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    為有效解決毛竹蒲頭的清除問題，改進林農(nóng)生產(chǎn)工具，降低勞動強度，提高工作效率，促進毛竹經(jīng)營的機械化水平的提高，自2009年開始與相關(guān)技術(shù)人員對毛竹蒲頭電動粉碎機進行了研究和攻關(guān)。2010年7月撰寫了《（毛竹蒲頭粉碎機械開發(fā)的幾點構(gòu)想》，提交當年浙江省林學(xué)會竹類專業(yè)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(qū)埭溪鎮(zhèn)莫家柵村開展推廣應(yīng)用示范，取得階段性成果。
1、設(shè)計理念
    毛竹蒲頭電動粉碎機是一種基本的生產(chǎn)工具，在基本理清開發(fā)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(shè)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(fā)，按照山區(qū)野外的工作條件，盡最大努力防止鉆頭高速運轉(zhuǎn)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(chǎn)工具必須經(jīng)久耐用，攜帶方便，重量適中，操作簡單，一看就懂，一學(xué)就會，維護容易，整機堅固。
    (3)省力實用生產(chǎn)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(nóng)急需解決的突出矛盾，使產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)實踐有機結(jié)合。
    (4)效率適中一種生產(chǎn)工具，如果沒有效率就脫離了生產(chǎn)實際，不僅竹農(nóng)不歡迎，而且沒有實際使用價值，開發(fā)研究就沒有任何意義。
    (5)成本低廉從林農(nóng)的角度出發(fā)，投入與產(chǎn)出之間的比例必須有機協(xié)調(diào)，成本過高竹農(nóng)投入困難用不起，沒有產(chǎn)出即使成本較低，竹農(nóng)同樣沒有積極性。
    (6)利于推廣生產(chǎn)工具的推廣應(yīng)用，有別于技術(shù)的推廣，設(shè)備有形產(chǎn)出無形，必須真實理解林農(nóng)的意圖并被他們所接受。
2、技術(shù)方案
    機械產(chǎn)品開發(fā)是跨學(xué)科理論知識的綜合應(yīng)用，涉及機電機械制造、動力學(xué)、機械力學(xué)、材料科學(xué)等方面，主要考慮了以下幾種技術(shù)方案：
2.1動力源的選擇
    機械開發(fā)，首先就是動力源問題，我們主要設(shè)想了主動式、被動式2種動力源。
2.1.1主動式動力源
    依據(jù)現(xiàn)有風(fēng)力滅火器等現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)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(chǎn)企業(yè)等有關(guān)技術(shù)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(xiàn)。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(dǎo)致勞動者負重增加；三是機器與鉆頭傳動方式?jīng)]有現(xiàn)成產(chǎn)品，自主開發(fā)費用高、周期長、風(fēng)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(fā)電機供電，市電與發(fā)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(chǎn)區(qū)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(nèi)市場最高供電電壓為48V，相關(guān)產(chǎn)品仍處于研發(fā)階段，國外市場只有日本等發(fā)達國家有此類的動力電池，但價格相當昂貴，林農(nóng)難以承受；三是便捷式汽油發(fā)電機技術(shù)已非常成熟，產(chǎn)品可選性大，價格也比較適中，山區(qū)農(nóng)民一般都能承受。
2.1.3綜合判斷
經(jīng)綜合分析、類比篩選和現(xiàn)場實驗，最終確定用市電和發(fā)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(xiàn)代園區(qū)，供電條件較好，具有可行性和可操作性，利于推廣應(yīng)用；坡度較大的材用竹林，在林區(qū)道路建設(shè)的基礎(chǔ)上，發(fā)電機上山供電條件也基本具備，特別是在規(guī)模化經(jīng)營和專業(yè)化采伐等地區(qū)，能夠被經(jīng)營者和林農(nóng)所接受。
2.2鉆頭的選擇
    鉆頭是整個機械開發(fā)最為關(guān)鍵的核心部件，主要包括形狀、直徑、刃長、錐角、刃角、結(jié)構(gòu)、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(fù)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(guān)，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(wěn)定性差。因此，直徑選擇8.2—9.8cm，能夠滿足設(shè)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(xiàn)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(shè)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(guān)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)
