竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀

張 彬 羅 梅 傅萬(wàn)四 李曉旭 王曉歡 閆承琳 楊建華 張長(zhǎng)青 于 航 周建波

(1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091；2 中國(guó)林業(yè)集團(tuán)有限公司 北京 100036；3 國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所 哈爾濱 150086)

竹子是一種資源豐富、產(chǎn)量穩(wěn)定、可再生、成材快的生物質(zhì)資源。據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局統(tǒng)計(jì)，2018—2019年我國(guó)大徑竹(直徑≥5cm)產(chǎn)量已連續(xù)2年突破30.0億根[1]，2021年已達(dá)32.6億根，可替代5 000多萬(wàn)m3的木材，彌補(bǔ)我國(guó)10%的木材缺口[2]。豐富的竹林資源是我國(guó)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先決條件。

竹產(chǎn)業(yè)是事關(guān)我國(guó)民生與生態(tài)建設(shè)的重要林業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，研究開(kāi)發(fā)竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備是社會(huì)與林農(nóng)的迫切需要，也是精準(zhǔn)扶貧、鄉(xiāng)村振興、促進(jìn)農(nóng)村第一、二、三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，具有非常深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，隨著林權(quán)制度改革的深入，為實(shí)現(xiàn)竹林集約經(jīng)營(yíng)，將細(xì)碎化的農(nóng)戶竹林通過(guò)流轉(zhuǎn)整合成大型竹林場(chǎng)已成為現(xiàn)代竹林經(jīng)營(yíng)的趨勢(shì)，各竹產(chǎn)區(qū)竹林場(chǎng)(竹林合作社)大量興起。受限于勞動(dòng)力稀缺、竹林場(chǎng)傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)模式落后等原因，現(xiàn)代竹林場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)發(fā)展和竹產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)受到嚴(yán)重制約。我國(guó)各大竹產(chǎn)區(qū)均具有較為豐富的竹林資源，但這些竹林資源多分布在地形不規(guī)則、地勢(shì)落差大的丘陵地區(qū)，竹林資源使用率較低，再加上勞動(dòng)力成本高，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)設(shè)備簡(jiǎn)陋，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化程度低，嚴(yán)重制約了竹林場(chǎng)的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，急需研究開(kāi)發(fā)竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備。本文在分析我國(guó)竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，綜述了國(guó)內(nèi)外竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究現(xiàn)狀，提出竹材集材技術(shù)裝備的發(fā)展方向，以期為提高我國(guó)竹材采伐和運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械化水平提供參考。

1 竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)面臨的問(wèn)題

1.1 勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，竹材原材料成本上升

隨著城市化進(jìn)程加快，大量勞動(dòng)力向城市聚集，造成鄉(xiāng)村勞動(dòng)力稀缺，鄉(xiāng)村留下的多是老、婦、幼人群，無(wú)法從事勞動(dòng)強(qiáng)度較大的竹林經(jīng)營(yíng)，導(dǎo)致我國(guó)各竹產(chǎn)區(qū)大量竹林荒廢，竹資源閑置浪費(fèi)，嚴(yán)重影響竹林資源的發(fā)展和利用。另外，農(nóng)村勞動(dòng)力成本的增加，大大提高了竹材原料成本，壓縮了竹材加工企業(yè)的效益，影響下游竹材工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 勞動(dòng)強(qiáng)度大，機(jī)械化程度低

在我國(guó)竹林場(chǎng)多位于地形不規(guī)則、地勢(shì)落差大的丘陵地區(qū)或山區(qū)，土地使用效率低。同時(shí)，竹林區(qū)林間道路建設(shè)滯后，受林區(qū)坡地和溝渠限制，很難開(kāi)展規(guī)模化、集成化作業(yè)。長(zhǎng)期以來(lái)，竹材運(yùn)輸主要通過(guò)人力將捆綁好的竹材運(yùn)至山下，這種傳統(tǒng)的竹材運(yùn)輸方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，從業(yè)者安全得不到保障，生產(chǎn)效率低下且長(zhǎng)期得不到提升，嚴(yán)重影響竹林生長(zhǎng)質(zhì)量和資源合理利用[3-4]。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匱乏，社會(huì)重視程度低

