果園枝條粉碎機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

何 磊，王 強(qiáng)，周 艷，張 景，宋 龍，王治民

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所,新疆石河子 832000;2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

我國果園種植面積約有1 116.8萬hm，每年因修剪和更新?lián)Q代而產(chǎn)生的廢棄枝條最高可達(dá)800萬t?，F(xiàn)有的廢棄枝條處理方式多為堆放田間路邊或攏堆焚燒，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。廢棄枝條的再利用主要有制作成固體燃料、有機(jī)肥、食用菌培養(yǎng)皿、代替木材作為人造板原料、生產(chǎn)液態(tài)油和輕質(zhì)氣體等。無論哪種方式，都要先將廢棄枝條進(jìn)行粉碎處理。目前，國內(nèi)外已經(jīng)研制了多種結(jié)構(gòu)形式的枝條粉碎機(jī)械，具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。筆者對(duì)這些枝條粉碎機(jī)進(jìn)行介紹，并歸納存在的問題及未來的發(fā)展趨勢，以期為枝條粉碎機(jī)的研究提供參考。

1 國內(nèi)外枝條粉碎機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國果園多分布在丘陵地區(qū)，地勢復(fù)雜多變，種植分布分散，規(guī)范程度低。大型的運(yùn)輸車很難進(jìn)入果園，小型或者人工搬運(yùn)，運(yùn)輸效率低，收集難度大。現(xiàn)有的大型枝條粉碎機(jī)和固定式枝條粉碎機(jī)難以高效率地完成果園粉碎工作，因此利用移動(dòng)式枝條粉碎機(jī)靈活、高效等特點(diǎn)能夠解決上述存在的問題。移動(dòng)式枝條粉碎機(jī)主要分為自走式、懸掛式和牽引式。該研究介紹了幾款國內(nèi)的移動(dòng)式枝條粉碎機(jī)械產(chǎn)品：

(1)自走式。浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院王濤等研制的丘陵山區(qū)果樹枝條粉碎機(jī)用行走和粉碎相互獨(dú)立的雙汽油機(jī)作為動(dòng)力(圖1)。行走部分設(shè)有高速檔和低速檔各三前進(jìn)一后退總共8個(gè)擋位，可以滿足不同果園所需的作業(yè)速度。雙離合的機(jī)構(gòu)，可以使行走轉(zhuǎn)彎更加靈活方便。粉碎裝置采用直刃滾筒結(jié)構(gòu)，選用11 kW汽油機(jī)作為粉碎動(dòng)力，生產(chǎn)能力達(dá)823 kg/h，噸料油耗2.62 kg。最大粉碎枝條的直徑100 mm，粉碎后小于50 mm木屑的合格率為93.46%。

注：1.履帶式底盤；2.機(jī)架；3.汽油機(jī) Ⅱ；4.粉碎機(jī)構(gòu)；5.汽油機(jī) Ⅰ；6.操作扶手 Note:1.Crawler chassis;2.Rack;3.Gasoline engine Ⅱ;4.Crushing mechanism;5.Gasoline engine Ⅰ;6.Operating armrest圖 1 丘陵山區(qū)果樹枝條粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of fruit tree branch crusher in hilly and mountainous areas

塔里木大學(xué)張洪洲等研制的棗園殘枝粉碎裝置。采用自走、殘枝的收集和粉碎以及碎枝還田的一體機(jī)構(gòu)(圖2)。工作時(shí)，將行走速度和粉碎轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過由單片機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，柴油機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)前行；楔形板鏟起地面修剪下來的殘枝，通過逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的收集輥，將殘枝送至履帶，再由履帶將其送至料斗內(nèi)，經(jīng)粉碎系統(tǒng)進(jìn)行粉碎篩選后還田。該粉碎機(jī)在粉碎效果最佳的條件下作業(yè)速度可達(dá)1.5 km/h，但其轉(zhuǎn)向需要由人工通過扶手實(shí)現(xiàn)。

注：1.防護(hù)罩；2.殘枝收集輥；3.楔形板；4.轉(zhuǎn)向輪；5.底殼；6.出料口；7.篩網(wǎng)；8.動(dòng)力輪；9.皮帶；10.柴油機(jī)；11.機(jī)架；12.扶手；13.調(diào)速控制器；14.料斗；15.中心軸及錘片;16.履帶輸送裝置 Note:1.Protective cover;2 Residual branch collection roller;3.Wedge plate;4.Steering wheel;5.Bottom shell;6.Outlet;7.Screen;8.Power wheel;9.Belt;10.Diesel engine;11.Rack;12.Handrail;13.Speed controller;14.Hopper;15.Central shaft and hammer;16.Crawler conveyor圖 2 棗園殘枝粉碎裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of jujube garden residual branch crushing device

