道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯(lián)合機(jī)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(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國道路建設(shè)面積越來越廣，道路綠化樹木的養(yǎng)護(hù)工作成為擺在園林工作者面前一個(gè)亟待解決的問題。目前，我國道路綠化樹木養(yǎng)護(hù)仍然由人工作業(yè)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差等缺點(diǎn)[1]。尤其是修剪樹木的殘枝及路旁的枯枝斷葉由于運(yùn)輸困難，得不到及時(shí)處理而造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題，所以，實(shí)現(xiàn)殘枝的資源化利用，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為了提高道路樹木修剪的效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、增強(qiáng)作業(yè)的安全程度，解決修剪樹木切下的樹枝及落葉的浪費(fèi)問題，該研究提出一種道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯(lián)合機(jī)，該機(jī)集修剪、噴藥、削片多個(gè)功能為一體，實(shí)現(xiàn)了道路樹木養(yǎng)護(hù)的機(jī)械化，改變以往手工作業(yè)方式，在經(jīng)濟(jì)和效率上具有很高的價(jià)值。

1 道路綠化樹木修剪及剩余物制片的相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著園林機(jī)械的快速發(fā)展，國內(nèi)外樹木修剪機(jī)械也進(jìn)入了迅速發(fā)展的時(shí)期。目前，樹木修剪機(jī)械主要包括鋸、剪、伐木聯(lián)合作業(yè)機(jī)等，通過圓鋸、鏈鋸和剪等方式對(duì)樹木進(jìn)行修剪、整枝。目前主要使用的機(jī)械設(shè)備是汽油動(dòng)力鏈鋸(簡(jiǎn)稱油鋸)、采伐聯(lián)合作業(yè)機(jī)和輕便動(dòng)力打枝機(jī)，有時(shí)也借助高空作業(yè)車、梯架和自動(dòng)升架臺(tái)進(jìn)行高大樹木修剪作業(yè)[2]。

1.1國內(nèi)外高枝修剪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1國外高枝修剪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。國外樹木修剪機(jī)械研究起步較早。自從20個(gè)世紀(jì)初德國斯蒂爾(STIHL)公司制造出第一臺(tái)油鋸，油鋸在歐美、荷蘭、日本等國家迅速發(fā)展起來。目前，國外油鋸的主要生產(chǎn)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(chǎn)了高枝鋸多以汽油機(jī)作為液壓傳動(dòng)的動(dòng)力，帶動(dòng)鏈條鋸工作，鋸徑可達(dá)20 cm，修剪高度可達(dá)5 m，但是造價(jià)高、維修困難。美國和瑞典等國家在魚頭鋸的基礎(chǔ)上增加一系列輔助機(jī)構(gòu)和伸縮工作桿件等，制造出手動(dòng)無動(dòng)力整枝機(jī)，作業(yè)高度可達(dá)6 m，是一款造價(jià)低、工人素質(zhì)要求也較低的實(shí)用經(jīng)濟(jì)型機(jī)器，但其存在夾鋸、勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)升降臺(tái)進(jìn)行高枝修剪，例如，意大利的薩斯馬升降臺(tái)可以水平方向最大伸出長度可達(dá)到7.5 m，最大起升高度是6 m。