林業(yè)為國(guó)家公益性行業(yè)，竹林資源是重要的林業(yè)資源。相對(duì)于其他機(jī)械行業(yè)，竹工機(jī)械裝備制造行業(yè)尤其是竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)技術(shù)裝備利潤(rùn)較低，國(guó)家和社會(huì)重視程度不夠。資金投入嚴(yán)重不足、投入增長(zhǎng)緩慢已成為制約竹工機(jī)械裝備制造行業(yè)發(fā)展的瓶頸。同時(shí)也缺乏吸引人才的環(huán)境和機(jī)制。目前，竹工機(jī)械裝備制造技術(shù)絕大部分來(lái)源于對(duì)木材加工機(jī)械的模仿與借鑒，缺少針對(duì)竹材本身生長(zhǎng)特性的機(jī)械產(chǎn)品，更缺少對(duì)竹工裝備的應(yīng)用機(jī)理、設(shè)計(jì)理論的研究，試驗(yàn)設(shè)施不健全，設(shè)計(jì)手段落后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)極度匱乏。

1.4 缺乏自主創(chuàng)新

竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)關(guān)鍵技術(shù)裝備的基礎(chǔ)理論研究薄弱。雖然通過(guò)不斷借鑒、消化、吸收木材采、集、運(yùn)機(jī)械或其他機(jī)械行業(yè)中具有代表性的先進(jìn)機(jī)型，形成了一些竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)關(guān)鍵技術(shù)裝備，但設(shè)備質(zhì)量一般、質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品單一，或者僅適合小規(guī)模竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)，無(wú)法適應(yīng)較大竹林場(chǎng)的作業(yè)需求；在竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，竹材利用率低、耗能高，作業(yè)人員安全性得不到保障。竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)技術(shù)裝備缺乏自主創(chuàng)新體系。

隨著科技進(jìn)步和竹林場(chǎng)集約化經(jīng)營(yíng)時(shí)代的到來(lái)，機(jī)械化經(jīng)營(yíng)成為新時(shí)代竹林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)的必然發(fā)展方向。研究開(kāi)發(fā)伐后竹材機(jī)械化集材和運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)裝備是促進(jìn)竹資源集約經(jīng)營(yíng)利用、發(fā)展我國(guó)竹產(chǎn)區(qū)大產(chǎn)業(yè)、提高竹農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、集約化生產(chǎn)，提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本的重要保障，對(duì)于提高竹林場(chǎng)竹產(chǎn)業(yè)附加值、實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、推進(jìn)農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，都具有重要意義[5]。

2 國(guó)內(nèi)外竹材集材技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀

由于竹資源分布的原因，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家未對(duì)竹材集材技術(shù)裝備進(jìn)行深入研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于竹材集材技術(shù)裝備的研究還處于初級(jí)探索階段。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

我國(guó)是竹資源分布大國(guó)，在竹材加工技術(shù)領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，相關(guān)的裝備技術(shù)也相對(duì)領(lǐng)先，竹業(yè)機(jī)械處于“國(guó)際絕對(duì)領(lǐng)先、技術(shù)相對(duì)落后”的地位。國(guó)外在木材集材設(shè)備方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于竹材。竹材的集材作業(yè)還停留在傳統(tǒng)作業(yè)階段，即采伐后由人工搬運(yùn)、背運(yùn)、收集。部分國(guó)家曾嘗試采用較為先進(jìn)的往復(fù)式油鋸進(jìn)行伐竹作業(yè)，但伐竹后的集材作業(yè)受限于竹林地形環(huán)境，依舊通過(guò)人力或者畜力集材。因此，竹材集材方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，嚴(yán)重制約著下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

