原木品質(zhì)對鋸材質(zhì)量的影響與控制措施

鄭 濤

(福建省金森林業(yè)股份有限公司，福建將樂353300)

福建金森林業(yè)股份有限公司是一家以森林資源培育，木竹采伐銷售和木竹制品生產(chǎn)經(jīng)營為主的科技型林業(yè)股份制企業(yè)，擁有森林經(jīng)營面積2.84萬hm2，林木蓄積量340萬m3。公司的主要木材產(chǎn)品包括杉、松原木、鋸材及鋸材加工品等。公司已獲得FSC國際森林認(rèn)證，具有森林可持續(xù)經(jīng)營認(rèn)證(FSC/FM)和林產(chǎn)品產(chǎn)銷監(jiān)管鏈認(rèn)證 (FSC/COC)資格。公司具有豐富的原木生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，并裝備有較先進(jìn)的鋸材生產(chǎn)設(shè)備。在多年的生產(chǎn)過程以及設(shè)備管理實(shí)踐過程中，通過一系列的質(zhì)量控制措施使原木與鋸材產(chǎn)品的質(zhì)量保持穩(wěn)定。本文通過分析伐區(qū)木材生產(chǎn)過程中，各個(gè)作業(yè)工序?qū)υ酒焚|(zhì)的影響，提出控制原木品質(zhì)的對策。在歸納總結(jié)鋸材對原木特性與質(zhì)量基本要求的基礎(chǔ)上，分析原木品質(zhì)對鋸材質(zhì)量與出材量的影響，提出提高鋸材質(zhì)量及出材量可采用的制材新技術(shù)與裝備。

1 原木質(zhì)量對鋸材出材量與品質(zhì)的影響

1.1 鋸材對原木特性與質(zhì)量的基本要求

原木特性會對鋸材產(chǎn)品最終的加工價(jià)值、產(chǎn)量、產(chǎn)品質(zhì)量與成本產(chǎn)生影響，其相對重要性取決于原木最終產(chǎn)品的使用［1］。原木的一些特性，比如:原木直徑、垂直度、削度、枝椏與節(jié)子、尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械性能和美學(xué)特性等對原木產(chǎn)品特別是鋸材是至關(guān)重要的;但這些特性對紙漿和紙的質(zhì)量影響又是較小的。同樣，原木的纖維形態(tài)與化學(xué)組成對紙漿和紙的質(zhì)量有重要的影響，但這些特性對鋸材等原木產(chǎn)品的影響就不是那么明顯［2］。

原木特性中的許多因素會影響鋸材的產(chǎn)量與質(zhì)量，主要包括:原木直徑、原木的垂直度、尖削度、枝椏與節(jié)子、尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械性能、美學(xué)特性、相對密度、腐爛程度、節(jié)子的分布、樹皮厚度、心材與邊材比例、成熟材與幼齡材比例和含沙量等［3］。

(1)對鋸材產(chǎn)品而言，原木的直徑可能是最重要的影響因素，因?yàn)殇彶漠a(chǎn)品的出材率隨原木直徑的增加而顯著增加。鋸材產(chǎn)品的等級也與原木的直徑顯著相關(guān)，因?yàn)殇彶漠a(chǎn)品分等規(guī)則允許大尺寸的鋸材產(chǎn)品中有大的節(jié)子［4］。

(2)原木的垂直度與削度也影響鋸材最終的出材率。原木的彎曲度不但影響鋸材的出材率也影響鋸材的質(zhì)量。大的原木削度會減少鋸材的出材率，也會降低鋸材的機(jī)械性能。

(3)節(jié)子是導(dǎo)致鋸材外觀質(zhì)量降低的最常見的原因之一，節(jié)子也會使鋸材的機(jī)械性能降低，其對鋸材質(zhì)量的影響取決于節(jié)子的大小、位置、節(jié)子的寬度以及節(jié)子出現(xiàn)的頻率。原木的節(jié)子數(shù)量與大小則與活立木的枝椏數(shù)量及大小有關(guān)。