1.1.2國內(nèi)高枝修剪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)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(duì)樹木采伐、修剪。直到20世紀(jì)70年代，才開始使用油鋸代替人工作業(yè)。隨著科技不斷進(jìn)步，相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)制造了一些適于高枝修剪的機(jī)動(dòng)機(jī)械，主要由背負(fù)式可調(diào)高枝修剪機(jī)、多功能高枝修剪鋸、便攜式液壓剪枝機(jī)、車載式立木式整枝機(jī)、修剪整形自動(dòng)升降臺(tái)。例如孫坤龍、喬弘等設(shè)計(jì)的5XY-5便攜式液壓剪枝機(jī)，剪枝直徑可達(dá)30 mm，剪枝高度5 m[4-5]；一些以小型汽油機(jī)為動(dòng)力通過軟軸傳動(dòng)帶動(dòng)鋸鏈或圓鋸片工作的背負(fù)式可調(diào)高枝修剪機(jī)、多功能高枝修剪鋸，這些機(jī)器勞動(dòng)強(qiáng)度大、消音效果差、噪聲大等；華南熱帶作物機(jī)械研究所設(shè)計(jì)制造的3GS-8型修剪整形自動(dòng)升降臺(tái)，工作臺(tái)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(tái)上的換向閥手柄，保證作業(yè)安全，提高工作效率和作業(yè)質(zhì)量；南京林業(yè)大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)了車載式高枝修剪機(jī)(其主要參數(shù)如表1)[6]，卸去高空作業(yè)車上作業(yè)斗，在機(jī)械臂的端部安裝液壓修剪裝置對(duì)樹木進(jìn)行修剪。雖然我國高枝修剪機(jī)械種類很多，但是由于功能比較單一、造價(jià)較高、操作困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大等原因，未得到廣泛利用。

表1 車載式高枝修剪機(jī)主要參數(shù)

1.2國內(nèi)外伐木聯(lián)合作業(yè)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀采伐聯(lián)合機(jī)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(chǎn)機(jī)械。1940年備洛特聯(lián)合采伐機(jī)(BelnitHarvester)開始研制，并且在隨后20年的時(shí)間里生產(chǎn)出樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了在林間伐木、打枝、截稍、歸堆等多種功能。隨著人們對(duì)采伐聯(lián)合機(jī)的研究不斷加深，備洛特聯(lián)合采伐機(jī)逐漸被The Kochring型短原木聯(lián)合采伐機(jī)所代替，The Kochring型聯(lián)合采伐機(jī)的功能更加齊全，能進(jìn)行伐木、打枝、截稍、造材、裝車、轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè)。隨著社會(huì)的進(jìn)步，勞動(dòng)力的減少，歐美、瑞典、芬蘭、日本、俄羅斯等林業(yè)大國，加強(qiáng)對(duì)多工能聯(lián)合采伐機(jī)的研制水平，生產(chǎn)出多種品牌的聯(lián)合作業(yè)機(jī)[7-8]。目前，國外伐木聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由輪式和履帶式兩種形式，其中輪式代表機(jī)型(圖1)主要有美國John Deere公司生產(chǎn)的1070E，芬蘭Ponsse公司生產(chǎn)的Bear，日本Komatsu公司生產(chǎn)的輪式聯(lián)合機(jī)等；履帶式主要代表機(jī)型(圖2)有美國John Deere公司生產(chǎn)的703JH，日本Komatsu公司生產(chǎn)的履帶式聯(lián)合機(jī)等。此外，芬蘭Plusteeh公司設(shè)計(jì)制造的世界首臺(tái)“步行技術(shù)”的六腿式林業(yè)多工序作業(yè)機(jī)，其越障能力較強(qiáng)，利用多腿協(xié)同動(dòng)作功能，不僅可向前或向后行走，還可側(cè)向、斜向和拐彎行走，各腿的動(dòng)作由智能型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖1 輪式采伐聯(lián)合機(jī)

圖2 履帶式采伐聯(lián)合機(jī)

國內(nèi)關(guān)于采伐聯(lián)合機(jī)的研究起步較晚。20世紀(jì)80年代，從芬蘭VOLVO公司引進(jìn)了3臺(tái)一套882KK伐木歸堆、880S打枝造材配合機(jī)、S-10抓鉤集材機(jī)，并且在吉林汪清林業(yè)局、廣東雷州林業(yè)局等地進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，但是由于成本高、效率低等原因，未能在我國得到推廣應(yīng)用。但是針對(duì)采伐聯(lián)合機(jī)的研究一直在持續(xù)研究，最近幾年，東北林業(yè)大學(xué)陸懷民教授在國家863項(xiàng)目支撐下，研發(fā)了一款適合山地林間作業(yè)的采伐聯(lián)合機(jī)(其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3)。該機(jī)能夠完成伐木、打枝、量材、造材等多個(gè)工作，具有機(jī)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)彎半徑小，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但是其動(dòng)力需求高達(dá)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(lián)合機(jī)結(jié)構(gòu)示意

