自行式缆索起重集材机集材作业工艺研究

刁海林，蔡道雄，贾宏炎，白灵海，唐继新

（1.广西大学 林学院，广西 南宁 530004；2.中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600）

自行式缆索起重集材机集材作业工艺研究

刁海林1，蔡道雄2，贾宏炎2，白灵海2，唐继新2

（1.广西大学 林学院，广西 南宁 530004；2.中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600）

基于从欧洲最新引进的自行式缆索起重集材机（KOLLER-K303H）及集材作业技术，“陡坡山地森林择伐作业技术及其设备引进”项目组对森林采运的缆索集材作业工艺进行了研究，旨在为提高森林集材作业的效率、降低成本，减轻集材作业过程对森林生态系统的破坏，并消化吸收和完善所引进的集材作业技术, 为其推广应用做准备。根据引进设备的机构功能特点，本研究详叙了“塔架上置式”和“塔架下置式”集材作业工艺技术,及探讨了“正反坡同步集材”和“超范围集材”的集材技术。伐区实地的集材试验结果表明：本研究所探讨的集材作业工艺效率高,能较好地适应中国南方林区复杂地形集材作业的需要。

自行式缆索起重集材机；集材作业工艺；中国南方林区

我国林业索道的发展已有50多年的历史，如今己成为我国山地林区主要集运材方式之一。索道使用经验证明：林业索道适应性强，它不受地形限制，适合于高山陡坡地带集材，而且能适用于不同的主伐方式，可以顺逆缓坡集材，全悬式索道还可以跨越水塘沼泽河道,有利于水土保持和森林环境保护[1-2]。随着林业生产现代化和林区道路网的迅猛发展，人们对林业索道提出了新的更高的要求。轻便实用、机动性好、效率高，是当今乃至未来一段时期人们对林业集材索道的基本要求。

根据国家林业局948项目引进国际先进林业科学技术计划，“陡坡山地森林择伐作业技术及其设备引进”项目组于2013年6月正式从欧洲引进了自行式KOLLER K303H缆索集材起重机全套设备及相关技术。为了进一步有效地消化外国缆索集材技术，达到洋为中用的目的，课题组在充分了解和掌握进口设备的性能、工作原理及操作规程的基础上，结合本国国情及南方林区地形特点，因地制宜地对引进设备及技术进行了适应性研究，内容包括：伐区集材作业规划、缆索起重机安装技术要领，缆索起重机集材工艺，缆索集材起重机集材安全生产规程等方面，并取得了阶段性成果。因文章篇幅所限，本研究仅限于对自行式KOLLER K303H缆索集材起重机集材工艺技术本土化研究情况的介绍，即只涉及既定的伐区内进行一次设备安装所涉及的设备布置方式及其集材工艺的研究，其它方面研究情况将另文介绍。

1 本研究使用的主要设备及人员分工

1.1 主要设备

（1）KOLLER K303H自行式缆索集材起重机设备1套；（2）国产“东方红”YTOX-704轮式拖拉机1台；（3）对讲机2部；（4）油锯2台。

1.2 人员配置及分工

按实际工作需要，缆索集材起重机集材作业小组工作人员的标准配置为4人。其中拖拉机驾驶员兼绞盘机手1人（持对讲机1部），主要负责按集材点现场指挥员的指令操作绞盘机及驾驶拖拉机转移缆索起重机设备至新集材点。集材点现场指挥员1人（持对讲机1部、跑车遥控器1只），主要负责根据集材点现场抓木工作情况向绞盘机手发出操作指令及遥控跑车。抓木工1人，主要负责在集材点用捆木索捆扎木材并钩挂吊钩。卸木工1人，主要负责在卸车点卸下木材。

2 KOLLER K303H缆索集材起重机简介

2.1 设备构成

KOLLER K303H缆索集材起重机主要由三卷筒柴油绞盘机、四卷筒手动绞盘机构、塔架、轮式行走底盘、承载索、主索（起重索）、牵引索、绷紧索跑车、导向滑轮等组成，其主体部分如图1所示。

图1 KOLLER K303H缆索集材起重机主体Fig.1 Body of cable yarding crane of KOLLER K303H

2.2 性能特点

与国内缆索集材设备相比较[3-6]，KOLLER K303H缆索集材起重机设备具有以下性能特点：

（1）柴油绞盘机上的3个主工作卷筒由以柴油机为原动力的液压马达驱动，机器可实现液压控制，操作简单省力。

（2）采用液压驱动的可折叠式塔架，便于携带和安装。对承载索端部的提升高度可达8 m。

（3）缆索集材起重机全套设备被安装在轮式底盘上，可由轻型轮式拖拉机牵引在林区道路上转移行走，具有较强的机动性。

（4）采用可遥控制动的新型智能跑车，该跑车相比国内智能跑车[7-8]性能更为优越，可通过遥控实现跑车对承载索和主索的双联互锁制动，使起重索既可以充当起重索又可以充当牵引索，从而使起重机缆索系统得到简化，即将缆索系统由通常的三索制（承载索、起重索、牵引索）变为二索制（承载索和起重索），极大地简化了缆索系统，使设备的安装和操作更为简便。

