油鋸產(chǎn)品研究進展及在森林防火中的應(yīng)用

閆想想 王秋華3*

(1.西南林業(yè)大學土木工程學院，云南 昆明 650224；2.云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學消防研究所，云南 昆明 650224)

油鋸作為森林采伐、造材、打枝等綜合作業(yè)中不可缺少的優(yōu)良器械，在園林綠化、森林防火、木材加工、家具制造、建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。油鋸的動力源主要是二沖程或者四沖程的汽油發(fā)動機，由機械、電氣、供油、氣流四個系統(tǒng)組成，采用鋸鏈或圓鋸片來進行鋸切作業(yè)，可分為高把鋸、矮把鋸兩種類型[2]。使用油鋸時需操作者用雙手把持油鋸，該使用方式對油鋸有一定的要求。油鋸的現(xiàn)行國家標準GB/T 5392-2017《林業(yè)機械便攜手持式油鋸》[3]中對油鋸的要求為：重量輕，以減少對操作者身體的勞累感；振動限度在要求范圍內(nèi)，對操作者的危害要??；安裝必要的安全防護裝置，防止作業(yè)過程中鋸切部分對操作者的傷害；此外，還要有較高的使用壽命和生產(chǎn)效率。隨著使用范圍的不斷擴大，油鋸在林業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色。目前油鋸仍然采用二沖程汽油機帶動循環(huán)鋸鏈沿著導(dǎo)板溝槽高速運行，提高油鋸的生產(chǎn)效率及使用者的使用舒適度，重點在于現(xiàn)有油鋸的不斷優(yōu)化升級和新型油鋸的研究和開發(fā)。

1 油鋸產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外油鋸結(jié)構(gòu)設(shè)計上的技術(shù)特點有：獨特優(yōu)質(zhì)的減振系統(tǒng)，安全可靠的電子點火裝置，鋸鏈可實現(xiàn)自動制動和自動潤滑效果，把手材質(zhì)優(yōu)良且能保持一定的溫度[4]。同時，國外在油鋸產(chǎn)品上實現(xiàn)了設(shè)計仿真制造的一體化，從而縮短了研發(fā)周期、節(jié)省了生產(chǎn)成本并優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。除此之外，國外油鋸還具有功率大、比重量小、振動值低、生產(chǎn)率高、噪聲小、機體外殼造型美觀、操作簡易、適應(yīng)性強、維修便利等特點[5]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.2.1 人機工程學研究

油鋸在工作過程中，噪聲大、振動強烈，其產(chǎn)生的振動不僅對油鋸的使用壽命和各零部件的性能有嚴重的影響，而且其強烈的振動和聒耳的噪聲會對使用者的身心健康產(chǎn)生直接影響，從而導(dǎo)致患上多種職業(yè)疾病，如腱鞘炎、關(guān)節(jié)炎、血管收縮癥(白手病)、肺炎等。油鋸重量過大及不舒適的手柄，會使操作人員的上肢肌肉產(chǎn)生疲勞，不規(guī)范的操控鍵尺寸、色彩和形狀更會產(chǎn)生安全隱患[6]。所以，從人機工程學的角度出發(fā)對油鋸進行評價，遵循人機工程學原則并提出合理的優(yōu)化方案和操作流程是非常必要的。早在1989年，南京林業(yè)大學林機系首先研究了“人機”關(guān)系，著重討論了人機工程學在森林采伐中的應(yīng)用[7]。自2008年起，東北林業(yè)大學研究團隊就基于人機工程學開展了油鋸伐木作業(yè)姿勢研究[8]、油鋸伐木作業(yè)安全探討、油鋸作業(yè)人體脊柱生物力學特性研究，以及油鋸造型設(shè)計研究。

1.2.2 鋸導(dǎo)板的外廓線研究

鋸導(dǎo)板是油鋸的一個重要組成部分，導(dǎo)板的外形輪廓合理與否，將直接影響油鋸工作時的鋸切效率，以及鋸導(dǎo)板本身的使用壽命。我國目前設(shè)計生產(chǎn)的鋸導(dǎo)板，其外廓曲線均采用“三圓弧”法進行設(shè)計計算[9]。從相關(guān)資料可知，我國至今還沒有研究出很理想的鋸導(dǎo)板線形，但各學者在鋸導(dǎo)板外廓線上已進行的研究都有一定的現(xiàn)實意義。藍樟仁提出了以漸開線作為鋸導(dǎo)板外廓線型的設(shè)想，并對相關(guān)問題進行了推導(dǎo)與討論[10]。隨后張成伍等運用數(shù)學方法通過對德國STIHL公司制造的油鋸導(dǎo)板的曲線方程進行推算，并對其線性特點、結(jié)構(gòu)型式、鋸切效率進行了綜合分析，提出了一種新的線形[11]。鋸導(dǎo)板的曲線看似簡單，設(shè)計起來實屬不易，它不僅要滿足易加工、運行不掉鏈等要求，還要具有較高的切削效率。