由于對(duì)竹子的特性和用途缺乏認(rèn)識(shí)，加之大部分產(chǎn)竹國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施與配套技術(shù)落后，國(guó)外絕大部分竹林尚未開(kāi)發(fā)，竹子作為加工材料的開(kāi)發(fā)利用非常有限。同時(shí)由于缺乏管理和維護(hù)，大部分竹林處于荒廢退化狀態(tài)。在非洲，大部分竹林屬國(guó)家或州所有，多位于保護(hù)區(qū)內(nèi)，嚴(yán)格控制開(kāi)發(fā)利用，一定程度上也制約了竹林場(chǎng)的機(jī)械化經(jīng)營(yíng)[6-7]?？傮w而言，竹材加工機(jī)械整個(gè)行業(yè)是落后的，竹工機(jī)械制造研發(fā)能力還處于起步階段，科技能力不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于其他機(jī)械加工行業(yè)，而且也落后于木材加工機(jī)械。受限于此，對(duì)于竹材的機(jī)械化集材也無(wú)從談起[8-9]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)早期竹林間集材作業(yè)受限于場(chǎng)地因素，主要依靠人力或者畜力集材搬運(yùn)，作業(yè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低(圖1)。

圖1 竹材人力集材Fig.1 Bamboo gathering with manpower

我國(guó)于1950年中期引進(jìn)國(guó)外索道集材系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上相繼研制出BTY-1.5型索道、ST-2型索道集材系統(tǒng)、J3絞盤機(jī)等[10]?，F(xiàn)行的竹材林間運(yùn)輸設(shè)備主要是借助于木材索式輸送機(jī)、軌道式輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)等機(jī)械設(shè)備，但設(shè)備運(yùn)行效果不穩(wěn)定，安全得不到保障。目前國(guó)內(nèi)還尚無(wú)一款成本較低、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、安全系數(shù)高、具有較強(qiáng)作業(yè)能力且適用于竹材集材的技術(shù)裝備[11]，但已有一些竹材采伐企業(yè)開(kāi)始嘗試使用改裝后的長(zhǎng)臂吊車對(duì)伐后竹材進(jìn)行集材歸攏。

浙江省一家竹材采伐企業(yè)將臂架式混凝土泵車改裝為竹材集材吊裝車，大大提高了竹材集材效率。其液壓折疊式臂架具有變幅、折疊和回轉(zhuǎn)功能，可以在臂架所及范圍內(nèi)靈活進(jìn)行集材作業(yè)。目前安裝在汽車混凝土泵車上最大的臂架可伸展到60 m以上高度、50 m以上幅度[12]，在一定范圍內(nèi)滿足了竹林場(chǎng)中的集材作業(yè)需求。同時(shí)，吊裝車具有機(jī)動(dòng)靈活和轉(zhuǎn)移方便等特點(diǎn)，可根據(jù)待伐竹材的位置和生長(zhǎng)特性進(jìn)行針對(duì)性的集材作業(yè)。

該集材吊裝車的集材流程為：首先將吊裝車開(kāi)進(jìn)竹林場(chǎng)中，停放在較平坦的密實(shí)地面上，為防止自動(dòng)滑行，吊裝車的前、后支腿下部墊以厚木板，使每條支腿均勻受力；停穩(wěn)后使吊裝車的2個(gè)前輪著地，以減輕前支腿油缸的負(fù)荷，同時(shí)增加吊裝車的穩(wěn)定性；根據(jù)待砍伐竹子的位置，地面操作人員使用遙控器控制液壓折疊式臂架至指定位置(圖2a)，由伐竹工人使用臂架末端的若干根鋼索將待伐竹子捆牢(圖2b)；然后由伐竹工人伐竹(圖2c)，將所有待伐竹子都已砍伐完畢后，操作人員控制臂架將伐后竹材集材至空地或運(yùn)輸車上(圖2d)，以待竹材運(yùn)輸。由此便完成了1次伐后竹材的機(jī)械化集材過(guò)程。

注：a)吊車機(jī)械臂展開(kāi)；b)人工捆夾待伐竹材；c)砍伐竹材；d)吊車吊裝集材。圖2 竹材集材吊裝車集材流程Fig.2 Bamboo gathering process of sling cart

