道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机的研究与分析

尼姝丽， 薛国磊， 王述洋， 高宇博， 赵利铭

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

随着经济的快速发展，我国道路建设面积越来越广，道路绿化树木的养护工作成为摆在园林工作者面前一个亟待解决的问题。目前，我国道路绿化树木养护仍然由人工作业，存在劳动强度大、安全性差等缺点[1]。尤其是修剪树木的残枝及路旁的枯枝断叶由于运输困难，得不到及时处理而造成资源浪费和环境污染等问题，所以，实现残枝的资源化利用，具有很高的经济价值。为了提高道路树木修剪的效率、降低劳动强度、增强作业的安全程度，解决修剪树木切下的树枝及落叶的浪费问题，该研究提出一种道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机，该机集修剪、喷药、削片多个功能为一体，实现了道路树木养护的机械化，改变以往手工作业方式，在经济和效率上具有很高的价值。

1 道路绿化树木修剪及剩余物制片的相关技术国内外发展现状

随着园林机械的快速发展，国内外树木修剪机械也进入了迅速发展的时期。目前，树木修剪机械主要包括锯、剪、伐木联合作业机等，通过圆锯、链锯和剪等方式对树木进行修剪、整枝。目前主要使用的机械设备是汽油动力链锯(简称油锯)、采伐联合作业机和轻便动力打枝机，有时也借助高空作业车、梯架和自动升架台进行高大树木修剪作业[2]。

1.1国内外高枝修剪机的发展现状

1.1.1国外高枝修剪机的发展现状。国外树木修剪机械研究起步较早。自从20个世纪初德国斯蒂尔(STIHL)公司制造出第一台油锯，油锯在欧美、荷兰、日本等国家迅速发展起来。目前，国外油锯的主要生产厂家有德国斯蒂尔(STIHL)、日本的爱丽斯(ARS )、小松、和瑞典的胡期华纳等公司，它们生产了高枝锯多以汽油机作为液压传动的动力，带动链条锯工作，锯径可达20 cm，修剪高度可达5 m，但是造价高、维修困难。美国和瑞典等国家在鱼头锯的基础上增加一系列辅助机构和伸缩工作杆件等，制造出手动无动力整枝机，作业高度可达6 m，是一款造价低、工人素质要求也较低的实用经济型机器，但其存在夹锯、劳动强度大、效率低和容易断锯等缺陷[3]。此外，意大利和瑞典采用自动升降台进行高枝修剪，例如，意大利的萨斯马升降台可以水平方向最大伸出长度可达到7.5 m，最大起升高度是6 m。

1.1.2国内高枝修剪机的发展现状。我国在1950年以前仍主要采用斧头、弯把锯、伐木锯等人工对树木采伐、修剪。直到20世纪70年代，才开始使用油锯代替人工作业。随着科技不断进步，相关机构研发制造了一些适于高枝修剪的机动机械，主要由背负式可调高枝修剪机、多功能高枝修剪锯、便携式液压剪枝机、车载式立木式整枝机、修剪整形自动升降台。例如孙坤龙、乔弘等设计的5XY-5便携式液压剪枝机，剪枝直径可达30 mm，剪枝高度5 m[4-5]；一些以小型汽油机为动力通过软轴传动带动锯链或圆锯片工作的背负式可调高枝修剪机、多功能高枝修剪锯，这些机器劳动强度大、消音效果差、噪声大等；华南热带作物机械研究所设计制造的3GS-8型修剪整形自动升降台，工作台升起的最大高度是8.5 m，修剪工人可以通过操纵安装在工作台上的换向阀手柄，保证作业安全，提高工作效率和作业质量；南京林业大学研发设计了车载式高枝修剪机(其主要参数如表1)[6]，卸去高空作业车上作业斗，在机械臂的端部安装液压修剪装置对树木进行修剪。虽然我国高枝修剪机械种类很多，但是由于功能比较单一、造价较高、操作困难、劳动强度大等原因，未得到广泛利用。

表1 车载式高枝修剪机主要参数

1.2国内外伐木联合作业机的发展现状采伐联合机是一种包括伐木、打枝、造材等工序的高性能的多功能木材生产机械。1940年备洛特联合采伐机(BelnitHarvester)开始研制，并且在随后20年的时间里生产出样机，实现了在林间伐木、打枝、截稍、归堆等多种功能。随着人们对采伐联合机的研究不断加深，备洛特联合采伐机逐渐被The Kochring型短原木联合采伐机所代替，The Kochring型联合采伐机的功能更加齐全，能进行伐木、打枝、截稍、造材、装车、转运等作业。随着社会的进步，劳动力的减少，欧美、瑞典、芬兰、日本、俄罗斯等林业大国，加强对多工能联合采伐机的研制水平，生产出多种品牌的联合作业机[7-8]。目前，国外伐木联合作业机主要由轮式和履带式两种形式，其中轮式代表机型(图1)主要有美国John Deere公司生产的1070E，芬兰Ponsse公司生产的Bear，日本Komatsu公司生产的轮式联合机等；履带式主要代表机型(图2)有美国John Deere公司生产的703JH，日本Komatsu公司生产的履带式联合机等。此外，芬兰Plusteeh公司设计制造的世界首台“步行技术”的六腿式林业多工序作业机，其越障能力较强，利用多腿协同动作功能，不仅可向前或向后行走，还可侧向、斜向和拐弯行走，各腿的动作由智能型实时控制系统进行自动控制。