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

2 道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯(lián)合機(jī)的研究

綜上所述，根據(jù)目前道路綠化樹木修剪和剩余物處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在滿足生產(chǎn)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(lián)合機(jī),主要由修剪系統(tǒng)、液壓多自由度伸縮臂、小型削片機(jī)、離心式噴霧機(jī)等組成，該聯(lián)合機(jī)適合在城鎮(zhèn)道路、城鎮(zhèn)園林作業(yè)，集樹枝修剪、采伐、收集、制片等多個(gè)功能為一體，同時(shí)更換不同的裝置，可以實(shí)現(xiàn)噴藥、灑水等作業(yè)。道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯(lián)合機(jī)僅需要一人對(duì)機(jī)器進(jìn)行操作，工作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度小，在高空對(duì)樹木進(jìn)行修剪，整個(gè)修剪過程無需人手工操作。修剪完后，該機(jī)可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)修剪后的剩余物進(jìn)行處理，處理后的木片運(yùn)輸更加方便，具有很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1社會(huì)效益該機(jī)配備一臺(tái)小型削片機(jī)，可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)修剪樹木切下的樹枝及落葉進(jìn)行粉碎，粉碎后產(chǎn)生的碎片可以用于園林床基、生產(chǎn)燃料棒、生產(chǎn)有機(jī)肥料、生產(chǎn)食用菌，也是生產(chǎn)密度板、刨花板、造紙的上好原料。該設(shè)備將原來難以消納的大量綠色垃圾變廢為寶，創(chuàng)造出新的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)樹枝粉碎后體積為原來的1/10，可以節(jié)約大量的運(yùn)輸費(fèi)用，減少道路上樹枝存放站地空間，清潔環(huán)境衛(wèi)生，減輕污染，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。

2.2經(jīng)濟(jì)效益道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯(lián)合機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)可以一人一機(jī)完成多種作業(yè)，可以修剪高大樹木，修剪的剩余物就地處理，節(jié)省了勞動(dòng)力，提高作業(yè)效率，大大降低了作業(yè)成本。目前，道路綠化樹木修剪主要采用人工作業(yè)，需要爬樹鋸枝、路上修剪后的樹枝裝車、清理打掃道路，同時(shí)在整個(gè)修剪的過程中還需要升降機(jī)的“園林搶險(xiǎn)車”把人升到高處進(jìn)行修剪作業(yè)和運(yùn)輸車運(yùn)送樹枝，至少需要5～10人完成任務(wù)，人工費(fèi)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(lián)合機(jī)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

表2道路綠化樹木修剪及剩余物制片聯(lián)合機(jī)與傳統(tǒng)道路綠化樹木養(yǎng)護(hù)方式對(duì)比

作業(yè)方式所需設(shè)備設(shè)備數(shù)量∥輛設(shè)備價(jià)格元/輛人工數(shù)目∥人樹枝收集難易傳統(tǒng)作業(yè)方式升降機(jī)的“園林搶險(xiǎn)車”1151 000.005～10困難運(yùn)輸車113 500.00機(jī)械化作業(yè)樹木修剪制片聯(lián)合機(jī)1140 000.001～2容易

3 結(jié)語

目前樹木修剪機(jī)械種類多樣，大多仍然需要手動(dòng)操作，而且適宜道路樹木修剪的機(jī)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(lián)合機(jī)，具有功能實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、安裝移動(dòng)靈活、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并通過社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益分析可知，該機(jī)具有很高的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

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