淺析林木采伐頭的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀
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作者；張毅
1 采伐頭簡介
采伐聯(lián)合機主要由底盤、機械臂和采伐頭組成，而采伐頭是采伐聯(lián)合機中最重要的部分，它通過液壓馬達連接在機械臂前端，具有伐木、打枝、量材、造材、歸楞等功能。采伐頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由回轉(zhuǎn)馬達、打枝刀、測距輥、驅(qū)動輥、鋸切機構(gòu)和夾抱機構(gòu)等組成，另外還包括采伐頭主體、主體上蓋、潤滑油箱、液壓缸、蓄能器和控制器等。其集多種作業(yè)功能于一體，具有自動化程度高、作業(yè)效率高等優(yōu)點。
2 采伐頭的發(fā)展現(xiàn)狀
在北美、北歐等一些林業(yè)發(fā)達國家，由于他們最早開始對采伐聯(lián)合機的研究，因此掌握著采伐頭的最前沿技術(shù)，采伐頭在林業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。而我國相對落后了幾十年的發(fā)展時間，如今在我國采伐頭的應(yīng)用還很少。
2.1 國外采伐頭的發(fā)展現(xiàn)狀
20世紀(jì)10年代中期，林區(qū)開始使用動力鋸鋸木和絞盤機集材。到50年代末期，各主要林業(yè)國便實現(xiàn)了木材生產(chǎn)機械化。采伐頭也于此時開始出現(xiàn)，但最早出現(xiàn)的采伐頭結(jié)構(gòu)和功能都比較簡單，只是為了支撐或夾抱樹木以方便對樹木的安全砍伐，如圖2所示。
20世紀(jì)60年代是林業(yè)采運機械發(fā)展的重大時期，也是采伐頭開始發(fā)展的年代，伐木刀具的加入使采伐頭成為能真正伐木的裝備，圖3、圖4為該時期出現(xiàn)的采伐頭。這時采伐頭在機械結(jié)構(gòu)上已經(jīng)形成了基本框架，含有夾抱機構(gòu)和鋸切機構(gòu)，其基本原理是通過液壓缸推動剪刀式刀片以切斷樹木，相對于早期伐木最常用的油鋸能大大減輕伐木工人的勞動量，提高伐木效率，是伐木作業(yè)從人工到機械化的一大跨步。但此時的采伐頭功能較為單一，多工序一體化的采伐頭還未出現(xiàn)。
20世紀(jì)70年代，各國紛紛研制出能完成兩道工序的各種聯(lián)合機，如伐木歸堆機、伐木打枝機、伐木集材機和集材裝車機等。這時的聯(lián)合機采伐頭功能開始實現(xiàn)組合，使伐木機械作業(yè)效率、工藝水平和功率更高，人員勞動強度更低，且采伐頭在輪式和履帶式底盤上都得以安裝應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的伐木剪（見圖5），此時還出現(xiàn)了兩種新的鋸切機構(gòu)形式：銑刀式和鏈鋸式（見圖6、圖7），由于鏈鋸式的鋸切效果和效率都優(yōu)于剪刀式和銑刀式，如今成為鋸切機構(gòu)的主要形式。
自70年代中期到80年代采伐聯(lián)合機得到了普遍應(yīng)用，并發(fā)展了全新的生產(chǎn)工藝和完整的機器體系，研究多用途的通用底盤，創(chuàng)新設(shè)計出能集中更多功能的采伐頭并提高其控制性能，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全盤機械化和操縱自動化。
80年代后期的林業(yè)采伐機械在北歐、北美和前蘇聯(lián)等林業(yè)發(fā)達國家得到了快速的發(fā)展，且作業(yè)所占比重達到一半左右。該時期的采伐頭能夠滿足很多不同作業(yè)的需求，品種、數(shù)量也都得到大幅度的提高，進一步完善了采伐聯(lián)合機的結(jié)構(gòu)和實用功能，使伐區(qū)采伐作業(yè)全盤機械化進入快速發(fā)展時期。
到90年代，采伐聯(lián)合機得到了更進一步的發(fā)展和普及。此時的采伐頭基本上已經(jīng)完全發(fā)展為集多工序為一體的綜合型采伐頭，通過電腦來完成采伐操控，從而對樹木進行伐木、打枝，并根據(jù)需要對樹木進行造材作業(yè)，并且此時的采伐樹徑可達Q50 mm～Q60mm，極大地增加了作業(yè)效率和范圍。圖8為90年代設(shè)計的一種采伐頭。該采伐頭的銷軸可繞縱軸線轉(zhuǎn)動，也可通過液壓缸實現(xiàn)俯仰動作，使得采伐頭更便于作業(yè)定位。此外，在該采伐頭上還增加了輥輪和打枝刀，當(dāng)輥輪帶動伐斷的樹木在采伐頭內(nèi)竄動時，打枝刀便可完成打枝作業(yè)。
