原木品质对锯材质量的影响与控制措施

郑 涛

(福建省金森林业股份有限公司，福建将乐353300)

福建金森林业股份有限公司是一家以森林资源培育，木竹采伐销售和木竹制品生产经营为主的科技型林业股份制企业，拥有森林经营面积2.84万hm2，林木蓄积量340万m3。公司的主要木材产品包括杉、松原木、锯材及锯材加工品等。公司已获得FSC国际森林认证，具有森林可持续经营认证(FSC/FM)和林产品产销监管链认证 (FSC/COC)资格。公司具有丰富的原木生产管理经验，并装备有较先进的锯材生产设备。在多年的生产过程以及设备管理实践过程中，通过一系列的质量控制措施使原木与锯材产品的质量保持稳定。本文通过分析伐区木材生产过程中，各个作业工序对原木品质的影响，提出控制原木品质的对策。在归纳总结锯材对原木特性与质量基本要求的基础上，分析原木品质对锯材质量与出材量的影响，提出提高锯材质量及出材量可采用的制材新技术与装备。

1 原木质量对锯材出材量与品质的影响

1.1 锯材对原木特性与质量的基本要求

原木特性会对锯材产品最终的加工价值、产量、产品质量与成本产生影响，其相对重要性取决于原木最终产品的使用［1］。原木的一些特性，比如:原木直径、垂直度、削度、枝桠与节子、尺寸稳定性、机械性能和美学特性等对原木产品特别是锯材是至关重要的;但这些特性对纸浆和纸的质量影响又是较小的。同样，原木的纤维形态与化学组成对纸浆和纸的质量有重要的影响，但这些特性对锯材等原木产品的影响就不是那么明显［2］。

原木特性中的许多因素会影响锯材的产量与质量，主要包括:原木直径、原木的垂直度、尖削度、枝桠与节子、尺寸稳定性、机械性能、美学特性、相对密度、腐烂程度、节子的分布、树皮厚度、心材与边材比例、成熟材与幼龄材比例和含沙量等［3］。

(1)对锯材产品而言，原木的直径可能是最重要的影响因素，因为锯材产品的出材率随原木直径的增加而显著增加。锯材产品的等级也与原木的直径显著相关，因为锯材产品分等规则允许大尺寸的锯材产品中有大的节子［4］。

(2)原木的垂直度与削度也影响锯材最终的出材率。原木的弯曲度不但影响锯材的出材率也影响锯材的质量。大的原木削度会减少锯材的出材率，也会降低锯材的机械性能。

(3)节子是导致锯材外观质量降低的最常见的原因之一，节子也会使锯材的机械性能降低，其对锯材质量的影响取决于节子的大小、位置、节子的宽度以及节子出现的频率。原木的节子数量与大小则与活立木的枝桠数量及大小有关。

(4)幼龄材比例较大的原木，通常其强度较低，尺寸稳定性也较差。目前的森林经营方式如发展工业人工林 (速生丰产林)导致森林轮伐期越来越短。短轮伐期的原木中通常含有较大比例幼龄材。研究表明:含有100%比例幼龄材的锯材，其弹性模量比成熟材的要低50% ～60%;随着幼龄材比例的增加，锯材的弦向拉伸强度、剪切强度与横向压缩强度均会大幅度下降［5］。

幼龄材比例大的锯材，由于其木材微观结构中的微纤丝角较大，容易使锯材有更多的翘曲、扭曲与弯曲变形，从而影响锯材的质量。其他导致锯材翘曲变形的原因包括木材纹理、木材内部应力以及年轮宽度的突然变化等 (比如在人工林间伐后1年树木年轮会突然变大)。

(5)木材密度仍然是影响锯材机械性能的重要因素之一。木材含水量高会导致木材干燥时间增加，成本加大。值得指出的是，木材采伐对木材含水率有直接的影响，因为含水率会随木材采伐季节、伐区位置、树木年龄以及原木长度等因素而变化［6］。

森林经营措施 (如最初造林密度，抚育采伐等)影响树木的生长以及最终生产出的木材数量与质量。许多研究表明:森林经营措施影响木材产品的质量与最终产品价值。通常，初始造林密度、抚育采伐、剪枝、轮伐期大小以及林木遗传改良措施等森林经营措施对木材质量有直接的影响。初始造林密度特别对木材节子、幼龄材比例以及木材密度的影响较大。一些研究表明:造林间距大会导致木材产生更大的节子，并降低木材的机械性能。但间距大为生产大径材提供了有利条件。对花旗松林分而言，采用3m×3m的造林间距所获得的木材材积以及木材机械性能下降之间达到较好的平衡［7］。此外，在原木的二次加工 (一次加工通常指木材采伐生产原木)以及木材的高附加值加工利用中，木材的美学特性、机械性能、加工性能以及耐久性等原木特性显得更加重要。

