸與中間軸的傳動比i1為6.00，中間軸與低速軸的傳動比i2為3.85，高速軸與中間軸齒輪的模數m1為1.55 mm，中間軸與低速軸齒輪的模數m2為0.8 mm，中心距a為89.2 mm。

1.3 執行結構的設計

根據竹根的特征，該研究選擇可旋切的圓筒作為挖根機的執行結構，由文獻[8]統計數據可知，竹子的根莖主要集中90～110 mm，結合其所需的強度和成本，該研究將圓筒直徑定為118 mm，選用45號鋼作為其材料。竹根深度主要集中在0～300 mm[9]，為此將圓筒的高度設置為350 mm。為了減小過程阻力，便于泥土的排除，在筒的邊側，對稱開4個槽，且在圓筒外壁上安裝上雙螺旋導泥片。螺旋泥片的螺旋角和夾角，對于掘進力非常重要，依據優化的排土設計方案，得到最優的2個角度分別為15°和30°。得到挖根機的總體結構示意圖，如圖1所示。

其工作過程如下：操作人員扶著扶手，保證挖根機的圓筒直徑的中心與竹根的中心重合。打開開關啟動汽油機，為竹根挖掘機提供動力動源。通過減速器實現調節進給速度，依據土壤硬度合理選擇進給速度，在保證加工效率的同時保護挖根機，延長竹根挖掘機的壽命。在挖竹根過程中環齒刃具能夠實現切斷竹須目的，減小阻力，有利于完整挖掘出竹根。中間軸有利于穿透竹根內部，將竹根限制在一定范圍內，通過轉動實現與土壤的分離。雙螺旋導泥片有利于機器均衡地切入土壤，維持機器整體的穩定性，減輕操作人員作業強度，實現挖掘竹根的自動化。通過以上過程就能實現完整地將竹根從土壤中取出，消除了竹根帶來的土壤利用率低、竹林資源再生恢復慢等問題。

2 性能實驗

2.1 實驗條件

為驗證該竹根挖掘機設計的合理性和可靠性，該研究選擇某山區的林地進行了挖竹根現場實驗。選取的竹根的直徑范圍為90～110 mm。為了探究竹根和竹莖對挖根的影響性，在現場當即砍伐竹子進行了相應的實驗。實驗結果如表1所示。

2.2 結果分析

該實驗探究了在相同筒徑的情況下，針對不同根莖和不同土壤濕度挖竹根的情況。實驗中大多數竹根的深度為150～200 mm，該研究設計挖掘機有效深度為250 mm，為此滿足大多數工作條件，具有很強的適應性。對于竹根深度達到300 mm以上情況，該結構通過將竹底部根須扭斷從而將竹根完整挖出，節省了大量的工作時間和能源。該挖掘機可以自動挖掘直徑為90～110 mm的竹根，所花費時間在2～5 min，相對于傳統手工挖掘竹子所花費的時間為10～15 min，節省了8～10 min的時間，效率提高了65%。針對不同濕度的土壤，發現濕度越大，挖掘竹根的難度相應增加，當土壤濕度較大時，并不一定能把竹根完整挖出，有時需要人工輔助。對于較干土壤，挖根機可以完整地把竹根挖出；對于干土壤，該機器也能成功把竹根完整拔出，并且可以切開砂石顆粒，降低土壤硬度，有利于新竹的成長發育。

3 結論

該研究自主研發了一種自動挖掘竹根的機器，其有過程穩定性強、便于攜帶等優點，非常有助于竹資源的可持續發展。適用于大面積竹林資源的開發，有助于竹資源的可持續發展。

通過性能實驗得到以下結論：

該挖根機的有效挖掘深度為250 mm，滿足大多數竹根的挖掘深度150～200 mm，即使竹根深度超過其有效深度，該機器依然能把竹根完整挖出。

該挖根機挖根所花費的時間為2～5 min，相比于傳統人工，效率提高了65%，且能實現自動化。

針對不同濕度的土壤，發現濕度越大，挖掘竹根的難度相應增加，當土壤濕度較大時，并不一定能把竹根完整挖出，有時需要人工輔助。對于較干土壤，挖根機可以完整的把竹根挖出；對于干土壤，該機器也能成功把竹根完整拔出，并且可以切開砂石顆粒，可降低土壤硬度，有利于新竹的成長發育。

參考文獻

[1] 盛國成，張亞軍.日本 AG500 型手提式挖穴機[J].現代農業裝備，2004（6）：69-70.

[2] 華文禮，吳禮棟.毛竹竹篼促腐技術研究初報[J].林業科技開發，2000，14（1）：38-39.

[3] 張京平，張華.往復式竹根挖掘機：CN101112167[P].2008-01-30.

[4] 吳君琦.基于國際貿易的中國竹產業競爭力研究[D].北京：中國林業科學研究院，2009.

[5] 張京平.筒形竹根挖掘機：CN201107951[P].2008-09-03.

[6] 傳媒湖州網.竹蒲頭挖掘機在湖州亮相[EB/OL].（2009-10-26）[2014-06-22].http：//www.hugd.com/xinzixun/2009-10/16/cms70795article.shtml.

[7] 鄧小雷，李欣，夏鑫鑫，等.DX1B 型竹根挖掘機的設計與試驗[J].農業工程學報，2016，32（2）：29-35.

[8] 江子和，姚立健，朱世威，等.一種毛竹根挖掘機的設計和優化[J].林業工程學報，2017，2（4）：121-127.

[9] 周本智，傅懋毅.粗放經營毛竹林鞭系和根系結構研究[J].林業科學研究，2008，21（2）：217-221.