国内外林木采伐及林地清理装备现状分析

徐 鑫， 郭克君*， 满大为， 苏 宁， 苗振坤， 吴立国

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院研究生院，北京 100091)

综 述

国内外林木采伐及林地清理装备现状分析

徐 鑫1，2， 郭克君1，2*， 满大为1， 苏 宁1，2， 苗振坤1， 吴立国1

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院研究生院，北京 100091)

介绍了国内外采伐清林机械的发展历程和现状，概述了几个关键装置的发展应用前景，通过国内外清林机械的对比，指出了我国采伐清林装备发展存在的问题。

林木采伐；林地清理；联合采伐机；清林机械

1 技术背景

1.1 林木采伐装备技术

林木采伐是根据林业经营的目的和要求，对林木进行砍伐的作业，是木材生产的基本工序之一。林木采伐包括林木成熟前的抚育采伐和成熟林、过熟林的主伐。采伐方式主要有传统锯伐木、斧头伐木、油锯伐木、电锯伐木和大型机械伐木等。

我国人工林面积达6 933万hm2，位居世界第一，约占世界人工林面积的30%，年均增长量占世界的一半以上，是森林资源增长最快的国家[1]。但到目前为止，在我国林区伐育作业中，使用最普遍的机械还是斧子和油锯，伐木作业只实现了半机械化，而集多种功能于一体的联合采伐机械尚未出现[2]。其原因主要是我国林区种类多、树龄不一、地理条件复杂；国外先进的采伐机械价格昂贵，对我国地形适应能力差，引进后很难完全发挥其作用。

随着社会经济的高速发展，人们对木材的需求量越来越大，依靠传统的人工抚育和采伐技术已经不能满足现代林业生产的需要，必须通过机械化来提高生产效率。目前，设计和研制性能安全可靠、能适应我国地形及满足现代林业生产需要的新型林机装备成为我国林业工作者的一项重要任务。

1.2 林地清理装备技术

林地清理是林业生产的一个重要环节，是保证林业可持续发展的必要过程。其主要包括幼林和成林抚育，采伐前割灌清林以及林木采伐后集材装运，枝桠收集、打捆，拔根等。清林对象大多为灌木、枝桠等，直径一般不超过18 cm。

随着我国林业资源的大幅增长，采伐量也日益增多，清林任务也随之加大。依靠斧头，油锯等人工清林方式，生产效率低，劳动强度大，而且存在安全隐患，只有依靠专用机械，才能提高生产效率，满足林业发展需求。林地清理机械主要有割灌机、枝桠收集打捆机、归堆机、集材车、拔根机、伐根铣切机和推土机等。国外各类机械已基本发展成熟，但国内仍没有成套的专业清林设备。研究开发功能多、适用性好、工作效率高的清林机械是今后国内林业机械发展的重要方向。

2 国内外采伐装备现状

2.1 国内采伐装备现状

林木联合采伐机是一种集伐木、打枝、造材、截梢、归楞、装车等多种功能于一体，适用于多种林地作业的大型林木采伐机械。由于我国林业发展落后，特别是在机械化技术上严重滞后，采伐机的研究还处于初级阶段，没有掌握完整可行的技术，距实际生产应用还有很大一段距离。由于重视程度不足和投入力度不够，研究进程十分缓慢。

2007年北京林业大学联合国家林业局哈尔滨林业机械研究所、东北林业大学和一些相关单位研制出CFJ30轮式联合采伐机[3-4]，如图1所示。CFJ30是国内首台集伐木、打枝、造材、归楞于一体的大型林业联合采伐机械，整机质量18 000 kg，长6 740 mm，宽2 800 mm，高4 200 mm，最大行驶速度25 km/h，最大作业半径10 m，采伐径级200～500 mm。该联合采伐机能实现伐木等基本功能，但在电液控制系统、作业精度和智能化方面与国际先进水平仍有很大差距。

图1 CFJ30轮式联合采伐机

近几年，东北林业大学对采伐机械研究相对较多，主要集中在采伐联合机机械臂和各种采伐头的研究。图2所示为一种履带式小型联合采伐机[5]，该机是在SWDY-60履带式挖掘机液压系统的基础上改造而成。采用履带式行走机构的优点是履带的支撑面积大，接地比压小，爬坡能力强，越野机动性好，能适应我国林区路面松软、易滑和崎岖不平等地形特点[6]。

