国内外林木种子采摘与处理设备概述

白 帆， 吴 昊， 肖 冰， 吴兆迁*

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业局林业装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

综述

国内外林木种子采摘与处理设备概述

白 帆1，2， 吴 昊1， 肖 冰1，2， 吴兆迁1，2*

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业局林业装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

介绍了从林木种子采摘、加工处理开始，到育苗、移植、森林保护、采伐、二次加工、综合利用林木生产环节所需的技术装备，并简要叙述了国内外林木生产加工设备的现状及发展趋势。

林木生产；林业机械；木材加工机械；木材综合利用

根据国务院发布的第八次全国森林资源清查结果显示，我国森林覆盖率21.63%，面积2.08亿hm2，蓄积量151.37亿m3，近两年每年完成造林680万hm2。尽管我国林业取得了举世瞩目的伟大成就，但我国仍然是一个缺林少绿，生态脆弱的国家。为此我国做出了实施天然林资源保护工程的重大决策，同时又实施了大规模的人工植树造林[1]。人工植树造林一般采用以下几种方法进行，一是将林木种子直接播种在造林地进行造林的播种造林；二是用根系完整的苗木作为造林材料进行造林的植苗造林；三是利用树木的营养器官(干、枝、根等)及地下茎作为造林材料直接进行造林的分殖造林；四是选择1～2年生、1.5～2.0 cm粗的枝条，剪去侧枝，在事先整理好的地里扦插踏实的插条造林法；五是选择15～20 cm长、直径1 cm以上插根造林的根，在提前整理好的林地挖深30 cm、直径20 cm的土坑，将根按45°角倾斜埋入的插根造林法。

这几种造林方法大都需要种苗的繁育，随着营造林事业的不断发展，林木种子的需求量也随之增加。国外林业发达国家主要采用修建种子园和母树林的办法，收集优良林木种子[2-3]。我国自20世纪60年代中期开始建设种子园，70年代全面铺开，到80年代已初具规模[4]。

1 国内外林木种子采种设备现状

林业要发展，种苗是关键，林木种子的采集与加工处理是种苗工程的重要组成部分。林木种子的来源基本有三个方面，一是天然林；二是选择表型林木较好的人工林改造建成的母树林；三是选择具有优良遗传特性种苗建造的种子园。

无论采用哪种方式获取种子都需要进行林木种子的采摘收集，目前国内外采种装备是林业生产中机械化、自动化较低的环节，主要采用手工或半机械化作业。最早工人是借助梯子或穿上爬树装置爬上树冠采摘，生产效率低，并有一定的风险，经常有人因为采摘树种而发生事故，从树上跌落下来，摔伤甚至丧失生命[5-7]。林木种子采收方式及主要设备如图1所示。

图1 林木种子采收方式及主要设备

1.1 人工采种

1.1.1 国内人工采种现状

国内采种最常用的方式是爬树采种以及使用采种梯和升降平台采种。爬树采种一般使用爬树器等爬树工具，爬树工具携带轻便，容易操作，适用范围广且不受地形限制。爬树器品种型号较多，但基本结构相似。使用中存在的缺点一是危险，容易造成人身伤亡事故，二是会对树皮造成损伤，尤其对薄皮树种损伤更加严重。采种梯是一种使用极为普遍的上树工具，世界各国都有使用，其质量较轻，便于携带，对树木损伤较小，适用范围较广，但使用时也有一定的危险。采种梯一般有多级登高梯、普通站立式阶梯、三角梯等多种类型[8]。图2所示为人工采摘红松松塔。

图2 人工采摘红松松塔

我国采种机具很少，大多为手工操作的简单工具，20世纪50年代采用的是爬树器、梯子、绳子、安全带、采种钩、采种镰、高枝剪、竹竿、锯齿啮合式撸种器等，常用采种机具如图3所示。

图3 常用采种机具

1.1.2 国外人工采种现状

林业比较发达的国家一般都非常重视森林的生态效益和森林资源的保护，因此虽然研制出许多先进的大型机械设备，但在实际的林业生产中更多使用的仍然是对环境影响较小的小型设备，如以色列研制的移动式采摘梯，由梯上的采摘人员用手转动行走大轮来实现前后移动，其结构示意图如图4所示。

