道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機的研究與分析

尼姝麗， 薛國磊， 王述洋， 高宇博， 趙利銘

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

隨著經濟的快速發展，我國道路建設面積越來越廣，道路綠化樹木的養護工作成為擺在園林工作者面前一個亟待解決的問題。目前，我國道路綠化樹木養護仍然由人工作業，存在勞動強度大、安全性差等缺點[1]。尤其是修剪樹木的殘枝及路旁的枯枝斷葉由于運輸困難，得不到及時處理而造成資源浪費和環境污染等問題，所以，實現殘枝的資源化利用，具有很高的經濟價值。為了提高道路樹木修剪的效率、降低勞動強度、增強作業的安全程度，解決修剪樹木切下的樹枝及落葉的浪費問題，該研究提出一種道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機，該機集修剪、噴藥、削片多個功能為一體，實現了道路樹木養護的機械化，改變以往手工作業方式，在經濟和效率上具有很高的價值。

1 道路綠化樹木修剪及剩余物制片的相關技術國內外發展現狀

隨著園林機械的快速發展，國內外樹木修剪機械也進入了迅速發展的時期。目前，樹木修剪機械主要包括鋸、剪、伐木聯合作業機等，通過圓鋸、鏈鋸和剪等方式對樹木進行修剪、整枝。目前主要使用的機械設備是汽油動力鏈鋸(簡稱油鋸)、采伐聯合作業機和輕便動力打枝機，有時也借助高空作業車、梯架和自動升架臺進行高大樹木修剪作業[2]。

1.1國內外高枝修剪機的發展現狀

1.1.1國外高枝修剪機的發展現狀。國外樹木修剪機械研究起步較早。自從20個世紀初德國斯蒂爾(STIHL)公司制造出第一臺油鋸，油鋸在歐美、荷蘭、日本等國家迅速發展起來。目前，國外油鋸的主要生產廠家有德國斯蒂爾(STIHL)、日本的愛麗斯(ARS )、小松、和瑞典的胡期華納等公司，它們生產了高枝鋸多以汽油機作為液壓傳動的動力，帶動鏈條鋸工作，鋸徑可達20 cm，修剪高度可達5 m，但是造價高、維修困難。美國和瑞典等國家在魚頭鋸的基礎上增加一系列輔助機構和伸縮工作桿件等，制造出手動無動力整枝機，作業高度可達6 m，是一款造價低、工人素質要求也較低的實用經濟型機器，但其存在夾鋸、勞動強度大、效率低和容易斷鋸等缺陷[3]。此外，意大利和瑞典采用自動升降臺進行高枝修剪，例如，意大利的薩斯馬升降臺可以水平方向最大伸出長度可達到7.5 m，最大起升高度是6 m。

1.1.2國內高枝修剪機的發展現狀。我國在1950年以前仍主要采用斧頭、彎把鋸、伐木鋸等人工對樹木采伐、修剪。直到20世紀70年代，才開始使用油鋸代替人工作業。隨著科技不斷進步，相關機構研發制造了一些適于高枝修剪的機動機械，主要由背負式可調高枝修剪機、多功能高枝修剪鋸、便攜式液壓剪枝機、車載式立木式整枝機、修剪整形自動升降臺。例如孫坤龍、喬弘等設計的5XY-5便攜式液壓剪枝機，剪枝直徑可達30 mm，剪枝高度5 m[4-5]；一些以小型汽油機為動力通過軟軸傳動帶動鋸鏈或圓鋸片工作的背負式可調高枝修剪機、多功能高枝修剪鋸，這些機器勞動強度大、消音效果差、噪聲大等；華南熱帶作物機械研究所設計制造的3GS-8型修剪整形自動升降臺，工作臺升起的最大高度是8.5 m，修剪工人可以通過操縱安裝在工作臺上的換向閥手柄，保證作業安全，提高工作效率和作業質量；南京林業大學研發設計了車載式高枝修剪機(其主要參數如表1)[6]，卸去高空作業車上作業斗，在機械臂的端部安裝液壓修剪裝置對樹木進行修剪。雖然我國高枝修剪機械種類很多，但是由于功能比較單一、造價較高、操作困難、勞動強度大等原因，未得到廣泛利用。

表1 車載式高枝修剪機主要參數

1.2國內外伐木聯合作業機的發展現狀采伐聯合機是一種包括伐木、打枝、造材等工序的高性能的多功能木材生產機械。1940年備洛特聯合采伐機(BelnitHarvester)開始研制，并且在隨后20年的時間里生產出樣機，實現了在林間伐木、打枝、截稍、歸堆等多種功能。隨著人們對采伐聯合機的研究不斷加深，備洛特聯合采伐機逐漸被The Kochring型短原木聯合采伐機所代替，The Kochring型聯合采伐機的功能更加齊全，能進行伐木、打枝、截稍、造材、裝車、轉運等作業。隨著社會的進步，勞動力的減少，歐美、瑞典、芬蘭、日本、俄羅斯等林業大國，加強對多工能聯合采伐機的研制水平，生產出多種品牌的聯合作業機[7-8]。目前，國外伐木聯合作業機主要由輪式和履帶式兩種形式，其中輪式代表機型(圖1)主要有美國John Deere公司生產的1070E，芬蘭Ponsse公司生產的Bear，日本Komatsu公司生產的輪式聯合機等；履帶式主要代表機型(圖2)有美國John Deere公司生產的703JH，日本Komatsu公司生產的履帶式聯合機等。此外，芬蘭Plusteeh公司設計制造的世界首臺“步行技術”的六腿式林業多工序作業機，其越障能力較強，利用多腿協同動作功能，不僅可向前或向后行走，還可側向、斜向和拐彎行走，各腿的動作由智能型實時控制系統進行自動控制。