    粉碎鉆頭結(jié)構(gòu)分為錐形單節(jié)、錐形加麻花鉆雙節(jié)等2種。錐形單節(jié)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(wěn)定性差；錐形加麻花鉆雙節(jié)結(jié)構(gòu)，速率與麻花定心鉆關(guān)系密切。麻花鉆直徑小于14mm時，穩(wěn)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(wěn)定性逐步降低，與錐形鉆本身的牢固度關(guān)系很大，影響其使用壽命。結(jié)構(gòu)選擇錐形加麻花鉆雙節(jié)結(jié)構(gòu)，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(jié)合，現(xiàn)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(zhuǎn)子同心度，既容易脫落，也會產(chǎn)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(chǎn)生的振動，容易松動抱接部或撕裂鉆頭連桿，導(dǎo)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(zhuǎn)子鏍絲連接為基礎(chǔ)，開發(fā)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(yè)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(chǎn)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(zhuǎn)，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(chǔ)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(jié)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(fā)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(jié)果顯示，該機械總體技術(shù)路線正確，鉆頭設(shè)計科學(xué)，安全、可靠、穩(wěn)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(yīng)山區(qū)自然條件，符合林農(nóng)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(jié)省1/3，效率提高2/3以上。
4.2效益分析
    (1)經(jīng)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(nóng)民成本0.7元，每667m2節(jié)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(xiàn)有毛竹林面積60萬hm2，全國有毛竹林面積266萬hm2，這項技術(shù)的推廣應(yīng)用，對于惠農(nóng)富民、促進現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展和社會主義新農(nóng)村建設(shè)，將產(chǎn)生極其重大而深遠的影響。
    (2)生態(tài)效益：機械粉碎后，不破壞林地及地下竹鞭的基本結(jié)構(gòu)，可以減少生態(tài)性損失50元/667m2。
5、初步成果
    目前，整機申報了2個發(fā)明專利、3個實用新型專利和2個外觀設(shè)計專利，至201 1年6月，已有1個發(fā)明專利、2個實用新型和1個外觀專利獲國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)。
    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(jié)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(jù)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(shù)，關(guān)鍵之一就是去竹蒲頭。而今，由于勞動力成本增加和山區(qū)勞動力轉(zhuǎn)移，去竹蒲頭這項勞動強度大的技術(shù)已很少有人去做，使得竹林里竹蒲頭越積越多，湖州范圍內(nèi)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(fù)時間，為竹林發(fā)展留出更多的空間。
5.2竹林產(chǎn)量增加
    由于毛竹資源需求量快速增長，相當多的竹農(nóng)在材用竹林的實際生產(chǎn)中，采取表面施肥或僅用化肥的情況日益增多，有的竹農(nóng)每年只是簡單在竹林里撒一點化肥，導(dǎo)致竹鞭越來越淺，竹子越長越小，雖然立竹量短期內(nèi)有所增加，但持續(xù)經(jīng)營后繼乏力。毛竹蒲頭電動粉碎機粉碎作業(yè)后，竹兜形成一個空洞，既可以施有機農(nóng)家肥，也可以施一定量的復(fù)合肥或化肥，充分利用竹鞭的趨肥性，讓竹鞭“回歸”，達到增產(chǎn)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(xiàn)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(fā)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(jié)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(zhì)，既有利于林地土壤結(jié)構(gòu)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(tài)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(fù)，就會導(dǎo)致水土流失，危害生態(tài)。應(yīng)用機械粉碎，無須對竹林進行全面挖掘和墾復(fù)，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(chǎn)又能保護生態(tài)。