1.2.3 油鋸鋸鏈制動器的研究

隨著我國機械設(shè)計制造及其自動化技術(shù)的不斷提高，市場對油鋸鋸鏈的性能提出了更高的要求，油鋸鋸鏈是油鋸的重要組成部分，油鋸鋸鏈制動器對于確保油鋸的生產(chǎn)效率和操作安全具有非常重要的意義[12]。油鋸作業(yè)時，若油鋸的導(dǎo)板頭部與鋸切對象先接觸極易發(fā)生反彈并對使用者造成傷害，這是最嚴重的潛在安全危害[13]。由此可見，雖然現(xiàn)有油鋸都采用帶保護齒的鋸鏈來有效地防止油鋸反彈，但鋸鏈制動器也是不可缺少的。當發(fā)生“反彈”現(xiàn)象時，操作者可觸及鋸鏈制動裝置的操縱桿，使制動帶抱緊，鋸鏈可在0.14 s內(nèi)停止，使安全事故大大降低[14]。經(jīng)過不斷地研究與改進，我國在制動裝置技術(shù)上邁出了大大一步，實現(xiàn)了從轉(zhuǎn)動裝置與滑動裝置結(jié)合的雙系統(tǒng)制動機構(gòu)到傳感器、控制系器與制動系統(tǒng)連接的轉(zhuǎn)變，以及實現(xiàn)了更加精準、更加快速地制動。2015年國家林業(yè)局機電工程實驗室對油鋸鋸鏈制動性能測試方法進行了研究，隨后為了滿足油鋸安全性能的測試研制了油鋸鋸鏈試驗臺[15]。近年來，研究人員大多圍繞油鋸的使用安全，特別是對發(fā)生“反彈”時鋸鏈制動器的可靠性和效率問題進行了研究。

1.2.4 油鋸多元化設(shè)計研究

我國自20世紀50年代開始引進國外油鋸。1957年柳州機械廠成功制造了05L型油鋸，并于1958年進行批量生產(chǎn)，開啟了我國獨立自主生產(chǎn)油鋸的歷程，該型號油鋸在機械化采伐作業(yè)中做出了巨大的貢獻。為了進一步提高采伐機械化水平和研制一系列適于我國林業(yè)使用的新型高效能油鋸，當時的國家林業(yè)部林業(yè)機械研究設(shè)計所(現(xiàn)國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所)對國外前端油鋸進行了反復(fù)的對比試驗，并于1966年1月在北京大覺寺召開了油鋸選型和定型會議。此后，CY5型油鋸開始在西北林業(yè)機械廠大量生產(chǎn)，在相當一段時間內(nèi)，油鋸生產(chǎn)處于高速發(fā)展狀態(tài)。1970年，廣東省林業(yè)機械廠設(shè)計出了基本型高把油鋸(BG29 (GL-4) )并進行了小批量生產(chǎn)。隨著油鋸產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，各個機械廠開始了創(chuàng)新與優(yōu)化，開始向輕型油鋸轉(zhuǎn)變。1994年，江蘇林海動力機械集團引進瑞典油鋸技術(shù)，小批量生產(chǎn)出Prof56油鋸，被國家科委等部門列為國家級新產(chǎn)品，此后各種型號的油鋸層出不窮。隨著科技和社會的不斷進步，出現(xiàn)了自動導(dǎo)航避障技術(shù)、自動樹干檢測技術(shù)和自動爬樹剪枝機構(gòu)等新型技術(shù)，同時還開發(fā)了林間移動作業(yè)機器人[16]，伴隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，油鋸產(chǎn)品及油鋸相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計呈多元化趨勢。