3 设备工艺布置方式及其集材工艺

3.1 设备工艺布置方式

为达到高效集材的目的，根据中国南方林区的丘陵、陡坡地形特点及林区道路分布情况，可因地制宜地将缆索集材起重机系统按以下两种不同形式安装布置：塔架上置式安装布置和塔架下置式安装布置。

3.1.1 塔架上置式索道工艺布置

塔架上置式布置方式，是将缆索起重机及其塔架布置安装于伐区（择伐、间伐或主伐林区）的上方，承载索另一端则锚固于伐区下方的工艺布置方式，该布置方式适用于伐区下方无运材车道，但伐区上方有运材车道的情形。塔架上置式工艺布置，按承载索锚固端是否与塔架同坡又可分为承载索同坡锚固式和反坡锚固式，其工艺布置如图2、图3所示。

图2 塔架上置式索道工艺布置（承载索同坡锚固）Fig.2 Process layouts of cableway with overhead type tower yarder (skyline anchored in the same slope)

图3 塔架上置式索道工艺布置（承载索反坡锚固）Fig.3 Process layouts of cableway with overhead type tower yarder (skyline anchored on the other side slope)

1、塔架上置式索道工艺布置特点

特点：（1）起重机塔架位于伐区上方公路，承载索锚固点位于同坡坡底附近；或承载索锚固点位于反坡坡底上方附近。（2）跑车下行为空载，上行为重载，跑车可靠自重下行回空；（3）主要用于逆坡集材。

2、塔架上置式索道工艺布置的优缺点：

优点：（1）承载索为顺坡铺设，安装省力速度快；（2）起重索较短且为单索，坡下锚固点处无需安装起重索转向定滑轮，安装简单；（3）可解决必须采用逆坡集材林区的高效率集材问题。

缺点：（1）逆坡集材消耗动力较大；（2）绞盘机操作人员视野受限，不能通视作业区作业情况。

3.1.2 塔架下置式索道工艺布置

塔架下置式布置方式，是将缆索起重机及其塔架布置安装于伐区的下方，承载索另一端则锚固于伐区上方的工艺布置方式，该布置方式适用于伐区下方有运材车道，而伐区上方无运材车道的情形。塔架下置式工艺布置，按起重机塔架是否与承载索锚固点同坡又可分为塔架同坡式和塔架反坡式，其工艺布置如图4、图5所示。

1、塔架下置式索道工艺布置特点

图4 塔架同坡下置式索道工艺布置Fig.4 Process layouts of cableway with underneath type tower yarder and cables anchored in the same slope with tower yarder

图5 塔架反坡下置式索道工艺布置Fig.5 Process layouts of cableway with underneath type tower yarder on the other slope and cables anchored on the other slope with tower yarder

特点：（1）起重机塔架位于伐区下方同坡坡底附近公路，或反坡坡底上方附近公路，承载索锚固点位于伐区上方；（2）跑车上行为空载，下行为重载，可利用木材重力运材；（3）主要用于顺坡集材。

2、塔架下置式索道布置工艺的优缺点：

优点：（1）起重机塔架设备位于坡下，节省设备进场时间，便于人员驻扎和工作面的展开；（2）跑车下行为重载，可依靠木材自重使跑车下行运材，能耗低；（3）若采用塔架反坡式布置，则伐区位于起重机操作人员的迎面位置，视野好，便于操作人员观察集材区内的生产情况；此外，塔架反坡式布置，可使承载索获得较高的净空，可实现全悬式集材，可有效地保护择伐林区地表植被，生态指标好。（4）木材卸车点位于山下，便于木材转运。

缺点：（1）承载索和起重索须逆坡铺设，安装较费时费力；（2）需要较长的起重索，且须在上锚固点安装起重索转向定滑轮；（3）跑车需动力回空；（4）跑车靠重力下行，控制不当，易造成飞车事故。

