不同截断长度对毛竹材利用率的影响

张富强(福建省政和县林业局， 福建 政和 353600)

中国是世界上竹林面积最大，竹材资源最丰富的国家，被称为“竹子王国”。全世界有70多属竹子，共1 200多种，竹林面积约为2 200万 km2，主要分布在亚洲、大洋洲和南美洲等地。我国竹子种类共有39属500余种，约占世界的三分之一，现有竹林面积约为530多万 ha(李媛等，2006)。毛竹是我国竹材资源中最主要，也是应用最为广泛的一种，占我国竹材的三分之二以上。毛竹属于禾本科刚竹属，又名孟宗竹或楠竹，具有繁殖能力强，生长速度快，成材周期短，产量高和资源丰富等特点，且毛竹林的面积大、分布地域广，其经济价值高(于文吉等，2002)。经过三十多年的研究与开发，竹材工业化利用方面也有了长足的发展(宋孝金等，2012)，目前我国各类竹材加工企业已有几千家，竹材各类加工产品种类有数十种，主要包括竹编板、竹帘板、竹集成材、竹地板、竹材胶合板、竹家具等各种竹制工艺品(徐明等，2008；张齐生，2003)。据2012年中国林业发展报告统计，16.44亿根，比2011年增长6.81%，其中毛竹11.15亿根，竹产业产值达1 224亿元(国家林业局，2012)。然而，竹材加工技术及其装备相对滞后于竹材工业的发展速度，竹材利用率低，特别是以竹片为基本胶合单元的竹材胶合板材的生产过程中，毛竹竹片加工利用率低，利用率不到30%，致使竹材加工产品成本高，影响竹材胶合板材的市场竞争力。同时，近年来随着竹材工业的发展，毛竹材的价格不断上涨，致使竹材加工产品生产成本居高不下，影响了竹材产品的市场竞争力和竹材企业的发展。本文就毛竹竹片加工利用率低的问题，分析了毛竹材外径、竹壁厚度随立杆高度的变化规律，并在此基础上，进一步研究不同竹材截断长度对竹片加工利用率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

毛竹材(Phyllostachyspubescens)分别在福建省政和县不同区域、不同坡地、不同朝向分别随机采伐50根4年生毛竹，毛竹材样本情况见表1所示。采伐时伐口尽量靠近地面。

表1 毛竹材样本情况Table 1 The information of the bamboo samples

1.2 试验方法

1.2.1 不同立杆高度毛竹材外径变化模型 近伐口的节间处裁平，自裁平断面起，每隔0.5 m测量其断面外径。测量断面外径时，测量3个不同方向的直径，取其平均值。将每根毛竹材的不同立杆高度的外径，按式(1)所示模型拟合得到不同立杆高度毛竹材外径变化模型。

d=d0+A(1-e-x/T) (1)

式中：d为不同立杆高度毛竹材外径(mm)；d0为0米处即伐口断面的毛竹材外径(mm)；x为立杆高度(m)； A、T为系数。

1.2.2 不同立杆高度竹壁厚度变化模型 毛竹材取材与壁厚测量位置与上述外径测量相同，但测量壁厚时，同一断面上测5处测壁厚，取其平均值。将每根毛竹材的不同立杆高度的壁厚，按式(2)所示模型拟合得到不同立杆高度毛竹材壁厚变化模型。

图1 竹片加工示意图Figure 1 The schematic drawing of the bamboo strip

s=s0+A(1-e-x/T) (2)

式中：h为不同立杆高度毛竹材壁厚(mm);x为立杆高度(m);h0为0米处即伐口断面的毛竹材壁厚(mm); A、T为系数。

1.2.3 不同截断长度竹片加工利用变化率 竹筒剖分竹条数与最大竹片厚度计算：已知毛竹材伐口处端面的外径为d0、竹壁厚度为h0，可按式(1)、式(2)拟合的数学模型，分别计算出自伐口处断面任意距离的截断断面的竹材外径d、竹壁厚度s，若加工竹片的宽度为a，竹片在竹条中的相对位置如图1所示(图中R为竹材断面外圆半径，R=d/2)，竹条在竹筒上所占圆心角为2β为：