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(tǒng)的做法中，這些資源除極少數(shù)被挖掘制作工藝品之外，被竹農(nóng)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(zhì)、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(yè)找到了新的資源。
5.6符合碳匯規(guī)則
    用粉碎方法去除竹蒲頭，它在縮短林地恢復(fù)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(yīng)對氣候變化，林業(yè)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(chǎn)出率，符合碳匯林業(yè)規(guī)則和要求，這也為林業(yè)應(yīng)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(fā)研究，開啟了林業(yè)機械開發(fā)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(lǐng)意義。從南方小林區(qū)實際出發(fā)，推進生態(tài)文明和林業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，林業(yè)機械開發(fā)研究應(yīng)當引起行業(yè)主管部門的高度關(guān)注，具體應(yīng)當做到“認識到位，建好隊伍，完善保障”。
6.1認識到位
    生產(chǎn)關(guān)系一定要適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展。集體林權(quán)制度改革，是生產(chǎn)關(guān)系的調(diào)整和發(fā)展。在這種情況下，我們應(yīng)當使生產(chǎn)關(guān)系與生產(chǎn)力保持相適應(yīng)。在勞動者、勞動對象和生產(chǎn)工具構(gòu)成的生產(chǎn)力3要素中，勞動者的素質(zhì)正在逐步提升，但生產(chǎn)工具千年未變，這勢必制約生產(chǎn)力的發(fā)展，這勢必導(dǎo)致生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系之間的關(guān)系不協(xié)調(diào)。沒有林業(yè)機械化，就沒有林業(yè)現(xiàn)代化。浙江是全國林業(yè)現(xiàn)代化的試點省，也是中國竹子產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達、最為活躍、最具代表性的省份。林業(yè)現(xiàn)代化試點，基礎(chǔ)性的第一產(chǎn)業(yè)，不僅是第二、第三產(chǎn)業(yè)的基石，而且是直接惠農(nóng)富民，促進社會主義新農(nóng)村建設(shè)的推進器。在農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移、人們生活水平大幅提升的情況下，農(nóng)業(yè)機械化轟轟烈烈，而南方林區(qū)的機械化至今裹足不前，這顯然與林業(yè)現(xiàn)代的大趨勢不相適應(yīng)。改進生產(chǎn)工具，開發(fā)林業(yè)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(yè)機械開發(fā)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(yè)的意見和建議，更重要的是要深入林農(nóng)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(yè)機械開發(fā)研究隊伍，要虛實結(jié)合，通過溝通、嫁接、聯(lián)合，綜合運用專業(yè)院校、生產(chǎn)企業(yè)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(gòu)等傳統(tǒng)模式，由需求方（林農(nóng)）提出產(chǎn)品意向，由學(xué)、研、產(chǎn)聯(lián)合對接會診，確定方向和目標，避免閉門開發(fā)的盲目性和無用性，實現(xiàn)無縫對接。
6.3完善保障
    林業(yè)機械與一般的農(nóng)業(yè)機械開發(fā)不同。林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)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(fā)錯綜復(fù)雜，風(fēng)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(yè)主管部門，應(yīng)當充分運用政策杠桿，調(diào)動研發(fā)者、生產(chǎn)者、使用者的積極性。林業(yè)機械一旦開發(fā)出來，主管部門應(yīng)積極建議將其列為農(nóng)機下鄉(xiāng)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(chuàng)精神，要依靠和發(fā)動群眾來創(chuàng)新、創(chuàng)造。要沖破現(xiàn)有研發(fā)機制，研究機構(gòu)、專業(yè)院校要改變理念和方式，變坐在辦公室里編項目、拿經(jīng)費、爭獎金，為沉到一線尋需求、找方向、定目標，圍繞服務(wù)林農(nóng)、圍繞一線生產(chǎn)、圍繞科學(xué)發(fā)展搞研究、做開發(fā)、出成果。要改革辦學(xué)和人才培育機制，填補現(xiàn)行高校此類人才培育上的空白，開設(shè)與機械開發(fā)相關(guān)的專業(yè)，架起林農(nóng)需求與機械開發(fā)和企業(yè)之間的橋梁。三是資金保障。  “巧婦難做無米之飲”，科技創(chuàng)新更離不開資金，投入不足是當前機械開發(fā)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(yè)主管部門，都應(yīng)該高度重視并大力予以保障。