原木品質對鋸材質量的影響與控制措施

鄭 濤

(福建省金森林業股份有限公司，福建將樂353300)

福建金森林業股份有限公司是一家以森林資源培育，木竹采伐銷售和木竹制品生產經營為主的科技型林業股份制企業，擁有森林經營面積2.84萬hm2，林木蓄積量340萬m3。公司的主要木材產品包括杉、松原木、鋸材及鋸材加工品等。公司已獲得FSC國際森林認證，具有森林可持續經營認證(FSC/FM)和林產品產銷監管鏈認證 (FSC/COC)資格。公司具有豐富的原木生產管理經驗，并裝備有較先進的鋸材生產設備。在多年的生產過程以及設備管理實踐過程中，通過一系列的質量控制措施使原木與鋸材產品的質量保持穩定。本文通過分析伐區木材生產過程中，各個作業工序對原木品質的影響，提出控制原木品質的對策。在歸納總結鋸材對原木特性與質量基本要求的基礎上，分析原木品質對鋸材質量與出材量的影響，提出提高鋸材質量及出材量可采用的制材新技術與裝備。

1 原木質量對鋸材出材量與品質的影響

1.1 鋸材對原木特性與質量的基本要求

原木特性會對鋸材產品最終的加工價值、產量、產品質量與成本產生影響，其相對重要性取決于原木最終產品的使用［1］。原木的一些特性，比如:原木直徑、垂直度、削度、枝椏與節子、尺寸穩定性、機械性能和美學特性等對原木產品特別是鋸材是至關重要的;但這些特性對紙漿和紙的質量影響又是較小的。同樣，原木的纖維形態與化學組成對紙漿和紙的質量有重要的影響，但這些特性對鋸材等原木產品的影響就不是那么明顯［2］。

原木特性中的許多因素會影響鋸材的產量與質量，主要包括:原木直徑、原木的垂直度、尖削度、枝椏與節子、尺寸穩定性、機械性能、美學特性、相對密度、腐爛程度、節子的分布、樹皮厚度、心材與邊材比例、成熟材與幼齡材比例和含沙量等［3］。

(1)對鋸材產品而言，原木的直徑可能是最重要的影響因素，因為鋸材產品的出材率隨原木直徑的增加而顯著增加。鋸材產品的等級也與原木的直徑顯著相關，因為鋸材產品分等規則允許大尺寸的鋸材產品中有大的節子［4］。

(2)原木的垂直度與削度也影響鋸材最終的出材率。原木的彎曲度不但影響鋸材的出材率也影響鋸材的質量。大的原木削度會減少鋸材的出材率，也會降低鋸材的機械性能。

(3)節子是導致鋸材外觀質量降低的最常見的原因之一，節子也會使鋸材的機械性能降低，其對鋸材質量的影響取決于節子的大小、位置、節子的寬度以及節子出現的頻率。原木的節子數量與大小則與活立木的枝椏數量及大小有關。

(4)幼齡材比例較大的原木，通常其強度較低，尺寸穩定性也較差。目前的森林經營方式如發展工業人工林 (速生豐產林)導致森林輪伐期越來越短。短輪伐期的原木中通常含有較大比例幼齡材。研究表明:含有100%比例幼齡材的鋸材，其彈性模量比成熟材的要低50% ～60%;隨著幼齡材比例的增加，鋸材的弦向拉伸強度、剪切強度與橫向壓縮強度均會大幅度下降［5］。

幼齡材比例大的鋸材，由于其木材微觀結構中的微纖絲角較大，容易使鋸材有更多的翹曲、扭曲與彎曲變形，從而影響鋸材的質量。其他導致鋸材翹曲變形的原因包括木材紋理、木材內部應力以及年輪寬度的突然變化等 (比如在人工林間伐后1年樹木年輪會突然變大)。

(5)木材密度仍然是影響鋸材機械性能的重要因素之一。木材含水量高會導致木材干燥時間增加，成本加大。值得指出的是，木材采伐對木材含水率有直接的影響，因為含水率會隨木材采伐季節、伐區位置、樹木年齡以及原木長度等因素而變化［6］。

森林經營措施 (如最初造林密度，撫育采伐等)影響樹木的生長以及最終生產出的木材數量與質量。許多研究表明:森林經營措施影響木材產品的質量與最終產品價值。通常，初始造林密度、撫育采伐、剪枝、輪伐期大小以及林木遺傳改良措施等森林經營措施對木材質量有直接的影響。初始造林密度特別對木材節子、幼齡材比例以及木材密度的影響較大。一些研究表明:造林間距大會導致木材產生更大的節子，并降低木材的機械性能。但間距大為生產大徑材提供了有利條件。對花旗松林分而言，采用3m×3m的造林間距所獲得的木材材積以及木材機械性能下降之間達到較好的平衡［7］。此外，在原木的二次加工 (一次加工通常指木材采伐生產原木)以及木材的高附加值加工利用中，木材的美學特性、機械性能、加工性能以及耐久性等原木特性顯得更加重要。

