1．前言
據(jù)2004年《全國防沙治沙規(guī)劃》，我國“現(xiàn)有沙化土地面積174.3萬km2，占國土面積的18.2%，其中流動(dòng)沙丘42.7萬km2，固定、半固定沙丘46.3萬km2，戈壁66.4萬km2，其它18.9萬km2。”而且仍以每年3460km2的速度擴(kuò)展。另據(jù)國家林業(yè)局2005《中國森林資源報(bào)告》，我國灌木林地總面積4529.68萬hm2，主要分布在西藏、四川、內(nèi)蒙古、云南、新疆、甘肅等7�。ㄗ灾螀^(qū)）的山地和沙地，大多數(shù)灌木具有耐旱、耐貧瘠、生命力強(qiáng)的特點(diǎn)，是防治荒漠化、恢復(fù)沙荒地植被最有效的樹種。
大多數(shù)沙生灌木在造林后每3~5年需要進(jìn)行平茬復(fù)壯，以促進(jìn)根系生長，叢落擴(kuò)大。長期得不到平茬復(fù)壯的灌木叢會(huì)發(fā)生枯死的現(xiàn)象，進(jìn)而造成重新發(fā)生荒漠化。而長期以來，大面積灌木林的平茬復(fù)壯作業(yè)主要依賴于灌木林區(qū)群眾結(jié)合燒柴需求的人工砍伐方式。但隨人們生活水平的提高，砍伐灌木枝條作為燒柴的需求逐漸減少，造成大面積灌木林長期得不到平茬復(fù)壯，致使一些沙地灌木林成片枯死而重新發(fā)生土地退化。
在畜牧養(yǎng)殖業(yè)方面，我國的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量已經(jīng)居世界首位，飼料的需求量將達(dá)到2.8億噸，在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中用于提高肉質(zhì)和奶質(zhì)的粗飼料缺口巨大，許多木本飼料恰好是與苜蓿、羊草等營養(yǎng)價(jià)值相同的優(yōu)質(zhì)粗飼料。發(fā)展木本飼料是解決我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)飼料不足的有效途徑。在過去幾十年的研究與探索已經(jīng)證明，許多木本飼料的營養(yǎng)價(jià)值與專門在農(nóng)田種植的草本飼料基本相同。利用不能生長農(nóng)作物的荒地、沙地種植木本飼料型灌木林，并實(shí)現(xiàn)木本粗飼料、生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化，不僅解決飼料不足和緩解能源危機(jī)、減少C02排放的問題，而且可以增加林農(nóng)收入和促進(jìn)荒地、沙地的植被恢復(fù)，改善生態(tài)環(huán)境。
實(shí)現(xiàn)以灌木型木本飼料和成型燃料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是解決好飼料、木質(zhì)化灌木林的機(jī)械化收割和飼料、成型燃料的加工。北京林業(yè)大學(xué)在完成國家林業(yè)局“948”項(xiàng)目“四倍體刺槐培育技術(shù)的引進(jìn)”、“生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進(jìn)”和國家“十一五”科技支撐“沙生灌木林平茬收割技術(shù)研究與開發(fā)”課題的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)現(xiàn)飼料型灌木資源產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)沙荒地植被恢復(fù)的可行性進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的探討和實(shí)踐。
2．四倍體刺槐
北京林業(yè)大學(xué)通過承擔(dān)國家“948”重點(diǎn)技術(shù)引進(jìn)項(xiàng)目“多倍體刺槐新品種及繁殖技術(shù)引進(jìn)”，采用喬木灌木化培育技術(shù)，創(chuàng)新性地通過染色體加倍技術(shù)選育出適合我國生長的，特別是適合邊際性土地生長的四倍體刺槐優(yōu)良新品種。2002年通過國家林業(yè)局“948”項(xiàng)目管理辦公室的驗(yàn)收，2004年獲得了國家林木良種審定委員會(huì)頒發(fā)的良種證。經(jīng)多年來的試驗(yàn)和推廣應(yīng)用，已證明該樹種耐貧瘠、耐干旱、抗寒。在沙地、輕微鹽堿地、礦區(qū)油田復(fù)墾、河灘沙石地、沙漠邊緣地、荒山上都可栽植，栽植后可多年（約50年）循環(huán)利用。
