东北人工林履带式和轮式小型拖拉机集材效率分析1)

林文树 杨德岭 王立海 徐华东

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

东北人工林履带式和轮式小型拖拉机集材效率分析1)

林文树 杨德岭 王立海 徐华东

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

通过大量调查和实测资料，定量地研究分析履带式和轮式小型拖拉机集材对人工针阔混交林的集材效率。履带式小型集材拖拉机的集材效率和生产率优于轮式拖拉机，其中原条集材优于原木。回归分析结果表明：随着集材时间和集材距离的增加, 两种拖拉机集材效率均降低，但运载量与集材效率的关系不明显。相关分析结果表明：拖拉机集材效率与集材距离、集材时间、运载量、集材距离与集材时间相互关系、运载量与集材数量相互关系是显著不同的。无论是原条还是原木集材，履带式拖拉机集材生产率都要高于轮式拖拉机集材生产率。

人工林；履带式拖拉机；轮式拖拉机；集材作业；效率

Through lots of survey and testing, we analyzed the efficiencies of tracked tractor and wheeled tractor skidding for northeast mixed broadleaf-conifer forest plantations quantitatively. The efficiency of skidding and productivity of tracked tractor was bigger than wheeled tractor, and the log skidding was better than stem skidding. By the regression, the skidding efficiencies reduced with increasing skidding time and skidding distance. However, the relationships between skidding efficiencies and skidding quantity per skidding circle were not evident. By the correlation analysis, the skidding efficiency was significantly different among skidding distance, skidding time, skidding quantity per skidding circle, interaction between skidding distance and time, interaction between skidding quantity and numbers of stem or log. The production rate of tracked tractor was higher than that of wheeled tractor in both stem and log skidding.

集材作业是将伐区迹地的木材集运到山上楞场或装车场的作业过程，是伐区木材生产的重要组成部分，选择合理的集材作业方式关系到伐区生产效率的高低和木材生产的成本，并影响到森林更新和环境保护[1]。对黑龙江、吉林林区木材生产实际状况的调研表明，在天然林保护工程实施以后，迫于经济、环境以及集材量减少等多方面因素的压力，畜力集材逐渐成为该区域集材的主要方式。在“天保工程”实施初期，畜力集材的确发挥了它应有的积极作用。然而，随着时间的推移和社会的发展，近年来畜力集材与林区生产实际之间的矛盾却逐渐凸现出来。由于畜力集材作业的劳动力成本逐年升高，且存在资源利用率、造材率和集材效率较低等缺点，畜力集材作业已经逐渐不适应东北林区木材生产实际现状，因此需要采用机械集材来替代畜力集材。然而，由于目前山场作业具有作业地点分散、坡度大、林木稀疏、单位面积集材量和单株立木出材量均较低等新的特点，并不适宜采用原来林业专用的大型集材拖拉机如J-50、J-80等机械来进行集材，需要探索新型的更适合林区生产实际的小型、灵活、环保的集材机械。

依据黑龙江和吉林林区实际调查情况，对要设计的环境友善型拖拉机的主参数进行了选取和设定。依据主参数，对桂林玉柴工程机械有限公司的yct306s-6带推土铲的履带式小型拖拉机和山东福尔沃农业装备有限公司的FB324四驱小型轮式拖拉机进行改造设计，并加装专用的绞盘机和挡载板等设备，最后对绞盘机和搭载板与拖拉机样机进行联结安装。样机设计和改造完毕之后，在吉林省临江林业局进行了试验。笔者着重研究所设计的履带式和轮式小型拖拉机集材作业的生产效率，以便与其它集材作业方式(J-50集材拖拉机)进行比较，从而验证所设计的拖拉机在我国东北林区的集材作业能够有效提高东北林区木材生产效率，解决木材生产实际难题，促进林业机械现代化，带动林区经济效益增长，同时也能够改善林业工人作业条件，保护林区生态环境。

