基于支撐弦和遙控伐木楔的鏈鋸伐木技術(shù)

陳海濤 游海洋 高才喆 左天舒 楊鐵濱

(東北林業(yè)大學工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040)

鏈鋸伐木在我國和大多數(shù)發(fā)展中國家仍然是森林伐木和城市園林綠化的重要工作方式。與機械化伐木相比，鏈鋸伐木的生產(chǎn)成本和技術(shù)要求都低很多。但鏈鋸伐木存在較多的安全問題，鏈鋸伐木作業(yè)事故約占所有致命林業(yè)事故的57%[1]。除了鏈鋸操作造成的勞動傷害外，伐木過程中還有很多難以預(yù)料的危害，其中最常見的造成嚴重危害的原因是樹干和樹冠脫落物砸傷工作人員。為了降低伐木工人勞動風險，本文介紹了一種應(yīng)用遙控伐木楔和支撐弦的伐木技術(shù)。

1 傳統(tǒng)鏈鋸伐木方法[2]

傳統(tǒng)鏈鋸伐木采用上口-下口-留弦的方法。伐倒樹木前，首先確定樹的伐倒方向，在這個方向上，從樹干中切掉一塊楔形材料，形成下口。下口的水平寬度為樹木直徑的1/4至1/3處。在下口對側(cè)，沿比下口高2～5 cm的平面水平鋸木，這個鋸口稱為上口。在水平面上，上口的切入深度與下口的切入深度之間要保留一段距離，這一段保留的木材稱為留弦。留弦的目的是控制伐木時的樹倒方向，因此留弦的寬度應(yīng)足夠大以維持對樹木的控制。當鋸板鋸出上口后，伐木工人將伐木楔插入上口，并用斧將伐木楔打入上口，以保證楔面壓緊在上口中。這樣做可以防止樹木在不平衡力的作用下壓緊鋸板，并且可以使樹木向期望的方向移動，直至樹木在重力的作用下自然倒下。采用這種方法伐木的問題是，當被伐樹開始傾倒時，伐木工人仍在樹下。樹干的移動使脫落物從樹冠上掉落并可能砸到伐木工人。此外，樹木的倒向受很多因素影響，有時不容易判斷，上述2種情況都增加了伐木工人工作中的風險。

2 安全伐木技術(shù)

2.1 支撐弦

為了控制樹倒方向，減少伐木工人伐木時的風險，加拿大學者Lyons研究了一種帶支撐弦的安全伐木方法[3-4]，如圖1所示。新伐木方法首先在樹倒方向一側(cè)鋸出楔形下口，下口的深度是樹樁直徑的1/4到1/3。在鋸出下口后，用刺鋸法鋸出上口。這種刺鋸法先沿水平面向下口方向鋸木，直到形成留弦，留弦的厚度約為直徑的十分之一。然后反向鋸木直到形成支撐弦。在上口保留支撐弦的方式有3種，如圖2所示。實驗表明圖2(c)的留弦方式最方便而且成功率也最高，是最適宜的伐木方法。一旦形成支撐弦，就在支撐弦下方鋸一個減弱鋸口。減弱鋸口的寬度大于支撐弦的寬度時，將使支撐弦的木材以剪切破壞的形式失效。由于木材在平行于纖維方向的拉伸強度比剪切強度大很多，因此所需的推力比較小。支撐弦的強度主要由上口和減弱鋸口之間的距離控制，這個距離約為7.5 cm，伐木工人可以根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)整。用鏈鋸擴大減弱切口，使伐木楔能夠放入減弱缺口中。將遙控伐木楔插入減弱鋸口并控制伐木楔撐開減弱鋸口，拉斷支撐弦，直至樹木自然傾倒。

圖1 支撐弦伐木示意圖

圖2 留弦與支撐弦的水平截面視圖

2.2 電動遙控伐木楔

伐木工人伐倒樹木時還會遇到被樹冠脫落物砸傷的危險。要想完全解除這種危險，在樹倒時就要讓伐木工人遠離被伐樹木，所以推樹工作需要遙控完成。Lyons等[5-6]制作了一種由蓄電池提供動力的電動遙控伐木楔-木鴨，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動遙控伐木楔

