林文樹 楊德嶺 王立海 徐華東

(森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

東北人工林履帶式和輪式小型拖拉機集材效率分析1)

林文樹 楊德嶺 王立海 徐華東

(森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

通過大量調查和實測資料，定量地研究分析履帶式和輪式小型拖拉機集材對人工針闊混交林的集材效率。履帶式小型集材拖拉機的集材效率和生產率優(yōu)于輪式拖拉機，其中原條集材優(yōu)于原木?；貧w分析結果表明：隨著集材時間和集材距離的增加, 兩種拖拉機集材效率均降低，但運載量與集材效率的關系不明顯。相關分析結果表明：拖拉機集材效率與集材距離、集材時間、運載量、集材距離與集材時間相互關系、運載量與集材數(shù)量相互關系是顯著不同的。無論是原條還是原木集材，履帶式拖拉機集材生產率都要高于輪式拖拉機集材生產率。

人工林；履帶式拖拉機；輪式拖拉機；集材作業(yè)；效率

Through lots of survey and testing, we analyzed the efficiencies of tracked tractor and wheeled tractor skidding for northeast mixed broadleaf-conifer forest plantations quantitatively. The efficiency of skidding and productivity of tracked tractor was bigger than wheeled tractor, and the log skidding was better than stem skidding. By the regression, the skidding efficiencies reduced with increasing skidding time and skidding distance. However, the relationships between skidding efficiencies and skidding quantity per skidding circle were not evident. By the correlation analysis, the skidding efficiency was significantly different among skidding distance, skidding time, skidding quantity per skidding circle, interaction between skidding distance and time, interaction between skidding quantity and numbers of stem or log. The production rate of tracked tractor was higher than that of wheeled tractor in both stem and log skidding.

集材作業(yè)是將伐區(qū)跡地的木材集運到山上楞場或裝車場的作業(yè)過程，是伐區(qū)木材生產的重要組成部分，選擇合理的集材作業(yè)方式關系到伐區(qū)生產效率的高低和木材生產的成本，并影響到森林更新和環(huán)境保護[1]。對黑龍江、吉林林區(qū)木材生產實際狀況的調研表明，在天然林保護工程實施以后，迫于經濟、環(huán)境以及集材量減少等多方面因素的壓力，畜力集材逐漸成為該區(qū)域集材的主要方式。在“天保工程”實施初期，畜力集材的確發(fā)揮了它應有的積極作用。然而，隨著時間的推移和社會的發(fā)展，近年來畜力集材與林區(qū)生產實際之間的矛盾卻逐漸凸現(xiàn)出來。由于畜力集材作業(yè)的勞動力成本逐年升高，且存在資源利用率、造材率和集材效率較低等缺點，畜力集材作業(yè)已經逐漸不適應東北林區(qū)木材生產實際現(xiàn)狀，因此需要采用機械集材來替代畜力集材。然而，由于目前山場作業(yè)具有作業(yè)地點分散、坡度大、林木稀疏、單位面積集材量和單株立木出材量均較低等新的特點，并不適宜采用原來林業(yè)專用的大型集材拖拉機如J-50、J-80等機械來進行集材，需要探索新型的更適合林區(qū)生產實際的小型、靈活、環(huán)保的集材機械。

依據黑龍江和吉林林區(qū)實際調查情況，對要設計的環(huán)境友善型拖拉機的主參數(shù)進行了選取和設定。依據主參數(shù)，對桂林玉柴工程機械有限公司的yct306s-6帶推土鏟的履帶式小型拖拉機和山東福爾沃農業(yè)裝備有限公司的FB324四驅小型輪式拖拉機進行改造設計，并加裝專用的絞盤機和擋載板等設備，最后對絞盤機和搭載板與拖拉機樣機進行聯(lián)結安裝。樣機設計和改造完畢之后，在吉林省臨江林業(yè)局進行了試驗。筆者著重研究所設計的履帶式和輪式小型拖拉機集材作業(yè)的生產效率，以便與其它集材作業(yè)方式(J-50集材拖拉機)進行比較，從而驗證所設計的拖拉機在我國東北林區(qū)的集材作業(yè)能夠有效提高東北林區(qū)木材生產效率，解決木材生產實際難題，促進林業(yè)機械現(xiàn)代化，帶動林區(qū)經濟效益增長，同時也能夠改善林業(yè)工人作業(yè)條件，保護林區(qū)生態(tài)環(huán)境。