图2 履带式联合采伐机示意图

2015年，国家林业局哈尔滨林业机械研究所研制出林木采伐清林两用机[7]，如图3所示。该机重点改进了ZL920型轮式装载机底盘，增加了自平衡机构，适应林区行走，是一种集采伐、抚育清林功能于一体的小型自走式森林抚育采伐机械，其最大行驶速度24 km/h，最大伐木直径260 mm，采伐效率为1.3 m3/h。该机对地表破坏小，机动灵活，作业效率高，能适应我国林区复杂的地理条件，在国内天然林及人工林林区具有一定的推广价值。

图3 林木采伐清林两用机示意图

2.2 国外采伐装备现状

国外对联合采伐机的研究较早，林业机械发达国家主要集中在北美、北欧各国以及日本。联合采伐机的发展大体可以分为四个阶段[8]：20世纪60年代为探索阶段，主要进行运动学和整体结构的初步设计，此时研制的伐木头功能单一，图4所示为Robert W.Larson发明的一种双片剪刀式伐木头；20世纪70年代初期进入批量生产阶段，具备两道工序的采伐机相继出现，其工艺结构及主机都在不断地进行改进完善，液压系统得到广泛应用，图5所示为John Deere公司生产的轮式伐木归堆机；20世纪70年代中期到80年代联合采伐机进入普遍应用阶段，研究多用途通用底盘，集多种功能于一体的高效伐木头，开发全新的生产工艺，完善整个制造体系，实现了采伐作业全盘机械化和操作自动化，图6所示为日本小松生产的联合采伐机；20世纪90年代后期进入智能化发展阶段，随着现代电子技术、人工智能技术、计算机技术、电液控制和传感器技术等在工业上的成熟应用，联合采伐机在作业性能、计算机故障诊断与监控、人机工程学、动力和环保性能等方面都取得了巨大进步，使联合机向信息化、智能化方向发展，进一步提高了联合采伐机的科技含量。

进入21世纪，多功能化林业装备己经成为森林采运作业的主要力量，尤其在林业机械发达的国家几乎实现了完全机械化。联合采伐机在结构和电液控制技术方面都已比较完善，完全能够满足一般采育作业的需求，采育树木的径级可达到90 cm[9]。

图4 双片剪刀式伐木头

图5 轮式伐木归堆机

图6 小松联合采伐机

图7所示为庞赛集团(Ponsse Plc)生产的轮式联合采伐机，其配有测量和控制系统(Measuring and Control System)，驾驶员只需按一下按钮，整个伐木过程就可以自动完成。测量系统根据原木尺寸可以计算出每根原木的最大材积。图8所示为美国John Deere公司生产的联合采伐机，该机配有在工业上领先的整机程控系统(Total Machine Control)，该系统能自动控制柴油机、液压传动系统及其他相关设备，保证动力能平稳传递，精确监控整机的运行；驾驶员可以根据采伐条件选择相应的应用程序，采伐机能根据程序指令自动调整运行轨迹和速度；显示器能时时显示采伐机运行状态及关键数据，可以记录其发生的故障并及时提醒驾驶员。

图7 Ponsse联合采伐机

图8 John Deere联合采伐机

芬兰Timber jack公司设计的步行式采伐机器人样机可在陡坡和地形复杂的松软林间作业，如图9所示。该采伐机用6条腿行走，其上装有传感控制系统，通过计算机和传感器感知地面的不平度和坡度，从而调节行走步伐，在不同地形可用5条或更少的腿行走和保持平衡。该机的六足式巨型昆虫造型设计，使采伐机能跨越120 cm高的障碍，能够更好地适应复杂的路况，能在地形复杂的林区作业。这种六足伐木机器人除了具备优异的运动性能以外，还具备传统伐木机优异的伐木功能，工作装置可按设定的程序自动进行伐木、削枝和造材等。

图9 六足采伐机器人

3 国内外林地清理装备现状

3.1 国内林地清理装备现状

我国林地清理机械产业化起步较晚，与欧美等发达国家相比在技术、制造手段和工艺等方面还存在一定的差距，主要是产品的品种不全，适应性和配套性差，产品的技术水平较低。到目前为止国内开发的专用清林机械只有割灌机、粉碎机等；其他集材车、归堆机、枝桠打捆机、枝桠粉碎机等虽已有所研究，但尚无可用于实际生产的成品。

