陳海濤 游海洋 高才喆 左天舒 楊鐵濱

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)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(jī)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(dòng)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(yán)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(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，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(gè)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(duì)側(cè)，沿比下口高2～5 cm的平面水平鋸木，這個(gè)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(shí)的樹倒方向，因此留弦的寬度應(yīng)足夠大以維持對(duì)樹木的控制。當(dāng)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(dòng)，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(dāng)被伐樹開始傾倒時(shí)，伐木工人仍在樹下。樹干的移動(dòng)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(shí)不容易判斷，上述2種情況都增加了伐木工人工作中的風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，加拿大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(gè)減弱鋸口。減弱鋸口的寬度大于支撐弦的寬度時(shí)，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(qiáng)度比剪切強(qiáng)度大很多，因此所需的推力比較小。支撐弦的強(qiáng)度主要由上口和減弱鋸口之間的距離控制，這個(gè)距離約為7.5 cm，伐木工人可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。用鏈鋸擴(kuò)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(dòng)遙控伐木楔

伐木工人伐倒樹木時(shí)還會(huì)遇到被樹冠脫落物砸傷的危險(xiǎn)。要想完全解除這種危險(xiǎn)，在樹倒時(shí)就要讓伐木工人遠(yuǎn)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(dòng)力的電動(dòng)遙控伐木楔-木鴨，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動(dòng)遙控伐木楔

木鴨的驅(qū)動(dòng)部件為遙控電鉆，輸出扭矩最大可達(dá)115 N·m。傳動(dòng)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(gè)耳軸各裝1個(gè)角接觸球軸承，并與木鴨的下部鉗柄連接。每個(gè)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(hào)，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(shí)驗(yàn)總結(jié)

安全伐木方法的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，成功意味著在插入并起動(dòng)遠(yuǎn)程操作的木鴨前，被伐樹不會(huì)移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)共分為3組，實(shí)驗(yàn)2中，當(dāng)樹木存在顯著反方向不平衡時(shí)，不留支撐弦。實(shí)驗(yàn)3中，由伐木工人根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)決定是否使用支撐弦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 伐木實(shí)驗(yàn)

上述實(shí)驗(yàn)中如果定義只要樹倒方向與計(jì)劃方向相同都是推樹成功，則實(shí)驗(yàn)2的成功率可達(dá)97%，實(shí)驗(yàn)3的成功率可達(dá)100%。由于輕微不平衡的方向是很難百分之百確定的，因此當(dāng)伐木工人認(rèn)為在樹倒方向的反方向上存在小的不平衡時(shí)，仍應(yīng)使用小的支撐弦。對(duì)于中等徑級(jí)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(shí)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(jìn)行伐木，生產(chǎn)率最高時(shí)一天能成功砍伐40棵樹。

對(duì)于一些大型西部紅杉和黃杉，胸徑達(dá)到120～200 cm。當(dāng)用木鴨推這些大樹時(shí)，鉗口的面積不夠大，不足以支撐如此巨大的負(fù)荷。木材往往會(huì)被壓碎并導(dǎo)致無法驅(qū)動(dòng)推樹。所以對(duì)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(shí)，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(dǎo)致被伐樹木傾倒時(shí)產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)扭矩，樹木倒向會(huì)偏離計(jì)劃倒向，且偏離角度受很多因素影響從而難以估計(jì)。

(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(xùn)的人不要使用油鋸。鏈鋸鋸板的長度要與發(fā)動(dòng)機(jī)(電動(dòng)機(jī))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(duì)安全生產(chǎn)尤為重要[8]。操作者應(yīng)格外注意以下事項(xiàng)：①非專業(yè)使用者不用導(dǎo)板端部鋸木；②用導(dǎo)板的上邊鋸木時(shí)要小心鏈鋸反沖；③橫截樹干或樹枝時(shí)身體要處于鏈鋸左側(cè)，防備鏈鋸反彈；④起動(dòng)鏈鋸時(shí)，等到鏈速較高再進(jìn)行鋸木可以避免夾鋸；⑤不要以鏈鋸高于肩膀的姿勢(shì)鋸木，也不要在梯子上用鏈鋸鋸木；⑥穿戴好防護(hù)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(jì)劃地接受培訓(xùn)，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(jìn)一步研究保證留弦平直的測(cè)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(jì)算機(jī)軟件，以及利用人因與工效學(xué)原理分析伐木作業(yè)中潛在的安全與健康風(fēng)險(xiǎn)。