園林機械新裝備在苗圃應用中的適用性研究

沈 琳

(上海上園苗木有限公司,上海 200023)

園林機械指用于園林生產、施工和養護的各種機械設備,適用于樹木挖掘、種植、移植、修剪整形和病蟲害防治等。 隨著全國園林建設的蓬勃開展,我國園林綠化工作逐漸由單一的人工作業向半機械化、機械化、自動化過渡,園林機械也經歷了從無到有、從小到大、從簡單到復雜的發展階段[ 1]。 我國“十三五”期間園林機械供應國際市場的產值從20 億美元逐步增加到25 億美元,用于園林綠地建植和養護的設備由20%左右增加到50%以上[ 2]。 從實際應用來看,挖坑(穴)機、植樹機、樹木移植機和綠籬修剪機等園林機械的類型比較多[ 3],用于修剪整形、病蟲害防治和灌溉的中小型機械,由于價格不高、攜帶方便且使用頻次高,容易被國內園林企業和操作工人接受。 隨著挖樹機、高空作業平臺等園林機械的應用,修剪類機械、移植類機械、土壤翻耕類機械等常用園林機械也逐漸向操作便捷性、功能多樣性、高效節能性、設備智能化等方向發展[ 4]。

園林綠化是一項長期性的社會基礎設施工程,往往需要投入大量的人力、物力、財力。 目前,大多數發達國家的城市綠化建設及養護實現機械作業[ 5-8],現代化苗圃常常以機械化、標準化的樹木種植和管理技術來有效降低人工成本,例如,荷蘭尤登豪特苗圃由25 人管理200 萬m2苗圃;德國布魯斯苗圃配備3—5 人來滿足33.3 萬m2的生產;在意大利萬木齊公司,平均1 人即可完成25 萬m2的工作任務。 近年來,國內苗圃育苗技術有了較快發展,但苗圃機械化推進緩慢,仍然以人工操作為主,難以適應現代化苗圃產業發展的需求。

因此,本研究通過引進國內外先進的樹木挖掘、裝卸、登高修剪等關鍵作業機械,在苗圃進行應用實踐,分析提出推進苗圃機械化的建議,以期填補國內苗圃在園林機械化應用研究方面的空白,為園林機械新裝備在苗圃的應用起到示范和借鑒作用。

1 材料和方法

1.1 研究對象

樹木挖掘、裝卸、登高修剪是園林綠化生產和養護的重要環節,也是苗圃生產鏈中需要擴大機械操作的核心環節。 本次選取的研究對象包括三類13 臺園林機械,分別為滑移裝載機、挖掘機、挖樹機機頭、包夾、吊臂以及高空作業平臺(表1)。 滑移裝載機主要用于滑移和動力操作,挖樹機機頭主要用于帶土球樹木的挖取,挖掘機主要用于樹木挖掘、裝卸、吊裝移動,挖樹機機頭需要和滑移裝載機或挖掘機掛接使用,包夾主要用于抓取樹木,吊臂主要用于懸掛樹木并吊運,包夾和吊臂需要和滑移裝載機或挖掘機掛接使用,高空作業平臺車主要用于樹木的高空修剪。 13 臺園林機械均選取國內外應用較多的機械品牌,例如Bobcat 牌、Dutchman 牌、三一牌、常青牌、海倫哲牌等[ 9-12]。

表1 研究對象信息Table 1 Information of the research objects

1.2 研究方法

研究內容包括苗圃內樹木挖掘、樹木裝卸和登高修剪等機械化操作的專項工作,應用數據獲取方法主要包括現場觀測和生產數據統計,綜合苗圃2019 年、2020 年、2021 年的機械實際使用情況,確定應用數據。 部分研究對象由于操作場地較大、應用周期分散,以抽樣的方式進行統計計算。 綜合效能比=機械運作效率∕人工運行效率×100%。

2 結果與分析

2.1 樹木挖掘相關機械的適用性比較

主要選用滑移裝載機掛接挖樹機機頭或挖掘機掛接挖樹機機頭進行樹木挖掘。 滑移裝載機是利用兩側車輪線速度差而實現車輛轉向的輪式專用底盤設備,適合作業場地狹小、地面起伏不平等場所的移動,挖樹機機頭可于作業現場隨機快速更換或掛接各種工作裝置,以適應不同的工作環境和作業內容。國內常青公司制造的挖樹機器通過快換裝置,將挖樹機機頭掛接在滑移裝載機或挖掘機上,用于帶土球樹木的挖掘[ 12]。 加拿大的Dutchman Industries 制造了很多系列的挖樹機機頭,可以與拖拉機、裝載機、滑移裝載機以及汽車配套使用[ 13]。 挖掘時,由液壓裝置帶動刀鏟組件向下挖切樹木周圍的土壤和根系,挖掘的樹木土球完整、根系損傷少,大大提升了樹木的養護作業效率和移栽成活率,但機械本身與機頭的適配性存在差異。