3.2 索道集材作业工艺

3.2.1 塔架上置式索道集材作业工艺

作业性质：逆坡集材。作业工艺：工作人员按下跑车遥控器绿色按钮，打开承载索制动器，使制动蹄与承载索分离，同时闭合起重索制动器，使制动蹄抱紧起重索。启动起重索绞盘机释放起重索，跑车在自重作用下向坡下伐区运行，当跑车下行至预定集材作业区域时，按下跑车遥控器红色按钮，使承载索制动器闭合，抱紧承载索，将跑车固定在承载索上，同时打开起重索制动器，使起重吊钩下降，工作人员将起重吊钩拉向事先捆绑好的木材并构住捆木索。工作人员通过对讲机呼叫绞盘机手，回收起重索起吊木材。当木材被起吊至预定高度后，按下遥控器绿色按钮，打开承载索制动器，同时闭合起重索制动器，抱紧起重索，绞盘机继续回收起重索，将跑车连同木材一并向坡上牵引。当跑车到达卸车点后，绞盘机停止工作。工作人员按下遥控器红色按钮闭合承载索制动器，使跑车固定，同时打开起重索制动器，启动绞盘机使木材下降至地面并卸车。使绞盘机反转回收起重吊钩上升至预定高度后，绞盘机停止工作，至此完成一个逆坡集材作业周期。工作人员按下遥控器绿色按钮，重复下一个集材作业周期。

3.2.2 塔架下置式索道集材作业工艺

集材作业性质：顺坡集材。作业工艺：按下跑车遥控器绿色按钮，打开承载索制动器，同时使起重索制动器闭合抱紧起重索。启动绞盘机回收起重索，起重索通过山上的导向定滑轮改变方向牵引跑车向山上伐区运行，当跑车到达伐区预定集材位置后，令绞盘机停止工作，工作人员按下遥控器红色按钮，使跑车固定，同时打开起重索制动器，绞盘机释放起重索使吊钩下降，工作人员将吊钩拉向已捆绑好的木材并钩住捆木索。工作人员通过对讲机呼叫绞盘机手回收起重索起吊木材。将木材起吊至预定高度后，绞盘机停止工作。按下遥控器绿色按钮，打开承载索制动器，同时使起重索制动器闭合抱紧起重索，令绞盘机释放起重索，跑车和木材在自重作用下向山下卸车点运行，跑车下行至山下卸车点后，绞盘机停止释放起重索。按下遥控器红色按钮使跑车固定，同时打开起重索制动器。绞盘机释放起重索使木材下降至地面并卸车，绞盘机回收起重吊钩至预定高度，至此完成一个顺坡集材作业周期。按下遥控器绿色按钮，重复下一集材作业周期。

3.2.3 索道集材的其它工艺措施

（1）加大承载索净空高度的工艺技术措施

当缆索起重机系统采用同坡布置方式时，很容易因承载索跨度过大或者因伐区中有凸起地形，使承载索得不到必要的净空，影响集材过程中木材的通过性能。可采取在承载索净空最小处加设中间支架的方式来提高承载索的净空，其工艺布置图如图6所示。

图6 承载索加设中间支架Fig.6 Bearer cable with a intermediate support

（2）一次设备安装两面坡同时集材工艺措施

如果伐区位于山沟的正反两面坡上，且只有一侧伐区的上方有林区公路。此时，在承载索长度允许的条件下（跨度一般不超过400 m），可将承载索采取对置式安装，即将起重机塔架安装于伐区上方公路上，承载索的另一端则锚固于对面反坡的伐区上方，起重索按顺坡集材方式布置。其工艺布置图如图7所示。在集材作业工艺上，正坡伐区（安装有塔架一侧）按逆坡集材工艺步骤进行，反坡伐区则按顺坡集材+逆坡集材的联合工艺步骤进行。这种集材工艺措施对于山沟下无林区公路，对面坡上亦无林区公路的伐区类型十分有效。

图7 正反坡两面集材示意Fig.7 Skidding wood on both sides of positive and negative slopes

（3）拓展设备一次安装集材范围工艺措施

缆索集材起重机的塔架主要用于支撑承载索的一端，以提高承载索的净空高度，有利于集材作业。鉴于缆索起重机系统对塔架的横向（垂直于承载索方向）锚固能力有限，为了防止在集材过程中发生起重机塔架的侧翻事故，其操作规程规定：起重索抓钩在承载索两侧的集材范围分别不得超过20 m，如图8所示。即每移动安装一次设备，只能采集以承载索地面投影为中轴线的两侧各20 m宽度范围内的木材。若对超过20 m边界线以外的区域进行集材，则可能因起重索的俯仰角β（见图8）过大，使起重索对承载索产生过大的横向水平分力，造成起重机侧翻事故。此外，俯仰角β过大还会造成跑车脱轨事故。因此，在目前的操作规程限制下，为了防止起重机侧翻事故和防止跑车脱轨事故，禁止采集承载索两侧20 m边界以外的木材。对于20 m边界以外区域的木材，根据规程只能采取转移集材设备重新安装集材的办法。起重机集材设备每转移安装一次，费时费力，影响集材效率。而实际集材生产中，为了减少设备转移安装的次数，提高生产效率，确实经常需要采集20 m边界线以外区域的木材。如何在现有设备条件不变的前提下，采取必要的措施和方法，做到既符合操作规程要求，又能最大限度地采集20 m边界以外的木材，这无疑是缆索集材起重机在伐区集材生产中所需要的。