自走式粉碎機(jī)主要采用電機(jī)、汽油機(jī)或者柴油機(jī)作為動(dòng)力源，具有靈活、噪音小、功耗低、易適應(yīng)于不同地形等特點(diǎn)，適合中小型果園的粉碎作業(yè)。

(2)懸掛式。哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所牛曉華等研制了一款3ZSX-20型樹枝粉碎機(jī)(圖3)，該機(jī)采用拖拉機(jī)作為動(dòng)力源，通過萬向傳動(dòng)軸使一部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)粉碎裝置，另一部分動(dòng)力傳至液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)料輥的旋轉(zhuǎn)，保證進(jìn)料順暢。與拖拉機(jī)的連接選用懸掛的方式，可使粉碎機(jī)運(yùn)行更加安全。

注：1.傳動(dòng)系統(tǒng)；2.殼體；3.進(jìn)料裝置；4.粉碎裝置；5.排料管 Note:1.Transmission system; 2.Housing;3.Feeding device;4.Crushing device;5.Discharge pipe圖 3 3ZSX-20樹枝粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of 3ZSX-20 branch crusher

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院機(jī)械研究所李玲等在傳統(tǒng)單輥臥式粉碎還田機(jī)的基礎(chǔ)上研制了1BHJ-100型雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)(圖4)。該機(jī)采用三點(diǎn)懸掛式整機(jī)懸掛于73 kW及以上功率的拖拉機(jī)后。作業(yè)時(shí)，調(diào)整懸掛機(jī)器高度，拖拉機(jī)作為動(dòng)力源帶動(dòng)刀輥高速旋轉(zhuǎn)，將前刀輥切削和撿拾的葉桿傳送至后刀輥所在的粉碎室，并將其粉碎還田。該機(jī)不僅改善了作業(yè)效果，減少了重復(fù)作業(yè)次數(shù)，還提高近1倍的作業(yè)效率。

注：1.三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)；2.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；3.上蓋板；4.定刀；5.支撐；6.前刀輥；7.后刀輥；8.機(jī)架；9.地輪 Note:1.Three point linkage;2.Transmission mechanism;3.Upper cover plate;4.Fixed knife;5.Brace;6.Front knife roller;7.Rear knife roller;8.Rack;9.Ground wheel圖 4 雙輥式粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of double roll crusher

大部分懸掛式粉碎機(jī)是通過三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)掛接，通過液壓系統(tǒng)控制升降，粉碎機(jī)可完全離開地面，重量全部由拖拉機(jī)承擔(dān)，可在土壤阻力變化的情況下維持粉碎機(jī)的運(yùn)行安全，但也有上述雙輥式粉碎還田機(jī)末端安裝地輪，以起到支撐機(jī)架及對(duì)地面仿形的作用。懸掛式粉碎機(jī)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)彎半徑小、牽引阻力小、工作可靠、操作方便、機(jī)動(dòng)靈活、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。

(3)牽引式。南京林業(yè)大學(xué)錢春華研制的一款牽引枝條粉碎機(jī)，由于果園枝條的修剪作業(yè)面積廣，該機(jī)通常與果園修剪機(jī)一同作業(yè)，需要由拖車牽引移動(dòng)作業(yè)。該粉碎機(jī)動(dòng)力在30 kW以上，可粉碎直徑200 mm以上的枝條。

東北林業(yè)大學(xué)唐碩研制了移動(dòng)式枝椏粉碎機(jī)，采用拖拉機(jī)牽引作為動(dòng)力源，可粉碎10～100 mm枝條，粉碎后木質(zhì)顆?？蛇_(dá)到5 mm以下，但整機(jī)體積較大，對(duì)于地形平整度要求高，不適宜進(jìn)行山地果園粉碎作業(yè)。