1.2 影响锯材出材量与品质的因素

制材厂中的锯材出材量受许多复杂因素的影响。每个制材厂的情况都有所不同，影响锯材出材量的因素也不尽相同的［8-11］。这些影响因素主要包括:

(1)原木直径、长度、削度与质量:原木径级越大，一般锯材出材量也越大。但是径级特别大的原木也意味着树龄大，也更有可能含有更多的劣材。采用低等级原木生产锯材，其出材量通常也会受影响。一些原木缺陷必须从原木中去除掉以提高锯材的结构与外观品质，其结果就导致出材量降低。

原木削度也影响锯材出材量，削度越大出材量损失越大。当带有计算机系统的锯机下锯时是根据所能得到的方材进行长度方向的截断，原木削度大导致所获得的长方材的长度减少。原木长度增大可能导致锯材出材量减少，削度大且长度大的原木会导致出现更多的下锯图方面的问题，在锯截过程中可能导致更多的木料损失。另外，森林中采伐的原木长度与锯材长度之间存在关联，如果原木的长度刚好是锯材长度加上最小的锯截宽度，那么锯材出材量就会增加。

(2)锯口宽度:减少锯口宽度可使同样尺寸大小的原木锯截出更长更大的板材，从而增加锯材出材量。

生材与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预留的刨光量、板材的收缩以及其他的锯截预留量。锯截尺寸变化量与刨光量两种尺寸可以控制。锯材尺寸如果有大的变化，那么生材尺寸的预留量也要相应大些，以保证锯材刨光后的尺寸不小于最小的允许尺寸。

(3)锯材产品组合形式:锯材产品结构对锯材出材量的影响很大。对于制材时所获得的材积而言，锯线越少，出材量也越高。因此，当其他条件不变时，生产大尺寸的锯材所获得的出材量也越大。实际生产中，锯口宽度、锯截方法以及原木的尺寸都会影响最终的出材量。

(4)制材厂技术人员的决策:制材厂技术人员的决策极大地影响所获得的出材量，制材厂中不同的原材料要求设备操作人员每天都要作出大量的技术决策。近年来制材技术的发展使计算机辅助决策变得普遍，一些决策支持系统可以使制材生产线配置更合理，从而使获得的出材量最大化。

(5)制材设备维护:制材厂工作条件的保持与设备维护至关重要，设备无法正常工作或操作不当是引起锯材质量不稳定的主要原因。设备设计不合理以至无法与所承担的任务相匹配也会导致正确的决策无法得到执行。

(6)制材方法:制材方法指把原木分截为板材的模式。制材方法显著影响锯材的出材量，目前制材方法仍是一个复杂的研究课题。在制材厂中制材方法对锯材出材量的影响仍然是决定性的。

总而言之，影响锯材出材量的每一个单一因素相对较简单，但在某些情况下这些因素的协同作用可能使情况变得复杂。当这些因素或所有因素都在起作用时，对如何获得最大的出材量进行分析就变得很困难。

2 提高锯材质量的控制措施与对策

木材采伐作业中对原木品质的考虑越来越重要，片面控制采伐作业的成本有时对整个林业企业的经济收益会起到误导作用。对于大多数木材生产企业而言，通过生产过程的控制以提高原木或木材产品的价值意味着更少的损失。为了使木材生产企业的收益最大化，从伐区到制材厂的每个作业工序都必须注重木材品质的控制。与木材品质控制相关的伐区作业与制材作业工序如图1所示。

2.1 伐区作业技术措施

在采伐作业中，上述提及的原木的许多特性在短期内是很难控制的。但是，一些因素如木材密度、含水率、木材中的水分分布、树皮厚度、木材腐烂程度、含沙量等对锯材的质量有重要的影响，而且在木材生产中是比较容易控制的。据报道，在锯材生产中，原木成本大约占总成本的60%左右。在伐区木材生产中，采运作业目的在于将活立木转换成一定规格与大小的原木商品，并且使利润最大化。因此，对原木品质的控制应该从采运系统的每个工序开始。原木价值的损失可能由于分等不合理、不适当的造材方式或剥皮工序所导致。在采伐作业中，以下环节需要予以特别的重视:

