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果树残枝粉碎机的现状研究
摘要：通过查找国内外果树残枝粉碎机械相关文献，对果树残枝粉碎机械的研究现状进行综述。目前我国果树残枝粉碎机械存在稳定性差、粉碎质量不高、加工效率偏低和刀具的寿命相对较短等问题，但可以从增加研发投入，形成产学研合力，因地制宜，因料制宜，提升产品实用性和政府帮扶等三个方面改进果树残枝粉碎机械的性能，为生物质资源化充分利用奠定基础。
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我国是一个农业大国，除了农林牧业产生的农业产品外，还存在着大量的农业剩余物，充足的阳光让它们产生光合作用从而形成有机体，这些有机体被统称为生物质，主要包括农作物秸秆等剩余物、林业剩余物和动物粪便等。生物质能作为唯一可再生的绿色能源，越来越广泛地受人们的重视，国内外与生物质有关的研究也越来越多。
果树需要通过修剪残枝来减少病虫害和提高产品质量、产量，因此每年都会产生大量的果树残枝资源，仅新疆的南疆地区种植面积最大的五种果树（红枣树、核桃树、梨树、杏树、苹果树），就会产生约173.93万t果树残枝资源，可收集的果树残枝资源为153.11万t，折标能源量约为88.07万t。由于果树残枝资源多而杂，形状各异，回收与利用难度较大，因此采用粉碎机将其制成粉末或片状等半成品，用于生物质发电、制造生物质颗粒、制造人造板、制造菌类培养基、堆肥和造纸行业等，不仅可以节省资源，而且减少了果树残枝路边堆置和焚烧的现象发生，对环境治理有很大的帮助。
1、粉碎机的工作原理与类型
果树残枝粉碎机，一般由机架、切削机构、进料和出料机构等部分组成。粉碎装置的工作原理比较复杂，主要有压碎、击碎、磨碎和剪碎4种方式（表1）。
1.1按照粉碎机构的结构形式分类
树枝粉碎机的核心部件是粉碎机构[1]，按照粉碎机构的结构形式，果树残枝粉碎机械可以分为盘式粉碎机、鼓式粉碎机和锤式粉碎机3种。
1.1.1盘式粉碎机
盘式粉碎机主要有普通盘式和多刀盘式。普通盘式粉碎机（图1和图2）需配备大功率发动机，一般采用长刀粉碎，刀盘上有3～5片飞刀，在切削的过程中由于切削力波动大，导致磨损严重，常有粉碎不均匀的情况发生。芬兰生产的新型粉碎机采用多刀盘式粉碎机构改善了这种情况，将飞刀的数量增加到8～12片实现连续切削，两把或者多把刀同时切入木材，减少了刀片的磨损，粉碎质量和生产能力都大大提升。
总体来说盘式粉碎机的粉碎质量好，生产率高，适宜加工原木、劈木、木芯和成捆树枝，多用于造纸、人造板制造等行业。但是由于盘式粉碎机刀盘直径的原因，喂料量也受到了限制，使得生产量较小，多用于个体和中小型企业用户。
图1带有锤片的FSY-30型枝丫粉碎机盘式刀具
图2无锤片71854型枝丫粉碎机盘式刀具
1.1.2鼓式粉碎机
鼓式削片机的切削机构通常在一个旋转鼓轮的外圆周面上安装两把、四把或更多飞刀，这些旋转的飞刀与机架上的底刀组成切削副，从而把树枝切成木片。在切削时飞刀的间歇圆周运动会造成木料跳动，可采用强制进料机构的方式用以减少木料跳动。同时为了提高切片质量和产量，还可采用双刃面飞刀、增加底刀和将底刀的四个边制作成刃的方式。
鼓式粉碎机[2]以固定式为主，出料比较整齐，成品便于运输，具有生产量大，操作简单，维修方便，成本较低的优点，多用于粉碎直径较大的树枝，可为刨花板、纤维板、人造板制造等行业制作原料，适用于大中型企业。
1.1.3锤式粉碎机
锤式粉碎机一般采用人工或机械将树枝从进料口均匀地喂入，通过锤片打击的方式对树枝进行粉碎，粉碎好的树枝屑会通过筛孔落下，未达到要求的树枝会再一次甩至齿板和筛片搓擦，直至全部通过筛孔。