图4 以色列移动式采摘梯结构示意图1.小移动轮；2.大轮；3.人员座椅

挪威研制的组合式采种梯由多段铝合金制成，高度可达27 m，该梯的组合与分解非常方便，结构如图5所示。芬兰林木种子采摘使用的采摘梯为“A”型采种梯，用工字形铝合金制成，轻便又坚固，梯子上面有一个伸出的支架，在支架的顶端装有带弹簧的两个”C”字形卡钳用于固定树干，卡钳靠近树干后在弹簧力的作用下卡在树干上，梯子固定后人即可上树采摘，采摘结束人下梯子后用力拉动连接卡簧的绳子，卡钳松开即可移走梯子。为了增加作业的安全性，梯子上还装有护腰围环，围环与梯子平行时可上下滑动，将围环抬起与梯子垂直时即卡在梯子上拦在采摘者的腰部。芬兰“A”型采种梯如图6所示。

图5 挪威组合式采种梯

图6 芬兰“A”型采种梯

常见的采种高枝剪采用绳拉力剪断果柄来采摘林木球果，图7所示为芬兰高枝剪，其剪片柄镶嵌在套管里的弹簧上，工作时带弹簧的剪片上移，另一剪片上滑与其重合剪断果柄。

图7 芬兰高枝剪

1.2 其他林木采种设备与方法

我国采种设备有上树机具、移动式采种梯、液压升降平台、振动式采种机等，近些年又相继研制出CJ-50高空作业采种机、CJ-1立木采种工具包、TD-40抖动式采种装置、电动林木采种机、CZ-13林木自行升降式采种机、RBT14型林木球果采集机器人等采摘设备[9-13]。

国外林业发达国家很早就对林木采种技术和设备进行了研究，技术较为成熟，虽然各国的研究方向与侧重有所不同，但其根据本国林业实际情况研究适宜的技术与设备的思路值得我们借鉴和学习。国外常用林木种子采摘设备见表1。

表1 国外常用林木种子采摘设备

国家常用采摘设备美国爬树器、剪式采摘器、采种钩、采种梯、吸气式种子收集机、液压升降台、振动式采种机、采种机器人加拿大爬树器、树木车、采种梳、手提式分离机、滚齿式种子收集机、剪式采摘器、采种钩、采种梯、吸气式种子收集机、液压升降台、振动式采种机巴西爬树器、剪式采摘器、采种钩、采种梯、滚齿式种子收集机、液压升降台俄罗斯爬树器、采种钩、剪式采摘器、吸气式种子收集机、滚齿式种子收集机、采种梯、液压升降台、振动式采种机德国爬树器、剪式采摘器、采种梯、液压升降台瑞典爬树器、剪式采摘器、采种梯、采种钩、采种耙挪威爬树器、剪式采摘器、采种梯、采种钩芬兰爬树器、剪式采摘器、采种梯、液压升降台丹麦爬树器、采种梯、液压升降台荷兰爬树器、采种梯、液压升降台、剪式采摘器英国爬树器、采种梯、采种耙、剪式采摘器法国采种梯、剪式采摘器日本采种梯、采种钩、剪式采摘器、液压升降台、采种机器人

1.2.1 采种升降平台

采种升降平台是各国经常使用的一种采种辅助设备，通过液压升降将采种人员提升到树冠处进行采种。升降平台一般由专用或改装拖拉机作动力，加装多节式升降臂组成，升降臂一般可以360°回转，起升高度10～40 m不等。通过升降平台采种操作比较安全，但由于升降平台体积大，行走不便，通常只能用于地势平坦、道路条件较好的地区作业，比较适合大面积的种子园[14-15]。采种升降平台如图8所示。

图8 采种升降平台

1.2.2 旋转敲打采摘设备

旋转敲打采摘器通过各种动力驱动传动轴，进而带动采摘头运动，冲击敲打树干，适合敲打山核桃、银杏、香榧等坚果类林果。

1.2.3 机械振动采摘设备

机械振动采摘机的工作原理是通过机械自动振动树干使要收获的林木种子抖落，20世纪40年代中期美国开始研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃和杏等果实。我国20世纪70年代研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机；东北林业大学研制了由集材拖拉机驱动的摇树采种机[16-19]。机械振动采摘机如图9所示。