(4)幼齡材比例較大的原木，通常其強(qiáng)度較低，尺寸穩(wěn)定性也較差。目前的森林經(jīng)營方式如發(fā)展工業(yè)人工林 (速生豐產(chǎn)林)導(dǎo)致森林輪伐期越來越短。短輪伐期的原木中通常含有較大比例幼齡材。研究表明:含有100%比例幼齡材的鋸材，其彈性模量比成熟材的要低50% ～60%;隨著幼齡材比例的增加，鋸材的弦向拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度與橫向壓縮強(qiáng)度均會大幅度下降［5］。

幼齡材比例大的鋸材，由于其木材微觀結(jié)構(gòu)中的微纖絲角較大，容易使鋸材有更多的翹曲、扭曲與彎曲變形，從而影響鋸材的質(zhì)量。其他導(dǎo)致鋸材翹曲變形的原因包括木材紋理、木材內(nèi)部應(yīng)力以及年輪寬度的突然變化等 (比如在人工林間伐后1年樹木年輪會突然變大)。

(5)木材密度仍然是影響鋸材機(jī)械性能的重要因素之一。木材含水量高會導(dǎo)致木材干燥時(shí)間增加，成本加大。值得指出的是，木材采伐對木材含水率有直接的影響，因?yàn)楹蕰S木材采伐季節(jié)、伐區(qū)位置、樹木年齡以及原木長度等因素而變化［6］。

森林經(jīng)營措施 (如最初造林密度，撫育采伐等)影響樹木的生長以及最終生產(chǎn)出的木材數(shù)量與質(zhì)量。許多研究表明:森林經(jīng)營措施影響木材產(chǎn)品的質(zhì)量與最終產(chǎn)品價(jià)值。通常，初始造林密度、撫育采伐、剪枝、輪伐期大小以及林木遺傳改良措施等森林經(jīng)營措施對木材質(zhì)量有直接的影響。初始造林密度特別對木材節(jié)子、幼齡材比例以及木材密度的影響較大。一些研究表明:造林間距大會導(dǎo)致木材產(chǎn)生更大的節(jié)子，并降低木材的機(jī)械性能。但間距大為生產(chǎn)大徑材提供了有利條件。對花旗松林分而言，采用3m×3m的造林間距所獲得的木材材積以及木材機(jī)械性能下降之間達(dá)到較好的平衡［7］。此外，在原木的二次加工 (一次加工通常指木材采伐生產(chǎn)原木)以及木材的高附加值加工利用中，木材的美學(xué)特性、機(jī)械性能、加工性能以及耐久性等原木特性顯得更加重要。

1.2 影響鋸材出材量與品質(zhì)的因素

制材廠中的鋸材出材量受許多復(fù)雜因素的影響。每個(gè)制材廠的情況都有所不同，影響鋸材出材量的因素也不盡相同的［8-11］。這些影響因素主要包括:

(1)原木直徑、長度、削度與質(zhì)量:原木徑級越大，一般鋸材出材量也越大。但是徑級特別大的原木也意味著樹齡大，也更有可能含有更多的劣材。采用低等級原木生產(chǎn)鋸材，其出材量通常也會受影響。一些原木缺陷必須從原木中去除掉以提高鋸材的結(jié)構(gòu)與外觀品質(zhì)，其結(jié)果就導(dǎo)致出材量降低。

原木削度也影響鋸材出材量，削度越大出材量損失越大。當(dāng)帶有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的鋸機(jī)下鋸時(shí)是根據(jù)所能得到的方材進(jìn)行長度方向的截?cái)啵鞠鞫却髮?dǎo)致所獲得的長方材的長度減少。原木長度增大可能導(dǎo)致鋸材出材量減少，削度大且長度大的原木會導(dǎo)致出現(xiàn)更多的下鋸圖方面的問題，在鋸截過程中可能導(dǎo)致更多的木料損失。另外，森林中采伐的原木長度與鋸材長度之間存在關(guān)聯(lián)，如果原木的長度剛好是鋸材長度加上最小的鋸截寬度，那么鋸材出材量就會增加。

(2)鋸口寬度:減少鋸口寬度可使同樣尺寸大小的原木鋸截出更長更大的板材，從而增加鋸材出材量。

生材與加工后的干材尺寸大小:生材尺寸大小包括加工后的干材尺寸大小以及預(yù)留的刨光量、板材的收縮以及其他的鋸截預(yù)留量。鋸截尺寸變化量與刨光量兩種尺寸可以控制。鋸材尺寸如果有大的變化，那么生材尺寸的預(yù)留量也要相應(yīng)大些，以保證鋸材刨光后的尺寸不小于最小的允許尺寸。