锤式粉碎机有较强的通用性[3]，可根据实际生产需要调节粉碎细度[4]，能耗相对较小，生产效率较高，安全稳定，维护方便。
图3鼓式粉碎机
图4锤式粉碎机刀具
1.2按进料方式分类
按进料方式分可以分为强制进料和非强制进料。强制进料的粉碎机目前在市面上应用较多，对实现粉碎机智能化起到了较好的作用。
1.3按进料口位置分类
按进料口位置，粉碎机可以分为斜口进料和水平口进料，采用倾斜式进料的方式能够使物料快速均匀地运送至粉碎机构，应用较为广泛。
1.4按安装方式分类
按安装方式，粉碎机可以分为固定式和移动式两类。为了适应随时随地工作，移动式粉碎机的研究与应用越来越广泛，可通过悬挂或者牵引的方式将粉碎机拖至工作场地进行工作，最终粉碎的产物可以作为肥料粉碎还田，也可以将其收集起来做成生物质颗粒或人造板等其他产品。
表1不同粉碎方式的比较
2、国内果树残枝粉碎机械
粉碎机的研制促进了农林生物质资源化利用的发展，粉碎机的研制与使用在国内已有些年头，主要用于农作物秸秆和饲草的粉碎，用于木材和果树残枝方面粉碎设备的研制相对较少。
新型11ZF—110型自走式树枝粉碎机[5]（图5）是由扶风永恒农牧机械制造有限责任公司自主研制的，主机结构设计合理，由粉碎机构、液压喂料机构、行走机构等组成，配套动力是16kW柴油机，工作效率为1.2t/h，直径110mm以下的不同木质和形状的树枝都能够顺利完成切削粉碎任务，碎屑质量为3～8g(90%<5g）。
图511ZF—110型自走式树枝粉碎机
QDG1—30型秸秆枝丫粉碎机[6]（图6）是由中国林业科学研究院林业新技术研究所研制，主要由带脚轮的底座电机进料装置、鼓式切碎装置（图7）、排料装置及控制系统等组成，该机可根据需要调整切碎机的材料方向和材料距离，确保碎料能够排至料堆传送带或运输车辆上，结构简单，经济实用，生产效率高。
图6QDG1—30型秸秆枝丫粉碎机结构简图
图7QDG1—30型秸秆枝丫粉碎机切碎装置
图8生物质粉碎机械总体结构
江苏农牧科技职业学院林彤[7]等，研制的生物质粉碎机械（图8）从废弃生物质的形状、尺寸入手，从粉碎质量、加工效率、刀具寿命等方面进行研究，采用低速揉刀和高速锤片的设计，利用双重剪切作用，循序渐进、自上而下的层层粉碎和筛选，减少了粉碎腔的体积，可以将不同形状的废弃生物质粉碎。
山东省农业机械科学研究院崔相全[8]等，设计的9FQM1000型树枝秸秆粉碎机（图9），不仅采用了双通道喂入方式，还将盘式切碎和锤片粉碎的优势结合起来（图10），使得粉碎作业更加稳定，生产效率达到了3000kg/h。
图9树枝秸秆粉碎机整机结构
浙江省农业机械研究院王涛[9]等，充分考虑果树树种、修剪条直径及力学特性和丘陵山区等特点，研制了一款履带底盘的小型果树枝条粉碎机（图11和图12），最大粉碎枝条直径达100mm，生产能力达823kg/h，粉碎合格率达93.46%，吨料油耗2.62kg，适用于丘陵山区果园使用。
图10切片粉碎机构
图11履带底盘小型果树枝条粉碎机结构
图12履带底盘小型果树枝条粉碎机粉碎装置
以上粉碎机的研制已经较为成熟，相对于国外设备，国产果树残枝粉碎机器成本低，适用于小批量生产，但是还存在着动力不足，效率不高，机器不稳定的缺点。
3、国外果树残枝粉碎机械
国外发达国家对于树枝粉碎机的研究已经取得了很多成果，技术相比我国已经较完善和成熟，自动化程度较高，产品实现了喂料负载控制、转子转速控制及出料口物料实时监控等功能，典型代表机型如DNZF型锤片粉碎机（瑞士）、ACM型粉碎机（日本）、MSV粉碎机（美国）等。
