园林机械新装备在苗圃应用中的适用性研究

沈 琳

(上海上园苗木有限公司,上海 200023)

园林机械指用于园林生产、施工和养护的各种机械设备,适用于树木挖掘、种植、移植、修剪整形和病虫害防治等。 随着全国园林建设的蓬勃开展,我国园林绿化工作逐渐由单一的人工作业向半机械化、机械化、自动化过渡,园林机械也经历了从无到有、从小到大、从简单到复杂的发展阶段[ 1]。 我国“十三五”期间园林机械供应国际市场的产值从20 亿美元逐步增加到25 亿美元,用于园林绿地建植和养护的设备由20%左右增加到50%以上[ 2]。 从实际应用来看,挖坑(穴)机、植树机、树木移植机和绿篱修剪机等园林机械的类型比较多[ 3],用于修剪整形、病虫害防治和灌溉的中小型机械,由于价格不高、携带方便且使用频次高,容易被国内园林企业和操作工人接受。 随着挖树机、高空作业平台等园林机械的应用,修剪类机械、移植类机械、土壤翻耕类机械等常用园林机械也逐渐向操作便捷性、功能多样性、高效节能性、设备智能化等方向发展[ 4]。

园林绿化是一项长期性的社会基础设施工程,往往需要投入大量的人力、物力、财力。 目前,大多数发达国家的城市绿化建设及养护实现机械作业[ 5-8],现代化苗圃常常以机械化、标准化的树木种植和管理技术来有效降低人工成本,例如,荷兰尤登豪特苗圃由25 人管理200 万m2苗圃;德国布鲁斯苗圃配备3—5 人来满足33.3 万m2的生产;在意大利万木齐公司,平均1 人即可完成25 万m2的工作任务。 近年来,国内苗圃育苗技术有了较快发展,但苗圃机械化推进缓慢,仍然以人工操作为主,难以适应现代化苗圃产业发展的需求。

因此,本研究通过引进国内外先进的树木挖掘、装卸、登高修剪等关键作业机械,在苗圃进行应用实践,分析提出推进苗圃机械化的建议,以期填补国内苗圃在园林机械化应用研究方面的空白,为园林机械新装备在苗圃的应用起到示范和借鉴作用。

1 材料和方法

1.1 研究对象

树木挖掘、装卸、登高修剪是园林绿化生产和养护的重要环节,也是苗圃生产链中需要扩大机械操作的核心环节。 本次选取的研究对象包括三类13 台园林机械,分别为滑移装载机、挖掘机、挖树机机头、包夹、吊臂以及高空作业平台(表1)。 滑移装载机主要用于滑移和动力操作,挖树机机头主要用于带土球树木的挖取,挖掘机主要用于树木挖掘、装卸、吊装移动,挖树机机头需要和滑移装载机或挖掘机挂接使用,包夹主要用于抓取树木,吊臂主要用于悬挂树木并吊运,包夹和吊臂需要和滑移装载机或挖掘机挂接使用,高空作业平台车主要用于树木的高空修剪。 13 台园林机械均选取国内外应用较多的机械品牌,例如Bobcat 牌、Dutchman 牌、三一牌、常青牌、海伦哲牌等[ 9-12]。

表1 研究对象信息Table 1 Information of the research objects

1.2 研究方法

研究内容包括苗圃内树木挖掘、树木装卸和登高修剪等机械化操作的专项工作,应用数据获取方法主要包括现场观测和生产数据统计,综合苗圃2019 年、2020 年、2021 年的机械实际使用情况,确定应用数据。 部分研究对象由于操作场地较大、应用周期分散,以抽样的方式进行统计计算。 综合效能比=机械运作效率∕人工运行效率×100%。