矮化密植、灌化培育是最大限度獲得木本飼料的主要方法。根據(jù)種植地土壤、環(huán)境條件的不同其生物量不同，在較好土地上每年每畝地可獲得7000~8000kg的飼料；在一般土地上可獲得飼料4000~5000kg/畝．年；在較差的山地可獲得飼料700~1000kg/畝．年。四倍體刺槐的羽狀復(fù)葉粗蛋白含量24.68%、并富含多種維生素、微量元素及多種氨基酸，尤其是胡蘿卜素、核黃素和維生素B2的含量特別高，分別為黃玉米的50倍、7倍和1 5倍，維生素為一般草苜蓿的上百倍是一種富含高蛋白等多種營養(yǎng)物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)木本粗飼料。
灌化培育的四倍體刺槐需要每年開春前把前一年木質(zhì)化的干從距根部3~ 5cm處伐除，以促進(jìn)萌生。木質(zhì)化的干材質(zhì)堅(jiān)硬、密度大、熱值高。經(jīng)清華大學(xué)熱能工程實(shí)驗(yàn)室檢測，其高位發(fā)熱量為20.85Qg·d/MJ.kg-1（4983.2千卡/kg），經(jīng)常溫致密成型后（密度1.0~1.2g/cm3）在普通鍋爐和灶具燃燒試驗(yàn)表明，是一種完全可以替代煤炭的清潔燃料。
3．木本飼料收割及灌木平茬機(jī)的研發(fā)
高效的機(jī)械化作業(yè)是在沙荒地上灌木化培育四倍體刺槐，實(shí)現(xiàn)木本飼料、成型燃料產(chǎn)業(yè)化的保障，用作飼料的嫩枝、樹葉及其木質(zhì)化干的高效收割機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備之一。北京林業(yè)大學(xué)在完成國家“十一五”科技支撐項(xiàng)目“沙生灌木林平茬收割技術(shù)研究與開發(fā)”的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、研制的“5G2-800型手扶步進(jìn)式割灌木機(jī)”具有操作方便、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、平茬質(zhì)量好、效率高的特點(diǎn)。
為了適應(yīng)沙丘地貌的運(yùn)行，“5G2-800型手扶步進(jìn)式割灌木機(jī)”在設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)時(shí)充分考慮了沙地的土壤條件，采用超寬的特制低壓輪胎，增強(qiáng)了機(jī)器在沙地的通過和驅(qū)動(dòng)性能，還最大限度的減少了機(jī)器行走裝置對(duì)地表植被的破壞；兩個(gè)行走輪分別用錐面摩擦離合器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力結(jié)合和脫開，使操縱、轉(zhuǎn)向更加靈活。同時(shí)，采用雙超越離合器最終鏈傳動(dòng)，使兩個(gè)行走輪不僅具有差速功能，又可調(diào)節(jié)割灌木的高度，實(shí)現(xiàn)既能收割飼料又可收割木質(zhì)化干；為了啟動(dòng)方便和作業(yè)的安全，設(shè)計(jì)了滑塊離心式摩擦離合器作為整機(jī)的主離合器連接發(fā)動(dòng)機(jī)與行走裝置和工作裝置，實(shí)現(xiàn)怠速時(shí)切割裝置不工作；根據(jù)沙地灌木叢外側(cè)貼地生長、中心砂土高于周邊的特點(diǎn)，割灌木裝置設(shè)計(jì)為總體前伸，3片切割圓鋸片布置成中間高、兩側(cè)低的凹形包圍式排列。
經(jīng)三輪樣機(jī)試制、試驗(yàn)后定型的5G2-800型手扶步進(jìn)式割灌木機(jī)（圖6）以7.5kw的立軸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，具有操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、收割效率高的特點(diǎn)。經(jīng)國家林業(yè)局營林機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢測，在典型科爾沁沙地飛播灌木林地的灌木平茬作業(yè)效率達(dá)到3.56畝／h。檢測、試驗(yàn)地點(diǎn)是內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗興隆沼林場的上世紀(jì)70年代飛播造林的小葉錦雞兒（又名檸條，老虎刺）灌木林地。
1、為所獲得的測試數(shù)據(jù)。
從生產(chǎn)試驗(yàn)和多年來的監(jiān)測，在用該機(jī)器對(duì)沙地灌木林進(jìn)行平茬作業(yè)的效率是人工平茬的6倍以上，平茬后留茬的劈裂率在1.5%以內(nèi)，茬口沒有燒焦的現(xiàn)象，保證了灌木平茬的作業(yè)質(zhì)量，第二年春天每灌木叢萌生數(shù)量是平茬前的2倍以上，當(dāng)年的高生長量接近1.7m。