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院趙俊等設(shè)計(jì)研制了一款以ATmega16單片機(jī)為控制核心，可根據(jù)樹枝的直徑大小自動(dòng)切換不同喂料速度的移動(dòng)式樹枝切碎機(jī)。該機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測切碎負(fù)荷，負(fù)荷過大，機(jī)具自動(dòng)停止，等機(jī)具恢復(fù)到正常負(fù)荷時(shí)，自動(dòng)重啟喂料，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖5。該機(jī)底盤為移動(dòng)式，可使用拖拉機(jī)牽引作業(yè)，整機(jī)配套功率60 kW。粉碎機(jī)構(gòu)采用鼓式切削，切削直徑最大180 mm，粉碎合格率為95.52%。

北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所周雪青等研制出雙刀盤三喂入式樹枝粉碎機(jī)，該機(jī)由拖拉機(jī)牽引移動(dòng)，動(dòng)力采用雙電機(jī)提供。3個(gè)不同進(jìn)料口即水平機(jī)械自動(dòng)進(jìn)料口，由輔助電機(jī)進(jìn)行物料供給，主刀盤進(jìn)行切削；傾斜自由進(jìn)料口，由副刀盤進(jìn)行切削；上開口進(jìn)料，不進(jìn)行切削，直接憑借重力落到錘打裝置進(jìn)行錘打粉碎(圖6)。該雙刀盤三喂入的設(shè)計(jì)可適應(yīng)于不同材質(zhì)和不同形狀的枝條，但需要人工進(jìn)行篩選喂料，增加了作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖 5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Control system structure

注：1.機(jī)架；2.出料口；3.傾斜進(jìn)料口；4.上開進(jìn)料口；5.水平進(jìn)料口 Note:1.Rack;2.Outlet;3.Inclined feed inlet;4.Open up the feeding port;5.Horizontal feed port圖 6 樹枝粉碎機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of the whole branch crusher

牽引式枝條粉碎機(jī)就是通過牽引裝置掛接在拖拉機(jī)后部，由拖拉機(jī)動(dòng)力牽引完成粉碎作業(yè)，機(jī)器的重量均由行走輪承擔(dān)。相比于懸掛式穩(wěn)定性更好，對(duì)地面狀況的適應(yīng)性強(qiáng)，但機(jī)動(dòng)靈活性差，轉(zhuǎn)彎半徑大。

國外研制的相關(guān)機(jī)具大多用于街道和園林景觀樹枝的粉碎作業(yè)。其中具有代表性的幾個(gè)產(chǎn)品：

荷蘭DE WILD公司研制了一款GTS1300T型多功能移動(dòng)式粉碎機(jī)。該粉碎機(jī)可根據(jù)進(jìn)料的不同，選擇高、低2個(gè)出料口，采用汽油機(jī)作為粉碎動(dòng)力源，功率4.5 kW，整機(jī)重量僅有210 kg，尺寸小巧，便于林中穿行作業(yè)(圖7)。該公司還研制了一款移動(dòng)式電機(jī)碎枝機(jī)，采用2.2 kW高性能電機(jī)，強(qiáng)勁動(dòng)力可直接將粉碎物通過出料口拋至指定的容器和車廂，使粉碎物回收更加方便。

德國Heizomat公司研制的HM系列移動(dòng)式枝條切碎機(jī)，其粉碎動(dòng)力采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，行走機(jī)構(gòu)選擇履帶底盤，動(dòng)力強(qiáng)勁，爬坡能力強(qiáng)。該機(jī)采用鼓式的方式切碎，功率可達(dá)300 kW，最大可切碎直徑800 mm的木料(圖8)。同樣是采用鼓式切碎方式由瑞典Brooks公司研制的805 CT ECO 型移動(dòng)式樹枝切碎機(jī)，輸入功率331 kW，切碎木料直徑可達(dá)500 mm。

圖7 GTS1300T移動(dòng)式粉碎機(jī)Fig.7 GTS1300T mobile crusher

圖 8 HM系列樹枝粉碎機(jī)Fig.8 HM series branch crusher

美國的bearcat公司制造的牽引式樹枝粉碎機(jī)，工作原理與國內(nèi)牽引式樹枝粉碎機(jī)相同。由于裝有較大功率的電動(dòng)機(jī)，其驅(qū)動(dòng)功率可達(dá)45 kW，因此，較國內(nèi)牽引式粉碎機(jī)粉碎枝條的直徑范圍更大，生產(chǎn)效率更高。整機(jī)具有運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音低等特點(diǎn)。