(1)木材纤维的收获:在伐区作业中，立木的伐倒与造材作业通常会造成木材纤维的损失。纤维损失可能由于树干损伤、劈裂或者由于伐根过高而导致。采伐时伐木工应该仔细观察立木周围情况，判断树木可能倾倒的位置，避免伐倒时由于劈裂导致原木降等或纤维损失。同时，要保证伐根高度尽可能的低。

(2)原木分等:不适当的造材作业会导致原木价值的巨大损失，这主要是由于一些造材工缺乏原木分等方面的知识与技能。原木造材时的等级分类只能在树木伐倒与造材的位置进行，在此位置原木生产中所有的相关因素都应考虑到。

(3)原木的二次加工:原木的二次加工包括在楞堆、贮木场或制材厂的造材作业。造材作业要求造材工对原木的分级有充分的了解，而且检尺工具要备齐。

在伐区作业中，可以采取以下措施控制原木的品质:原木做标记;分析树木伐倒的过程;编制采伐与造材作业工序指南;编制原木收获与利用原则;采伐迹地调查;原木分级情况报告;原木二次加工情况报告等。

另外，为使在伐区作业中特别是集材作业中原木品质所受的损失最小，以下工序应该严格把关:在伐木工序完成后立即进行原木的拖集;在剥皮工序完成后立即把原木拖运到造材地点;尽可能采用原条生产工艺而不是短原木的生产工艺;尽可能不损伤树皮，因为树皮可以保护原木免于遭受干裂、磨损、玷污或腐烂;采用保护性的措施来储存原木，例如不间断的洒水来保护原木或者把原木保存在水中，特别是松原木而言，水中储存对保护木材品质十分有用。

2.2 制材技术与装备

制材目的是使原木价值最大化，其各个加工工序与木材材积、等级有关。随着制材技术的进步，在锯材质量控制与提高出材量方面，一些新技术与设备有望得到进一步应用［12-15］。

(1)头道锯:在原木加工成锯材的流程中，对初剖锯或头道锯进行控制以保证原木在任何时候都放置在合适的位置上，这样可以保证生产连续运行。对每一根原木都要进行精确的检测，以提供精确的材积数据。原木剖分可以采用计算机系统进行，使获得的价值最大。

(2)小带锯机:小带锯机可适用于对头道锯截中各种精确加工过程的检测、记录以及控制。

(3)裁分机:采用带有优化-扫描-记录系统的裁分机可以使锯材的出材率最大化。这样锯口的深度与进料速度可以通过裁分机或设备控制系统来控制，可以避免由于进料速度过快造成的锯材纵向裂纹或锯损坏。毛方的厚度可以通过在裁分机前头装备的传感器进行检测，以避免进料时体积过大的木料进入双轴式裁分机或上轴式裁分机中，从而导致裁分机的破坏。

(4)多锯片截锯机:多锯片截锯机操作控制系统可以使所得到的锯材材积最大化。当每一个木料通过预截锯机时，这些系统的机械电子装置可以自动检测其数量。每块板材就依据这些采集到的数据进行裁边。这些机械电子装置也能自动产生原料与实际生产出的锯材材积数据，包括合格的锯材材积、边材材积和锯末的材积等。

(5)锯木机与刨光车间:自动板材图灵机或者板材自动图象分级系统以及板材应力分级系统目前已经投入使用。自动监测系统可以显示与记录每一次板材分级结果。分等与锯截决策支持系统已经广泛应用在制材厂刨光车间的数据采集系统中。

(6)锯锉车间:锯机整理系统已经进入实验室研究阶段，带有示波器、电子传感装置、计算机与自动机械手的装置可以进行锯机适张度调整、水平调整、校正、锉锯、打磨、修整、模锻以及对刀具进行硬化、合金化、炭化等处理，使刀具与锯机在各种最优化的工艺条件下工作，并能适应各种各样的工作条件。

(7)生材输送链:生材链式分选机通常装备有机械或电子传感装置以测量板材宽度、厚度和长度。分选机可以在传感器测量的数据与截锯机的截锯决策基础上实现全自动作业。

(8)生材与干材储存:制材车间操作工与监控人员可使用电子笔记本记录制材生产线出现的问题、装载过程中的板材损失、过载、板垛规格化、过载保护、合适的检尺方法与标识、合理的板材堆垛位置与设计、产品的进销存等。