1 研究区域与作业概况

试验样地选在吉林森工集团临江林业局大西林场。该区域属于温带季风性气候，冬季干燥严寒多雪，夏季温暖多雨，年平均降水量为660 mm，年平均气温1.3 ℃，无霜期115 d左右。集材作业场地为大西林场58林班1小班内，设计面积10.9 hm2，海拔670 m，坡向西南，坡度6°～8°，土壤为暗棕森林土。平均土层厚度20 cm，土壤潮湿，植被种类为木贼，盖度为中，灌木丛种类是花楷子，盖度为密。该样地为人工林，林分类型为针阔混交林，主要树种落叶松、红松、水曲柳、椴树等组成，平均林龄48 a，平均胸径24 cm，平均树高18 m，郁闭度0.9，木材蓄积量244 m3/hm2。

采伐方式选用择伐作业，利用研制的履带式和轮式小型集材拖拉机于2010年4—5月份在试验样地进行了原条、原木集材作业。样机的主要参数见表1。

表1 履带式和轮式小型拖拉机主要技术参数

2 研究方法

2.1 集材效率和生产率测定

结合临江林业局木材生产作业，对现场试验进行合理设计和规划。分别采用履带式集材拖拉机样机和轮式集材拖拉机样机对不同地点的原条、原木进行集材。现场试验时，采用秒表和纸作纪录。记录每一次集材所用的总时间，总集材时间包括绞集、载运、卸木以及回空，即为一个循环的总时间。同时，记录集材距离、运载量等数据，用以分析试验样机的集材效率。本研究所指的集材效率为运载量与集材时间之间的比值，单位为m3·h-1·次-1[1-2]。最后，讨论集材效率与集材时间、集材距离及运载量之间的关系，分析影响集材效率的主要因素。此外，记录工人每天的工作时间、休息时间、准备时间等，用以计算集材生产率。

2.2 数据分析

采用最小二乘法对集材效率与集材距离、集材时间、运载量的关系进行回归分析。最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以求得未知的拖拉机集材效率数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

另外，本研究还采用R统计软件进行数据分析及建模，应用一般线性模型(GLM)来决定拖拉机集材效率与集材距离、集材时间、运载量及集材数量之间的相关关系。GLM模型是线性模型的扩展，其特点是不强行改变数据的自然度量，数据可以具有非线性和非恒定方差结构。为了分析简便，将原始数据进行了简单的划分。集材方式考虑4种，即履带式原条、履带式原木、轮式原条、轮式原木；集材距离分为8组，分别为70、80、90、100、110、120、130、140 m；运载量分为5组，分别为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 m3·次-1；集材时间分为9组，分别为9、10、11、12、13、14、15、16、17 min；集材数量分为5组，分别为1、2、3、4、5根。

3 结果与分析

3.1 试验样机原木原条集材

3.1.1 履带式试验样机原木原条集材

采用改装后的小型履带式集材拖拉机对作业区内的原条和原木进行集材，现场记录其在集材作业各工序中所花费的时间、集材距离、运载量和单次集材数量等数据(表2、表3)。

表2 小型履带式集材拖拉机原条集材原始数据

从表2和表3可知，采用小型履带式拖拉机对原条进行集材时，载运时间>回空时间>绞集时间>卸木时间；而对原木进行集材时，载运时间>绞集时间>回空时间>卸木时间。不难发现，无论对原条还是对原木集材，载运时间均最大，卸木时间最小，其中原条和原木载运平均时间分别占总平均时间41%和36%，而卸木时间仅分别占12%和16%。载运时间比较长，可能是由于本次试验的林区为择伐作业区，木材相对比较分散，而且在拖拉机集材作业过程中，还会受到林地地势不平和保留木阻碍的影响。但是，原木绞集和卸木时间要明显大于原条，相差几乎都在2倍以上，这主要是由于单次所绞集的原木数量(平均4根)和原条数量(平均2根)相差较大。虽然原条集材的数量要小于原木集材，但原条集材的运载量(0.77 m3·次-1)要大于原木(0.61 m3·次-1)。