(3)鋸材產(chǎn)品組合形式:鋸材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對鋸材出材量的影響很大。對于制材時(shí)所獲得的材積而言，鋸線越少，出材量也越高。因此，當(dāng)其他條件不變時(shí)，生產(chǎn)大尺寸的鋸材所獲得的出材量也越大。實(shí)際生產(chǎn)中，鋸口寬度、鋸截方法以及原木的尺寸都會影響最終的出材量。

(4)制材廠技術(shù)人員的決策:制材廠技術(shù)人員的決策極大地影響所獲得的出材量，制材廠中不同的原材料要求設(shè)備操作人員每天都要作出大量的技術(shù)決策。近年來制材技術(shù)的發(fā)展使計(jì)算機(jī)輔助決策變得普遍，一些決策支持系統(tǒng)可以使制材生產(chǎn)線配置更合理，從而使獲得的出材量最大化。

(5)制材設(shè)備維護(hù):制材廠工作條件的保持與設(shè)備維護(hù)至關(guān)重要，設(shè)備無法正常工作或操作不當(dāng)是引起鋸材質(zhì)量不穩(wěn)定的主要原因。設(shè)備設(shè)計(jì)不合理以至無法與所承擔(dān)的任務(wù)相匹配也會導(dǎo)致正確的決策無法得到執(zhí)行。

(6)制材方法:制材方法指把原木分截為板材的模式。制材方法顯著影響鋸材的出材量，目前制材方法仍是一個(gè)復(fù)雜的研究課題。在制材廠中制材方法對鋸材出材量的影響仍然是決定性的。

總而言之，影響鋸材出材量的每一個(gè)單一因素相對較簡單，但在某些情況下這些因素的協(xié)同作用可能使情況變得復(fù)雜。當(dāng)這些因素或所有因素都在起作用時(shí)，對如何獲得最大的出材量進(jìn)行分析就變得很困難。

2 提高鋸材質(zhì)量的控制措施與對策

木材采伐作業(yè)中對原木品質(zhì)的考慮越來越重要，片面控制采伐作業(yè)的成本有時(shí)對整個(gè)林業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益會起到誤導(dǎo)作用。對于大多數(shù)木材生產(chǎn)企業(yè)而言，通過生產(chǎn)過程的控制以提高原木或木材產(chǎn)品的價(jià)值意味著更少的損失。為了使木材生產(chǎn)企業(yè)的收益最大化，從伐區(qū)到制材廠的每個(gè)作業(yè)工序都必須注重木材品質(zhì)的控制。與木材品質(zhì)控制相關(guān)的伐區(qū)作業(yè)與制材作業(yè)工序如圖1所示。

2.1 伐區(qū)作業(yè)技術(shù)措施

在采伐作業(yè)中，上述提及的原木的許多特性在短期內(nèi)是很難控制的。但是，一些因素如木材密度、含水率、木材中的水分分布、樹皮厚度、木材腐爛程度、含沙量等對鋸材的質(zhì)量有重要的影響，而且在木材生產(chǎn)中是比較容易控制的。據(jù)報(bào)道，在鋸材生產(chǎn)中，原木成本大約占總成本的60%左右。在伐區(qū)木材生產(chǎn)中，采運(yùn)作業(yè)目的在于將活立木轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格與大小的原木商品，并且使利潤最大化。因此，對原木品質(zhì)的控制應(yīng)該從采運(yùn)系統(tǒng)的每個(gè)工序開始。原木價(jià)值的損失可能由于分等不合理、不適當(dāng)?shù)脑觳姆绞交騽兤すば蛩鶎?dǎo)致。在采伐作業(yè)中，以下環(huán)節(jié)需要予以特別的重視:

(1)木材纖維的收獲:在伐區(qū)作業(yè)中，立木的伐倒與造材作業(yè)通常會造成木材纖維的損失。纖維損失可能由于樹干損傷、劈裂或者由于伐根過高而導(dǎo)致。采伐時(shí)伐木工應(yīng)該仔細(xì)觀察立木周圍情況，判斷樹木可能傾倒的位置，避免伐倒時(shí)由于劈裂導(dǎo)致原木降等或纖維損失。同時(shí)，要保證伐根高度盡可能的低。