1.2 影響鋸材出材量與品質的因素

制材廠中的鋸材出材量受許多復雜因素的影響。每個制材廠的情況都有所不同，影響鋸材出材量的因素也不盡相同的［8-11］。這些影響因素主要包括:

(1)原木直徑、長度、削度與質量:原木徑級越大，一般鋸材出材量也越大。但是徑級特別大的原木也意味著樹齡大，也更有可能含有更多的劣材。采用低等級原木生產鋸材，其出材量通常也會受影響。一些原木缺陷必須從原木中去除掉以提高鋸材的結構與外觀品質，其結果就導致出材量降低。

原木削度也影響鋸材出材量，削度越大出材量損失越大。當帶有計算機系統的鋸機下鋸時是根據所能得到的方材進行長度方向的截斷，原木削度大導致所獲得的長方材的長度減少。原木長度增大可能導致鋸材出材量減少，削度大且長度大的原木會導致出現更多的下鋸圖方面的問題，在鋸截過程中可能導致更多的木料損失。另外，森林中采伐的原木長度與鋸材長度之間存在關聯，如果原木的長度剛好是鋸材長度加上最小的鋸截寬度，那么鋸材出材量就會增加。

(2)鋸口寬度:減少鋸口寬度可使同樣尺寸大小的原木鋸截出更長更大的板材，從而增加鋸材出材量。

生材與加工后的干材尺寸大小:生材尺寸大小包括加工后的干材尺寸大小以及預留的刨光量、板材的收縮以及其他的鋸截預留量。鋸截尺寸變化量與刨光量兩種尺寸可以控制。鋸材尺寸如果有大的變化，那么生材尺寸的預留量也要相應大些，以保證鋸材刨光后的尺寸不小于最小的允許尺寸。

(3)鋸材產品組合形式:鋸材產品結構對鋸材出材量的影響很大。對于制材時所獲得的材積而言，鋸線越少，出材量也越高。因此，當其他條件不變時，生產大尺寸的鋸材所獲得的出材量也越大。實際生產中，鋸口寬度、鋸截方法以及原木的尺寸都會影響最終的出材量。

(4)制材廠技術人員的決策:制材廠技術人員的決策極大地影響所獲得的出材量，制材廠中不同的原材料要求設備操作人員每天都要作出大量的技術決策。近年來制材技術的發展使計算機輔助決策變得普遍，一些決策支持系統可以使制材生產線配置更合理，從而使獲得的出材量最大化。

(5)制材設備維護:制材廠工作條件的保持與設備維護至關重要，設備無法正常工作或操作不當是引起鋸材質量不穩定的主要原因。設備設計不合理以至無法與所承擔的任務相匹配也會導致正確的決策無法得到執行。

(6)制材方法:制材方法指把原木分截為板材的模式。制材方法顯著影響鋸材的出材量，目前制材方法仍是一個復雜的研究課題。在制材廠中制材方法對鋸材出材量的影響仍然是決定性的。

總而言之，影響鋸材出材量的每一個單一因素相對較簡單，但在某些情況下這些因素的協同作用可能使情況變得復雜。當這些因素或所有因素都在起作用時，對如何獲得最大的出材量進行分析就變得很困難。

2 提高鋸材質量的控制措施與對策

木材采伐作業中對原木品質的考慮越來越重要，片面控制采伐作業的成本有時對整個林業企業的經濟收益會起到誤導作用。對于大多數木材生產企業而言，通過生產過程的控制以提高原木或木材產品的價值意味著更少的損失。為了使木材生產企業的收益最大化，從伐區到制材廠的每個作業工序都必須注重木材品質的控制。與木材品質控制相關的伐區作業與制材作業工序如圖1所示。

2.1 伐區作業技術措施

在采伐作業中，上述提及的原木的許多特性在短期內是很難控制的。但是，一些因素如木材密度、含水率、木材中的水分分布、樹皮厚度、木材腐爛程度、含沙量等對鋸材的質量有重要的影響，而且在木材生產中是比較容易控制的。據報道，在鋸材生產中，原木成本大約占總成本的60%左右。在伐區木材生產中，采運作業目的在于將活立木轉換成一定規格與大小的原木商品，并且使利潤最大化。因此，對原木品質的控制應該從采運系統的每個工序開始。原木價值的損失可能由于分等不合理、不適當的造材方式或剝皮工序所導致。在采伐作業中，以下環節需要予以特別的重視:

(1)木材纖維的收獲:在伐區作業中，立木的伐倒與造材作業通常會造成木材纖維的損失。纖維損失可能由于樹干損傷、劈裂或者由于伐根過高而導致。采伐時伐木工應該仔細觀察立木周圍情況，判斷樹木可能傾倒的位置，避免伐倒時由于劈裂導致原木降等或纖維損失。同時，要保證伐根高度盡可能的低。

(2)原木分等:不適當的造材作業會導致原木價值的巨大損失，這主要是由于一些造材工缺乏原木分等方面的知識與技能。原木造材時的等級分類只能在樹木伐倒與造材的位置進行，在此位置原木生產中所有的相關因素都應考慮到。

(3)原木的二次加工:原木的二次加工包括在楞堆、貯木場或制材廠的造材作業。造材作業要求造材工對原木的分級有充分的了解，而且檢尺工具要備齊。

在伐區作業中，可以采取以下措施控制原木的品質:原木做標記;分析樹木伐倒的過程;編制采伐與造材作業工序指南;編制原木收獲與利用原則;采伐跡地調查;原木分級情況報告;原木二次加工情況報告等。

另外，為使在伐區作業中特別是集材作業中原木品質所受的損失最小，以下工序應該嚴格把關:在伐木工序完成后立即進行原木的拖集;在剝皮工序完成后立即把原木拖運到造材地點;盡可能采用原條生產工藝而不是短原木的生產工藝;盡可能不損傷樹皮，因為樹皮可以保護原木免于遭受干裂、磨損、玷污或腐爛;采用保護性的措施來儲存原木，例如不間斷的灑水來保護原木或者把原木保存在水中，特別是松原木而言，水中儲存對保護木材品質十分有用。

2.2 制材技術與裝備

制材目的是使原木價值最大化，其各個加工工序與木材材積、等級有關。隨著制材技術的進步，在鋸材質量控制與提高出材量方面，一些新技術與設備有望得到進一步應用［12-15］。

(1)頭道鋸:在原木加工成鋸材的流程中，對初剖鋸或頭道鋸進行控制以保證原木在任何時候都放置在合適的位置上，這樣可以保證生產連續運行。對每一根原木都要進行精確的檢測，以提供精確的材積數據。原木剖分可以采用計算機系統進行，使獲得的價值最大。

(2)小帶鋸機:小帶鋸機可適用于對頭道鋸截中各種精確加工過程的檢測、記錄以及控制。

(3)裁分機:采用帶有優化-掃描-記錄系統的裁分機可以使鋸材的出材率最大化。這樣鋸口的深度與進料速度可以通過裁分機或設備控制系統來控制，可以避免由于進料速度過快造成的鋸材縱向裂紋或鋸損壞。毛方的厚度可以通過在裁分機前頭裝備的傳感器進行檢測，以避免進料時體積過大的木料進入雙軸式裁分機或上軸式裁分機中，從而導致裁分機的破壞。

(4)多鋸片截鋸機:多鋸片截鋸機操作控制系統可以使所得到的鋸材材積最大化。當每一個木料通過預截鋸機時，這些系統的機械電子裝置可以自動檢測其數量。每塊板材就依據這些采集到的數據進行裁邊。這些機械電子裝置也能自動產生原料與實際生產出的鋸材材積數據，包括合格的鋸材材積、邊材材積和鋸末的材積等。

(5)鋸木機與刨光車間:自動板材圖靈機或者板材自動圖象分級系統以及板材應力分級系統目前已經投入使用。自動監測系統可以顯示與記錄每一次板材分級結果。分等與鋸截決策支持系統已經廣泛應用在制材廠刨光車間的數據采集系統中。

(6)鋸銼車間:鋸機整理系統已經進入實驗室研究階段，帶有示波器、電子傳感裝置、計算機與自動機械手的裝置可以進行鋸機適張度調整、水平調整、校正、銼鋸、打磨、修整、模鍛以及對刀具進行硬化、合金化、炭化等處理，使刀具與鋸機在各種最優化的工藝條件下工作，并能適應各種各樣的工作條件。

(7)生材輸送鏈:生材鏈式分選機通常裝備有機械或電子傳感裝置以測量板材寬度、厚度和長度。分選機可以在傳感器測量的數據與截鋸機的截鋸決策基礎上實現全自動作業。

(8)生材與干材儲存:制材車間操作工與監控人員可使用電子筆記本記錄制材生產線出現的問題、裝載過程中的板材損失、過載、板垛規格化、過載保護、合適的檢尺方法與標識、合理的板材堆垛位置與設計、產品的進銷存等。