A-1 滑移裝載機自身質量為2 779 kg,額定裝載量為858 kg,a-1 挖樹機機頭質量為635 kg,二者掛接使用,可承載土球質量僅為408 kg,僅適用于胸徑6—10 cm 的樹木挖掘。

a-2 挖樹機機頭質量為952 kg、a-3 挖樹機機頭質量為1 134 kg、a-4 挖樹機機頭質量為1 315 kg,它們均接近或大于A-1 滑移裝載機的最大載重量,因此這些機頭與A-1 滑移裝載機均不適配,無法掛接使用。

A-2 滑移裝載機可以掛接a-2、a-3 機頭,能用于胸徑8—15 cm 的樹木挖掘;A-3 滑移裝載機可以掛接a-3、a-4 機頭,能用于胸徑10—18 cm 的樹木挖掘。 C-1 挖掘機只能掛接c-1 挖樹機機頭,可挖土球直徑范圍為80—96 cm,僅適用于胸徑8—12 cm 的樹木挖掘(表2)。

表2 樹木挖掘機械的適配情況Table 2 Adaptation of tree digging machinery

b-1 包夾與A-1、A-2、A-3 滑移裝載機掛接,適合于園林工程、苗圃、農場、牧場等場地,夾頭裝有橡膠襯墊,能高效抓取樹木、石塊等物并移動;d-1、d-2 吊臂與A-1、A-2、A-3 滑移裝載機掛接,可在移動中吊掛抓取樹木。 在苗圃的實際應用中,b-1 包夾和d-1、d-2 吊臂的使用率還不高。 樹木裝卸、吊裝移動的工作常常會應用吊機,以節省樹木的滑移運輸時長。

2.2 履帶式機械與輪胎式機械的比較

園林機械一般需要深入苗圃內部作業,履帶式機械爬坡能力強、轉彎掉頭方便,作業效果與本身的結構特點相關,對土壤質地要求較低,使用區域廣,總體來說作業性能良好[ 14]。

如表3 所示,A-3 滑移裝載機為輪胎式機械,掛接a-3 挖樹機機頭后質量達到6 425 kg、掛接a-4 挖樹機機頭后質量達到6 606 kg,C-1 挖掘機同樣屬于輪胎式機械,掛接c-1 挖樹機機頭后質量高達8 330 kg,這兩種輪胎式機械在實際使用過程中,極易產生輪胎打滑和機械陷入現象。 因此,輪胎式機械不適用于現有的苗圃,履帶式機械更具備在苗圃大面積推廣的可行性。

表3 履帶式機械與輪胎式機械的參數Table 3 Parameters between crawler machinery and tire machinery

此外,c-1 挖樹機機頭應適配C-1 挖掘機使用,與A-1、A-2、A-3 滑移裝載機均不適配,無法交叉掛接使用。 C-1 挖掘機掛接c-1 挖樹機機頭僅適用于胸徑8—12 cm 的樹木挖掘工作(表3),且機頭可達作業高度為170 cm,低于a-2、a-3 和a-4 挖樹機機頭,在挖掘樹木的應用中適用范圍最小、使用率最低。

2.3 高空作業平臺的適用性分析

苗圃在培養高大樹木的過程中,不進行系統修剪很難維系優良的三級分支甚至四級分支的樹木形態。 高空作業平臺是一種將操作人員升高到接近樹冠高度的升降設備,通過使用高空作業平臺進行登高修剪,可以滿足不同的樹木造型和修剪需求。

B-1 高空作業平臺機身長度為3.76 m,高度為2 m,最大作業高度可達13 m,在最大作業幅度達到6.5 m 時的作業高度可達6.7 m(表4)。 現有苗圃的樹木種植密度普遍比較高,因未考慮到大型機械操作和通行空間的需求,像高空作業平臺這樣的設備難以深入苗圃內部工作。 高空作業平臺更適用于規?；N植的行道樹苗圃,該類苗圃的樹木分支點高度和種植間距都有標準化要求,如分支點高度需大于2 m,種植間距不小于6.7 m,可滿足B-1 高空作業平臺的最小操作空間需求。

