竹藤装备 | 竹材集材关键技术装备研究现状

竹子是一种资源丰富、产量稳定、可再生、成材快的生物质资源。 据 国家林业和草原局 统计， 2018 — 2019 年我国大径竹（直径≥ 5cm ）产量已连续 2 年突破 30.0 亿根， 2021 年已达 32.6 亿根，可替代 5 000 多万 m³ 的木材，弥补我国 10% 的木材缺口。丰富的竹林资源是我国竹产业发展的先决条件。

竹产业是事关我国民生与生态建设的重要林业产业之一，研究开发竹材集材关键技术装备是社会与林农的迫切需要，也是精准扶贫、乡村振兴、促进农村第一、二、三产业融合发展的一项基础性工作，具有非常深远的现实意义。近年来，随着林权制度改革的深入，为实现竹林集约经营，将细碎化的农户竹林通过流转整合成大型竹林场已成为现代竹林经营的趋势，各竹产区竹林场（竹林合作社）大量兴起。受限于劳动力稀缺、竹林场传统经营模式落后等原因，现代竹林场的经营发展和竹产业转型升级受到严重制约。我国各大竹产区均具有较为丰富的竹林资源，但这些竹林资源多分布在地形不规则、地势落差大的丘陵地区，竹林资源使用率较低，再加上劳动力成本高，生产经营设备简陋，机械化、自动化、智能化程度低，严重制约了竹林场的可持续经营，急需研究开发竹材集材关键技术装备。 本文在分析我国竹林场经营面临问题的基础上，综述了国内外竹材集材关键技术装备的研究现状，提出竹材集材技术装备的发展方向，以期为提高我国竹材采伐和运输的机械化水平提供参考。

竹林场经营面临的问题

随着城市化进程加快，大量劳动力向城市聚集，造成乡村劳动力稀缺，乡村留下的多是老妇幼人群，无法从事劳动强度较大的竹林经营，导致我国各竹产区大量竹林荒废，竹资源闲置浪费，严重影响竹林资源的发展和利用。另外，农村劳动力成本的增加，大大提高了竹材原料成本，压缩了竹材加工企业的效益，影响下游竹材工业产业链的可持续发展。

在我国竹林场多位于地形不规则、地势落差大的丘陵地区或山区，土地使用效率低。同时，竹林区林间道路建设滞后，受林区坡地和沟渠限制，很难开展规模化、集成化作业。长期以来，竹材运输主要通过人力将捆绑好的竹材运至山下，这种传统的竹材运输方式劳动强度大，从业者安全得不到保障，生产效率低下且长期得不到提升，严重影响竹林生长质量和资源合理利用。

林业为国家公益性行业，竹林资源是重要的林业资源。相对于其他机械行业，竹工机械装备制造行业尤其是竹林场经营技术装备利润较低，国家和社会重视程度不够。资金投入严重不足、投入增长缓慢已成为制约竹工机械装备制造行业发展的瓶颈。同时也缺乏吸引人才的环境和机制。目前，竹工机械装备制造技术绝大部分来源于对木材加工机械的模仿与借鉴，缺少针对竹材本身生长特性的机械产品，更缺少对竹工装备的应用机理、设计理论的研究，试验设施不健全，设计手段落后，试验数据极度匮乏。

竹林场经营关键技术装备的基础理论研究薄弱。虽然通过不断借鉴、消化、吸收木材采、集、运机械或其他机械行业中具有代表性的先进机型，形成了一些竹林场经营关键技术装备，但设备质量一般、质量不稳定、产品单一，或者仅适合小规模竹林场经营，无法适应较大竹林场的作业需求；在竹林场经营过程中，竹材利用率低、耗能高，作业人员安全性得不到保障。竹林场经营技术装备缺乏自主创新体系。

随着科技进步和竹林场集约化经营时代的到来，机械化经营成为新时代竹林场经营的必然发展方向。研究开发伐后竹材机械化集材和运输关键技术装备是促进竹资源集约经营利用、发展我国竹产区大产业、提高竹农经济收入的重要途径，也是实现标准化、集约化生产，提高资源利用率、降低生产成本的重要保障，对于提高竹林场竹产业附加值、实施乡村振兴战略、推进农村一二三产业融合发展，都具有重要意义。