我国对割灌机的研究开发起步较早，始于20世纪60年代。但到目前为止，国内割灌机生产厂家仍比较少，而且产品技术落后，割灌机大多体形较大，功能单一，性能落后，不能满足用户的多种需求。我国割灌机研制比较成功的有1999年广西柳州索罗小型动力机厂研发的3GC-1.5型割灌机，其主要性能指标达到了当时的国内先进水平。该割灌机已在各林区、各地公园、机关和厂矿等广泛应用。此外，该机还可用于收割南方水稻，深受农民的欢迎[10]。

东北林业大学设计的大型自走式枝桠粉碎机如图10所示[11]，该机采用东方红54拖拉机作为动力系统，拖动枝桠粉碎机在林区行走，对堆积在集材道两旁的枝桠进行粉碎。粉碎过程中，由抓木机械爪抓取枝桠，并将其放到进料输送台上，减轻了工人的劳动强度，大大提高了工作效率。粉碎后的木片经出料输送带被送到后面的木片运输车中。

图10 大型自走式枝桠粉碎机示意图

3.2 国外林地清理装备现状

国外对清林机械设备的开发研究较早，欧美等国掌握着清林机械最先进的技术。经过多年的发展，国外清林设备技术先进，广泛采用现代科学技术，运用多种新型复合材料，整机质量轻，功率大，操作灵便，产品型号多，能满足用户的不同需求。

美国Advanced Forest Equipment MFG.INC公司经过多年努力，开发出一种高性能清林割灌设备，如图11所示。该设备的清林割灌头采用旋转盘切割技术和高效切齿技术，这种创新型设计大大提高了清林割灌效率，且坚固耐用，能高效切割浓密的灌木丛，切割直径最大达到20 cm。清林割灌头还可配置在工程挖掘机或装载机上，使用方便。该设备按功率的不同分为多种型号，这样可避免资源浪费，增强产品的市场适应能力。

图11 TL460型清林割灌设备

Valmet是瑞典老牌的林业机械制造商，其发展历史可追溯到20世纪60年代，是当之无愧的林业机械领头羊。Valmet 890.3集材车是该系列的旗舰产品，自重约20 t，最大可装载18 t的木材。该集材车采用先进的智能控制系统，其液压系统、动力系统都由机载电脑实现智能控制，简化了作业方式，极大地提高了工作效率。随车自带的机械臂在目前同类产品中最先进，运输、抓木可由一人轻松完成。Valmet集材车如图12所示。

图12 Valmet集材车

4 关键装置的发展应用

随着现代电子技术、人工智能、计算机技术、电液控制和传感器技术的快速发展，林业机械在作业性能、计算机故障诊断及监控、人机工程学、动力和环保性能等方面具备了非常大的提升空间，使林业设备向信息化、智能化方向发展。

4.1 自平衡动力底盘

林木联合采伐机是一种多功能、高自动化、高效率的林木采伐机械，特别是其底盘必须具有通过性强、平衡性好、对林木及林地损伤小等特点，结构合理性能先进的底盘能为采伐工人提供安全、舒适的工作环境，能适应坡度更大、更复杂的地形，从而大大提高了生产效率和地形适应能力。

目前，国内外广泛使用的林木联合采伐机主要有轮式和履带式两种。常见的避振结构为减振弹簧和弹簧钢片，当其中一轮遇地面凸起物被托起时，仅依靠该轮相应的减振弹簧和弹簧钢片减振，不能将力传递给另一侧车轮，底盘无法自动平衡，造成受力不均，故减振效果不明显。采用自平衡动力底盘，当车身遇到障碍物时，可以迅速将一侧车轮的不平衡力传递给另一侧车轮，并且车底架能够自动进行横向平衡，起到整体减振及平衡的效果。自动平衡动力底盘增强了联合采伐机对地形的适应能力，为驾驶员提供了更舒适的工作环境。

今后林用机械设备底盘将会呈现多种形式，既能适应复杂的林地地形，又能保护生态环境。

4.2 多种形式伐木头

多功能联合采伐机是目前功能最为综合、完善的林木采伐机械，伐木头是其最关键、技术难度最大的部分，其性能也直接决定了采伐机的采伐效率。伐木头通过液压马达连接在机械臂前端，集伐木、打枝、量材、造材、归楞等功能于一体，具有自动化程度及作业效率高等特点。

