摘要 针对竹根挖掘过程机械化程度低，造成人力、物力浪费等问题，自主研发了一种自动挖掘竹根的机器，其具有过程稳定性强、便于携带等优点，适用于大面积竹林资源的开发，有助于竹资源的可持续发展。对所设计的挖掘机进行性能实验得出，该毛竹根挖掘机的有效挖掘深度为250 mm，而大多数竹根深度为150～200 mm，即使竹根深度超过其有效深度，该机器依然能把竹根完整挖出；该竹根挖掘机挖单个竹根所花费的时间为2～5 min，相比于传统人工，效率提高了65%，且能实现自动化。土壤湿度越大，挖掘竹根的难度相应增加，当土壤湿度较大时，并不一定能把竹根完整挖出，有时需要人工辅助。对于较干土壤，挖掘机可以完整地把竹根挖出；对于干土壤，该机器也能成功把竹根完整拔出，并且可以切开砂石颗粒，降低土壤硬度，有利于新竹的成长发育。
关键词 竹根；挖掘机；性能实验
中图分类号 S222.5+5文献标识码 A文章编号 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
竹子具有秆形通直、材性优良、再生能力强等优点，近年来在建筑、家居等领域得到广泛的应用。采伐后的竹根残留在土壤中，其自然降解时间一般为7～10年，严重阻碍竹林根系的扩展与生长，而人工挖除竹根费时费力。对此国内外学者进行了多年的科学研究。盛国成等[1]介绍了日本人研发的一种挖穴机械装置，但其并不能完整地挖出竹根。华文礼等[2]采用了一种化学方法来解决竹根问题，但其存在加工成本高、污染环境等缺陷，不適合大面积推广。张京平[3]设计出一种连杆往复铲式机械设备来挖掘竹根，但其振动幅值很大，使得操作人员产生手麻等问题，导致不能长时间从事工作，降低了加工效率。针对上述问题，吴君琦等[4]设计出一种支架环挖式机械设备来挖掘竹根，实现了持续作业时间，但其生产效率较低。张京平等[5]设计了一种桶型挖掘机，但是其稳定差，不能保证挖掘过程中竹根的完整性。北京林业机械研究所[6]设计了一种可以将竹根打碎的挖根机，但打碎后的竹根同样需要1～2年的时间才能腐烂，因此该方法在浪费资源的同时，并没有提高土地资源的利用率。邓小雷等[7]提出了一种气泵驱动的挖根机，其能够完整地将竹根取出，但是其体积庞大，非常不适合在复杂竹林地形作业。
针对上述问题，笔者研制出了一种可自动进行的挖根机，旨在有效且完整地将竹根挖出，提高土地资源的利用率。并对该机进行了性能实验，实验数据表明所设计挖根机的合理性及可靠性。因其自动化程度高，能有效保证竹根的完全挖出，具有很高的使用价值，值得推广。
1 毛竹挖掘机整体设计
1.1 动力源选择
汽油机相对于气泵和电机具有携带方便的特点，为此该研究选汽油机作为挖掘机动力源。选择型号为170F汽油机，其主要参数如下：
排量211.6 mL，最大功率4.1 kW，最大转速3 600 r/min，旋转方向为左转，净质量17.0 kg，油箱容积3.6 L。
1.2 传动结构的设计
竹根挖掘机的传动有多种，如齿轮、链条传动等。为提高挖掘机的稳定性并根据其工作环境，该研究选择齿轮传动。根据所选汽油机的最大功率和转速，较为合适的圆筒切削速度为240～300 r/min，这样既能保证切削效率，又能提供合适的扭矩力。综上所述，该研究选择文献[8]所选的减速器相关参数，具体如下：
高速轴小齿轮齿数Z1为17个，中间轴大齿轮齿数Z2为101个，中间轴小齿轮齿数Z3为46个，低速轴大齿轮齿数Z4为177个，高速轴与中间轴的传动比i1为6.00，中间轴与低速轴的传动比i2为3.85，高速轴与中间轴齿轮的模数m1为1.55 mm，中间轴与低速轴齿轮的模数m2为0.8 mm，中心距a为89.2 mm。
1.3 執行结构的设计
根据竹根的特征，该研究选择可旋切的圆筒作为挖根机的执行结构，由文献[8]统计数据可知，竹子的根茎主要集中90～110 mm，结合其所需的强度和成本，该研究将圆筒直径定为118 mm，选用45号钢作为其材料。竹根深度主要集中在0～300 mm[9]，为此将圆筒的高度设置为350 mm。为了减小过程阻力，便于泥土的排除，在筒的边侧，对称开4个槽，且在圆筒外壁上安装上双螺旋导泥片。螺旋泥片的螺旋角和夹角，对于掘进力非常重要，依据优化的排土设计方案，得到最优的2个角度分别为15°和30°。得到挖根机的总体结构示意图，如图1所示。