(2)原木分等:不適當(dāng)?shù)脑觳淖鳂I(yè)會導(dǎo)致原木價(jià)值的巨大損失，這主要是由于一些造材工缺乏原木分等方面的知識與技能。原木造材時(shí)的等級分類只能在樹木伐倒與造材的位置進(jìn)行，在此位置原木生產(chǎn)中所有的相關(guān)因素都應(yīng)考慮到。

(3)原木的二次加工:原木的二次加工包括在楞堆、貯木場或制材廠的造材作業(yè)。造材作業(yè)要求造材工對原木的分級有充分的了解，而且檢尺工具要備齊。

在伐區(qū)作業(yè)中，可以采取以下措施控制原木的品質(zhì):原木做標(biāo)記;分析樹木伐倒的過程;編制采伐與造材作業(yè)工序指南;編制原木收獲與利用原則;采伐跡地調(diào)查;原木分級情況報(bào)告;原木二次加工情況報(bào)告等。

另外，為使在伐區(qū)作業(yè)中特別是集材作業(yè)中原木品質(zhì)所受的損失最小，以下工序應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān):在伐木工序完成后立即進(jìn)行原木的拖集;在剝皮工序完成后立即把原木拖運(yùn)到造材地點(diǎn);盡可能采用原條生產(chǎn)工藝而不是短原木的生產(chǎn)工藝;盡可能不損傷樹皮，因?yàn)闃淦た梢员Ｗo(hù)原木免于遭受干裂、磨損、玷污或腐爛;采用保護(hù)性的措施來儲存原木，例如不間斷的灑水來保護(hù)原木或者把原木保存在水中，特別是松原木而言，水中儲存對保護(hù)木材品質(zhì)十分有用。

2.2 制材技術(shù)與裝備

制材目的是使原木價(jià)值最大化，其各個(gè)加工工序與木材材積、等級有關(guān)。隨著制材技術(shù)的進(jìn)步，在鋸材質(zhì)量控制與提高出材量方面，一些新技術(shù)與設(shè)備有望得到進(jìn)一步應(yīng)用［12-15］。

(1)頭道鋸:在原木加工成鋸材的流程中，對初剖鋸或頭道鋸進(jìn)行控制以保證原木在任何時(shí)候都放置在合適的位置上，這樣可以保證生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行。對每一根原木都要進(jìn)行精確的檢測，以提供精確的材積數(shù)據(jù)。原木剖分可以采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行，使獲得的價(jià)值最大。

(2)小帶鋸機(jī):小帶鋸機(jī)可適用于對頭道鋸截中各種精確加工過程的檢測、記錄以及控制。

(3)裁分機(jī):采用帶有優(yōu)化-掃描-記錄系統(tǒng)的裁分機(jī)可以使鋸材的出材率最大化。這樣鋸口的深度與進(jìn)料速度可以通過裁分機(jī)或設(shè)備控制系統(tǒng)來控制，可以避免由于進(jìn)料速度過快造成的鋸材縱向裂紋或鋸損壞。毛方的厚度可以通過在裁分機(jī)前頭裝備的傳感器進(jìn)行檢測，以避免進(jìn)料時(shí)體積過大的木料進(jìn)入雙軸式裁分機(jī)或上軸式裁分機(jī)中，從而導(dǎo)致裁分機(jī)的破壞。

(4)多鋸片截鋸機(jī):多鋸片截鋸機(jī)操作控制系統(tǒng)可以使所得到的鋸材材積最大化。當(dāng)每一個(gè)木料通過預(yù)截鋸機(jī)時(shí)，這些系統(tǒng)的機(jī)械電子裝置可以自動檢測其數(shù)量。每塊板材就依據(jù)這些采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁邊。這些機(jī)械電子裝置也能自動產(chǎn)生原料與實(shí)際生產(chǎn)出的鋸材材積數(shù)據(jù)，包括合格的鋸材材積、邊材材積和鋸末的材積等。

(5)鋸木機(jī)與刨光車間:自動板材圖靈機(jī)或者板材自動圖象分級系統(tǒng)以及板材應(yīng)力分級系統(tǒng)目前已經(jīng)投入使用。自動監(jiān)測系統(tǒng)可以顯示與記錄每一次板材分級結(jié)果。分等與鋸截決策支持系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在制材廠刨光車間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

