2* 傅萬四 張 彬2 蔣鵬飛 常飛虎

(1.國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京 100029；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

中國竹材資源豐富，竹子種類約占世界的三分之一，竹林面積和竹林蓄積量居世界首位。隨著部分木材出口國和中國木材禁伐令的發(fā)布，中國木材供不應(yīng)求的趨勢(shì)變得更加明顯。竹材有著生產(chǎn)周期短、材質(zhì)高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、食品、造紙、家具、園藝等領(lǐng)域，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，是木材很好的替代品。但受限于中國勞動(dòng)力減少、原材料成本上升、傳統(tǒng)經(jīng)營模式落后、竹材資源利用率低等因素，傳統(tǒng)竹林場(chǎng)的經(jīng)營發(fā)展和竹產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)受到嚴(yán)重制約，研發(fā)竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)裝備，加速實(shí)現(xiàn)竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營是社會(huì)與林農(nóng)的迫切需要，對(duì)促進(jìn)鄉(xiāng)村竹產(chǎn)業(yè)振興，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)扶貧，推動(dòng)農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營定義及意義

1.1 竹林場(chǎng)全程機(jī)械化定義

竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營即依托現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)竹材采伐機(jī)械化、竹筍采收智能化、竹材運(yùn)輸自動(dòng)化、竹材備料加工連續(xù)化的現(xiàn)代新型經(jīng)營模式。

1.2 推廣竹林場(chǎng)全程機(jī)械化的意義

竹產(chǎn)業(yè)作為事關(guān)民生與生態(tài)建設(shè)的重要林業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，推動(dòng)全程機(jī)械化進(jìn)程對(duì)現(xiàn)代竹林場(chǎng)經(jīng)營有著極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2.1 降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)竹材產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展

隨著中國城市化進(jìn)程加快，大量勞動(dòng)力向城市匯集，從事竹林經(jīng)營活動(dòng)的勞動(dòng)力越來越少，導(dǎo)致大量竹林荒廢，嚴(yán)重影響竹資源的開發(fā)和利用。此外勞動(dòng)力成本的增加也大幅提高了竹材原料成本，降低了竹材加工企業(yè)的效益，影響竹材下游產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展。推動(dòng)全程機(jī)械化將大幅降低生產(chǎn)成本，提高竹材資源開發(fā)率，推動(dòng)竹產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村竹產(chǎn)業(yè)振興[2]。

1.2.2 大幅提高機(jī)械化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度

中國竹林場(chǎng)多在地形不規(guī)則、地勢(shì)落差大的丘陵地區(qū)或山區(qū)，林間道路建設(shè)滯后，難以開展規(guī)?；鳂I(yè)。傳統(tǒng)的竹林場(chǎng)經(jīng)營模式落后，勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工效率低，勞動(dòng)安全得不到保障，嚴(yán)重影響竹林生長質(zhì)量和資源的合理利用[3-4]。推動(dòng)竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營將真正實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”，利用現(xiàn)代化設(shè)備采收竹材和竹筍，再集材運(yùn)輸至山腳就地初加工，實(shí)現(xiàn)從手工經(jīng)營向機(jī)械化經(jīng)營的飛躍，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全系數(shù)，完成竹材和竹筍的采收、運(yùn)輸、就地初加工全程機(jī)械化，提高竹產(chǎn)業(yè)附加值[5]。

1.2.3 創(chuàng)新新型竹林場(chǎng)經(jīng)營模式

隨著科技進(jìn)步和竹林集約化經(jīng)營時(shí)代的到來，全程機(jī)械化經(jīng)營成為中國現(xiàn)代竹林場(chǎng)經(jīng)營的必然發(fā)展方向，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)原材料(原竹、竹筍)產(chǎn)出到現(xiàn)代初產(chǎn)品(規(guī)格竹片、竹筍制品)產(chǎn)出的轉(zhuǎn)變。竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營是促進(jìn)竹材資源集約經(jīng)營利用，發(fā)展竹材大產(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)竹林場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化集約化生產(chǎn)、提高機(jī)械化作業(yè)水平、降低生產(chǎn)成本、提高竹資源開發(fā)率的重要保障[6-9]。

