張 彬 羅 梅 傅萬四 李曉旭 王曉歡 閆承琳 楊建華 張長青 于 航 周建波

(1 中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091；2 中國林業(yè)集團有限公司 北京 100036；3 國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所 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)國家林業(yè)和草原局統(tǒng)計，2018—2019年我國大徑竹(直徑≥5cm)產(chǎn)量已連續(xù)2年突破30.0億根[1]，2021年已達32.6億根，可替代5 000多萬m3的木材，彌補我國10%的木材缺口[2]。豐富的竹林資源是我國竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先決條件。

竹產(chǎn)業(yè)是事關(guān)我國民生與生態(tài)建設(shè)的重要林業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，研究開發(fā)竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備是社會與林農(nóng)的迫切需要，也是精準扶貧、鄉(xiāng)村振興、促進農(nóng)村第一、二、三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的一項基礎(chǔ)性工作，具有非常深遠的現(xiàn)實意義。近年來，隨著林權(quán)制度改革的深入，為實現(xiàn)竹林集約經(jīng)營，將細碎化的農(nóng)戶竹林通過流轉(zhuǎn)整合成大型竹林場已成為現(xiàn)代竹林經(jīng)營的趨勢，各竹產(chǎn)區(qū)竹林場(竹林合作社)大量興起。受限于勞動力稀缺、竹林場傳統(tǒng)經(jīng)營模式落后等原因，現(xiàn)代竹林場的經(jīng)營發(fā)展和竹產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級受到嚴重制約。我國各大竹產(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、地勢落差大的丘陵地區(qū)，竹林資源使用率較低，再加上勞動力成本高，生產(chǎn)經(jīng)營設(shè)備簡陋，機械化、自動化、智能化程度低，嚴重制約了竹林場的可持續(xù)經(jīng)營，急需研究開發(fā)竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備。本文在分析我國竹林場經(jīng)營面臨問題的基礎(chǔ)上，綜述了國內(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，以期為提高我國竹材采伐和運輸?shù)臋C械化水平提供參考。

1 竹林場經(jīng)營面臨的問題

1.1 勞動力轉(zhuǎn)移，竹材原材料成本上升

隨著城市化進程加快，大量勞動力向城市聚集，造成鄉(xiāng)村勞動力稀缺，鄉(xiāng)村留下的多是老、婦、幼人群，無法從事勞動強度較大的竹林經(jīng)營，導致我國各竹產(chǎn)區(qū)大量竹林荒廢，竹資源閑置浪費，嚴重影響竹林資源的發(fā)展和利用。另外，農(nóng)村勞動力成本的增加，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 勞動強度大，機械化程度低

在我國竹林場多位于地形不規(guī)則、地勢落差大的丘陵地區(qū)或山區(qū)，土地使用效率低。同時，竹林區(qū)林間道路建設(shè)滯后，受林區(qū)坡地和溝渠限制，很難開展規(guī)?；?、集成化作業(yè)。長期以來，竹材運輸主要通過人力將捆綁好的竹材運至山下，這種傳統(tǒng)的竹材運輸方式勞動強度大，從業(yè)者安全得不到保障，生產(chǎn)效率低下且長期得不到提升，嚴重影響竹林生長質(zhì)量和資源合理利用[3-4]。

1.3 試驗數(shù)據(jù)匱乏，社會重視程度低

林業(yè)為國家公益性行業(yè)，竹林資源是重要的林業(yè)資源。相對于其他機械行業(yè)，竹工機械裝備制造行業(yè)尤其是竹林場經(jīng)營技術(shù)裝備利潤較低，國家和社會重視程度不夠。資金投入嚴重不足、投入增長緩慢已成為制約竹工機械裝備制造行業(yè)發(fā)展的瓶頸。同時也缺乏吸引人才的環(huán)境和機制。目前，竹工機械裝備制造技術(shù)絕大部分來源于對木材加工機械的模仿與借鑒，缺少針對竹材本身生長特性的機械產(chǎn)品，更缺少對竹工裝備的應用機理、設(shè)計理論的研究，試驗設(shè)施不健全，設(shè)計手段落后，試驗數(shù)據(jù)極度匱乏。

1.4 缺乏自主創(chuàng)新

竹林場經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)裝備的基礎(chǔ)理論研究薄弱。雖然通過不斷借鑒、消化、吸收木材采、集、運機械或其他機械行業(yè)中具有代表性的先進機型，形成了一些竹林場經(jīng)營關(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)模竹林場經(jīng)營，無法適應較大竹林場的作業(yè)需求；在竹林場經(jīng)營過程中，竹材利用率低、耗能高，作業(yè)人員安全性得不到保障。竹林場經(jīng)營技術(shù)裝備缺乏自主創(chuàng)新體系。

隨著科技進步和竹林場集約化經(jīng)營時代的到來，機械化經(jīng)營成為新時代竹林場經(jīng)營的必然發(fā)展方向。研究開發(fā)伐后竹材機械化集材和運輸關(guān)鍵技術(shù)裝備是促進竹資源集約經(jīng)營利用、發(fā)展我國竹產(chǎn)區(qū)大產(chǎn)業(yè)、提高竹農(nóng)經(jīng)濟收入的重要途徑，也是實現(xiàn)標準化、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，對于提高竹林場竹產(chǎn)業(yè)附加值、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、推進農(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，國外發(fā)達國家未對竹材集材技術(shù)裝備進行深入研究。國內(nèi)對于竹材集材技術(shù)裝備的研究還處于初級探索階段。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