2 结果与分析

2.1 树木挖掘相关机械的适用性比较

主要选用滑移装载机挂接挖树机机头或挖掘机挂接挖树机机头进行树木挖掘。 滑移装载机是利用两侧车轮线速度差而实现车辆转向的轮式专用底盘设备,适合作业场地狭小、地面起伏不平等场所的移动,挖树机机头可于作业现场随机快速更换或挂接各种工作装置,以适应不同的工作环境和作业内容。国内常青公司制造的挖树机器通过快换装置,将挖树机机头挂接在滑移装载机或挖掘机上,用于带土球树木的挖掘[ 12]。 加拿大的Dutchman Industries 制造了很多系列的挖树机机头,可以与拖拉机、装载机、滑移装载机以及汽车配套使用[ 13]。 挖掘时,由液压装置带动刀铲组件向下挖切树木周围的土壤和根系,挖掘的树木土球完整、根系损伤少,大大提升了树木的养护作业效率和移栽成活率,但机械本身与机头的适配性存在差异。

A-1 滑移装载机自身质量为2 779 kg,额定装载量为858 kg,a-1 挖树机机头质量为635 kg,二者挂接使用,可承载土球质量仅为408 kg,仅适用于胸径6—10 cm 的树木挖掘。

a-2 挖树机机头质量为952 kg、a-3 挖树机机头质量为1 134 kg、a-4 挖树机机头质量为1 315 kg,它们均接近或大于A-1 滑移装载机的最大载重量,因此这些机头与A-1 滑移装载机均不适配,无法挂接使用。

A-2 滑移装载机可以挂接a-2、a-3 机头,能用于胸径8—15 cm 的树木挖掘;A-3 滑移装载机可以挂接a-3、a-4 机头,能用于胸径10—18 cm 的树木挖掘。 C-1 挖掘机只能挂接c-1 挖树机机头,可挖土球直径范围为80—96 cm,仅适用于胸径8—12 cm 的树木挖掘(表2)。

表2 树木挖掘机械的适配情况Table 2 Adaptation of tree digging machinery

b-1 包夹与A-1、A-2、A-3 滑移装载机挂接,适合于园林工程、苗圃、农场、牧场等场地,夹头装有橡胶衬垫,能高效抓取树木、石块等物并移动;d-1、d-2 吊臂与A-1、A-2、A-3 滑移装载机挂接,可在移动中吊挂抓取树木。 在苗圃的实际应用中,b-1 包夹和d-1、d-2 吊臂的使用率还不高。 树木装卸、吊装移动的工作常常会应用吊机,以节省树木的滑移运输时长。

2.2 履带式机械与轮胎式机械的比较

园林机械一般需要深入苗圃内部作业,履带式机械爬坡能力强、转弯掉头方便,作业效果与本身的结构特点相关,对土壤质地要求较低,使用区域广,总体来说作业性能良好[ 14]。

如表3 所示,A-3 滑移装载机为轮胎式机械,挂接a-3 挖树机机头后质量达到6 425 kg、挂接a-4 挖树机机头后质量达到6 606 kg,C-1 挖掘机同样属于轮胎式机械,挂接c-1 挖树机机头后质量高达8 330 kg,这两种轮胎式机械在实际使用过程中,极易产生轮胎打滑和机械陷入现象。 因此,轮胎式机械不适用于现有的苗圃,履带式机械更具备在苗圃大面积推广的可行性。

表3 履带式机械与轮胎式机械的参数Table 3 Parameters between crawler machinery and tire machinery

此外,c-1 挖树机机头应适配C-1 挖掘机使用,与A-1、A-2、A-3 滑移装载机均不适配,无法交叉挂接使用。 C-1 挖掘机挂接c-1 挖树机机头仅适用于胸径8—12 cm 的树木挖掘工作(表3),且机头可达作业高度为170 cm,低于a-2、a-3 和a-4 挖树机机头,在挖掘树木的应用中适用范围最小、使用率最低。

2.3 高空作业平台的适用性分析

苗圃在培养高大树木的过程中,不进行系统修剪很难维系优良的三级分支甚至四级分支的树木形态。 高空作业平台是一种将操作人员升高到接近树冠高度的升降设备,通过使用高空作业平台进行登高修剪,可以满足不同的树木造型和修剪需求。

B-1 高空作业平台机身长度为3.76 m,高度为2 m,最大作业高度可达13 m,在最大作业幅度达到6.5 m 时的作业高度可达6.7 m(表4)。 现有苗圃的树木种植密度普遍比较高,因未考虑到大型机械操作和通行空间的需求,像高空作业平台这样的设备难以深入苗圃内部工作。 高空作业平台更适用于规模化种植的行道树苗圃,该类苗圃的树木分支点高度和种植间距都有标准化要求,如分支点高度需大于2 m,种植间距不小于6.7 m,可满足B-1 高空作业平台的最小操作空间需求。