表3 小型履带式集材拖拉机原木集材原始数据

3.1.2 轮式试验样机原木原条集材

采用改装后的小型轮式集材拖拉机对作业区内的原条和原木进行集材，现场记录其在集材作业各工序中所花费的时间、集材距离、运载量和单次集材数量等数据(表4、表5)。

可知，采用小型轮式拖拉机对原条进行集材时，绞集时间>载运时间>回空时间>卸木时间；而对原木进行集材时，绞集时间>回空时间>载运时间>卸木时间。无论对原条还是原木集材，绞集时间均最大，原条和原木绞集平均时间分别占总平均时间33%和43%。因此，提高轮式拖拉机集材作业效率的一个重要举措就是要缩短绞集时间。同样，无论对原条还是原木集材，卸木时间最少。对于轮式拖拉机集材，原条和原木卸木平均时间分别占总平均时间14%和15%。与履带式拖拉机集材相似，轮式拖拉机原木绞集和卸木时间要大于原条，尤其是绞集时间，相差超过1.5倍；轮式拖拉机原条集材的运载量(0.69 m3·次-1)要大于原木(0.57 m3·次-1)。进一步分析可发现，轮式拖拉机集材时，原条集材的载运时间和原木集材的回空时间都比较长，载运时间长是因为原条集材时受到原条自身长度和保留木的影响；本次试验的集材作业是顺坡集材，逆坡回空，所以尽管是空载，回空的时间也比较长。

表4 小型胶轮式集材拖拉机原条集材原始数据

表5 小型胶轮式集材拖拉机原木集材原始数据

本次试验中，履带式拖拉机集材的平均集材距离为102 m，轮式拖拉机集材的集材距离为101 m，相差非常小。履带式拖拉机集材的平均运载量为0.70 m3·次-1，高于轮式拖拉机的0.63 m3·次-1。另外，履带式拖拉机集材总平均时间为11.04 min，而轮式拖拉机集材总平均时间为12.23 min，很明显可以看出，轮式拖拉机集材时间相对要长。因此，在本次试验中，履带式拖拉机集材效率大于轮式的集材效率，这是因为轮式拖拉机集材的运载量要低于履带式拖拉机集材的运载量，而且作业时间还相对长。虽然两种拖拉机集材作业总的集材距离相差不大，但是在载运时间上，履带式拖拉机载运原条和原木的平均时间分别为3.77、4.55 min，而轮式拖拉机分别为3.1、2.6 min，这说明轮式集材拖拉机更为灵活，行驶速度相对更快。

3.2 集材效率与集材时间、集材距离和集材运载量的回归分析

为了比较履带式拖拉机和轮式拖拉机在原条和原木集材时的不同效率，分别对两种拖拉机集材方式下原条和原木集材效率与集材时间、集材距离和运载量进行了统计分析。

3.2.1 集材效率与集材时间的回归分析

通过对比指数、线性、对数、多项式、幕这几类主要的回归模型，本研究设计的履带式和轮式拖拉机原条与原木集材效率与集材时间的模型都适合多项式模型。该模型下的决定系数R2最大，即为回归平方和与总离差平方和之比值最大的模型。根据最小二乘法，得出履带式拖拉机原条集材效率与集材时间的拟合方程E履=-0.029 9T2+0.360 5T+4.381 1，相关系数为R2=0.51；而履带式拖拉机原木集材效率与集材时间的拟合方程E原=0.010 4T2-0.358 3T+5.702 8，相关系数为R2=0.56。轮式拖拉机原条集材效率与集材时间的拟合方程E轮=-0.037 1T2-1.167 7T+11.934，相关系数为R2=0.51；而轮式拖拉机原木集材效率与集材时间的拟合方程E轮=0.014 5T2-0.595 5T+7.907 8，相关系数为R2=0.58。两种集材方式的集材效率随集材时间变化关系的散点图与拟合方程曲线如图1所示。可以看出，对于履带式和轮式拖拉机集材，从总的趋势来看，集材效率均随着集材时间的增长而降低，但两种拖拉机集材方式的差别不是十分明显。