3 竹材集材可借鑒的木材集材技術(shù)裝備

木材集材是伐木作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。木材集材方法主要有畜力集材、人力集材、機(jī)械集材、索道集材和絞盤機(jī)集材、滑道集材、空中集材。目前竹材集材借鑒了木材的部分集材方法，較為常用的是蓄力集材、人力集材和滑道集材，也出現(xiàn)了類似木材空中集材的方式——無(wú)人機(jī)空中集材，但尚未在實(shí)際竹林經(jīng)營(yíng)中推廣應(yīng)用。在實(shí)際木材集材現(xiàn)場(chǎng)，往往是某一種集材方法為主、多種集材方法輔助的集材作業(yè)模式。在竹材集材作業(yè)中也可采用多種集材方法配合的模式，以提高竹材集材效率。

在木材集材過(guò)程中所使用的裝備即為木材集材裝備。木材集材裝備主要包括森林采伐聯(lián)合機(jī)、集材拖拉機(jī)、集材索道、索道絞盤機(jī)、索道跑車、裝車絞盤機(jī)等設(shè)備。按坡度劃分，25°以下的丘陵及平原較多采用集材拖拉機(jī)，25°以上的山地林區(qū)主要使用架空索道進(jìn)行集材作業(yè)[13]。森林采伐聯(lián)合機(jī)是一種高性能的現(xiàn)代林業(yè)機(jī)械，集材拖拉機(jī)是世界范圍內(nèi)使用最廣泛的集材設(shè)備。竹材集材可借鑒森林采伐聯(lián)合機(jī)和集材拖拉機(jī)。

森林采伐聯(lián)合機(jī)是一種可一次性獨(dú)立完成伐木、打枝、造材、截梢和材積自動(dòng)統(tǒng)計(jì)等多種作業(yè)功能的自行式聯(lián)合采伐裝備[14]。20世紀(jì)60年代，美國(guó)、瑞典、芬蘭、加拿大和前蘇聯(lián)等國(guó)家陸續(xù)研制出了各具特色的作業(yè)聯(lián)合機(jī)，并應(yīng)用于木材生產(chǎn)和營(yíng)林撫育作業(yè)[15]。目前較為先進(jìn)的采伐聯(lián)合機(jī)是芬蘭公司研發(fā)的六腿式林業(yè)多工序作業(yè)機(jī)，該機(jī)首次采用了“步行技術(shù)”，大大提升了作業(yè)機(jī)在林間的通過(guò)性[16]。通過(guò)多腿協(xié)同動(dòng)作功能可實(shí)現(xiàn)前、后、側(cè)、斜向行走，即使在困難地形也具有較強(qiáng)的通過(guò)性；該機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)和伐木裝置均采用液壓傳動(dòng)；智能實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可對(duì)6條腿進(jìn)行控制，以保障各腿的協(xié)調(diào)統(tǒng)一；無(wú)需清除障礙物該機(jī)即可輕松跨越，在跨越的同時(shí)可自動(dòng)調(diào)整位姿以保持設(shè)備整體的平衡。步行式采伐聯(lián)合機(jī)的特殊行進(jìn)方式將作業(yè)對(duì)森林土壤的損傷降到了最小，有效保護(hù)了森林生態(tài)環(huán)境。

集材拖拉機(jī)是林區(qū)用于集材作業(yè)的專用拖拉機(jī)，具有較高的通過(guò)性和機(jī)動(dòng)性，并有專門的集材裝置。其基本結(jié)構(gòu)及原理與普通拖拉機(jī)相似。按行進(jìn)方式分為履帶式和輪式2類。集材拖拉機(jī)在我國(guó)東北林區(qū)應(yīng)用較為廣泛，主要有J-50拖拉機(jī)、輪式J-80拖拉機(jī)、東方紅-75等。J-50拖拉機(jī)是我國(guó)林區(qū)的主要集材設(shè)備，作業(yè)時(shí)需要3人，司機(jī)、助手和集材員各1人，集材距離小于500 m時(shí)臺(tái)班產(chǎn)量在40 m3左右。J-50拖拉機(jī)不足之處是其噪聲大，駕駛室內(nèi)冬冷夏熱，行走系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象[13]。