德國JENZ公司研制的HEM系列移動(dòng)式粉碎機(jī)，采用拖拉機(jī)牽引移動(dòng)作業(yè)(圖9)。該機(jī)采用雙動(dòng)力持續(xù)粉碎，切碎功率為74～450 kW，小功率時(shí)用拖拉機(jī)主軸作為動(dòng)力輸出，大功率時(shí)用自帶的發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力輸出，刀盤直徑1 450 mm，擁有20片動(dòng)刀，最大可粉碎直徑1 000 mm的木料。

圖 9 HEM型移動(dòng)式高效切碎機(jī)Fig.9 HEM mobile high efficiency chopper

國外粉碎機(jī)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，由于粉碎機(jī)械功率和體積偏大，價(jià)格昂貴，且零件更換難度大，維護(hù)成本高，不適合國內(nèi)推廣使用。

2 我國果園枝條粉碎機(jī)存在的問題

(1)我國果樹枝條粉碎機(jī)設(shè)備比較缺乏，大型粉碎機(jī)存在系統(tǒng)過于復(fù)雜，作業(yè)不穩(wěn)定，噪聲大，制造成本高等問題。而以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的小型粉碎機(jī)粉碎功率較低，續(xù)航能力差。以汽油機(jī)、柴油機(jī)等作為動(dòng)力源的小型可移動(dòng)粉碎機(jī)在國內(nèi)研究較少，技術(shù)也不夠成熟。

(2)果園枝條粉碎機(jī)大都是人工撿拾、收集、喂料，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，并且喂入量不易控制，容易堵料。

(3)懸掛式粉碎機(jī)大都采用后懸掛的方式，拖拉機(jī)在行進(jìn)時(shí)與樹枝經(jīng)常出現(xiàn)拖拽，導(dǎo)致?lián)焓把b置出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者堵塞的現(xiàn)象。

3 果園枝條粉碎機(jī)的發(fā)展對(duì)策及建議

國外的大多數(shù)果園采用標(biāo)準(zhǔn)化種植的現(xiàn)代大農(nóng)業(yè)模式。我國果園種植模式尚未統(tǒng)一，應(yīng)該加強(qiáng)果園標(biāo)準(zhǔn)化種植，以便于規(guī)范化管理。研制出適用于本土的粉碎機(jī)械，節(jié)省成本。

需要提高枝條粉碎機(jī)的作業(yè)效率，高效率的粉碎機(jī)不僅體現(xiàn)在粉碎速度的快慢，還有粉碎直徑的范圍、粉碎枝條的種類、粉碎機(jī)的移動(dòng)能力以及粉碎的穩(wěn)定性等。

枝條腐熟變成養(yǎng)分供給果樹需要一段時(shí)間，且易滋生病害，不宜長期進(jìn)行粉碎還田?？裳兄品鬯楹笥脕硎占蚨渭庸さ穆?lián)合機(jī)械，使枝條資源化利用。枝條粉碎機(jī)可以與修剪機(jī)、噴藥機(jī)、清掃機(jī)等機(jī)械聯(lián)合作業(yè)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

自動(dòng)化和智能化是枝條粉碎機(jī)的發(fā)展趨勢，如在切碎過程中安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，根據(jù)刀盤的轉(zhuǎn)速反饋信息自動(dòng)調(diào)整喂入量，防止堵料；使用傳感器判斷地面殘枝量進(jìn)行收集代替人工喂入；給喂料臺(tái)安裝控制系統(tǒng)，可以根據(jù)物料位置實(shí)現(xiàn)喂料臺(tái)旋轉(zhuǎn)等。

使用機(jī)械是為了更好地給人類提供便捷，因此安全、低碳環(huán)保問題是機(jī)械研制最重要且最基本的要求之一。

4 總結(jié)

隨著果園種植面積的逐年增大，果園機(jī)械化程度也會(huì)越來越高，筆者通過介紹國內(nèi)外果園枝條粉碎機(jī)的研究現(xiàn)狀，分析了我國果園枝條粉碎機(jī)存在的問題，提出了發(fā)展對(duì)策及建議。

結(jié)合我國國情，應(yīng)加強(qiáng)枝條粉碎技術(shù)研究的政策支持，增加項(xiàng)目立項(xiàng)，為果園枝條粉碎機(jī)相關(guān)研究營造良好的外部環(huán)境。此外，可以加大其科研投入，提高企業(yè)的參與度，促進(jìn)果園枝條粉碎機(jī)的推廣和應(yīng)用，對(duì)果樹枝條資源化利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)有著重要意義。