2 國內(nèi)外竹類資源開發(fā)研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

歐美國家在木材的采伐、集材、初加工等領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位，但受限于竹材資源分布等原因，在竹材采伐、集材、初加工方面研究很落后。由于竹材本身特殊的生長結(jié)構(gòu)及地形條件制約，竹材的采運(yùn)作業(yè)還停留在傳統(tǒng)作業(yè)階段，人工完成伐竹和運(yùn)輸作業(yè)。國外發(fā)達(dá)國家曾嘗試采用先進(jìn)的往復(fù)式油鋸伐竹，但竹材表面存在蠟質(zhì)層，導(dǎo)致伐竹效果不理想。竹產(chǎn)區(qū)國家的集材作業(yè)主要是人力或者畜力搬運(yùn)，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。由于缺乏對(duì)竹子特性的研究，加之配套基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)落后，國外絕大部分竹林尚未開發(fā)，竹材應(yīng)用有限。同時(shí)竹林場(chǎng)缺乏經(jīng)營管理，大部分竹林處于退化狀態(tài)，無法正常利用。在非洲，大部分竹林位于自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，屬國家或州所有，受政府的嚴(yán)格控制，一定程度上制約了竹林機(jī)械化經(jīng)營[10-11]。國外竹工機(jī)械行業(yè)較為落后，竹材加工長期處于半機(jī)械化作業(yè)水平，竹工機(jī)械制造研發(fā)能力尚處于起步階段，科技能力遠(yuǎn)滯后于其他機(jī)械加工行業(yè)，竹林場(chǎng)的機(jī)械化經(jīng)營也無從談起[12-14]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國竹工機(jī)械研究較早，竹林場(chǎng)經(jīng)營模式領(lǐng)先于國外。但國內(nèi)竹工機(jī)械的科技含量、機(jī)械化和智能化程度均落后于國外木工機(jī)械，竹材方面研究也存在較大不足。

2.2.1 竹材的采伐現(xiàn)狀

我國傳統(tǒng)竹材采伐多由人工竹刀劈砍完成，采伐過程勞動(dòng)強(qiáng)度較大，且竹材斷面不規(guī)則，采伐竹材斷口處5 cm以上的材料無法利用，嚴(yán)重影響竹材的利用率，同時(shí)也增加了后期加工難度。

隨著竹材加工業(yè)迅速發(fā)展，不少研究人員提出將伐木用的油鋸用于竹材采伐，但由于竹材表面存在蠟質(zhì)層，油鋸工作時(shí)易跑刀進(jìn)而造成危險(xiǎn)。也有不少研究人員提出將伐木用的集多種功能于一體的聯(lián)合采伐機(jī)用于采伐竹材，但受限竹材本身較脆、抓取力過大易劈裂、機(jī)械抓取裝置難以夾緊等問題，采伐效果不理想，且竹林生長雜亂無序，大型機(jī)械裝備難以進(jìn)入，不適合利用聯(lián)合采伐機(jī)伐竹。姚文斌等人[15]提出一款液壓竹子采伐機(jī)，采用液壓動(dòng)力源，利用對(duì)剪式剪刀口采伐，斷面較為平整。但該設(shè)備只適用于小直徑竹類，大徑級(jí)竹材無法徹底剪斷，且竹斷面剩余量較多，造成大量原材料的浪費(fèi)。張振宇[16]提出了一款自走式竹材采伐機(jī)，采用組合圓鋸的采伐方式，適于采伐多種徑級(jí)的竹材，可在林地條件下連續(xù)行走，但該竹材采伐機(jī)還處于理論研究階段。中國目前竹材采伐勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工成本高、效率低，沒有適合竹材采伐的高效機(jī)械裝備。

2.2.2 竹筍的采收現(xiàn)狀

竹筍為禾本科竹亞科植物，苦竹、淡竹、毛竹等的嫩苗，是具有很高營養(yǎng)價(jià)值的“天然保健食品”，市場(chǎng)需求大[17]。竹筍生長在地下，肉眼難以發(fā)現(xiàn)，目前竹筍的采收全由人工經(jīng)驗(yàn)定位、人工挖取，運(yùn)氣成分高，有經(jīng)驗(yàn)的竹農(nóng)一天能采收竹筍幾十斤，但沒有經(jīng)驗(yàn)的新手采收竹筍不僅采收效率低，而且胡亂采挖會(huì)對(duì)竹林生態(tài)造成巨大破壞。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的大量流失，青壯年從事竹筍采收行業(yè)的越來越少，現(xiàn)竹筍采收人員平均年齡普遍超過50歲，勞動(dòng)強(qiáng)度大，采收效率低，急需開發(fā)現(xiàn)代化的竹筍精確定位裝備和采收裝備。