1 研究區(qū)域與作業(yè)概況

試驗樣地選在吉林森工集團臨江林業(yè)局大西林場。該區(qū)域屬于溫帶季風性氣候，冬季干燥嚴寒多雪，夏季溫暖多雨，年平均降水量為660 mm，年平均氣溫1.3 ℃，無霜期115 d左右。集材作業(yè)場地為大西林場58林班1小班內，設計面積10.9 hm2，海拔670 m，坡向西南，坡度6°～8°，土壤為暗棕森林土。平均土層厚度20 cm，土壤潮濕，植被種類為木賊，蓋度為中，灌木叢種類是花楷子，蓋度為密。該樣地為人工林，林分類型為針闊混交林，主要樹種落葉松、紅松、水曲柳、椴樹等組成，平均林齡48 a，平均胸徑24 cm，平均樹高18 m，郁閉度0.9，木材蓄積量244 m3/hm2。

采伐方式選用擇伐作業(yè)，利用研制的履帶式和輪式小型集材拖拉機于2010年4—5月份在試驗樣地進行了原條、原木集材作業(yè)。樣機的主要參數(shù)見表1。

表1 履帶式和輪式小型拖拉機主要技術參數(shù)

2 研究方法

2.1 集材效率和生產率測定

結合臨江林業(yè)局木材生產作業(yè)，對現(xiàn)場試驗進行合理設計和規(guī)劃。分別采用履帶式集材拖拉機樣機和輪式集材拖拉機樣機對不同地點的原條、原木進行集材?，F(xiàn)場試驗時，采用秒表和紙作紀錄。記錄每一次集材所用的總時間，總集材時間包括絞集、載運、卸木以及回空，即為一個循環(huán)的總時間。同時，記錄集材距離、運載量等數(shù)據，用以分析試驗樣機的集材效率。本研究所指的集材效率為運載量與集材時間之間的比值，單位為m3·h-1·次-1[1-2]。最后，討論集材效率與集材時間、集材距離及運載量之間的關系，分析影響集材效率的主要因素。此外，記錄工人每天的工作時間、休息時間、準備時間等，用以計算集材生產率。

2.2 數(shù)據分析

采用最小二乘法對集材效率與集材距離、集材時間、運載量的關系進行回歸分析。最小二乘法是一種數(shù)學優(yōu)化技術，它通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以求得未知的拖拉機集材效率數(shù)據，并使得這些求得的數(shù)據與實際數(shù)據之間誤差的平方和為最小。

另外，本研究還采用R統(tǒng)計軟件進行數(shù)據分析及建模，應用一般線性模型(GLM)來決定拖拉機集材效率與集材距離、集材時間、運載量及集材數(shù)量之間的相關關系。GLM模型是線性模型的擴展，其特點是不強行改變數(shù)據的自然度量，數(shù)據可以具有非線性和非恒定方差結構。為了分析簡便，將原始數(shù)據進行了簡單的劃分。集材方式考慮4種，即履帶式原條、履帶式原木、輪式原條、輪式原木；集材距離分為8組，分別為70、80、90、100、110、120、130、140 m；運載量分為5組，分別為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 m3·次-1；集材時間分為9組，分別為9、10、11、12、13、14、15、16、17 min；集材數(shù)量分為5組，分別為1、2、3、4、5根。

3 結果與分析

3.1 試驗樣機原木原條集材

3.1.1 履帶式試驗樣機原木原條集材

采用改裝后的小型履帶式集材拖拉機對作業(yè)區(qū)內的原條和原木進行集材，現(xiàn)場記錄其在集材作業(yè)各工序中所花費的時間、集材距離、運載量和單次集材數(shù)量等數(shù)據(表2、表3)。

表2 小型履帶式集材拖拉機原條集材原始數(shù)據

從表2和表3可知，采用小型履帶式拖拉機對原條進行集材時，載運時間>回空時間>絞集時間>卸木時間；而對原木進行集材時，載運時間>絞集時間>回空時間>卸木時間。不難發(fā)現(xiàn)，無論對原條還是對原木集材，載運時間均最大，卸木時間最小，其中原條和原木載運平均時間分別占總平均時間41%和36%，而卸木時間僅分別占12%和16%。載運時間比較長，可能是由于本次試驗的林區(qū)為擇伐作業(yè)區(qū)，木材相對比較分散，而且在拖拉機集材作業(yè)過程中，還會受到林地地勢不平和保留木阻礙的影響。但是，原木絞集和卸木時間要明顯大于原條，相差幾乎都在2倍以上，這主要是由于單次所絞集的原木數(shù)量(平均4根)和原條數(shù)量(平均2根)相差較大。雖然原條集材的數(shù)量要小于原木集材，但原條集材的運載量(0.77 m3·次-1)要大于原木(0.61 m3·次-1)。