欧美等一些林业发达国家掌握着伐木头最前沿的技术，伐木头在这些国家已经得到广泛应用。世界上一些先进的伐木头如图13所示。如今，国外的伐木头已经进入智能化发展阶段，控制车载电脑可检测伐木头的工作状态、控制造材参数、记录树木的长度和直径、计算采伐树木总体积等等。伐木头已向信息化、智能化方向发展，进一步提高了采伐联合机的科技含量。

(1)维美德伐木头

(2)Ponsse伐木头

(3)Rottne伐木头

我国伐木头的研究还处于初级阶段，由于国内对林业机械的重视程度和投入力度远远不够，研究进程缓慢，在伐木头技术上还存在很大的不足，尚不具备完整可行的技术，功能也相对单一，距实际生产应用还有一段距离。解决伐木头的技术问题，生产出适合我国林业环境的伐木头，对我国联合采伐机的发展意义重大。

4.3 电液智能控制

电液智能控制是集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算机控制及现代控制理论等众多学科于一体的高交叉性、高综合性的技术科学，正向着集成化、智能化方向发展。由于具有精度高、响应快、便于调节的特点，电液伺服系统被广泛应用于工业控制领域。

20世纪90年代至今，国外生产的联合采伐机大都已安装了智能化自动操控系统，操控人员只要控制采伐机抱紧目标树木，之后的伐木、打枝、造材等工序均可由电脑控制自动完成。图14所示为维美德联合采伐机智能控制系统，采伐机上安装的测量系统能根据不同原条的具体情况进行最优加工，以获取最大的木材产量。智能电液技术的应用还可以降低作业难度，提高操作人员的舒适程度，提高作业效率。

图14 维美德联合采伐机智能控制系统

我国电液控制技术在林业机械上的应用距离世界先进水平还有很大差距，我们应加大智能控制方面的研究，为我国林业机械的发展提供技术支持。

4.4 打捆采集装置

林业用打捆机主要有两种类型[12-13]：一是方捆机，它是先把作物直接压扁或粉碎后推入压捆室挤压成型，通过打结器打捆，然后分段推出；另一种是圆捆机，其打捆方法是把作物导入打捆室后首先形成“草芯”，然后进行缠绕，当缠绕到一定尺寸后打结放出。

目前，发达国家在该领域的发展已经相当成熟，有许多成功的大型企业[14]，如约翰迪尔、克拉斯、斯蒂尔、小松等公司，他们生产的打捆机自动化程度高，并且安装有先进的电子监控系统、液压系统及报警系统，产品多样，可以适应各种不同类别的林业作物，而且功率低，效率高。图15所示为约翰迪尔348型方捆机，图16所示为克拉斯ROLLANT 455型圆捆机。

目前，我国的打捆机仍以中小型为主，与国外产品相比还有较大的差距。主要原因是重视程度不够，投资不足，从事研发的企业和科研单位较少。虽然在打捆机机理研究方面有所突破，但与国外先进技术相比，核心技术的差距还很大。要实现技术上的突破，生产出稳定可靠性能优异的产品，还有很长的路要走。

5 我国采伐清林装备发展应用存在的问题

经过科研工作者多年的努力，我国的林业机械已经有了很大的进步，研制出了一些非常实用的林用设备，如割灌机，枝丫粉碎机等，为我国林业发展做出了贡献。但我们还要清楚地认识到我国林业机械与国际先进水平仍有很大差距，绝大部分作业仍以手工劳动为主，林业机械化程度仍然很低，而且还存在很多其他因素制约着林业机械的发展。

5.1 自主创新能力有待进一步提高

近些年来，我国通过引进国外先进的林业设备，进行拆解、分析、试验、模仿，生产出一些类似的林业机械。但这些产品和技术仅仅是对国外产品的模仿，缺少对设计理念和先进技术的研究，没有在国外先进技术的基础上进行再创新。再加上国内林业实验室数量少，无法获得充足的试验数据，很难设计出先进实用的产品。因此，应以引进国外先进林业机械设备为参考，在学习先进技术的基础上，加强自主创新，形成具有自主知识产权的新技术，这样才能使国内林业机械得到真正的发展。

5.2 设备整体工作可靠性低

我国加工制造业发展多年，但仍然比较落后。

生产制造出来的零部件质量相对较差，使装配出来的设备精度较低。而林业机械又必须满足复杂的工作条件，要求高精度、高性能、高质量。加工制造技术的落后，使我国生产的林业机械工作可靠度低，使用年限短，制约了我国林业机械的发展。