(6)鋸銼車間:鋸機(jī)整理系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室研究階段，帶有示波器、電子傳感裝置、計(jì)算機(jī)與自動機(jī)械手的裝置可以進(jìn)行鋸機(jī)適張度調(diào)整、水平調(diào)整、校正、銼鋸、打磨、修整、模鍛以及對刀具進(jìn)行硬化、合金化、炭化等處理，使刀具與鋸機(jī)在各種最優(yōu)化的工藝條件下工作，并能適應(yīng)各種各樣的工作條件。

(7)生材輸送鏈:生材鏈?zhǔn)椒诌x機(jī)通常裝備有機(jī)械或電子傳感裝置以測量板材寬度、厚度和長度。分選機(jī)可以在傳感器測量的數(shù)據(jù)與截鋸機(jī)的截鋸決策基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全自動作業(yè)。

(8)生材與干材儲存:制材車間操作工與監(jiān)控人員可使用電子筆記本記錄制材生產(chǎn)線出現(xiàn)的問題、裝載過程中的板材損失、過載、板垛規(guī)格化、過載保護(hù)、合適的檢尺方法與標(biāo)識、合理的板材堆垛位置與設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的進(jìn)銷存等。

(9)干燥窯:最新開發(fā)的自動濕度檢測裝置與方法可以在干燥過程中檢測單個(gè)板垛的濕度。這些數(shù)據(jù)輸送到控制室，監(jiān)控人員可以根據(jù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對干燥時(shí)間安排與板垛的裝入與拖出時(shí)間作出合適的決策。

(10)刨光機(jī):拋光處理系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，這種裝置可以同時(shí)從板材的兩端或邊緣進(jìn)行磨光處理，這樣可以減少由于節(jié)子開裂等造成的板材降等損失。濕度檢測裝置可以較高的速度檢測濕材中的濕度。過濕的板材被分揀出重新進(jìn)行干燥直到濕度符合要求為止。拋光處理系統(tǒng)與板材尺寸傳感系統(tǒng)以及反饋控制系統(tǒng)是匹配使用的。

(11)干燥室出材端分選機(jī):干燥出料口分選系統(tǒng)可以連續(xù)對成品進(jìn)行記錄。

(12)包裝與船運(yùn):包裝作業(yè)包括板材清潔、準(zhǔn)確的標(biāo)簽、包裝的緊密性以及隨后的操作過程中所產(chǎn)生的損傷都可以用電子筆記本記錄并把數(shù)據(jù)保存起來。檢尺與標(biāo)簽也可以采用電子裝置進(jìn)行判讀以提高作業(yè)效率與準(zhǔn)確度，這些數(shù)據(jù)可以自動加入到管理系統(tǒng)中。船運(yùn)過程中的監(jiān)控包括合適的標(biāo)識、裝載以及運(yùn)輸管理等。

3 結(jié)論

原木產(chǎn)品最終的使用目的對原木特性的要求是不同的。對于制材廠的原木加工而言，原木直徑、垂直度、削度、枝椏與節(jié)子數(shù)量、大小、尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械性能與木材的美學(xué)特性尤為重要。

對于原木品質(zhì)方面的考慮在伐區(qū)木材生產(chǎn)中已變得越來越重要。原木密度均勻度、原木中水分分布、樹皮含量、腐朽材所占的比例、含沙量等對板材質(zhì)量有著重要的影響。因此，這些因素在伐區(qū)木材生產(chǎn)中應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格的控制。伐區(qū)木材生產(chǎn)對原木品質(zhì)的控制應(yīng)成為常規(guī)作業(yè)監(jiān)控程序，因?yàn)樵緝r(jià)值的損失可能由于不合理的分等、不適當(dāng)?shù)膭兤ず驮觳淖鳂I(yè)所導(dǎo)致。

制材廠中鋸材出材量由幾個(gè)因素及其相互間的復(fù)雜作用所決定。每個(gè)制材廠中，影響鋸材出材量的因素也是不盡相同的。這些影響因素主要包括:原木直徑、長度、削度與質(zhì)量，鋸口寬度，鋸材尺寸大小，鋸材產(chǎn)品的組合形式，制材廠技術(shù)人員的決策，制材廠設(shè)備維護(hù)以及制材方法等。

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