表3 小型履帶式集材拖拉機原木集材原始數(shù)據

3.1.2 輪式試驗樣機原木原條集材

采用改裝后的小型輪式集材拖拉機對作業(yè)區(qū)內的原條和原木進行集材，現(xiàn)場記錄其在集材作業(yè)各工序中所花費的時間、集材距離、運載量和單次集材數(shù)量等數(shù)據(表4、表5)。

可知，采用小型輪式拖拉機對原條進行集材時，絞集時間>載運時間>回空時間>卸木時間；而對原木進行集材時，絞集時間>回空時間>載運時間>卸木時間。無論對原條還是原木集材，絞集時間均最大，原條和原木絞集平均時間分別占總平均時間33%和43%。因此，提高輪式拖拉機集材作業(yè)效率的一個重要舉措就是要縮短絞集時間。同樣，無論對原條還是原木集材，卸木時間最少。對于輪式拖拉機集材，原條和原木卸木平均時間分別占總平均時間14%和15%。與履帶式拖拉機集材相似，輪式拖拉機原木絞集和卸木時間要大于原條，尤其是絞集時間，相差超過1.5倍；輪式拖拉機原條集材的運載量(0.69 m3·次-1)要大于原木(0.57 m3·次-1)。進一步分析可發(fā)現(xiàn)，輪式拖拉機集材時，原條集材的載運時間和原木集材的回空時間都比較長，載運時間長是因為原條集材時受到原條自身長度和保留木的影響；本次試驗的集材作業(yè)是順坡集材，逆坡回空，所以盡管是空載，回空的時間也比較長。

表4 小型膠輪式集材拖拉機原條集材原始數(shù)據

表5 小型膠輪式集材拖拉機原木集材原始數(shù)據

本次試驗中，履帶式拖拉機集材的平均集材距離為102 m，輪式拖拉機集材的集材距離為101 m，相差非常小。履帶式拖拉機集材的平均運載量為0.70 m3·次-1，高于輪式拖拉機的0.63 m3·次-1。另外，履帶式拖拉機集材總平均時間為11.04 min，而輪式拖拉機集材總平均時間為12.23 min，很明顯可以看出，輪式拖拉機集材時間相對要長。因此，在本次試驗中，履帶式拖拉機集材效率大于輪式的集材效率，這是因為輪式拖拉機集材的運載量要低于履帶式拖拉機集材的運載量，而且作業(yè)時間還相對長。雖然兩種拖拉機集材作業(yè)總的集材距離相差不大，但是在載運時間上，履帶式拖拉機載運原條和原木的平均時間分別為3.77、4.55 min，而輪式拖拉機分別為3.1、2.6 min，這說明輪式集材拖拉機更為靈活，行駛速度相對更快。

3.2 集材效率與集材時間、集材距離和集材運載量的回歸分析

為了比較履帶式拖拉機和輪式拖拉機在原條和原木集材時的不同效率，分別對兩種拖拉機集材方式下原條和原木集材效率與集材時間、集材距離和運載量進行了統(tǒng)計分析。

3.2.1 集材效率與集材時間的回歸分析

通過對比指數(shù)、線性、對數(shù)、多項式、幕這幾類主要的回歸模型，本研究設計的履帶式和輪式拖拉機原條與原木集材效率與集材時間的模型都適合多項式模型。該模型下的決定系數(shù)R2最大，即為回歸平方和與總離差平方和之比值最大的模型。根據最小二乘法，得出履帶式拖拉機原條集材效率與集材時間的擬合方程E履=-0.029 9T2+0.360 5T+4.381 1，相關系數(shù)為R2=0.51；而履帶式拖拉機原木集材效率與集材時間的擬合方程E原=0.010 4T2-0.358 3T+5.702 8，相關系數(shù)為R2=0.56。輪式拖拉機原條集材效率與集材時間的擬合方程E輪=-0.037 1T2-1.167 7T+11.934，相關系數(shù)為R2=0.51；而輪式拖拉機原木集材效率與集材時間的擬合方程E輪=0.014 5T2-0.595 5T+7.907 8，相關系數(shù)為R2=0.58。兩種集材方式的集材效率隨集材時間變化關系的散點圖與擬合方程曲線如圖1所示?？梢钥闯觯瑢τ诼膸胶洼喪酵侠瓩C集材，從總的趨勢來看，集材效率均隨著集材時間的增長而降低，但兩種拖拉機集材方式的差別不是十分明顯。