2 油鋸產(chǎn)品研究存在的問題及對策

2.1 油鋸產(chǎn)品操作舒適性不高

油鋸的動力由汽油發(fā)動機提供，汽油機和機內(nèi)燃油重量所占比例較大，同時油鋸工作時的鋸切部分的振動強度大，操作者還要長時間用固定姿勢把持油鋸，導(dǎo)致工作強度大。油鋸一般用來完成采伐任務(wù)，粉末顆粒多、振動產(chǎn)生的噪聲大，整個林間作業(yè)環(huán)境十分惡劣。工作過程中稍有不慎，還有可能發(fā)生安全事故，所以提高油鋸產(chǎn)品的操作舒適度和安全系數(shù)，降低工作強度十分必要。例如可以根據(jù)油鋸的工作性能和特點來設(shè)計安全防護設(shè)備，以提高油鋸的使用安全；降噪、減振方面可以借助相關(guān)軟件進行仿真，依據(jù)仿真分析結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計[17]；可以從結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、材料選擇優(yōu)質(zhì)化等方面來達到輕質(zhì)化效果。除此之外，還可以考慮把油鋸產(chǎn)品智能化，通過遠程操控把操作者從惡劣的工作環(huán)境中解放出來，從根本上解決油鋸產(chǎn)品操作舒適性不高的問題。

2.2 油鋸產(chǎn)品耗油經(jīng)濟性不高

油鋸一般用汽油加機油的混合油，兩者按一定的比例進行混合，但混合比例會影響油鋸的使用性能?；旌媳壤划斎菀讓?dǎo)致鋸鏈潤滑度不夠，從而引起使用故障，并且汽油與機油混合物會老化，要注意兩者的配量問題。林中作業(yè)環(huán)境惡劣，采伐時間長，燃油消耗大，在實際操作中很難實現(xiàn)配比恰當。另一方面，燃油經(jīng)濟性不高[18]。由于油鋸工作方式比較粗放，往往存在漏油、產(chǎn)生濃煙等現(xiàn)象，因此改善燃油機制變得十分重要。可以對燃油的高效利用進行研究，減少廢氣排量，提高燃油利用率，并且優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)，采用高效節(jié)能燃料，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的，同時采用更加便捷的供油方式，保證儲油空間的密閉性，避免燃油泄漏。

2.3 油鋸產(chǎn)品研究和開發(fā)新型的程度不高

常規(guī)油鋸為便攜式油鋸，分為高把鋸、矮把鋸兩種類型。工作時操作者一人一鋸，重量大、工作強度大、工作環(huán)境惡劣、工作危險性高。所以，在面對如何將繁雜危險的采伐工作變得經(jīng)濟安全的問題上，對油鋸產(chǎn)品進行研究并開發(fā)新型產(chǎn)品就顯得十分必要。在設(shè)計上采用最優(yōu)化思想，解決結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、性能方面的問題；在制造方面，選擇使用合適的新型材料及熱處理工藝；在開發(fā)新型方面，可以與其他學科結(jié)合，開發(fā)自動化與智能化的油鋸產(chǎn)品。雖然目前微電腦技術(shù)在油鋸上有所應(yīng)用，但在簡化操作、保障作業(yè)安全、提高工作效率等方面還不夠成熟，仍需開展大量的開發(fā)和調(diào)研工作。

3 油鋸產(chǎn)品的發(fā)展趨勢

3.1 新技術(shù)

隨著現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展，油鋸產(chǎn)品與新技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為可能?，F(xiàn)階段我國的空氣噴射技術(shù)、微信息處理機技術(shù)、微型集成電路片技術(shù)、自動化技術(shù)、機器人技術(shù)、機電一體化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當成熟。新一代的油鋸研發(fā)應(yīng)該運用更多新技術(shù)、新措施，從而制造出更安全、更方便、更高效的油鋸新產(chǎn)品。當然新技術(shù)的發(fā)展也會提高油鋸產(chǎn)品性能，比如利用新技術(shù)改造鋸切系統(tǒng)[19]；利用新技術(shù)改善操作系統(tǒng)；利用新技術(shù)改變傳統(tǒng)動力[20]。未來的發(fā)展中，油鋸將會擴大到國民經(jīng)濟和社會生活的其他方向，油鋸的變形產(chǎn)品也會越來越多、應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣，因此新技術(shù)研發(fā)是未來的發(fā)展趨勢。