图1 集材效率与集材时间的关系

3.2.2 集材效率与集材距离之间的回归分析

根据最小二乘法，得出履带式拖拉机原条集材效率与集材距离的拟合方程为E履=0.000 5D2-0.122 1D+11.973，相关系数为R2=0.56；而履带式拖拉机原木集材效率与集材距离的拟合方程E原=0.000 1D2-0.045D+5.991，相关系数为R2=0.51。轮式拖拉机原条集材效率与集材距离的拟合方程为E轮=8.598 3e-0.008 2D，相关系数为R2=0.57；而轮式拖拉机原木集材效率与集材距离的拟合方程E轮=-7E-5D2-0.015 4D+4.920 5，相关系数为R2=0.50。

两种集材方式的集材效率随集材距离的变化关系的散点图与拟合方程曲线如图2所示。可以看出，对于履带式和轮式拖拉机集材，集材效率随着集材距离的增长在逐渐降低，因为两种集材方式的运载量波动不大，随着集材距离增加，集材时间也随着增加，因此集材效率越来越低。但两种集材方式的变化趋势并不十分明显。

图2 集材效率与集材距离的关系

3.2.3 集材效率与运载量之间的回归分析

根据最小二乘法，得出两种拖拉机原条和原木集材效率与运载量的相关系数R2都小于0.5。两种集材作业的集材效率随运载量的变化关系的散点图如图3所示。可以看出，运载量与集材效率的关系不太明显，且随机性比较大。

图3 集材效率与运载量的关系

3.2.4 集材效率与集材时间、距离、运载量以及数量之间的相关分析

在本试验测定的数值中，由于要处理多指标变量(履带式与轮式拖拉机、原条与原木、集材距离、运载量、集材时间、数量)与集材效率之间的关系，而且集材效率与上述变量之间具有一定的相关性。如果采用简单的回归方法或单独用其中的某一变量来解释某种拖拉机集材效率问题时，上述变量之间会产生一定的干扰，而导致所预测值缺乏精确性。因此，本研究将采用一般线性模型来分析集材效率与上述指标变量之间的关系：

Eijklm=u+Ji+Dj*Tk+Ql*Gm+eijklm。

(1)

式中：i=1，2，…，4；j=1，2，…，8；k=1，2，…，9；l=1，2，…，5；m=1，2，…，5；n=1，2，…，p；Eijklm表示第n个观测的履带式或轮式拖拉机集材效率；u表示相应变量的均值；i表示第i个履带式或轮式拖拉机原条和原木集材方式影响；j表示第j个集材距离的影响；k表示第k个集材时间的影响；l表示第l个运载量的影响；m表示第m个集材数量的影响；eijklmn表示不可控制的因素影响；p表示有多少个观测值需要处理。同时，集材距离与集材时间，以及运载量与集材数量的相互影响因素也在模型的考虑范围之内。

根据统计分析结果可知，拖拉机集材效率在集材距离(P<0.001)、集材时间(P<0.001)、运载量(P<0.001)、集材距离与集材时间相互关系(P<0.001)，以及运载量与集材数量相互关系(P<0.05)中是显著不同的。但集材效率与集材方式(P=0.684)，集材效率和集材数量(P=0.326)不存在显著的不同。由于集材方式、集材数量和拖拉机集材效率之间没有明显的显著不同，将这两个变量从模型当中去掉后，新的拖拉机集材效率与集材距离、集材时间及运载量的一般线性模型为：E=8.15-0.04D-0.6T+4.21Q，R2=0.88。从该模型中可发现，集材效率随集材距离和集材时间的增加而降低，随着运载量的增加，集材效率增大。

3.3 集材生产率分析

影响集材生产率的因素很多，、地形条件、气象等自然因素，同时也受机械设备、劳动者、生产组织等社会技术因素影响[3]。本研究的履带式集材拖拉机和小型轮式拖拉机的集材生产率可由下式进行计算：