图9 机械振动采摘机

1.2.4 采摘机器人

由于采摘对象和工作环境的复杂性及非结构化，目前市场上仍没有成熟、商品化的采摘机器人出现。1983年美国研制成功第一台番茄采摘机器人，后来日本、以色列和欧美等国家也相继试验成功智能采摘机器人，但都没有大范围推广使用。2001年在国家“863”计划项目资助下，东北林业大学研制出林木球果采集机器人，该设备由机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。操纵机械手回转马达使机械手对准其中一棵母树，然后单片机系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采集爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采集爪沿着树枝生长方向趋近1.5～2 m，然后采集爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。更换不同齿距的梳齿可用于不同林木球果的采集[20-23]。机器人采摘林果如图10所示。

图10 机器人采摘林果

1.2.5 激光采摘设备

农业激光自动采摘机器人的主要工作流程为识别、发射激光、切断果柄、收集，其在林业种子采摘方面具有借鉴意义。激光采摘示意图如图11所示。

图11 激光采摘示意图

2 林木种子加工处理设备

优质林木种苗生产是林业建设的基础，当前我国林木基地供种率和良种使用率都比较低，分别为37%和43%。而林业发达国家这两项指标高达80%，相比之下还有很大差距。

下面以落叶松、樟子松种子加工为例，介绍林木种子加工调制工艺与设备。林木种子加工流程图如图12所示。

图12 林木种子加工流程

国外的林木种子加工设备机械化程度已经达到很高的水平，比较发达的国家如瑞典、芬兰、德国、美国都已经有了林木种子成套加工生产线。我国林木种子加工设备的发展目前还停留在20世纪80年代初期的水平，加工设施落后，工艺设备简单。

2.1 国内种子加工处理设备

林木球果干燥机和去翅精选联合机由国家林业局哈尔滨林业机械研究所吴晓峰科研团队成功研制并推广使用，其技术路线如图13所示。

图13 去翅精选联合机技术路线

林木球果烘干机由微机自动控制，调制工艺合理，球果开裂率大，出种率及发芽率高，装载量大，能耗低。干燥间包括层架式干燥机构、供热系统、球果上下架、浸种设备及自动控制系统等。干燥周期4～5天，球果出种率约2.0%(即每百公斤球果出种2 kg)，容积45 m3(装载量1 600 kg)。其技术指标如下：去翅率gt;95%，破损率lt;2%，种子纯净度gt;95%，种子处理能力20～30 kg/h。

去翅精选联合机由料仓去翅部分、除尘机构、精选部分和电器控制台组成。林木球果烘干和去翅精选联合机如图14所示。

图14 林木球果烘干去翅精选联合机

内蒙古自治区红花尔基林业局于1982年8月引进了美国麦克森公司的一套林木种子加工设备。其中主要包括粉碎机、供热燃烧炉、干燥室、球果种子分离机、 种子分级机、种子精选机等，1983年11 月正式投入生产。整套设备技术性能较好，自动化程度高，可连续化生产。生产出的种子质量稳定，脱粒净度达95%以上，种子加工成本由原来每斤35元降低到每斤23.47元，1983年加工樟子松球果 55万kg。

2014年初福建漳平五一国有林场成功安装、调试并运行了瑞典BCC集团公司研制的林木种子加工处理设备，该套设备含球果烘干机、种子脱粒生产线、种子去翅机、种子精选机等，机械化程度高，且能实现种子分级，功能全面。漳平五一国有林场首次应用该套设备共处理马尾松球果2.5万kg，生产种子540 kg，出籽率达2.16%，纯净度达100%，其一定程度上解决了传统暴晒脱粒或国内烘干设备机械化程度不高、球果出籽率较低(约1.7%)、种子发芽率不稳定等问题。

湖南省林业科学院在吸收国外先进技术的基础上，引进芬兰LANNEN公司及瑞典BCC公司林木种子精选关键技术进行科技创新，研制出了林木种子重力分选与净种分级一体机。其技术参数如下：生产率50～100 kg/h，整机质量260 kg，功率2.2 kW(其中风机1.5 kW，筛选机0.7 kW)，净种率≥98%，破碎率≤0.5%，具有不同进料速度及可调风压装置，并增加了去石功能。