(9)干燥窯:最新開發的自動濕度檢測裝置與方法可以在干燥過程中檢測單個板垛的濕度。這些數據輸送到控制室，監控人員可以根據這些基礎數據對干燥時間安排與板垛的裝入與拖出時間作出合適的決策。

(10)刨光機:拋光處理系統已經得到廣泛的應用，這種裝置可以同時從板材的兩端或邊緣進行磨光處理，這樣可以減少由于節子開裂等造成的板材降等損失。濕度檢測裝置可以較高的速度檢測濕材中的濕度。過濕的板材被分揀出重新進行干燥直到濕度符合要求為止。拋光處理系統與板材尺寸傳感系統以及反饋控制系統是匹配使用的。

(11)干燥室出材端分選機:干燥出料口分選系統可以連續對成品進行記錄。

(12)包裝與船運:包裝作業包括板材清潔、準確的標簽、包裝的緊密性以及隨后的操作過程中所產生的損傷都可以用電子筆記本記錄并把數據保存起來。檢尺與標簽也可以采用電子裝置進行判讀以提高作業效率與準確度，這些數據可以自動加入到管理系統中。船運過程中的監控包括合適的標識、裝載以及運輸管理等。

3 結論

原木產品最終的使用目的對原木特性的要求是不同的。對于制材廠的原木加工而言，原木直徑、垂直度、削度、枝椏與節子數量、大小、尺寸穩定性、機械性能與木材的美學特性尤為重要。

對于原木品質方面的考慮在伐區木材生產中已變得越來越重要。原木密度均勻度、原木中水分分布、樹皮含量、腐朽材所占的比例、含沙量等對板材質量有著重要的影響。因此，這些因素在伐區木材生產中應該進行嚴格的控制。伐區木材生產對原木品質的控制應成為常規作業監控程序，因為原木價值的損失可能由于不合理的分等、不適當的剝皮和造材作業所導致。

制材廠中鋸材出材量由幾個因素及其相互間的復雜作用所決定。每個制材廠中，影響鋸材出材量的因素也是不盡相同的。這些影響因素主要包括:原木直徑、長度、削度與質量，鋸口寬度，鋸材尺寸大小，鋸材產品的組合形式，制材廠技術人員的決策，制材廠設備維護以及制材方法等。

［1］王喜明，江澤慧，費本華.桉樹人工林木材加工過程中幾個問題的探討［J］.世界林業研究，2003，16(3):62-64.

［2］ Zhang T，Gingras J F.Timber management toward wood quality and end-product value［R］.Workshop hightlights and related information.FERIC/Forintek Joint Report IR-1998-06-01，1998:10-20.

［3］鄭祥松，陳云天，邢 航.制材質量缺陷產生的原因及糾正方法［J］.建筑人造板，1999，2(2):15-16.

［4］齊顯聰.提高制材出材率的工藝措施［J］.木材加工機械，1998，15(3):21-23.

［5］ Clark Ⅲ A，Saucier，J R，Baldwin V C，et al.Effect of initial spacing and thinning on lumber grade，yield and strength of loblolly pine［J］.Forest Products Journal.1994，44(11/12):14-20.

［6］ Gingras J F，Sotomayor J.Wood moisture variation in woodland inventory:a case study［R］.Technical Note TN-192，FERIC，Pointe-Claire，Que，1992.

［7］ Gerry J.Effects of silvicultural treatment on the quantity and quality of Jack pine woods［D］.Thunder Bay:Faculty of Forestry and the Forest Environment，Lakehead University，B.Sc.Thesis，2001:37-50.

［8］陳歷蘭，呂學富.改善制材加工工藝的探討［J］.黑龍江生態工程職業學院學報，2007，20(3):60，66.

［9］孫建華.淺談提高小徑原木制材出材率的工藝措施［J］.防護林科技，2007，25(4):95.

［10］文 平，張玉春.淺談提高制材出材率的工藝措施［J］.黑龍江生態工程職業學院學報，2008，21(5):92.

［11］李成元，李傳信.小徑低等原木加工利用中的制材-干燥-縱剖技術［J］.林業科學，2007，43(10):100-105.

［12］李曉旭，花 軍.制材設備的發展及趨勢［J］.林產工業，2010，37(2):5-9.

［13］ Karl Fronius.制材設備掠影［J］.林業機械與木工設備，2000，28(1):17-19.

［14］張汝楠，孫麗萍.基于X-ray CT技術原木三維重建檢測缺陷方法的初步探討［J］.森林工程，2008，24(5):25-28.

［15］徐華東，王立海，倪松遠.模態分析技術在木材性質檢測中應用的研究進展［J］.森林工程，2007，23(6):15-17.