表4 高空作业平台的相关参数Table 4 Relevant parameters of aerial work platform truck

2.4 园林机械与人工的效能比分析

提高苗圃机械化程度是克服人力成本增长给苗圃经营带来负效应的最有效途径。 以机械挖掘树木与人工挖掘进行效能比分析,使用A-2 滑移装载机挂接a-2 机头移植胸径10 cm 的树木,平均一天能挖掘96 株树木,是4 名挖掘工人工作效率的6 倍。 机械挖掘树木能够快速将树木根系切断并保证土球完整,经计算,综合效能比达600%,挖掘单株树木的运行成本相较人工节约66.67%(表5)。 综合计算,从苗圃生产到树木养护,应用机械挖掘树木能节约50%—80%的运行成本。 机械挖掘树木在极大提高树木挖掘工作效率、节约劳动力成本的同时,还能提升树木品质,增加树木的移植成活率。

表5 机械挖掘与人工挖掘的比较分析Table 5 Comparative analysis of mechanical excavation and manual excavation

3 讨论

苗圃养护机械新装备的应用能够克服人力成本的增长,有效提升苗圃工作效率,提升树木品质。 已经应用的三类园林机械新装备中,树木挖掘机械的使用效率最高,滑移装载机挂接挖树机机头的适用性优于挖掘机挂接挖树机机头,A-2 滑移装载机挂接a-2 挖树机机头的使用,综合效能比最高。

用于高空修剪的高空作业平台车由于现有苗圃没有足够的通行空间,适用性受到影响,建议应用在规模化种植的行道树苗圃。 此外,小型的装卸设备使用率还不高。 树木品种越来越多样化,树木培育逐渐从数量型向质量型转变,只有走多种机械相结合的现代化苗圃发展道路,才能满足日益复杂的市场需求。

3.1 苗圃规划时充分考虑机械操作空间

园林机械化是以标准化生产为基础,苗圃规划时应当体现可持续发展理念,加强对机械操作环境的地域特征设计,将适宜的树木种类和规格与整体环境、气候条件、操作空间结合起来,提升园林机械的适用范围。 还应当更加重视专业化分工,提高园林机械化新设备的工作效率,缩短树木离开土壤生长环境的周期,提高科技生产水平。

3.2 使用功能由单一性向多样性发展

提升园林机械的多功能化配置,将功能单一的机械升级为一机多用、可装卸多分机的机械装备,确保机械发挥最大的效益和价值。 为了应对各种场地条件,挖掘机械可根据苗圃生产需求,自行更换不同机头,如滑移装载机挂接机头可进行升级改造,成为挖掘和包扎土球一体化或包扎树冠一体化的机械。 一台机械设备的功能越齐全、用途越广泛,机械应用的普及率才会越高。

3.3 加大作业人员培训力度

在国外发达国家,苗圃专业技能工人操作机械设备即可完成完整的工作流程。 为了真正体现出园林机械带来的便捷,一方面,应对作业人员开展针对性的技能培训,发展创造安全管理、规范操作的市场环境,形成健康有效的产业化模式;另一方面,应不断改进机械制造工艺,降低成本[ 15],简化操作流程,让作业人员通过简单的培训就能轻松地上手操作。

3.4 注重节能环保方面的改进

高效节能、安全环保是对园林机械的必然要求。 对园林机械进行科学生态设计,将园林机械与智能化技术进行融合,积极探索清洁能源的利用,提升能源及材料有效利用率,有效降低产品成本及材料消耗[ 16-18]。 如可将汽油柴油类的燃油式机械逐步更新到充电式机械,以此降低对城市环境的影响,提升经济与社会效益。 安全是使用的前提,在使用园林机械的过程中,应经常对其进行维护保养,排除安全隐患,保障作业人员安全。

综上,应当高效地选择和使用园林机械新装备,并不断优化升级,提升机械设备在苗圃应用的适用范围和使用效能,起到降本增效的作用,促进现代苗圃机械化水平的提高。