国内外竹材集材技术装备研究现状

由于竹资源分布的原因，国外发达国家未对竹材集材技术装备进行深入研究。国内对于竹材集材技术装备的研究还处于初级探索阶段。

我国是竹资源分布大国，在竹材加工技术领域处于全球领先地位，相关的装备技术也相对领先，竹业机械处于“国际绝对领先，技术相对落后”的地位。国外在木材集材设备方面远远领先于竹材。竹材的集材作业还停留在传统作业阶段，即采伐后由人工搬运、背运、收集。部分国家曾尝试采用较为先进的往复式油锯进行伐竹作业，但伐竹后的集材作业受限于竹林地形环境，依旧通过人力或者畜力集材。因此，竹材集材方式费时费力、效率低，严重制约着下游产业的发展。

由于对竹子的特性和用途缺乏认识，加之大部分产竹国基础设施与配套技术落后，国外绝大部分竹林尚未开发，竹子作为加工材料的开发利用非常有限。同时由于缺乏管理和维护，大部分竹林处于荒废退化状态。在非洲，大部分竹林属国家或州所有，多位于保护区内，严格控制开发利用，一定程度上也制约了竹林场的机械化经营。总体而言，竹材加工机械整个行业是落后的，竹工机械制造研发能力还处于起步阶段，科技能力不仅远远滞后于其他机械加工行业，而且也落后于木材加工机械。受限于此，对于竹材的机械化集材也无从谈起。

我国早期竹林间集材作业受限于场地因素，主要依靠人力或者畜力集材搬运，作业方式费时费力、效率低（图 1 ）。

我国于 1950 年中期引进国外索道集材系统，并在此基础上相继研制出 BTY-1.5 型索道、 ST-2 型索道集材系统、 J3 绞盘机等。现行的竹材林间运输设备主要是借助于木材索式输送机、轨道式输送机、带式输送机等机械设备，但设备运行效果不稳定，安全得不到保障。目前国内还尚无一款成本较低、可靠性高、运行稳定、安全系数高、具有较强作业能力且适用于竹材集材的技术装备，但已有一些竹材采伐企业开始尝试使用改装后的长臂吊车对伐后竹材进行集材归拢。

浙江省一家竹材采伐企业将臂架式混凝土泵车改装为竹材集材吊装车，大大提高了竹材集材效率。其液压折叠式臂架具有变幅、折叠和回转功能，可以在臂架所及范围内灵活进行集材作业。目前安装在汽车混凝土泵车上最大的臂架可伸展到 60 m 以上高度、 50 m 以上幅度，在一定范围内满足了竹林场中的集材作业需求。同时，吊装车具有机动灵活和转移方便等特点，可根据待伐竹材的位置和生长特性进行针对性的集材作业。

该集材吊装车的集材流程为：首先将吊装车开进竹林场中，停放在较平坦的密实地面上，为防止自动滑行，吊装车的前、后支腿下部垫以厚木板，使每条支腿均匀受力；停稳后使吊装车的 2 个前轮着地，以减轻前支腿油缸的负荷，同时增加吊装车的稳定性；根据待砍伐竹子的位置，地面操作人员使用遥控器控制液压折叠式臂架至指定位置（图 2a ），由伐竹工人使用臂架末端的若干根钢索将待伐竹子捆牢（图 2b ）；然后由伐竹工人伐竹（图 2c ），将所有待伐竹子都已砍伐完毕后，操作人员控制臂架将伐后竹材集材至空地或运输车上（图 2d ），以待竹材运输。由此便完成了 1 次伐后竹材的机械化集材过程。

竹材集材可借鉴的木材集材技术装备

木材集材是伐木作业的关键环节之一。木材集材方法主要有畜力集材、人力集材、机械集材、索道集材和绞盘机集材、滑道集材、空中集材。目前竹材集材借鉴了木材的部分集材方法，较为常用的是蓄力集材、人力集材和滑道集材，也出现了类似木材空中集材的方式——无人机空中集材，但尚未在实际竹林经营中推广应用。在实际木材集材现场，往往是某一种集材方法为主、多种集材方法辅助的集材作业模式。在竹材集材作业中也可采用多种集材方法配合的模式，以提高竹材集材效率。

在木材集材过程中所使用的装备即为木材集材装备。木材集材装备主要包括森林采伐联合机、集材拖拉机、集材索道、索道绞盘机、索道跑车、装车绞盘机等设备。按坡度划分， 25° 以下的丘陵及平原较多采用集材拖拉机， 25° 以上的山地林区主要使用架空索道进行集材作业。森林采伐联合机是一种高性能的现代林业机械，集材拖拉机是世界范围内使用最广泛的集材设备。竹材集材可借鉴森林采伐联合机和集材拖拉机。