2.2 国外种子加工处理设备

自20世纪60年代开始，国外一些工业发达国家的种子加工机械获得了迅猛发展，逐步形成了一整套种子加工的工业体系，国外种子加工设备的种类很多，这里仅重点介绍其中的去翅机、清选机及重力精选机。

BCC公司去翅机和种子提取机是一个紧凑的多功能单元，可用于种子预清洗和种子去翅。预清洗是在干燥和贮存之前去除细小杂质，如针、鳞片和小树枝等。成熟球果经预处理后不需贮存可直接干燥，干燥过程中锥鳞逐渐开放以便提取种子。瑞典BCC公司的去翅设备如图15所示，具体参数见表2。

图15 瑞典BCC公司去翅设备

表2 瑞典BCC公司去翅设备技术参数

项目参数外形尺寸/mm2500×1700×2800整机质量/kg850供电器230V50Hz电源/kW15处理能力/kg·h-130

种子清选设备是基于种子的几何尺寸差异及悬浮速度不同进行风选及筛选。作业时，种子从机器顶部的喂入斗进入，由喂料辊均匀散开的种子在流向上筛的过程中经过前吸风道时轻杂质被吸入前沉降室后排出，完成一次风选；落在上筛面的种子经过筛选后，筛上物大杂质被收集运送到杂余溜槽处排出，筛下物则掉落到中筛面上进行二次筛选；中筛筛上物次杂质则滑落到中筛筛面末端的杂余溜槽处排出，筛下物落到下筛面进行三次筛选；下筛筛下物小杂质穿过筛孔落到底平面上从杂余溜槽排出，而筛上物从下筛面末端滑落，经过后吸风道时轻杂质经二次风选被分离出来落入沉降室，非常轻的杂质经由风机进入除尘系统，最终完成清选的种子从与机身等宽的出口流出。 瑞典BCC公司清选机如图16所示，具体参数见表3，德国PETKUS公司种子清选设备如图17所示。

图16 瑞典BCC公司清选机

表3 瑞典BCC公司清选机技术参数

项目参数外形尺寸/mm1600×750×1000整机质量/kg165供电器3×400V 50Hz电源/kW10处理能力/kg·h-120～30

图17 德国PETKUS公司种子清选设备

为了实现精确分离，种子需要在重力精选之前被分成2～4个粒度级，然后通过重力精选机分别处理每个粒度级。种子手动送入料斗，并配有可调式振动给料机。种子送入分离通道后暴露在空气流中，使较轻的种子和坏种被吸入分离室，最右边的收集室收集坏种。重力精选机底部的百叶窗可以自动处理较大批量的种子。 瑞典BCC公司重力精选机如图18所示，具体参数见表4，德国PETKUS及美国Oliver公司种子精选机如图19所示。

图18 瑞典BCC公司重力精选机

表4 瑞典BCC公司重力精选机技术参数

项目参数外形尺寸/mm1200×800×2400整机质量/kg125供电器230V 50Hz电源/kW03处理能力/kg·h-115

图19 德国PETKUS及美国Oliver公司重力精选机

3 小结

综述了林木种子采摘与处理设备的国内外研究进展，总结了林木种子采摘与处理设备的发展状况，通过与国外先进林木种子采摘与处理设备的对比，分析了我国林木种子采摘与处理设备存在的问题，可为我国林木种子采摘与处理设备的研发提供借鉴。

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(责任编辑 王琦)

SummaryofTreeSeedPickingandProcessingEquipmentatHomeandAbroad

BAIFan1，2，WUHao1，XIAOBing1，2，WUZHAO-qian1，2*

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Forestry Equipment Engineering Technology Center of the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150040，China)

The technical equipment required for all forest production links from tree seed picking and processing to nursery，transplating，forest protection，secondary processing and comprehensive utilization are introduced and the current status and development trend of domestic and foreign forest production and processing equipment are briefly stated.

forest production；forestry machinery；wood processing machinery；comprehensive wood utilization

S776.62

A

2095-2953(2017)12-0004-07

2017-08-04

白 帆(1971-)，男，吉林扶余人，高级工程师，硕士，主要从事林业机械设计与制造及木材综合利用设备的研究，E-mail：baifan1688@163.com 。

*通讯作者：吴兆迁(1961-)，男，吉林梅河口人，研究员，硕士，主要从事营林机械设计与理论的研究，E-mail：wuzq1234@126.com。