则一段竹筒可剖分竹条数为：

已知竹筒外径、竹壁厚度，可计算出刨削加工的竹片最大厚度。如图1所示的直角三角形△OBA的直角边AB、OB及斜边OA分别为：

因为竹筒外径必定大于竹壁厚度，即-2(R-s)<0，所以“±”应为“+”，故而：

竹片利用变化率：以竹材长度6.3 m、目标竹片宽度为24 mm为例对比不同的截断长度对竹材利用率的影响。测量每根毛竹材伐口断面的平均外径、平均竹壁厚度，将毛竹材按表2所示的不同截断方案虚拟截断成不同长度l竹筒，按式(4)计算得到每段竹筒剖分竹条数n，按式(5)计算得到竹片最大厚度b，按式(6)计算不同截断方案同一根毛竹加工的竹片总体积，再以截断方案0的竹片总体积V0为基准按式(7)计算出不同截断方案竹片总体积的变化率，即竹材利用变化率。

表2 竹材截断方案

表3 3根示例毛竹材基本测量数据

2 结果与分析

2.1 不同立杆高度毛竹材外径变化模型

将每根毛竹材不同立杆高度的外径分别绘制曲线，并按式(1)拟合(R2≥0.9899)，得到系数A、T，取各系数平均值代入式(1)，可得不同立杆高度的毛竹材外径变化模型，见式(8)。

d=d0-92.2759(1-e-x/11.0277) (8)

按式(8)的模型预测值与其实测值间的平均误差为4.65 mm，其中3根毛竹材外径的预测值与实测值对比示例如图2所示，其基本测量数据如表3所示。

2.2 毛竹材壁厚随立杆高度变化规律

将每根毛竹材不同立杆高度的竹壁厚度分别绘制曲线后，按式(2)拟合(R2≥0.9549)，得到系数A、T，取各系数的平均值代入式(3)，可得不同立杆高度毛竹材竹壁厚度变化模型，见式(9)。

s=s0-7.9024(1-e-x/1.6270) (9)

按式(9)模型预测值与其实测值间的平均误差为0.5779 mm，其中与图2相同的3根毛竹材壁厚的预测值与实测值的对比示例如图3所示, 其基本测量数据如表3所示。

图23根毛竹外径实测值与模型预测值对比示例图33根毛竹壁厚实测值与模型预测值对比示例

Figure 2 Comparing measured value with predictive value of 3 samples of bamboo diameter Figure 3 Comparing measured value with predictive value of 3 samples of bamboo wall thickness

2.3 不同竹筒长度对竹材利用率的影响

传统生产方法是统一将毛竹材截断为2.1 m的竹筒(如表2方案0)，与截断方案0比较，截断方案1-5的竹材利用变化率如图4所示。由图4可知，竹材截断时竹筒长度越短竹材利用率越大，因为竹材外径近于线性衰减、竹壁厚度呈指数衰减，若竹片目标宽度一定，随竹筒长度的减小，竹筒可剖分的竹条数有所增加、加工的竹片最大厚度明显增大。以截断方案1为例，相对于方案0竹片总体积增加了21.4%。然而，随着竹筒长度的减小，增加了截断次数、剖分的次数，致使生产成本将会有所提高，但仍能带来较显著的经济效益(见表4)。因此，实际生产中若根据产品尺寸确定竹材截断长度，可有效地提高竹材的利用率。

图4 不同截断方案竹材的利用率

表4 不同竹材裁切方案生产成本分析Table 4 Production cost analysis for different bamboo cutting plan

3 讨论

毛竹竹材外径、竹壁厚度随立杆高度的增大近于呈指数减小，其中竹材外径更趋于线性减小，而竹壁厚度在立杆高度约2 m以内快速衰减。因而在竹片加工中，随着竹筒长度的增大，刨削生产的竹片最大厚度越小，竹材利用率越低。以满足竹材加工产品尺寸要求为前提，尽可能减小毛竹材截断长度，可提高毛竹材利用率、降低竹材产品生产成本，具有显著的经济效益和环境效益。

国家林业局．2012．2012全国林业统计年报分析报告汇编.中国林业出版社．

李媛，邓和平．2006．竹质新材料产业化前景与对策.中国高校科技与产业化，(7)：76-77．

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于文吉，江泽慧．2002．竹材特性研究及其进展.世界林业研究，15(2)：50-55．

张齐生．2003．我国竹材加工利用要重视科学和创新.浙江林学院学报，20(1)：1-4．