進入21世紀(jì)，森林采運作業(yè)的機械化已經(jīng)占有非常大的比例，尤其在林業(yè)機械發(fā)達國家實現(xiàn)了完全機械化。采伐頭在結(jié)構(gòu)和電液控制技術(shù)方面都已經(jīng)比較完善，完全能夠滿足大多數(shù)采伐作業(yè)的需要，采伐樹木的徑級可達到P90 cm。以2003年美國的Lester D．Oilund設(shè)計的一種采伐頭為例，如圖9所示，該采伐頭能完成伐木、打枝、量材、造材作業(yè)，水平轉(zhuǎn)動、俯仰、輥輪、打枝刀、抱爪、鏈鋸等全部執(zhí)行動作均依靠液壓驅(qū)動，極大地提高了各執(zhí)行機構(gòu)的控制精度和作業(yè)效率。
如今，國外的采伐頭已經(jīng)進入了智能化發(fā)展階段，控制車載電腦可檢測采伐頭工作狀態(tài)、控制造材參數(shù)、記錄樹木的長度和直徑、計算采伐樹木總體積等等。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、人工智能、液壓和傳感器技術(shù)等的快速發(fā)展，使采伐頭向著信息化、智能化方向發(fā)展，進一步提高了采伐聯(lián)合機的高科技含量。
2.2 國內(nèi)采伐頭的發(fā)展現(xiàn)狀
由于我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對落后，尤其在機械化技術(shù)上的嚴(yán)重滯后，采伐頭的研究還處于初級階段，尚不具備完整可行的技術(shù)，并且功能也相對單一，對于實際生產(chǎn)應(yīng)用還有一段距離。
近幾年，東北林業(yè)大學(xué)對采伐頭的研究相對較多，主要集中于對采伐聯(lián)合機機械手的研究，機械手則包括機械臂和采伐頭。研究的主要內(nèi)容包括機械手的運動學(xué)和動力學(xué)分析、有限元仿真分析和電液控制系統(tǒng)分析，著力于提高采伐頭的定位精度，設(shè)計實際可靠的液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)，努力實現(xiàn)采伐、打枝和造材的全自動化作業(yè)。
由于國內(nèi)對林業(yè)機械化的重視程度和投入力度還遠遠不夠，研究進程太慢，在采伐頭技術(shù)上還存在很大的不足，尤其在聯(lián)合作業(yè)的可靠結(jié)構(gòu)和電液控制上都還達不到實際生產(chǎn)的要求，而國外多功能聯(lián)合采伐機械價格都比較昂貴且不完全適用于國內(nèi)林木的生產(chǎn)。因此解決采伐頭的技術(shù)問題，生產(chǎn)出適合我國環(huán)境的采伐聯(lián)合機非常必要。
3 采伐頭的發(fā)展趨勢
林業(yè)產(chǎn)業(yè)和機械化的發(fā)展大大促進了采伐聯(lián)合機的需求、應(yīng)用和發(fā)展。采伐頭的發(fā)展趨勢具有以下特點：
(1)多功能化。采伐頭能集成一體化完成伐木、打枝、去皮、量材、造材、歸楞甚至切片等多項工序，極大地提高了采伐效率。
(2)智能化與自動化。采伐頭的作業(yè)可通過電腦精準(zhǔn)自動化控制，根據(jù)提前設(shè)置好的控制參數(shù)最優(yōu)化作業(yè)，此外還能實現(xiàn)遠程無線操控作業(yè)。
(3)信息化。車載控制系統(tǒng)可將采伐所需信息傳遞到采伐頭操控系統(tǒng)以操控作業(yè)。同時，采伐頭會收集采伐數(shù)據(jù)，傳遞給車載電腦和遠程控制點，并輸出一些需要操作人員了解的信息。
(4)電液控制高效化。為提高作業(yè)效率，進一步的電液控制系統(tǒng)設(shè)計必須更加高效化，縮短作業(yè)反應(yīng)時間與工作裝置返程時間。
(5)節(jié)能與環(huán)保。采伐頭工作時一般都需要很大的功率支撐，其節(jié)能性的高低直接決定了采伐聯(lián)合機的經(jīng)濟性和實用性，因此，研究節(jié)能型的采伐頭系統(tǒng)將有力提高其競爭優(yōu)勢。伐機是當(dāng)前性能最好的采伐機械，而作為采伐機的關(guān)鍵部件，采伐頭的設(shè)計直接決定了采伐機械的性能。綜述了國內(nèi)外采伐頭的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，介紹了不同時期的采伐頭發(fā)展技術(shù)、特點及其優(yōu)缺點；通過國內(nèi)外發(fā)展對比看出我國采伐頭技術(shù)與國際先進技術(shù)之間的差距所在；并指出采伐頭的發(fā)展趨勢。
5摘要：多功能聯(lián)合采 當(dāng)前，林木采伐量的需求越來越大，在機械逐漸代替人工勞動力的時代，森林采伐機械也將擔(dān)負(fù)更艱巨的任務(wù)。多功能聯(lián)合采伐機是目前功能最為綜合、完善的森林采伐機械，采伐頭是其最關(guān)鍵、技術(shù)難度最大的部分，它的發(fā)展也直接決定了采伐機的發(fā)展。