图8 缆索集材起重机集材范围示意Fig. 8 Skidding range of cable skidding crane

如图8所示，当一次设备安装并按操作规程完成中轴线两侧各20 m边界线范围内的集材任务后，欲继续采集20 m边界线以外区域的木材，可采用以下技术方法：在20 m边界线内侧附近2～3 m处寻一立木或伐根，用钢索将一具有手动开口功能的导向滑轮固定于伐根，以此保证了起重索的俯仰角β在规范值以内。然后用遥控器启动跑车中的双联互锁制动器，将起重索制动（抱紧），同时解除对承载索的制动（松开），用对讲机通知绞盘机手启动起重卷筒，通过起重索牵引调整跑车至适当位置，然后停止起重卷筒工作。跑车的“适当”位置，以使跑车与导向滑轮间的连线在地面上的投影与中轴线的偏角α≦450为宜。然后用遥控器解除跑车对起重索的制动（松开），同时对承载索进行制动（抱紧），从而将跑车固定在承载索上。通知绞盘机手启动起重卷筒释放起重索，现场工作人员将起重索拉至伐根导向滑轮处，手动打开导向滑轮的锁扣，将起重索装入滑轮槽，并使起重索端部的抓木钩位于导向滑轮的外侧，锁上锁扣，即可开始20 m边界线以外区域的集材作业。依托导向滑轮，工作人员可将起重索的抓木钩拉至20 m边界线以外的任意区域进行集材。具体集材操作工艺步骤：第一步先将远处木材拉至导向滑轮处（或20 m边界线附近），第二步，将起重索从导向滑轮上取出，即可继续按原20 m边界线内的集材工艺规程进行集材作业。

4 结束语

经2014年3～4月份在广西凭祥市中国林科院热带林业实验中心白云实验场马尾松伐区分别进行的塔架上置式和下置式集材试验结果表明：设备布置方式及其集材工艺实施效果良好，设备的布置形式和作业工艺符合南方林区特点，而且工艺步骤简单易行，适于推广应用。试验结果还表明，对于承载索采取同坡锚固的情形，可实现半悬式和全悬式集材，而对于承载索采取反坡锚固的情形，可实现全悬空集材，对地表植被和对表土的破坏达到最小程度，可有效地保护伐区的地表生态和减少水土流失。同时其集材效率可达普通人力集材效率的约5～7倍，较大幅度地提高了集材生产效率。尤其对于陡坡山地大径木的逆坡集材，其效率更加显著。本研究的缆索集材起重机集材技术，在中国南方林区的应用对地表生态影响的详细情况及集材生产效率详细情况将另文介绍。

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Study on skidding operation modes of self-propelled cable hoisting skidder

DIAO Hai-lin1, CAI Dao-xiong2, JIA Hong-yan2, BAI Ling-hai2, TANG Ji-xin2
(1.Forestry College of Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China; 2. Experimental Center of Tropical Forestry, CAF,Pingxiang 532600, Guangxi, China)

In order to improve efficiency of logging operation in forest, reduce harvesting cost and decrease the destruction in the skidding process to forest ecology system, and digest, absorb and perfect the logging technology introduced from the Europe and prepare for its popularization and application, based on the latest imported cable yarding machine (KOLLER - K303H) and yarding technology from Europe, the steep mountain forest selective cutting operation technology and equipment introduced have been studied. According to the functions and characteristics of introduced equipments, the yarding operation technology of “tower overhead type”and “tower underneath type” were reported, and the skidding techniques of positive and negative slope synchronously logging and skidding wood beyond the scope (normal distance) were discussed. The results of fi eld yarding experimental show that the yarding operation processes given in this research had a high eff i ciency, were able to adapt to the needs of the logging operation in complex terrain in forest area of south China.

self-propelled crane cable skidder; skidding operation modes; China Southern forest regions

S776.32+3

A

1673-923X(2014)10-0111-05

2013-10-13

国家林业局948项目“陡坡山地森林择伐作业技术及其设备引进”（项目编号：2012-4-30）

刁海林（1958-），男，河南郸城人，副教授，研究方向为木材性能及加工利用

白灵海（1958-），男，广西宾阳人，副研究员，研究方向为森林培育及采伐利用技术

[本文编校：文凤鸣]