4 討論與展望

目前全自動(dòng)聯(lián)合采伐機(jī)在我國(guó)林場(chǎng)應(yīng)用較為常見(jiàn)，其可實(shí)現(xiàn)木材的砍伐、截?cái)?、集材等多種功能。在木材全自動(dòng)聯(lián)合采伐機(jī)的基礎(chǔ)上，周中華等[17]研制了毛竹聯(lián)合采伐機(jī)，與木材全自動(dòng)聯(lián)合采伐機(jī)相似，其行走機(jī)構(gòu)采用由輪胎和可拆卸履帶組成，可在一定程度上適應(yīng)竹林場(chǎng)復(fù)雜的地形。采伐機(jī)通過(guò)夾持裝置夾緊待伐竹，接著啟動(dòng)切削刀對(duì)待伐竹進(jìn)行砍伐；伐后的竹材順勢(shì)被機(jī)械臂移動(dòng)至采伐車一側(cè)的傳送通道，進(jìn)行自動(dòng)化打枝和截梢處理。毛竹中空帶有竹節(jié)的特殊生理結(jié)構(gòu)與木材的實(shí)心結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別，不同年齡和不同部位毛竹的環(huán)剛度一般為80～180 kN/m2，大于QB/T 1916-2004標(biāo)準(zhǔn)中給出的SN16級(jí)[18]。如毛竹聯(lián)合采伐機(jī)的加持裝置與所加持的竹材的接觸面積為1 m2時(shí)，竹材所能承受的加持力為80～180 kN。因此在設(shè)計(jì)加持裝置的加持力時(shí)要考慮竹材的環(huán)剛度，否則竹材會(huì)被夾爆，影響竹材后續(xù)的深加工。

前文所述的竹材集材吊裝車在竹林場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中也暴露出了一些缺點(diǎn)，較為突出的是臂架末端的鋼索捆綁待伐竹子時(shí)耗時(shí)費(fèi)力，人工參與度過(guò)高，且承受臂架向上拉時(shí)鋼索較易崩開(kāi)，不僅大大降低集材效率，還會(huì)導(dǎo)致集材作業(yè)安全事故。因此，需研制一套高效、通用、普適型的加持機(jī)械手，以實(shí)現(xiàn)快速高效的竹材吊裝集材。在設(shè)計(jì)加持機(jī)械手時(shí)同樣要考慮竹材的環(huán)剛度。加持機(jī)械手安裝在竹材集材吊裝車臂架末端，其需具備夾持、集材2個(gè)功能：夾持，需快速、便捷的夾持固定待伐竹子，為伐竹提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件，且可方便卸載竹材，為竹材集材吊裝車的臂架的高效集材提供保障；集材，通過(guò)夾持機(jī)械手穩(wěn)定的夾持，配合竹材集材吊裝車的臂架的靈活延展，實(shí)現(xiàn)伐后竹材的高效集材作業(yè)。

隨著竹材加工業(yè)的快速發(fā)展，各竹材加工廠對(duì)于竹材原料的需求日益增加。研究開(kāi)發(fā)竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備是解決竹材采伐人工成本高、機(jī)械化程度低的問(wèn)題的關(guān)鍵，也是避免資源浪費(fèi)和提升竹林場(chǎng)集約化經(jīng)營(yíng)的有效舉措。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究開(kāi)發(fā)還處于起步階段，許多研發(fā)僅停留在試驗(yàn)樣機(jī)階段，還未形成規(guī)?；?、工業(yè)化生產(chǎn)。未來(lái)對(duì)竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究應(yīng)借鑒木材集材裝備技術(shù)，加大研發(fā)力度，盡早開(kāi)發(fā)出適用于竹材的集材裝備，同時(shí)國(guó)家對(duì)竹業(yè)裝備應(yīng)給予重點(diǎn)扶持，不斷提高竹產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化水平，促進(jìn)我國(guó)竹資源集約化經(jīng)營(yíng)利用，提高竹農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入，助力鄉(xiāng)村振興。