我國是竹資源分布大國，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)也相對領(lǐng)先，竹業(yè)機械處于“國際絕對領(lǐng)先、技術(shù)相對落后”的地位。國外在木材集材設(shè)備方面遠遠領(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、背運、收集。部分國家曾嘗試采用較為先進的往復式油鋸進行伐竹作業(yè)，但伐竹后的集材作業(yè)受限于竹林地形環(huán)境，依舊通過人力或者畜力集材。因此，竹材集材方式費時費力、效率低，嚴重制約著下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國早期竹林間集材作業(yè)受限于場地因素，主要依靠人力或者畜力集材搬運，作業(yè)方式費時費力、效率低(圖1)。

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

我國于1950年中期引進國外索道集材系統(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絞盤機等[10]?，F(xiàn)行的竹材林間運輸設(shè)備主要是借助于木材索式輸送機、軌道式輸送機、帶式輸送機等機械設(shè)備，但設(shè)備運行效果不穩(wěn)定，安全得不到保障。目前國內(nèi)還尚無一款成本較低、可靠性高、運行穩(wěn)定、安全系數(shù)高、具有較強作業(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)開始嘗試使用改裝后的長臂吊車對伐后竹材進行集材歸攏。

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)滿足了竹林場中的集材作業(yè)需求。同時，吊裝車具有機動靈活和轉(zhuǎn)移方便等特點，可根據(jù)待伐竹材的位置和生長特性進行針對性的集材作業(yè)。

該集材吊裝車的集材流程為：首先將吊裝車開進竹林場中，停放在較平坦的密實地面上，為防止自動滑行，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個前輪著地，以減輕前支腿油缸的負荷，同時增加吊裝車的穩(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輸車上(圖2d)，以待竹材運輸。由此便完成了1次伐后竹材的機械化集材過程。

注：a)吊車機械臂展開；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、機械集材、索道集材和絞盤機集材、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——無人機空中集材，但尚未在實際竹林經(jīng)營中推廣應用。在實際木材集材現(xiàn)場，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、集材拖拉機、集材索道、索道絞盤機、索道跑車、裝車絞盤機等設(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，25°以上的山地林區(qū)主要使用架空索道進行集材作業(yè)[13]。森林采伐聯(lián)合機是一種高性能的現(xiàn)代林業(yè)機械，集材拖拉機是世界范圍內(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)合機和集材拖拉機。

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

集材拖拉機是林區(qū)用于集材作業(yè)的專用拖拉機，具有較高的通過性和機動性，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相似。按行進方式分為履帶式和輪式2類。集材拖拉機在我國東北林區(qū)應用較為廣泛，主要有J-50拖拉機、輪式J-80拖拉機、東方紅-75等。J-50拖拉機是我國林區(qū)的主要集材設(shè)備，作業(yè)時需要3人，司機、助手和集材員各1人，集材距離小于500 m時臺班產(chǎn)量在40 m3左右。J-50拖拉機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

目前全自動聯(lián)合采伐機在我國林場應用較為常見，其可實現(xiàn)木材的砍伐、截斷、集材等多種功能。在木材全自動聯(lián)合采伐機的基礎(chǔ)上，周中華等[17]研制了毛竹聯(lián)合采伐機，與木材全自動聯(lián)合采伐機相似，其行走機構(gòu)采用由輪胎和可拆卸履帶組成，可在一定程度上適應竹林場復雜的地形。采伐機通過夾持裝置夾緊待伐竹，接著啟動切削刀對待伐竹進行砍伐；伐后的竹材順勢被機械臂移動至采伐車一側(cè)的傳送通道，進行自動化打枝和截梢處理。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標準中給出的SN16級[18]。如毛竹聯(lián)合采伐機的加持裝置與所加持的竹材的接觸面積為1 m2時，竹材所能承受的加持力為80～180 kN。因此在設(shè)計加持裝置的加持力時要考慮竹材的環(huán)剛度，否則竹材會被夾爆，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現(xiàn)場作業(yè)中也暴露出了一些缺點，較為突出的是臂架末端的鋼索捆綁待伐竹子時耗時費力，人工參與度過高，且承受臂架向上拉時鋼索較易崩開，不僅大大降低集材效率，還會導致集材作業(yè)安全事故。因此，需研制一套高效、通用、普適型的加持機械手，以實現(xiàn)快速高效的竹材吊裝集材。在設(shè)計加持機械手時同樣要考慮竹材的環(huán)剛度。加持機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，通過夾持機械手穩(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，各竹材加工廠對于竹材原料的需求日益增加。研究開發(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、機械化程度低的問題的關(guān)鍵，也是避免資源浪費和提升竹林場集約化經(jīng)營的有效舉措。目前，國內(nèi)對竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究開發(fā)還處于起步階段，許多研發(fā)僅停留在試驗樣機階段，還未形成規(guī)?；?、工業(yè)化生產(chǎn)。未來對竹材集材關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究應借鑒木材集材裝備技術(shù)，加大研發(fā)力度，盡早開發(fā)出適用于竹材的集材裝備，同時國家對竹業(yè)裝備應給予重點扶持，不斷提高竹產(chǎn)業(yè)的機械化水平，促進我國竹資源集約化經(jīng)營利用，提高竹農(nóng)經(jīng)濟收入，助力鄉(xiāng)村振興。