其工作过程如下：操作人员扶着扶手，保证挖根机的圆筒直径的中心与竹根的中心重合。打开开关启动汽油机，为竹根挖掘机提供动力动源。通过减速器实现调节进给速度，依据土壤硬度合理选择进给速度，在保证加工效率的同时保护挖根机，延长竹根挖掘机的寿命。在挖竹根过程中环齿刃具能够实现切断竹须目的，减小阻力，有利于完整挖掘出竹根。中间轴有利于穿透竹根内部，将竹根限制在一定范围内，通过转动实现与土壤的分离。双螺旋导泥片有利于机器均衡地切入土壤，维持机器整体的稳定性，减轻操作人员作业强度，实现挖掘竹根的自动化。通过以上过程就能实现完整地将竹根从土壤中取出，消除了竹根带来的土壤利用率低、竹林资源再生恢复慢等问题。
2 性能实验
2.1 实验条件
为验证该竹根挖掘机设计的合理性和可靠性，该研究选择某山区的林地进行了挖竹根现场实验。选取的竹根的直径范围为90～110 mm。为了探究竹根和竹茎对挖根的影响性，在现场当即砍伐竹子进行了相应的实验。实验结果如表1所示。
2.2 结果分析
该实验探究了在相同筒径的情况下，针对不同根茎和不同土壤湿度挖竹根的情况。实验中大多数竹根的深度为150～200 mm，该研究设计挖掘机有效深度为250 mm，为此满足大多数工作条件，具有很强的适应性。对于竹根深度达到300 mm以上情况，该结构通过将竹底部根须扭断从而将竹根完整挖出，节省了大量的工作时间和能源。该挖掘机可以自动挖掘直径为90～110 mm的竹根，所花费时间在2～5 min，相对于传统手工挖掘竹子所花费的时间为10～15 min，节省了8～10 min的时间，效率提高了65%。针对不同湿度的土壤，发现湿度越大，挖掘竹根的难度相应增加，当土壤湿度较大时，并不一定能把竹根完整挖出，有时需要人工辅助。对于较干土壤，挖根机可以完整地把竹根挖出；对于干土壤，该机器也能成功把竹根完整拔出，并且可以切开砂石颗粒，降低土壤硬度，有利于新竹的成长发育。
3 结论
该研究自主研发了一种自动挖掘竹根的机器，其有过程稳定性强、便于携带等优点，非常有助于竹资源的可持续发展。适用于大面积竹林资源的开发，有助于竹资源的可持续发展。
通过性能实验得到以下结论：
该挖根机的有效挖掘深度为250 mm，满足大多数竹根的挖掘深度150～200 mm，即使竹根深度超过其有效深度，该机器依然能把竹根完整挖出。
该挖根机挖根所花费的时间为2～5 min，相比于传统人工，效率提高了65%，且能实现自动化。
针对不同湿度的土壤，发现湿度越大，挖掘竹根的难度相应增加，当土壤湿度较大时，并不一定能把竹根完整挖出，有时需要人工辅助。对于较干土壤，挖根机可以完整的把竹根挖出；对于干土壤，该机器也能成功把竹根完整拔出，并且可以切开砂石颗粒，可降低土壤硬度，有利于新竹的成长发育。
参考文献
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[2] 华文礼，吴礼栋.毛竹竹篼促腐技术研究初报[J].林业科技开发，2000，14（1）：38-39.
[3] 张京平，张华.往复式竹根挖掘机：CN101112167[P].2008-01-30.
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[5] 张京平.筒形竹根挖掘机：CN201107951[P].2008-09-03.
[6] 传媒湖州网.竹蒲头挖掘机在湖州亮相[EB/OL].（2009-10-26）[2014-06-22].http：///xinzixun/2009-10/16/cms70795article.shtml.
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[8] 江子和，姚立健，朱世威，等.一种毛竹根挖掘机的设计和优化[J].林业工程学报，2017，2（4）：121-127.
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