表4 高空作業平臺的相關參數Table 4 Relevant parameters of aerial work platform truck

2.4 園林機械與人工的效能比分析

提高苗圃機械化程度是克服人力成本增長給苗圃經營帶來負效應的最有效途徑。 以機械挖掘樹木與人工挖掘進行效能比分析,使用A-2 滑移裝載機掛接a-2 機頭移植胸徑10 cm 的樹木,平均一天能挖掘96 株樹木,是4 名挖掘工人工作效率的6 倍。 機械挖掘樹木能夠快速將樹木根系切斷并保證土球完整,經計算,綜合效能比達600%,挖掘單株樹木的運行成本相較人工節約66.67%(表5)。 綜合計算,從苗圃生產到樹木養護,應用機械挖掘樹木能節約50%—80%的運行成本。 機械挖掘樹木在極大提高樹木挖掘工作效率、節約勞動力成本的同時,還能提升樹木品質,增加樹木的移植成活率。

表5 機械挖掘與人工挖掘的比較分析Table 5 Comparative analysis of mechanical excavation and manual excavation

3 討論

苗圃養護機械新裝備的應用能夠克服人力成本的增長,有效提升苗圃工作效率,提升樹木品質。 已經應用的三類園林機械新裝備中,樹木挖掘機械的使用效率最高,滑移裝載機掛接挖樹機機頭的適用性優于挖掘機掛接挖樹機機頭,A-2 滑移裝載機掛接a-2 挖樹機機頭的使用,綜合效能比最高。

用于高空修剪的高空作業平臺車由于現有苗圃沒有足夠的通行空間,適用性受到影響,建議應用在規?；N植的行道樹苗圃。 此外,小型的裝卸設備使用率還不高。 樹木品種越來越多樣化,樹木培育逐漸從數量型向質量型轉變,只有走多種機械相結合的現代化苗圃發展道路,才能滿足日益復雜的市場需求。

3.1 苗圃規劃時充分考慮機械操作空間

園林機械化是以標準化生產為基礎,苗圃規劃時應當體現可持續發展理念,加強對機械操作環境的地域特征設計,將適宜的樹木種類和規格與整體環境、氣候條件、操作空間結合起來,提升園林機械的適用范圍。 還應當更加重視專業化分工,提高園林機械化新設備的工作效率,縮短樹木離開土壤生長環境的周期,提高科技生產水平。

3.2 使用功能由單一性向多樣性發展

提升園林機械的多功能化配置,將功能單一的機械升級為一機多用、可裝卸多分機的機械裝備,確保機械發揮最大的效益和價值。 為了應對各種場地條件,挖掘機械可根據苗圃生產需求,自行更換不同機頭,如滑移裝載機掛接機頭可進行升級改造,成為挖掘和包扎土球一體化或包扎樹冠一體化的機械。 一臺機械設備的功能越齊全、用途越廣泛,機械應用的普及率才會越高。

3.3 加大作業人員培訓力度

在國外發達國家,苗圃專業技能工人操作機械設備即可完成完整的工作流程。 為了真正體現出園林機械帶來的便捷,一方面,應對作業人員開展針對性的技能培訓,發展創造安全管理、規范操作的市場環境,形成健康有效的產業化模式;另一方面,應不斷改進機械制造工藝,降低成本[ 15],簡化操作流程,讓作業人員通過簡單的培訓就能輕松地上手操作。

3.4 注重節能環保方面的改進

高效節能、安全環保是對園林機械的必然要求。 對園林機械進行科學生態設計,將園林機械與智能化技術進行融合,積極探索清潔能源的利用,提升能源及材料有效利用率,有效降低產品成本及材料消耗[ 16-18]。 如可將汽油柴油類的燃油式機械逐步更新到充電式機械,以此降低對城市環境的影響,提升經濟與社會效益。 安全是使用的前提,在使用園林機械的過程中,應經常對其進行維護保養,排除安全隱患,保障作業人員安全。

綜上,應當高效地選擇和使用園林機械新裝備,并不斷優化升級,提升機械設備在苗圃應用的適用范圍和使用效能,起到降本增效的作用,促進現代苗圃機械化水平的提高。