图1 轮式采伐联合机

图2 履带式采伐联合机

国内关于采伐联合机的研究起步较晚。20世纪80年代，从芬兰VOLVO公司引进了3台一套882KK伐木归堆、880S打枝造材配合机、S-10抓钩集材机，并且在吉林汪清林业局、广东雷州林业局等地进行了生产试验，但是由于成本高、效率低等原因，未能在我国得到推广应用。但是针对采伐联合机的研究一直在持续研究，最近几年，东北林业大学陆怀民教授在国家863项目支撑下，研发了一款适合山地林间作业的采伐联合机(其结构简图如图3)。该机能够完成伐木、打枝、量材、造材等多个工作，具有机动灵活，转弯半径小，结构紧凑等优点。但是其动力需求高达170 kW，能量消耗大，不适合公路树木修剪。

注：1．伐木头；2.伸缩臂；3.副臂；4.连杆；5.摇杆；6.拉杆；7.副油缸；8.推杆；9.主油缸；10.立柱；11.底座；12.后推油缸；13.前桥底盘总成；14.后桥驾驶室整体总成；15.主臂。图3 采伐联合机结构示意

总体来说，我国在树木修剪机械化程度，与国外相比仍然存在很大差距，各种机械的研制还处于初级探索阶段。

2 道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机的研究

综上所述，根据目前道路绿化树木修剪和剩余物处理技术的发展现状，在满足生产能力和加工条件下，提出一种道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机,主要由修剪系统、液压多自由度伸缩臂、小型削片机、离心式喷雾机等组成，该联合机适合在城镇道路、城镇园林作业，集树枝修剪、采伐、收集、制片等多个功能为一体，同时更换不同的装置，可以实现喷药、洒水等作业。道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机仅需要一人对机器进行操作，工作简单，劳动强度小，在高空对树木进行修剪，整个修剪过程无需人手工操作。修剪完后，该机可以现场对修剪后的剩余物进行处理，处理后的木片运输更加方便，具有很高的社会效益和经济效益。

2.1社会效益该机配备一台小型削片机，可以现场对修剪树木切下的树枝及落叶进行粉碎，粉碎后产生的碎片可以用于园林床基、生产燃料棒、生产有机肥料、生产食用菌，也是生产密度板、刨花板、造纸的上好原料。该设备将原来难以消纳的大量绿色垃圾变废为宝，创造出新的经济价值，同时树枝粉碎后体积为原来的1/10，可以节约大量的运输费用，减少道路上树枝存放站地空间，清洁环境卫生，减轻污染，创造了良好的社会效益。

2.2经济效益道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机最大的优点可以一人一机完成多种作业，可以修剪高大树木，修剪的剩余物就地处理，节省了劳动力，提高作业效率，大大降低了作业成本。目前，道路绿化树木修剪主要采用人工作业，需要爬树锯枝、路上修剪后的树枝装车、清理打扫道路，同时在整个修剪的过程中还需要升降机的“园林抢险车”把人升到高处进行修剪作业和运输车运送树枝，至少需要5～10人完成任务，人工费用150元/天。从表2可以看出，道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机具有很高的经济效益。

表2道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机与传统道路绿化树木养护方式对比

作业方式所需设备设备数量∥辆设备价格元/辆人工数目∥人树枝收集难易传统作业方式升降机的“园林抢险车”1151 000.005～10困难运输车113 500.00机械化作业树木修剪制片联合机1140 000.001～2容易

3 结语

目前树木修剪机械种类多样，大多仍然需要手动操作，而且适宜道路树木修剪的机械较少，该研究提出一种道路绿化树木修剪及剩余物制片联合机，具有功能实用、结构简单、操作容易、安装移动灵活、易于维护等优点，并通过社会效益和经济效益分析可知，该机具有很高的实用价值和市场前景。

[1] 贾启明，马秀娟，张大海.关于城市高大树木修剪机械化的探讨[J].辽宁林技，2001(3):43-44.

[2] 王乃康，茅也冰，赵平.现代园林机械[M].北京:中国林业出版社，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] 辛继红，汤兴初，全腊珍，等.背负式可调高枝修剪机的研制[J].湖南农业大学学报：自然科学版，2003，29(1):63-67.

[5] 孙坤龙，吴永清，乔弘，等.便携式液压剪枝机的设计与研究[J].南京林业大学学报，1994(2):65-68.

[6] 邹运梅，谢清明，全腊珍，等.高枝剪切机的研制[J].林业机械与木工设备，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.