圖1 集材效率與集材時間的關系

3.2.2 集材效率與集材距離之間的回歸分析

根據最小二乘法，得出履帶式拖拉機原條集材效率與集材距離的擬合方程為E履=0.000 5D2-0.122 1D+11.973，相關系數(shù)為R2=0.56；而履帶式拖拉機原木集材效率與集材距離的擬合方程E原=0.000 1D2-0.045D+5.991，相關系數(shù)為R2=0.51。輪式拖拉機原條集材效率與集材距離的擬合方程為E輪=8.598 3e-0.008 2D，相關系數(shù)為R2=0.57；而輪式拖拉機原木集材效率與集材距離的擬合方程E輪=-7E-5D2-0.015 4D+4.920 5，相關系數(shù)為R2=0.50。

兩種集材方式的集材效率隨集材距離的變化關系的散點圖與擬合方程曲線如圖2所示?？梢钥闯?，對于履帶式和輪式拖拉機集材，集材效率隨著集材距離的增長在逐漸降低，因為兩種集材方式的運載量波動不大，隨著集材距離增加，集材時間也隨著增加，因此集材效率越來越低。但兩種集材方式的變化趨勢并不十分明顯。

圖2 集材效率與集材距離的關系

3.2.3 集材效率與運載量之間的回歸分析

根據最小二乘法，得出兩種拖拉機原條和原木集材效率與運載量的相關系數(shù)R2都小于0.5。兩種集材作業(yè)的集材效率隨運載量的變化關系的散點圖如圖3所示?？梢钥闯觯\載量與集材效率的關系不太明顯，且隨機性比較大。

圖3 集材效率與運載量的關系

3.2.4 集材效率與集材時間、距離、運載量以及數(shù)量之間的相關分析

在本試驗測定的數(shù)值中，由于要處理多指標變量(履帶式與輪式拖拉機、原條與原木、集材距離、運載量、集材時間、數(shù)量)與集材效率之間的關系，而且集材效率與上述變量之間具有一定的相關性。如果采用簡單的回歸方法或單獨用其中的某一變量來解釋某種拖拉機集材效率問題時，上述變量之間會產生一定的干擾，而導致所預測值缺乏精確性。因此，本研究將采用一般線性模型來分析集材效率與上述指標變量之間的關系：

Eijklm=u+Ji+Dj*Tk+Ql*Gm+eijklm。

(1)

式中：i=1，2，…，4；j=1，2，…，8；k=1，2，…，9；l=1，2，…，5；m=1，2，…，5；n=1，2，…，p；Eijklm表示第n個觀測的履帶式或輪式拖拉機集材效率；u表示相應變量的均值；i表示第i個履帶式或輪式拖拉機原條和原木集材方式影響；j表示第j個集材距離的影響；k表示第k個集材時間的影響；l表示第l個運載量的影響；m表示第m個集材數(shù)量的影響；eijklmn表示不可控制的因素影響；p表示有多少個觀測值需要處理。同時，集材距離與集材時間，以及運載量與集材數(shù)量的相互影響因素也在模型的考慮范圍之內。

根據統(tǒng)計分析結果可知，拖拉機集材效率在集材距離(P<0.001)、集材時間(P<0.001)、運載量(P<0.001)、集材距離與集材時間相互關系(P<0.001)，以及運載量與集材數(shù)量相互關系(P<0.05)中是顯著不同的。但集材效率與集材方式(P=0.684)，集材效率和集材數(shù)量(P=0.326)不存在顯著的不同。由于集材方式、集材數(shù)量和拖拉機集材效率之間沒有明顯的顯著不同，將這兩個變量從模型當中去掉后，新的拖拉機集材效率與集材距離、集材時間及運載量的一般線性模型為：E=8.15-0.04D-0.6T+4.21Q，R2=0.88。從該模型中可發(fā)現(xiàn)，集材效率隨集材距離和集材時間的增加而降低，隨著運載量的增加，集材效率增大。

3.3 集材生產率分析

影響集材生產率的因素很多，、地形條件、氣象等自然因素，同時也受機械設備、勞動者、生產組織等社會技術因素影響[3]。本研究的履帶式集材拖拉機和小型輪式拖拉機的集材生產率可由下式進行計算：