(9)干燥窑:最新开发的自动湿度检测装置与方法可以在干燥过程中检测单个板垛的湿度。这些数据输送到控制室，监控人员可以根据这些基础数据对干燥时间安排与板垛的装入与拖出时间作出合适的决策。

(10)刨光机:抛光处理系统已经得到广泛的应用，这种装置可以同时从板材的两端或边缘进行磨光处理，这样可以减少由于节子开裂等造成的板材降等损失。湿度检测装置可以较高的速度检测湿材中的湿度。过湿的板材被分拣出重新进行干燥直到湿度符合要求为止。抛光处理系统与板材尺寸传感系统以及反馈控制系统是匹配使用的。

(11)干燥室出材端分选机:干燥出料口分选系统可以连续对成品进行记录。

(12)包装与船运:包装作业包括板材清洁、准确的标签、包装的紧密性以及随后的操作过程中所产生的损伤都可以用电子笔记本记录并把数据保存起来。检尺与标签也可以采用电子装置进行判读以提高作业效率与准确度，这些数据可以自动加入到管理系统中。船运过程中的监控包括合适的标识、装载以及运输管理等。

3 结论

原木产品最终的使用目的对原木特性的要求是不同的。对于制材厂的原木加工而言，原木直径、垂直度、削度、枝桠与节子数量、大小、尺寸稳定性、机械性能与木材的美学特性尤为重要。

对于原木品质方面的考虑在伐区木材生产中已变得越来越重要。原木密度均匀度、原木中水分分布、树皮含量、腐朽材所占的比例、含沙量等对板材质量有着重要的影响。因此，这些因素在伐区木材生产中应该进行严格的控制。伐区木材生产对原木品质的控制应成为常规作业监控程序，因为原木价值的损失可能由于不合理的分等、不适当的剥皮和造材作业所导致。

制材厂中锯材出材量由几个因素及其相互间的复杂作用所决定。每个制材厂中，影响锯材出材量的因素也是不尽相同的。这些影响因素主要包括:原木直径、长度、削度与质量，锯口宽度，锯材尺寸大小，锯材产品的组合形式，制材厂技术人员的决策，制材厂设备维护以及制材方法等。

［1］王喜明，江泽慧，费本华.桉树人工林木材加工过程中几个问题的探讨［J］.世界林业研究，2003，16(3):62-64.

［2］ Zhang T，Gingras J F.Timber management toward wood quality and end-product value［R］.Workshop hightlights and related information.FERIC/Forintek Joint Report IR-1998-06-01，1998:10-20.

［3］郑祥松，陈云天，邢 航.制材质量缺陷产生的原因及纠正方法［J］.建筑人造板，1999，2(2):15-16.

［4］齐显聪.提高制材出材率的工艺措施［J］.木材加工机械，1998，15(3):21-23.

［5］ Clark Ⅲ A，Saucier，J R，Baldwin V C，et al.Effect of initial spacing and thinning on lumber grade，yield and strength of loblolly pine［J］.Forest Products Journal.1994，44(11/12):14-20.

［6］ Gingras J F，Sotomayor J.Wood moisture variation in woodland inventory:a case study［R］.Technical Note TN-192，FERIC，Pointe-Claire，Que，1992.

［7］ Gerry J.Effects of silvicultural treatment on the quantity and quality of Jack pine woods［D］.Thunder Bay:Faculty of Forestry and the Forest Environment，Lakehead University，B.Sc.Thesis，2001:37-50.

［8］陈历兰，吕学富.改善制材加工工艺的探讨［J］.黑龙江生态工程职业学院学报，2007，20(3):60，66.

［9］孙建华.浅谈提高小径原木制材出材率的工艺措施［J］.防护林科技，2007，25(4):95.

［10］文 平，张玉春.浅谈提高制材出材率的工艺措施［J］.黑龙江生态工程职业学院学报，2008，21(5):92.

［11］李成元，李传信.小径低等原木加工利用中的制材-干燥-纵剖技术［J］.林业科学，2007，43(10):100-105.

［12］李晓旭，花 军.制材设备的发展及趋势［J］.林产工业，2010，37(2):5-9.

［13］ Karl Fronius.制材设备掠影［J］.林业机械与木工设备，2000，28(1):17-19.

［14］张汝楠，孙丽萍.基于X-ray CT技术原木三维重建检测缺陷方法的初步探讨［J］.森林工程，2008，24(5):25-28.

［15］徐华东，王立海，倪松远.模态分析技术在木材性质检测中应用的研究进展［J］.森林工程，2007，23(6):15-17.