基于支撑弦和遥控伐木楔的链锯伐木技术

陈海涛 游海洋 高才喆 左天舒 杨铁滨

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨 150040)

链锯伐木在我国和大多数发展中国家仍然是森林伐木和城市园林绿化的重要工作方式。与机械化伐木相比，链锯伐木的生产成本和技术要求都低很多。但链锯伐木存在较多的安全问题，链锯伐木作业事故约占所有致命林业事故的57%[1]。除了链锯操作造成的劳动伤害外，伐木过程中还有很多难以预料的危害，其中最常见的造成严重危害的原因是树干和树冠脱落物砸伤工作人员。为了降低伐木工人劳动风险，本文介绍了一种应用遥控伐木楔和支撑弦的伐木技术。

1 传统链锯伐木方法[2]

传统链锯伐木采用上口-下口-留弦的方法。伐倒树木前，首先确定树的伐倒方向，在这个方向上，从树干中切掉一块楔形材料，形成下口。下口的水平宽度为树木直径的1/4至1/3处。在下口对侧，沿比下口高2～5 cm的平面水平锯木，这个锯口称为上口。在水平面上，上口的切入深度与下口的切入深度之间要保留一段距离，这一段保留的木材称为留弦。留弦的目的是控制伐木时的树倒方向，因此留弦的宽度应足够大以维持对树木的控制。当锯板锯出上口后，伐木工人将伐木楔插入上口，并用斧将伐木楔打入上口，以保证楔面压紧在上口中。这样做可以防止树木在不平衡力的作用下压紧锯板，并且可以使树木向期望的方向移动，直至树木在重力的作用下自然倒下。采用这种方法伐木的问题是，当被伐树开始倾倒时，伐木工人仍在树下。树干的移动使脱落物从树冠上掉落并可能砸到伐木工人。此外，树木的倒向受很多因素影响，有时不容易判断，上述2种情况都增加了伐木工人工作中的风险。

2 安全伐木技术

2.1 支撑弦

为了控制树倒方向，减少伐木工人伐木时的风险，加拿大学者Lyons研究了一种带支撑弦的安全伐木方法[3-4]，如图1所示。新伐木方法首先在树倒方向一侧锯出楔形下口，下口的深度是树桩直径的1/4到1/3。在锯出下口后，用刺锯法锯出上口。这种刺锯法先沿水平面向下口方向锯木，直到形成留弦，留弦的厚度约为直径的十分之一。然后反向锯木直到形成支撑弦。在上口保留支撑弦的方式有3种，如图2所示。实验表明图2(c)的留弦方式最方便而且成功率也最高，是最适宜的伐木方法。一旦形成支撑弦，就在支撑弦下方锯一个减弱锯口。减弱锯口的宽度大于支撑弦的宽度时，将使支撑弦的木材以剪切破坏的形式失效。由于木材在平行于纤维方向的拉伸强度比剪切强度大很多，因此所需的推力比较小。支撑弦的强度主要由上口和减弱锯口之间的距离控制，这个距离约为7.5 cm，伐木工人可以根据经验进行调整。用链锯扩大减弱切口，使伐木楔能够放入减弱缺口中。将遥控伐木楔插入减弱锯口并控制伐木楔撑开减弱锯口，拉断支撑弦，直至树木自然倾倒。

图1 支撑弦伐木示意图

图2 留弦与支撑弦的水平截面视图

2.2 电动遥控伐木楔

伐木工人伐倒树木时还会遇到被树冠脱落物砸伤的危险。要想完全解除这种危险，在树倒时就要让伐木工人远离被伐树木，所以推树工作需要遥控完成。Lyons等[5-6]制作了一种由蓄电池提供动力的电动遥控伐木楔-木鸭，其结构如图3所示。

图3 电动遥控伐木楔

木鸭的驱动部件为遥控电钻，输出扭矩最大可达115 N·m。传动装置采用滚珠丝杠，将电钻的扭矩转换为丝杠轴心方向的推力。木鸭钳柄的上部轴颈与滚珠丝杠的螺母连接，丝杠下部螺母的2个耳轴各装1个角接触球轴承，并与木鸭的下部钳柄连接。每个钳柄均为双臂结构，中间用枢轴连接起来。根据钳柄和钳口的尺寸和滚珠丝杠的型号，钳口处的理论分离力F为3.14Tin，其中Tin是输入扭矩，单位是N·m，理论分离力F的单位是kN。

2.3 实验总结

安全伐木方法的实验树种为2次生长的西部铁杉、西部红杉和花旗松。树的高度范围为20～48 m，树桩处的直径范围为29～110 cm。在实验中，成功意味着在插入并起动远程操作的木鸭前，被伐树不会移动。实验共分为3组，实验2中，当树木存在显著反方向不平衡时，不留支撑弦。实验3中，由伐木工人根据实践经验决定是否使用支撑弦。实验结果见表1。

表1 伐木实验

上述实验中如果定义只要树倒方向与计划方向相同都是推树成功，则实验2的成功率可达97%，实验3的成功率可达100%。由于轻微不平衡的方向是很难百分之百确定的，因此当伐木工人认为在树倒方向的反方向上存在小的不平衡时，仍应使用小的支撑弦。对于中等径级的树木，如果存在明显的不平衡，则要把树倒方向设为不平衡的方向。如不能实现，也要把树倒方向设置在与不平衡方向垂直的方向上，不能把树倒方向设置在显著不平衡方向的反方向上。以这样的方法进行伐木，生产率最高时一天能成功砍伐40棵树。

对于一些大型西部红杉和黄杉，胸径达到120～200 cm。当用木鸭推这些大树时，钳口的面积不够大，不足以支撑如此巨大的负荷。木材往往会被压碎并导致无法驱动推树。所以对于非常大的树木，需要增加钳口面积或使用顶板。

2.4 伐木过程中需要注意的其他问题

(1)三角形留弦的树木自旋

新手伐木工人伐木时，上口与下口之间的留弦不容易保证平直均匀，从而形成三角形留弦。根据Makiko等[7]的研究，不均匀的留弦将导致被伐树木倾倒时产生自旋转扭矩，树木倒向会偏离计划倒向，且偏离角度受很多因素影响从而难以估计。

(2)选择适合的链锯

常用的链锯类型包括油锯、电缆电锯和蓄电池电锯。蓄电池电锯的安全性大于电缆电锯，电链锯的安全性大于油锯，没有经过培训的人不要使用油锯。链锯锯板的长度要与发动机(电动机)类型和工作需要相匹配，避免使用过长的锯板。

(3)选择合适的链锯操作方法

合理的链锯操作方法对安全生产尤为重要[8]。操作者应格外注意以下事项：①非专业使用者不用导板端部锯木；②用导板的上边锯木时要小心链锯反冲；③横截树干或树枝时身体要处于链锯左侧，防备链锯反弹；④起动链锯时，等到链速较高再进行锯木可以避免夹锯；⑤不要以链锯高于肩膀的姿势锯木，也不要在梯子上用链锯锯木；⑥穿戴好防护装备。

3 结论

研究安全的伐木技术是提高林业生产安全的重要内容。保证伐木生产安全不仅需要林业装备制造企业不断地提高产品质量和开发新产品，也依赖于工作人员遵守规章制度，有计划地接受培训，不断地提高作业技术水平。

在该文研究的基础上，将进一步研究保证留弦平直的测量仪器，开发根据多角度树木图像判断树木不平衡性的计算机软件，以及利用人因与工效学原理分析伐木作业中潜在的安全与健康风险。