3.2 新材料

輕質(zhì)油鋸在林區(qū)深受工人歡迎。國內(nèi)的油鋸重量大多在4.5 kg以上，而國外的輕質(zhì)油鋸大多在3 kg以下，工人作業(yè)時可掛于腰間，無論上山還是爬樹都極其方便，而且體積雖小但動力十足。所以我國需要改進材料方面的參數(shù)，從而降低油鋸產(chǎn)品的重量。例如使用樹脂材料、工程塑料、輕質(zhì)合金等材料。另外，把手處的材料也要特別注意，因為把手處材料的觸感對工人的使用舒適度有很大的關(guān)系。此外，通過研究得知，把手處如果設(shè)有溫度傳感器式恒溫器，使得把手保持適當溫度(約16 ℃)就可以減少振動，提高操作者的舒適度。所以要研制一種耐溫、保溫且柔軟的新材料。隨著，人們對新型油鋸性能需求的不斷提高，新材料研發(fā)將是未來的發(fā)展趨勢。

3.3 新工藝

在激烈的市場競爭作用下，產(chǎn)品日益趨向同質(zhì)化，新工藝在促進市場產(chǎn)品的優(yōu)化更新方面顯得至關(guān)重要。雖然現(xiàn)階段油鋸產(chǎn)品在制造工藝和裝配工藝上已經(jīng)取得較大的突破，但新工藝的探究應(yīng)用還要隨著社會的發(fā)展不斷進行?，F(xiàn)階段要不斷在油鋸設(shè)計、制造、使用過程中對現(xiàn)有的工藝進行分析，總結(jié)其優(yōu)劣，不斷地進行產(chǎn)品工藝的創(chuàng)新。新工藝將使產(chǎn)品具有質(zhì)量輕、性能好、消耗小、生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工工時少、制作成本低的優(yōu)點。當然，油鋸技術(shù)與工藝過程是相輔相成的，新工藝的出現(xiàn)將會推動油鋸技術(shù)不斷向前推進。為了滿足油鋸在當今市場的需要，貫徹以人為本、環(huán)保綠色的理念，新工藝研發(fā)是未來的發(fā)展趨勢。

4 油鋸產(chǎn)品在森林防火中的應(yīng)用

2021-2050年我國森林分布區(qū)平均氣溫將會有所增加，導(dǎo)致森林火險期氣候呈現(xiàn)暖干化變化趨勢，大部分區(qū)域的火險指數(shù)將升高[21]。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強、破壞范圍廣、處置救助較為困難的自然災(zāi)害，它不僅給森林資源造成巨大損失，破壞生態(tài)環(huán)境，還會威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全?，F(xiàn)階段，各個國家都在不斷地研制森林火災(zāi)預(yù)防與撲救的新型技術(shù)與裝備[22]。中華人民共和國應(yīng)急管理部2019年森林防火儲備物資采購項目第十四包對油鋸進行了公開招標公告。油鋸作為森林防火工作中最常用的撲火機具，必須進行不斷地創(chuàng)新與發(fā)展，從而來適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，并為操作者提供舒適的作業(yè)體驗。

在森林防火時期，要想有效地降低火險等級，必須要修建好防火隔離帶，這樣一旦發(fā)生森林火災(zāi)，就可以有效地阻斷較為輕微的火災(zāi)進一步擴大變?yōu)檩^大山火，從而降低了森林火災(zāi)的影響[23]；在撲救森林火災(zāi)階段，要想踐行“打早、打了、打小”方針，應(yīng)常采取重兵圍控、徹底清除的戰(zhàn)術(shù)[24]。在上述的正面撲救與阻隔手段中，油鋸可發(fā)揮重要的作用。油鋸可砍除線路上的幼樹、枯死木、下層針葉樹、部分中層針葉樹，從而避免地表火沿樹根燃燒到樹干[25]；同時，油鋸可將雜草、幼樹、灌木、藤條、下層木等可燃物提前割除，開設(shè)一條寬1～2 m的簡易隔離帶，再結(jié)合風力滅火機將隔離帶上的枯枝落葉吹凈[26]。待林火延燒至隔離帶時，火強度降低，再配合其他器具可將余火快速撲滅。需要注意的是，砍伐隔離帶一般在火線蔓延正前方、地勢相對平坦、風力相對較小、可燃物相對較少、森林稀疏、寬度盡量較大的地方，一般寬度為40～60 m[27]。油鋸割除可燃物是森林防火作業(yè)的主要環(huán)節(jié)之一，研發(fā)和利用油鋸產(chǎn)品對于解決油鋸產(chǎn)品操作舒適性不高、耗油經(jīng)濟性不高、新型產(chǎn)品開發(fā)程度不高等問題具有極大地促進作用。