2.2.3 林間集材現(xiàn)狀

早期林間集材作業(yè)受限于場(chǎng)地因素，主要依靠人力或者畜力搬運(yùn)，作業(yè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低。我國于20世紀(jì)50年代中期引進(jìn)國外索道集材系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上相繼研制出BTY-1.5型索道和ST-2型索道集材系統(tǒng)、J3絞盤機(jī)等[18]。現(xiàn)行竹材的林間運(yùn)輸設(shè)備多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)械裝備，但運(yùn)行效果不穩(wěn)定，生產(chǎn)安全得不到保障。

傳統(tǒng)的林業(yè)集材索道支架大多選用伐區(qū)中的大樹，主索捆綁固定在大樹上，并通過適當(dāng)?shù)目囁骷庸?，但支架受很大的力矩作用，需較大樹木方可承受，而竹林場(chǎng)中常缺乏可作為支架的植被，且支架安裝拆卸轉(zhuǎn)移不方便，嚴(yán)重影響集材索道在竹林場(chǎng)中的推廣使用[19]。帶式和軌道式輸送機(jī)輸送能力強(qiáng)，輸送距離遠(yuǎn)，但該型輸送機(jī)占地面積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是軌道式輸送機(jī)在使用前需要鋪設(shè)相應(yīng)軌道，成本相對(duì)較高，不適于成本投入較低的竹林場(chǎng)，限制了此類輸送機(jī)在竹林場(chǎng)中的應(yīng)用。目前國內(nèi)急需研究一款成本低、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、安全系數(shù)高且具有較強(qiáng)運(yùn)輸能力適用于專業(yè)竹材林間運(yùn)輸集材的技術(shù)裝備[20]。

2.2.4 竹材備料加工現(xiàn)狀

目前竹材經(jīng)采伐集材運(yùn)輸至山下后，最普遍的利用方式是將竹材運(yùn)往竹材加工園區(qū)進(jìn)行定段、破竹、粗銑等一系列初加工，主要采用簡單的鋸竹、撞擊式破竹、手動(dòng)進(jìn)料粗銑的方式完成竹材備料加工。竹材定段工序中工人手持竹材放在鋸竹機(jī)的鋸片刀口處完成鋸切定段，安全系數(shù)低，生產(chǎn)安全得不到保障；竹材破竹工序需人工目測(cè)竹筒直徑更換刀盤，易造成原材料浪費(fèi)，同時(shí)破竹時(shí)需多名工人配合工作，加工成本高；竹材粗銑工序需人工手動(dòng)將破竹完成的竹片按竹青朝下、竹黃朝上的形態(tài)送入粗銑機(jī)中加工成規(guī)格竹片，重復(fù)動(dòng)作多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。整體加工過程需多臺(tái)單機(jī)設(shè)備、多道工序和大量人工配合工作，機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工效率低[21]。

由于國內(nèi)沒有實(shí)現(xiàn)竹林場(chǎng)的全程機(jī)械化經(jīng)營，竹子采伐集材后無法實(shí)現(xiàn)就地初加工，原竹運(yùn)往竹材加工園區(qū)大幅增加了運(yùn)輸成本和經(jīng)營成本，同時(shí)原竹運(yùn)輸難度大、易造成安全事故，此外竹材加工園區(qū)需大量場(chǎng)地堆放原竹，增加占地面積和使用成本，難以實(shí)現(xiàn)竹資源的高效節(jié)約利用和竹材高附加值加工利用。

3 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

加速推進(jìn)現(xiàn)代竹林場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化經(jīng)營需要優(yōu)先發(fā)展相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)中國竹產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義[22]，更好地發(fā)展現(xiàn)代竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營還需突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 機(jī)械化采伐技術(shù)

竹林場(chǎng)多在地勢(shì)環(huán)境較復(fù)雜的山區(qū)，開發(fā)難度大，研究開發(fā)適用于復(fù)雜地形的低成本便攜伐竹抱緊技術(shù)、快速采伐及設(shè)備自背負(fù)技術(shù)；研究開發(fā)復(fù)雜林區(qū)環(huán)境下連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制和自動(dòng)避障技術(shù)；研究開發(fā)對(duì)竹材隨機(jī)位置的準(zhǔn)確感知和信息處理，機(jī)械手的準(zhǔn)確定位，機(jī)械手精準(zhǔn)采伐和姿態(tài)控制技術(shù)；研究開發(fā)適合竹材特殊生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及能克服具有蠟質(zhì)層易跑刀問題的機(jī)械化竹材采伐技術(shù)[23]。

