丘陵地區竹根清理機的研制

陳行，李儉，劉曉文

（成都大學機械工程學院，四川 成都 610106）

我國是竹產業大國，竹子產量居世界首位。我國竹子總類有50多屬500多種[1]，竹林面積約420萬公頃，年產量1800多萬噸。隨著社會經濟的快速發展，我國得天獨厚的竹子資源越來越受到人們的重視[2]。竹子砍伐后殘留的竹根，在自然的條件下要10年左右才能夠腐爛，不僅占用土地資源，而且在一定的程度上會抑制小竹子的生長，影響整個竹林的新陳代謝[3]。丘陵地區由于交通的不便，中大型竹根清理機無法在丘陵地區開展作業，因此研究一款適用于丘陵地區的竹根清理機是必要的。

1982年，浙江省林科研究所室的余邦模等人，研制了一款雙人操作的便捷式挖挖根機； 1984年，浙江省林科所的余邦模等人，為滿足竹林產業快速發展的需求，及時的將伐后竹根的清理，在其原來機械的基礎上，重新改造設計了一種采用雙手扶持作業的震動挖切竹根清理機；2011年，中國林業科學研究院的碩士研究生劉婧婧設計了一種竹篼起撥機；2015年3月，衢州樂創節能公司的吳超，發明了一款手持式竹根挖掘機[4]。竹子更多的生存在維度較低的地方，主要分布在東南亞地區，國外發達國家對竹清理機的研究較少[5]。

根據丘陵地區竹子生長的環境，設計了丘陵地區竹根清理機，詳細闡述了各關鍵部件的設計。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

針對丘陵地區竹根生長的特點和清理技術要求，設計了一種基于背負式動力的丘陵地區竹根清理機，主要由磨削刀具、導泥板、直筒、手扶架、變速箱、軟軸、油箱、背負架、背板、汽油機等組成。油箱和汽油機放置在背負架上，汽油機通過軟軸與變速箱動力輸入端聯接，變速箱輸出端與直筒聯接，導泥板焊接在直筒上。該機利用軟軸聯接特點，最大程度的分散整機質量，使操作者可方便的在丘陵地區移動作業，竹根清理機總體結構如圖1所示。

1、磨削刀具，2、導泥板，3、直筒，4、手扶架，5、變速箱，6、軟軸，7、油箱，8、背負架，9、背板，10、汽油機。

1.2 工作原理

工作時，油箱通過輸油管為汽油機提供燃料，汽油機聯接軟軸將動力輸送到變速箱，動力經減速箱減速增距后，傳遞到圓筒，帶動圓筒轉動并進行竹根清理工作。

2 關鍵部件設計

2.1 減速箱的設計

蝸輪蝸桿最大的特點是機構緊湊、傳動比大，選用蝸輪蝸桿這種簡潔的減速機構，更加易于實現工作的目標，很大程度上減輕竹根清理機的重量，方便操作人員機械設備的轉移。其結構如圖2所示，在對蝸輪蝸桿進行設計時，保證各方面強度、剛度的同時，應以輕量化原則設計蝸輪蝸桿[6]。設計要求蝸輪蝸桿的工作時長為16000h，確定蝸輪蝸桿參數如下：

（1）蝸桿

分度圓直徑d1：d1=35.5mm；頭數m=3；

軸向齒距為pa:pa=mπ=12.56mm；

齒頂圓直徑da1：已知ha1=m；da1=d1+2ha1=37.5mm；

齒根圓直徑df1：已知hf1=1.2m；df1=d1-2hf1=28.3mm；

蝸桿有效長度B1：當蝸桿的齒頭數為3，變為系數為-0.5時，

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

（2）蝸輪

蝸輪齒數36；變位系數x=-0.5

蝸輪分度圓直徑d2：d2=mz2=3.15×36=113.4mm

1、變速箱箱體，2、蝸桿，3、軸承一，4、蝸輪，5、軸承二，6、輸入軸，7、軸瓦二，8、軸瓦二。

2.2 圓筒的設計

圓筒的尺寸的設計需根據丘陵地區竹根深度及外形尺寸來設計。研究時，選擇了200株5年生的毛竹進行根徑研究測量，得出毛竹直徑集中在50～130mm，綜合各方面因素，確定圓筒的直徑為110mm。調查結果顯示，竹根在土壤中的長度主要在0～300m的范圍內，設計時，將圓筒的高度定為350mm，厚度為4mm。執行機構向下挖掘的過程中，需將泥土及時的排出，需將圓筒內壁開槽口。因此以圓筒的中心軸為基準，開四個相同的槽口，結構示意圖如圖4所示。

2.3 磨削刀具的設計

竹根清理機在對竹根進行清理時，執行機構需要切斷在土壤中的竹鞭，才能進行更深一步的挖掘，若以圓筒直接挖掘竹根，竹根很難被切斷，故需在圓筒底部設計竹根切割刀具，其具體結構如圖4所示。圖中，d1為刀具鋸齒的寬度20mm，d2為鋸齒長度15mm。為防止刀具卡死并減小土壤及竹鞭的阻力，將鋸齒形狀定位弧形，其半徑R1為21mm。

2.4 導泥片的設計

竹根清理機工作時，導泥片需及時將打碎的泥土清理至地面。資料顯示導泥板的寬度范圍為15～25mm較為合適，設計導泥板的寬度為20mm。同時，為增加圓筒向下的掘進力，應使導泥片刀頭與地面成一定的夾角γ。依據導泥片排土的臨界條件，可計算出螺旋角α和夾角γ的取值范圍，最終取α=150，γ=300。同時，為保證竹根清理機工作的穩定性和清理效率，將導泥片設計為對稱的雙螺旋結構，其示意圖如圖5所示。

3 結語

設計了基于背負式動力的竹根清理機，對機械各機構進行了計算設計，確定了結構與參數。有效解決了丘陵地區因交通不便，竹根清理機械轉移作業難問題。