5.3 规范化和标准化水平有待提高

技术标准往往决定了某一行业的技术路线，并最终决定产业发展方向。标准战略的运用得当与否，往往能决定产业的兴衰。我国缺少有自主知识产权的核心技术，缺乏自主创新能力；产业技术水平低下，与发达国家的技术差异明显；技术标准竞争的市场基础薄弱，竞争环境差。这使我国林业机械规范化、标准化水平很低[15]。推动技术进步的核心是增强科技竞争力，而增强科技竞争力的根本是提升自主创新的能力。我国要实现林业机械突破式发展，唯有自主创新，发展本国科学技术，逐步提高规范化、标准化水平。

我国应坚持小步快走的原则，积极发展林业机械设备。首先，应加大林业机械方面的投入，鼓励科研单位和企业加大研究力度，各方面要给予足够的重视。其次，坚持以我国林业特征和林业发展现状为依据，在引进吸收国外先进技术和设计理念的基础上，研制设计符合国内生产需要的设备，切勿求大、求快。最后，加强自主创新能力，在满足设备可靠性、适应性的同时，降低产品成本，提高操作的可靠性，逐步推进我国林业生产全程机械化。

[1] 陆怀民.林木球果采集机器人设计与实验[J].农业机械学报，2001(6)：36-42.

[3] 鲍际平，刘晋浩.CFJ30轮式采伐联合机底盘传动方案的研究[J].湖北农业科学，2009(10)：73-75.

[4] 魏占国，刘晋浩.轮式林木联合采伐机底盘的设计与研究[J].广西大学学报，2010(4)：263-268.

[5] 郭秀丽，陆怀民.采伐联合机设计与研究[J].机械设计，2010(8)：14-17.

[6] 杨春梅，杨博，宋文龙.林间小型履带采伐机驱动轮的设计与分析[J].林业科技，2015(3)：32-34.

[8] 汪振凤，陆怀民.谈采伐联合机的阶段性发展[J].农机使用与维修，2011(1)：101-103.

[9] 赵文瑞，刘晋浩.伐木联合机现状与发展[J].林业机械与木工设备，2008(11)：10-12.

[10] 王燕，王述洋.割灌机械发展现状及趋势[J].林业机械与木工设备，2007(10)：4-6.

[11] 杨春梅，于盛通.大型自走式枝桠粉碎机[J].林产工业，2012(1)：45-47.

[12] 朱建国，俞国胜.基于ADAMS的灌木半机械化打捆机动力与运动学仿真分析[J].林业机械与木工设备，2014(4)：39-41.

[13] 葛安华，陶鹏，李权章.基于ADAMS的采伐联合机臂系运动学仿真分析[J].森林工程，2012，28(2)：33-37.

[14] 韩江，周宏平.农林业打捆机的发展概况及趋势探讨[J].林业机械与木工设备，2015(8)：10-13.

[15] 樊冬温，李应珍.我国林业机械实施技术标准战略的思考[J].林业机械与木工设备，2011(12)：10-12.

(责任编辑 王琦)

Analysis of Present Situation of Forest Logging andWoodland Cleaning Equipment at Home and Abroad

XU Xin1，2， GUO Ke-jun1，2*， MAN Da-wei1， SU Ning1，2， MIAO Zhen-kun1， WU Li-guo1

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Graduate School of the Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China)

The development process and current situation of forest logging and woodland cleaning equipment at home and abroad are introduced，the application prospects of several key devices are summarized and the problems existing in the development of the logging and woodland cleaning equipment in China are pointed out through comparison of domestic and foreign woodland cleaning equipment.

forest logging；woodland cleaning；combined harvester；woodland cleaning equipment

2016-12-12

林业公益性行业科研专项经费项目“林木采伐清林两用机装备关键技术研究”(201304204)

徐 鑫(1991-)，男，山西人，中国林业科学研究院研究生，主要从事森林工程技术装备系统的研究，E-mail：460005484@qq.com。

*通讯作者：郭克君(1960-)，男，哈尔滨人，国家林业局哈尔滨林业机械研究所研究员，主要从事森林工程技术装备系统的研究，E-mail：gkj216@126.com。

S776.21

A

2095-2953(2017)02-0004-06