圖1 輪式采伐聯合機

圖2 履帶式采伐聯合機

國內關于采伐聯合機的研究起步較晚。20世紀80年代，從芬蘭VOLVO公司引進了3臺一套882KK伐木歸堆、880S打枝造材配合機、S-10抓鉤集材機，并且在吉林汪清林業局、廣東雷州林業局等地進行了生產試驗，但是由于成本高、效率低等原因，未能在我國得到推廣應用。但是針對采伐聯合機的研究一直在持續研究，最近幾年，東北林業大學陸懷民教授在國家863項目支撐下，研發了一款適合山地林間作業的采伐聯合機(其結構簡圖如圖3)。該機能夠完成伐木、打枝、量材、造材等多個工作，具有機動靈活，轉彎半徑小，結構緊湊等優點。但是其動力需求高達170 kW，能量消耗大，不適合公路樹木修剪。

注：1．伐木頭；2.伸縮臂；3.副臂；4.連桿；5.搖桿；6.拉桿；7.副油缸；8.推桿；9.主油缸；10.立柱；11.底座；12.后推油缸；13.前橋底盤總成；14.后橋駕駛室整體總成；15.主臂。圖3 采伐聯合機結構示意

總體來說，我國在樹木修剪機械化程度，與國外相比仍然存在很大差距，各種機械的研制還處于初級探索階段。

2 道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機的研究

綜上所述，根據目前道路綠化樹木修剪和剩余物處理技術的發展現狀，在滿足生產能力和加工條件下，提出一種道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機,主要由修剪系統、液壓多自由度伸縮臂、小型削片機、離心式噴霧機等組成，該聯合機適合在城鎮道路、城鎮園林作業，集樹枝修剪、采伐、收集、制片等多個功能為一體，同時更換不同的裝置，可以實現噴藥、灑水等作業。道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機僅需要一人對機器進行操作，工作簡單，勞動強度小，在高空對樹木進行修剪，整個修剪過程無需人手工操作。修剪完后，該機可以現場對修剪后的剩余物進行處理，處理后的木片運輸更加方便，具有很高的社會效益和經濟效益。

2.1社會效益該機配備一臺小型削片機，可以現場對修剪樹木切下的樹枝及落葉進行粉碎，粉碎后產生的碎片可以用于園林床基、生產燃料棒、生產有機肥料、生產食用菌，也是生產密度板、刨花板、造紙的上好原料。該設備將原來難以消納的大量綠色垃圾變廢為寶，創造出新的經濟價值，同時樹枝粉碎后體積為原來的1/10，可以節約大量的運輸費用，減少道路上樹枝存放站地空間，清潔環境衛生，減輕污染，創造了良好的社會效益。

2.2經濟效益道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機最大的優點可以一人一機完成多種作業，可以修剪高大樹木，修剪的剩余物就地處理，節省了勞動力，提高作業效率，大大降低了作業成本。目前，道路綠化樹木修剪主要采用人工作業，需要爬樹鋸枝、路上修剪后的樹枝裝車、清理打掃道路，同時在整個修剪的過程中還需要升降機的“園林搶險車”把人升到高處進行修剪作業和運輸車運送樹枝，至少需要5～10人完成任務，人工費用150元/天。從表2可以看出，道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機具有很高的經濟效益。

表2道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機與傳統道路綠化樹木養護方式對比

作業方式所需設備設備數量∥輛設備價格元/輛人工數目∥人樹枝收集難易傳統作業方式升降機的“園林搶險車”1151 000.005～10困難運輸車113 500.00機械化作業樹木修剪制片聯合機1140 000.001～2容易

3 結語

目前樹木修剪機械種類多樣，大多仍然需要手動操作，而且適宜道路樹木修剪的機械較少，該研究提出一種道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯合機，具有功能實用、結構簡單、操作容易、安裝移動靈活、易于維護等優點，并通過社會效益和經濟效益分析可知，該機具有很高的實用價值和市場前景。

[1] 賈啟明，馬秀娟，張大海.關于城市高大樹木修剪機械化的探討[J].遼寧林技，2001(3):43-44.

[2] 王乃康，茅也冰，趙平.現代園林機械[M].北京:中國林業出版社，2001.

[3] MOUSTAFA A F.Design and development of a date palm pruner[J].Emirates Journal of Food and Agriculture,2005,17(2):41-47.

[4] 辛繼紅，湯興初，全臘珍，等.背負式可調高枝修剪機的研制[J].湖南農業大學學報：自然科學版，2003，29(1):63-67.

[5] 孫坤龍，吳永清，喬弘，等.便攜式液壓剪枝機的設計與研究[J].南京林業大學學報，1994(2):65-68.

[6] 鄒運梅，謝清明，全臘珍，等.高枝剪切機的研制[J].林業機械與木工設備，2006，34(1):19-21.

[7] Canadian Forest Service.Canada’s forests,Canadian forestry roles&responsibilities,public ownership[R].2005.

[8] Asia-pacific Forestry Commission.Regional strategy for imple-menting the Code of Practice for Forest Harvesting in Asia-Pacif-is[R].Jakarta ,Indonesia: Center for International Forestry Re-search (CIFOR),2000.