3.2 智能化采收技術(shù)

竹筍探測(cè)一直是行業(yè)發(fā)展的瓶頸，竹筍采收的相關(guān)研究較少，如何精準(zhǔn)快速探測(cè)竹筍成為重點(diǎn)研究方向，研究開發(fā)竹林場(chǎng)竹筍精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)；研究開發(fā)竹筍自動(dòng)化采收技術(shù)。

3.3 自動(dòng)化集材技術(shù)

竹材自動(dòng)化集材包括林間牽引集材和林區(qū)定點(diǎn)運(yùn)輸，基于竹林場(chǎng)林地環(huán)境和竹材生長分布不均勻的現(xiàn)狀，研究開發(fā)林間竹材牽引集材自動(dòng)行駛、高通過性、強(qiáng)越障性裝備技術(shù)；研究開發(fā)林區(qū)竹材定點(diǎn)運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力、車架行走、承載索及主索互鎖制動(dòng)、起重及能量轉(zhuǎn)化裝備技術(shù)。

3.4 連續(xù)化備料加工技術(shù)

竹材備料加工包含竹材定段、破竹、粗銑三大工序：研究開發(fā)竹材自動(dòng)定段技術(shù)，通過鋸片將竹子沿徑向鋸成一定長度竹段，竹段小徑末端與最近間竹節(jié)距離大于5 mm用于破竹定心；研究開發(fā)竹材自動(dòng)破竹技術(shù)，根據(jù)竹段直徑大小采用破竹刀盤將定段之后的竹段沿纖維方向破成統(tǒng)一規(guī)格的竹片；研究開發(fā)竹材自動(dòng)粗銑技術(shù)，采用銑刀將竹段破竹后的竹條進(jìn)行四面銑削加工成一定規(guī)格的竹片。

連續(xù)化竹材備料加工即實(shí)現(xiàn)竹材定段、破竹、粗銑加工連續(xù)化，通過自動(dòng)上料系統(tǒng)將原竹送入自動(dòng)定段設(shè)備，將原竹鋸切成一定長度的竹筒，隨后通過傳輸機(jī)構(gòu)將竹筒送入自動(dòng)破竹設(shè)備進(jìn)入破竹工位。根據(jù)竹筒小端直徑選擇不同破竹刀盤進(jìn)行破竹，隨后桁架機(jī)械手抓取完成破竹工序的竹片按厚度分揀歸類，然后進(jìn)入翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將竹片調(diào)整為竹青朝下竹黃朝上的形態(tài)，最后送入自動(dòng)粗銑設(shè)備加工成不同厚度規(guī)格的竹片完成竹材備料加工。實(shí)現(xiàn)連續(xù)化竹材備料加工將大幅提高自動(dòng)化、機(jī)械化加工水平，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

3.5 現(xiàn)代竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營模式

基于傳統(tǒng)竹林場(chǎng)經(jīng)營現(xiàn)狀的分析與研究，創(chuàng)新經(jīng)營裝備結(jié)構(gòu)形式和工作原理，確定適合現(xiàn)代竹林場(chǎng)經(jīng)營裝備主體結(jié)構(gòu)類型，創(chuàng)新適配的竹林種植模式和宜機(jī)化改造模式。在實(shí)現(xiàn)竹材采伐機(jī)械化、竹筍采收智能化、林間運(yùn)輸自動(dòng)化、竹材備料加工連續(xù)化的基礎(chǔ)上，從工藝流程、技術(shù)要點(diǎn)、作業(yè)規(guī)范、裝備研發(fā)選配等方面對(duì)傳統(tǒng)竹林經(jīng)營模式進(jìn)行大力技術(shù)改造，總結(jié)形成適于推廣的中國現(xiàn)代竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營模式。

4 小結(jié)

本文通過對(duì)當(dāng)前國內(nèi)竹林場(chǎng)經(jīng)營的現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行分析，剖析了竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營的發(fā)展?jié)摿?，并結(jié)合當(dāng)前林業(yè)機(jī)械發(fā)展形勢(shì)提出了竹林場(chǎng)全程機(jī)械化經(jīng)營模式，詳述了需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。竹林場(chǎng)經(jīng)營模式向機(jī)械化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)型成為中國未來竹林場(chǎng)經(jīng)營的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，將對(duì)竹林場(chǎng)現(xiàn)代化發(fā)展和竹產(chǎn)區(qū)的鄉(xiāng)村振興起到積極的推動(dòng)作用。