Sulaiman[10]等开发的锤式破碎机是卧式的，结构稳定，粉碎效果较好。R.Mugabi[11]等对锤片形状进行了优化设计，分析了锤片排列方式、末端线速度等对粉碎机的影响规律。EisenlauerM[12]等对山毛榉、橡木和云杉木屑的工艺参数进行了研究，这对木材粉碎机械的研究起到了促进作用。还有一些国外的研究者[13,14]为了减少研究周期，还将数值模拟技术应用于粉碎设备的结构优化问题的研宄中，取得了较多的研究成果。从粉碎机械总体性能来说，国外相比国产粉碎机械稳定性好，生产率较高，但是进口的粉碎机械普遍价钱昂贵，设备的维修与更换不方便，并且体积偏大不易移动，不适宜在我国大面积推广。
4、我国果树残枝粉碎机械存在的问题
4.1稳定性能差
我国多采用小型果树残枝粉碎机，由于果树残枝硬度大，在粉碎的过程中需要一定的动力[15]，机器很容易产生晃动，长时间工作受发热影响会降低机器的稳定性，同时机器在工作时粉尘较多，噪声偏大，工作环境较差。
4.2粉碎质量不高
果树种类繁多，残枝形状大小不一，力学性能也有较大差异，因此对果树残枝粉碎机的要求就相对较高。比如，果树残枝生长年数和生长部位不同、含水率等因素导致树枝的各项物理、化学指标都略有不同，这就使得粉碎机在粉碎物料时操作难度增大，粉碎质量较难保证。
4.3加工效率偏低
我国果树残枝粉碎机的加工效率相对较低，一方面是由于粉碎机构的结构单一，造成动力不足；另一方面是由于我国果树种植模式和不同树种之间的差异性导致粉碎效果差。
4.4刀具的寿命相对较短
由于我国的材料及加工技术相对较低，在使用的过程中，用户缺少对机器的日常维护，加上设计可能存在缺陷，导致粉碎机械的刀具在使用的过程中磨损情况时有发生，从而减少刀具的使用寿命，经常更换刀具使得加工成本提高。
5、对策与建议
5.1加大研发力度，形成产学研合力
根据查阅文献了解到我国的果树残枝粉碎机械目前还存在着较多的问题，分析其原因主要是专业研发人员相对较少，导致研发力度不够。应当加强农业部门、高校及研究部门的联系与沟通，增加科研投入经费，加强研究成果的推广工作，真正形成产学研合力。
5.2因地制宜，因料制宜，提升产品实用性
发展农业机械，首先要搞清楚农业实际的生产需求，果树残枝粉碎机的研发人员要与当地的农业技术人员建立联系，多沟通，按照各地区实际果树的种植情况考虑设计参数，比如树种植的行间距、树种不同导致的树枝硬度的差异等因素。设计出的产品要因地制宜[16]，因料制宜[17]，只有在研究时针对性增强，才能提升产品的实用性。小型、可移动作业、成本低廉、具有针对性[18,19]的果树残枝粉碎机比较能够适应我国生产规模小、规范程度低的种植方式[20]。
5.3加大政府帮扶力度
果树种植较多地区的各级政府应当加强有关果树残枝乱堆放和焚烧情况的治理，加大果树残枝粉碎机械的研发资金，建立一定的补贴政策，同时增加环境保护、设备维护及维修技术的宣传和推广力度，从根本上提升农民的环保意识及资源化利用意识，使果树残枝“变废为宝”。
6、结束语
环境污染及CO2排放逐年增加，使得全球气候变暖，环境危机已经成了全球需要面对的问题。尽管我国制定了相关的法律法规，而秸秆及果树残枝的焚烧现象依旧存在，要想从根本上解决这个问题，就要加大生物质资源化利用的相关机械和技术的研究，而粉碎机械是开启生物质资源化利用的关键之门，因此研究出轻便灵活、移动方便[21]、噪声小、智能化及精量化[22]的果树残枝粉碎机械迫在眉睫。
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基金:兵团中青年科技创新领军人才项目(2019CB028);兵团重点领域科技攻关项目(2019AB028)
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