4．木本飼料、成型燃料加工設(shè)備的研制與開發(fā)
實(shí)現(xiàn)以木本飼料型灌木資源產(chǎn)業(yè)化的另一個(gè)關(guān)鍵是飼料和成型燃料的加工。北京林業(yè)大學(xué)以“生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進(jìn)”為基礎(chǔ)，通過對(duì)多種生物質(zhì)材料常溫成型的實(shí)驗(yàn)研究和成型機(jī)理的探討，設(shè)計(jì)、研制了一種雙向擠壓的“生物質(zhì)常溫成型機(jī)”。該機(jī)的成型壓力從0~ 273kN/cm2可調(diào)，既可用于加工飼料，又可用于生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料。
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顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。同時(shí)我們還有大量的生物質(zhì)成型燃料出售。
4.1多種生物質(zhì)材料常溫成型實(shí)驗(yàn)研究
對(duì)玉米、大豆、芝麻等農(nóng)作物秸稈和灌木的小葉錦雞兒、四倍體刺槐，木材加工剩余物的鋸屑、刨花等林木生物質(zhì)用德國RUF公司生產(chǎn)的RB110型壓塊機(jī)進(jìn)行了常溫成型試驗(yàn)。試驗(yàn)用原料的粉碎程度為0.5~20mm；原料的含水率從3%~45%的不同；成型壓力從42.7MPa至最高320MPa，每次增加61.4Pa，通過反復(fù)試驗(yàn)，獲得如下生物質(zhì)常溫成型的必要數(shù)據(jù)：
1)生物質(zhì)原料粉碎的程度應(yīng)平均小于10mm；
2)原料的含水率小于20%，成型燃料可以較長久存放，否則出成型倉后會(huì)膨脹。含水率越小，成型效果越好；
3)用于實(shí)驗(yàn)的生物質(zhì)原料最小成型壓力為53.4MPa，并且與原料的粉碎程度和含水率幾乎不相關(guān)；
4)成型燃料的密度隨成型壓力的增加而增加，保持成型不松散的最小密度為0.8g/cm2，最大密度達(dá)到1 .4g/cm2;
經(jīng)清華大學(xué)熱能工程實(shí)驗(yàn)室檢測，農(nóng)作物秸稈類的熱值為4000 kcal/kg左右，林木生物質(zhì)的熱值在4400 kcal/kg以上，灌木檸條和四倍體刺槐桿的熱值接近5000kcal/kg；
4.2生物質(zhì)材料常溫成型機(jī)理的探討
使設(shè)計(jì)、研發(fā)的生物質(zhì)常溫成型機(jī)的成型能耗達(dá)到最小，對(duì)生物質(zhì)常溫成型的機(jī)理進(jìn)行了探討。為了便于觀察，對(duì)粉碎的部分生物質(zhì)碎料進(jìn)行了染色，再與未染色的原料混合后在不同的壓力下成型。將成型塊剖切、處理表面以后用高倍立體顯微鏡(0~ 200倍）觀察發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)常溫成型是“顆粒填充、邊界交錯(cuò)咬合”的方式（圖8）。而產(chǎn)生這種效果的條件是①粉碎的生物質(zhì)顆粒要有足夠的比表面積；②對(duì)粉碎的生物質(zhì)要有足夠的壓力才能產(chǎn)生“顆粒填充、邊界交錯(cuò)咬合”的效果而成型；
生產(chǎn)的成型燃料需要相對(duì)較長時(shí)間存放，因此對(duì)生物質(zhì)常溫成型塊試件進(jìn)行了抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，隨成型壓力、生物質(zhì)原料的不同，在擠壓方向（軸向）的承載能力為1～12.5MPa；非擠壓方向（徑向）的承載能力為0.7～2.2 MPa，承載能力滿足大體積存（堆）放的要求。
4.3雙向擠壓常溫成型機(jī)的研制
通過上述試驗(yàn)和研究，在掌握了生物質(zhì)材料常溫成型的必要條件和成型機(jī)理的基礎(chǔ)上，借鑒德國BR110型壓塊機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)、研制了一種壓力、進(jìn)料量可調(diào)的雙向擠壓生物質(zhì)常溫成型機(jī)。該機(jī)由成型系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)3大部分組