(2)

式中：p為集材生產率(m3·臺班-1)；t為每班總工作時間(min)；t′為班前準備和班后結束時間(min)；φ為工作時間利用系數(shù)，考慮到休息和個人需要等，一般取0.8～0.95；M為平均每次集材量(m3)；t1為絞集時間(min)；L為平均集材距離(km)；t2為卸木時間(min)；V1為拖拉機平均集運速度(km·h-1)。V2為拖拉機平均回空速度(km·h-1)。

在試驗過程中，每班平均每天工作時間6h，班前準備和班后結束時間按30min計算，工作時間利用系數(shù)取0.9。依據表2—表5中數(shù)據，采用式(2)分別對履帶式拖拉機和輪式拖拉機原條和原木集材的生產率進行計算。履帶原條、履帶原木、輪式原條、輪式原木的生產率分別為24.62、14.21、18.50、12.64m3·臺班-1?？梢钥闯?，無論是原條還是原木集材，履帶式拖拉機集材生產率都要高于輪式拖拉機集材生產率。盡管履帶式拖拉機集材生產率高，但對于集材機械的選擇還取決于其它的因素，如集材機械是否適用于該林地，對林地的破壞程度如何，以及集材作業(yè)成本等。

4 結論與建議

采用履帶式和輪式小型拖拉機試驗樣機在吉林省臨江林業(yè)局進行了集材作業(yè)試驗，定量分析了我國東北林區(qū)拖拉機集材的集材效率和集材生產率。履帶式拖拉機原條和原木的集材效率分別為5.07、2.93m3·h-1·次-1，而輪式拖拉機原條和原木的集材效率分別為3.7、2.64m3·h-1·次-1，履帶式拖拉機原條和原木的集材生產率分別為24.62、14.21m3·臺班-1，而輪式拖拉機原條和原木的集材生產率分別為18.5、12.64m3·臺班-1，其中原條集材優(yōu)于原木集材。通過時間對比研究得出履帶式小型集材拖拉機的集材率優(yōu)于輪式拖拉機?；貧w分析結果表明：不論是采用哪種集材拖拉機，其集材效率均隨集材距離和集材時間的增加而降低，隨著運載量的增加，集材效率的變化不明顯。另外，由于收集的數(shù)據樣本量和影響變量相對較少，在進行回歸分析時，可能會降低對預測估計的精確性，所以為了更好地預測拖拉機集材效率，需要考慮大樣本量及更多的影響變量。相關性分析表明，拖拉機集材效率與集材距離、集材時間、運載量、集材距離與集材時間相互關系、運載量與集材數(shù)量相互關系是顯著不同的。

試驗數(shù)據表明，本研究所設計的兩種環(huán)境友善型小型集材拖拉機能夠較好地適應東北林區(qū)復雜多變的木材生產作業(yè)條件，集材效率與集材生產率較高，能夠滿足林區(qū)作業(yè)要求。提高拖拉機集材效率可以從縮短集材總時間、縮短集材距離及合理確定運載量等幾個方面入手。本研究只是在兩種拖拉機集材的集材效率方面進行了分析，今后的研究工作則需要對兩種集材拖拉機對林地生態(tài)環(huán)境影響方面進行相應的研究和比較分析。

[1] 董希斌,付俊卿,孫劍鋒,等.人工林拖拉機集材與畜力集材效率的比較[J].東北林業(yè)大學學報,2005,33(6):116-117.

[2] 徐茂坤,董希斌,齊永峰,等.人工林滑道接運與畜力集材效率的比較[J].東北林業(yè)大學學報,2005,33(6):120-121.

[3] 張文琪,曹玉昆,蔣敏元.淺析影響拖拉機集材效率的因素[J].森林采運科學,1990(3):15-18.

Efficiencies of Tracked Tractor and Wheeled Tractor Skidding for Northeast Forest Plantations/

Lin Wenshu, Yang Deling, Wang Lihai, Xu Huadong

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-99～103

Forest plantation; Tracked tractor; Wheeled tractor; Skidding operation; Efficiency

林文樹，男，1980年5月生，森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，副教授。

王立海，森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，教授。E-mail:lihaiwang@yahoo.com。

2013年9月4日。

S782.25

1) 林業(yè)公益性行業(yè)科研重大專項(201104007)。

責任編輯：戴芳天。