木鴨的驅(qū)動部件為遙控電鉆，輸出扭矩最大可達115 N·m。傳動裝置采用滾珠絲杠，將電鉆的扭矩轉(zhuǎn)換為絲杠軸心方向的推力。木鴨鉗柄的上部軸頸與滾珠絲杠的螺母連接，絲杠下部螺母的2個耳軸各裝1個角接觸球軸承，并與木鴨的下部鉗柄連接。每個鉗柄均為雙臂結(jié)構(gòu)，中間用樞軸連接起來。根據(jù)鉗柄和鉗口的尺寸和滾珠絲杠的型號，鉗口處的理論分離力F為3.14Tin，其中Tin是輸入扭矩，單位是N·m，理論分離力F的單位是kN。

2.3 實驗總結(jié)

安全伐木方法的實驗樹種為2次生長的西部鐵杉、西部紅杉和花旗松。樹的高度范圍為20～48 m，樹樁處的直徑范圍為29～110 cm。在實驗中，成功意味著在插入并起動遠程操作的木鴨前，被伐樹不會移動。實驗共分為3組，實驗2中，當樹木存在顯著反方向不平衡時，不留支撐弦。實驗3中，由伐木工人根據(jù)實踐經(jīng)驗決定是否使用支撐弦。實驗結(jié)果見表1。

表1 伐木實驗

上述實驗中如果定義只要樹倒方向與計劃方向相同都是推樹成功，則實驗2的成功率可達97%，實驗3的成功率可達100%。由于輕微不平衡的方向是很難百分之百確定的，因此當伐木工人認為在樹倒方向的反方向上存在小的不平衡時，仍應(yīng)使用小的支撐弦。對于中等徑級的樹木，如果存在明顯的不平衡，則要把樹倒方向設(shè)為不平衡的方向。如不能實現(xiàn)，也要把樹倒方向設(shè)置在與不平衡方向垂直的方向上，不能把樹倒方向設(shè)置在顯著不平衡方向的反方向上。以這樣的方法進行伐木，生產(chǎn)率最高時一天能成功砍伐40棵樹。

對于一些大型西部紅杉和黃杉，胸徑達到120～200 cm。當用木鴨推這些大樹時，鉗口的面積不夠大，不足以支撐如此巨大的負荷。木材往往會被壓碎并導致無法驅(qū)動推樹。所以對于非常大的樹木，需要增加鉗口面積或使用頂板。

2.4 伐木過程中需要注意的其他問題

(1)三角形留弦的樹木自旋

新手伐木工人伐木時，上口與下口之間的留弦不容易保證平直均勻，從而形成三角形留弦。根據(jù)Makiko等[7]的研究，不均勻的留弦將導致被伐樹木傾倒時產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)扭矩，樹木倒向會偏離計劃倒向，且偏離角度受很多因素影響從而難以估計。

(2)選擇適合的鏈鋸

常用的鏈鋸類型包括油鋸、電纜電鋸和蓄電池電鋸。蓄電池電鋸的安全性大于電纜電鋸，電鏈鋸的安全性大于油鋸，沒有經(jīng)過培訓的人不要使用油鋸。鏈鋸鋸板的長度要與發(fā)動機(電動機)類型和工作需要相匹配，避免使用過長的鋸板。

(3)選擇合適的鏈鋸操作方法

合理的鏈鋸操作方法對安全生產(chǎn)尤為重要[8]。操作者應(yīng)格外注意以下事項：①非專業(yè)使用者不用導板端部鋸木；②用導板的上邊鋸木時要小心鏈鋸反沖；③橫截樹干或樹枝時身體要處于鏈鋸左側(cè)，防備鏈鋸反彈；④起動鏈鋸時，等到鏈速較高再進行鋸木可以避免夾鋸；⑤不要以鏈鋸高于肩膀的姿勢鋸木，也不要在梯子上用鏈鋸鋸木；⑥穿戴好防護裝備。

3 結(jié)論

研究安全的伐木技術(shù)是提高林業(yè)生產(chǎn)安全的重要內(nèi)容。保證伐木生產(chǎn)安全不僅需要林業(yè)裝備制造企業(yè)不斷地提高產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)新產(chǎn)品，也依賴于工作人員遵守規(guī)章制度，有計劃地接受培訓，不斷地提高作業(yè)技術(shù)水平。

在該文研究的基礎(chǔ)上，將進一步研究保證留弦平直的測量儀器，開發(fā)根據(jù)多角度樹木圖像判斷樹木不平衡性的計算機軟件，以及利用人因與工效學原理分析伐木作業(yè)中潛在的安全與健康風險。