森林采伐联合机是一种可一次性独立完成伐木、打枝、造材、截梢和材积自动统计等多种作业功能的自行式联合采伐装备。 20 世纪 60 年代，美国、瑞典、芬兰、加拿大和前苏联等国家陆续研制出了各具特色的作业联合机，并应用于木材生产和营林抚育作业。目前较为先进的采伐联合机是芬兰公司研发的六腿式林业多工序作业机，该机首次采用了“步行技术”，大大提升了作业机在林间的通过性。通过多腿协同动作功能可实现前、后、侧、斜向行走，即使在困难地形也具有较强的通过性；该机的传动系统和伐木装置均采用液压传动；智能实时控制系统可对 6 条腿进行控制，以保障各腿的协调统一；无需清除障碍物该机即可轻松跨越，在跨越的同时可自动调整位姿以保持设备整体的平衡。步行式采伐联合机的特殊行进方式将作业对森林土壤的损伤降到了最小，有效保护了森林生态环境。

集材拖拉机是林区用于集材作业的专用拖拉机，具有较高的通过性和机动性，并有专门的集材装置。其基本结构及原理与普通拖拉机相似。按行进方式分为履带式和轮式 2 类。集材拖拉机在我国东北林区应用较为广泛，主要有 J-50 拖拉机、轮式 J-80 拖拉机、东方红 -75 等。 J-50 拖拉机是我国林区的主要集材设备，作业时需要 3 人，司机、助手和集材员各 1 人，集材距离小于 500 m 时台班产量在 40 m ³ 左右。 J-50 拖拉机不足之处是其噪声大，驾驶室内冬冷夏热，行走系统经常出现脱轨现象。

讨论与展望

目前全自动联合采伐机在我国林场应用较为常见，其可实现木材的砍伐、截断、集材等多种功能。在木材全自动联合采伐机的基础上，周中华等 研制了毛竹联合采伐机，与木材全自动联合采伐机相似，其行走机构采用由轮胎和可拆卸履带组成，可在一定程度上适应竹林场复杂的地形。采伐机通过夹持装置夹紧待伐竹，接着启动切削刀对待伐竹进行砍伐；伐后的竹材顺势被机械臂移动至采伐车一侧的传送通道，进行自动化打枝和截梢处理。毛竹中空带有竹节的特殊生理结构与木材的实心结构有着本质的区别，不同年龄和不同部位毛竹的环刚度一般为（ 80~180 ） kN/m² ，大于 QB/T 1916-2004 标准中给出的 SN16 级。如毛竹联合采伐机的加持装置与所加持的竹材的接触面积为 1 m ² 时，竹材所能承受的加持力为（ 80~180 ） kN 。因此在设计加持装置的加持力时要考虑竹材的环刚度，否则竹材会被夹爆，影响竹材后续的深加工。

前文所述的竹材集材吊装车在竹林场现场作业中也暴露出了一些缺点，较为突出的是臂架末端的钢索捆绑待伐竹子时耗时费力，人工参与度过高，且承受臂架向上拉时钢索较易崩开，不仅大大降低集材效率，还会导致集材作业安全事故。因此，需研制一套高效、通用、普适型的加持机械手，以实现快速高效的竹材吊装集材。 在设计加持机械手时同样要考虑竹材的环刚度。 加持机械手安装在竹材集材吊装车臂架末端，其需具备夹持、集材 2 个功能：夹持，需快速、便捷的夹持固定待伐竹子，为伐竹提供稳定的基础条件，且可方便卸载竹材，为竹材集材吊装车的臂架的高效集材提供保障；集材，通过夹持机械手稳定的夹持，配合竹材集材吊装车的臂架的灵活延展，实现伐后竹材的高效集材作业。

随着竹材加工业的快速发展，各竹材加工厂对于竹材原料的需求日益增加。研究开发竹材集材关键技术装备是解决竹材采伐人工成本高、机械化程度低的问题的关键，也是避免资源浪费和提升竹林场集约化经营的有效举措。 目前，国内对竹材集材关键技术装备的研究开发还处于起步阶段，许多研发仅停留在试验样机阶段，还未形成规模化、工业化生产。未来对竹材集材关键技术装备的研究应借鉴木材集材装备技术，加大研发力度，尽早开发出适用于竹材的集材装备，同时国家对竹业装备应给予重点扶持，不断提高竹产业的机械化水平，促进我国竹资源集约化经营利用，提高竹农经济收入，助力乡村振兴。