(2)

式中：p为集材生产率(m3·台班-1)；t为每班总工作时间(min)；t′为班前准备和班后结束时间(min)；φ为工作时间利用系数，考虑到休息和个人需要等，一般取0.8～0.95；M为平均每次集材量(m3)；t1为绞集时间(min)；L为平均集材距离(km)；t2为卸木时间(min)；V1为拖拉机平均集运速度(km·h-1)。V2为拖拉机平均回空速度(km·h-1)。

在试验过程中，每班平均每天工作时间6h，班前准备和班后结束时间按30min计算，工作时间利用系数取0.9。依据表2—表5中数据，采用式(2)分别对履带式拖拉机和轮式拖拉机原条和原木集材的生产率进行计算。履带原条、履带原木、轮式原条、轮式原木的生产率分别为24.62、14.21、18.50、12.64m3·台班-1。可以看出，无论是原条还是原木集材，履带式拖拉机集材生产率都要高于轮式拖拉机集材生产率。尽管履带式拖拉机集材生产率高，但对于集材机械的选择还取决于其它的因素，如集材机械是否适用于该林地，对林地的破坏程度如何，以及集材作业成本等。

4 结论与建议

采用履带式和轮式小型拖拉机试验样机在吉林省临江林业局进行了集材作业试验，定量分析了我国东北林区拖拉机集材的集材效率和集材生产率。履带式拖拉机原条和原木的集材效率分别为5.07、2.93m3·h-1·次-1，而轮式拖拉机原条和原木的集材效率分别为3.7、2.64m3·h-1·次-1，履带式拖拉机原条和原木的集材生产率分别为24.62、14.21m3·台班-1，而轮式拖拉机原条和原木的集材生产率分别为18.5、12.64m3·台班-1，其中原条集材优于原木集材。通过时间对比研究得出履带式小型集材拖拉机的集材率优于轮式拖拉机。回归分析结果表明：不论是采用哪种集材拖拉机，其集材效率均随集材距离和集材时间的增加而降低，随着运载量的增加，集材效率的变化不明显。另外，由于收集的数据样本量和影响变量相对较少，在进行回归分析时，可能会降低对预测估计的精确性，所以为了更好地预测拖拉机集材效率，需要考虑大样本量及更多的影响变量。相关性分析表明，拖拉机集材效率与集材距离、集材时间、运载量、集材距离与集材时间相互关系、运载量与集材数量相互关系是显著不同的。

试验数据表明，本研究所设计的两种环境友善型小型集材拖拉机能够较好地适应东北林区复杂多变的木材生产作业条件，集材效率与集材生产率较高，能够满足林区作业要求。提高拖拉机集材效率可以从缩短集材总时间、缩短集材距离及合理确定运载量等几个方面入手。本研究只是在两种拖拉机集材的集材效率方面进行了分析，今后的研究工作则需要对两种集材拖拉机对林地生态环境影响方面进行相应的研究和比较分析。

[1] 董希斌,付俊卿,孙剑锋,等.人工林拖拉机集材与畜力集材效率的比较[J].东北林业大学学报,2005,33(6):116-117.

[2] 徐茂坤,董希斌,齐永峰,等.人工林滑道接运与畜力集材效率的比较[J].东北林业大学学报,2005,33(6):120-121.

[3] 张文琪,曹玉昆,蒋敏元.浅析影响拖拉机集材效率的因素[J].森林采运科学,1990(3):15-18.

Efficiencies of Tracked Tractor and Wheeled Tractor Skidding for Northeast Forest Plantations/

Lin Wenshu, Yang Deling, Wang Lihai, Xu Huadong

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-99～103

Forest plantation; Tracked tractor; Wheeled tractor; Skidding operation; Efficiency

林文树，男，1980年5月生，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，副教授。

王立海，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail:lihaiwang@yahoo.com。

2013年9月4日。

S782.25

1) 林业公益性行业科研重大专项(201104007)。

责任编辑：戴芳天。