成。根據(jù)我國目前機(jī)械加工的技術(shù)水平和未來潛在用戶的操作、使用能力，在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮如下因素：
1)成型系統(tǒng)由進(jìn)料裝置、預(yù)壓裝置、成型裝置和換位機(jī)構(gòu)組成。作業(yè)時(shí)，進(jìn)料螺旋在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下將粉碎的生物質(zhì)運(yùn)料送入預(yù)壓裝置的預(yù)壓艙內(nèi)，預(yù)壓活塞在液壓油缸的驅(qū)動(dòng)下將生物質(zhì)碎料初步壓實(shí)，成型主壓活塞在主油缸的推動(dòng)下將初步壓實(shí)的物料推入成型倉成型，待主油缸回到初始位置時(shí)，換位機(jī)構(gòu)將成型倉換位，然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。第二個(gè)循環(huán)主油缸推物料進(jìn)成型倉成型時(shí)，安裝在成型活塞兩側(cè)的推桿將成型倉內(nèi)前一個(gè)循環(huán)成型的成型塊推出成型機(jī)的出料口。將常溫成型機(jī)設(shè)計(jì)為雙向擠壓，一個(gè)循環(huán)完成兩個(gè)成型塊的加工，提高了生產(chǎn)效率。
2)液壓系統(tǒng)由液壓泵站和一系列液壓油缸和液壓馬達(dá)組成。液壓泵站分別用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)各驅(qū)動(dòng)一臺(tái)齒輪泵而提供液壓執(zhí)行元件所需要的動(dòng)力，液壓系統(tǒng)的最高壓力為13.5MPa，工作壓力一般在10~12.5MPa，對(duì)于成型過程中偶爾需要的高壓采用油缸增壓的方式達(dá)到，成型主壓油缸內(nèi)的最大壓力可以達(dá)到54MPa。在成型主油缸和預(yù)壓油缸的油路中各安裝了壓力流變器，結(jié)合控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)預(yù)壓和成型主壓壓力實(shí)時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同生物質(zhì)原料要求的成型作業(yè)。
3)自動(dòng)控制系統(tǒng)通過控制液壓泵站上每個(gè)電磁閥的通電與斷電而控制成型機(jī)的各個(gè)執(zhí)行部件按成型作業(yè)順序動(dòng)作。為了降低成本，采用單片機(jī)作為主要控制單元，通過設(shè)計(jì)特殊的程序不僅具有較好的抗干擾性能，而且通過按鍵輸入方式（圖1 0）實(shí)現(xiàn)了預(yù)壓、成型主壓壓力和供料時(shí)間（量）的實(shí)時(shí)調(diào)整以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)和手動(dòng)操作切換。
通過重點(diǎn)考慮上述因素，設(shè)計(jì)、研制的雙向擠
壓生物質(zhì)常溫成型機(jī)經(jīng)試驗(yàn)和內(nèi)蒙古通遼市六家子林場生產(chǎn)運(yùn)行證實(shí)，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
1)生產(chǎn)的生物質(zhì)成型塊的尺寸為cp80x90 mm，密度為0.8～1.2 g/cm3，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到長途運(yùn)輸與長期存放的要求（圖11）；
2)與德國生產(chǎn)相同規(guī)格成型塊的RB440型壓塊機(jī)相比，設(shè)備的成本僅為德國的1/4；生產(chǎn)效率是德國的1.5倍以上；
3)由于液壓泵站采用了兩組CBD32齒輪泵，在大缸徑的成型主油缸不工作時(shí)，其中一組為回空狀態(tài)。與德國大流量單泵的RB440型壓塊機(jī)相比，節(jié)省用電能耗30%以上，實(shí)際成型能耗不大于60kw.h/t;
4)采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自動(dòng)／手動(dòng)控制運(yùn)行，最大限度的降低了控制系統(tǒng)的成本。
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顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)械設(shè)備。
