油锯产品研究进展及在森林防火中的应用

闫想想 王秋华3*

(1.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224；2.云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224；3.西南林业大学消防研究所，云南 昆明 650224)

油锯作为森林采伐、造材、打枝等综合作业中不可缺少的优良器械，在园林绿化、森林防火、木材加工、家具制造、建筑工程等领域得到了广泛应用[1]。油锯的动力源主要是二冲程或者四冲程的汽油发动机，由机械、电气、供油、气流四个系统组成，采用锯链或圆锯片来进行锯切作业，可分为高把锯、矮把锯两种类型[2]。使用油锯时需操作者用双手把持油锯，该使用方式对油锯有一定的要求。油锯的现行国家标准GB/T 5392-2017《林业机械便携手持式油锯》[3]中对油锯的要求为：重量轻，以减少对操作者身体的劳累感；振动限度在要求范围内，对操作者的危害要小；安装必要的安全防护装置，防止作业过程中锯切部分对操作者的伤害；此外，还要有较高的使用寿命和生产效率。随着使用范围的不断扩大，油锯在林业生产中扮演着越来越重要的角色。目前油锯仍然采用二冲程汽油机带动循环锯链沿着导板沟槽高速运行，提高油锯的生产效率及使用者的使用舒适度，重点在于现有油锯的不断优化升级和新型油锯的研究和开发。

1 油锯产品研究现状

1.1 国外研究现状

国外油锯结构设计上的技术特点有：独特优质的减振系统，安全可靠的电子点火装置，锯链可实现自动制动和自动润滑效果，把手材质优良且能保持一定的温度[4]。同时，国外在油锯产品上实现了设计仿真制造的一体化，从而缩短了研发周期、节省了生产成本并优化产品质量。除此之外，国外油锯还具有功率大、比重量小、振动值低、生产率高、噪声小、机体外壳造型美观、操作简易、适应性强、维修便利等特点[5]。

1.2 国内研究现状

1.2.1 人机工程学研究

油锯在工作过程中，噪声大、振动强烈，其产生的振动不仅对油锯的使用寿命和各零部件的性能有严重的影响，而且其强烈的振动和聒耳的噪声会对使用者的身心健康产生直接影响，从而导致患上多种职业疾病，如腱鞘炎、关节炎、血管收缩症(白手病)、肺炎等。油锯重量过大及不舒适的手柄，会使操作人员的上肢肌肉产生疲劳，不规范的操控键尺寸、色彩和形状更会产生安全隐患[6]。所以，从人机工程学的角度出发对油锯进行评价，遵循人机工程学原则并提出合理的优化方案和操作流程是非常必要的。早在1989年，南京林业大学林机系首先研究了“人机”关系，着重讨论了人机工程学在森林采伐中的应用[7]。自2008年起，东北林业大学研究团队就基于人机工程学开展了油锯伐木作业姿势研究[8]、油锯伐木作业安全探讨、油锯作业人体脊柱生物力学特性研究，以及油锯造型设计研究。

1.2.2 锯导板的外廓线研究

锯导板是油锯的一个重要组成部分，导板的外形轮廓合理与否，将直接影响油锯工作时的锯切效率，以及锯导板本身的使用寿命。我国目前设计生产的锯导板，其外廓曲线均采用“三圆弧”法进行设计计算[9]。从相关资料可知，我国至今还没有研究出很理想的锯导板线形，但各学者在锯导板外廓线上已进行的研究都有一定的现实意义。蓝樟仁提出了以渐开线作为锯导板外廓线型的设想，并对相关问题进行了推导与讨论[10]。随后张成伍等运用数学方法通过对德国STIHL公司制造的油锯导板的曲线方程进行推算，并对其线性特点、结构型式、锯切效率进行了综合分析，提出了一种新的线形[11]。锯导板的曲线看似简单，设计起来实属不易，它不仅要满足易加工、运行不掉链等要求，还要具有较高的切削效率。

1.2.3 油锯锯链制动器的研究

随着我国机械设计制造及其自动化技术的不断提高，市场对油锯锯链的性能提出了更高的要求，油锯锯链是油锯的重要组成部分，油锯锯链制动器对于确保油锯的生产效率和操作安全具有非常重要的意义[12]。油锯作业时，若油锯的导板头部与锯切对象先接触极易发生反弹并对使用者造成伤害，这是最严重的潜在安全危害[13]。由此可见，虽然现有油锯都采用带保护齿的锯链来有效地防止油锯反弹，但锯链制动器也是不可缺少的。当发生“反弹”现象时，操作者可触及锯链制动装置的操纵杆，使制动带抱紧，锯链可在0.14 s内停止，使安全事故大大降低[14]。经过不断地研究与改进，我国在制动装置技术上迈出了大大一步，实现了从转动装置与滑动装置结合的双系统制动机构到传感器、控制系器与制动系统连接的转变，以及实现了更加精准、更加快速地制动。2015年国家林业局机电工程实验室对油锯锯链制动性能测试方法进行了研究，随后为了满足油锯安全性能的测试研制了油锯锯链试验台[15]。近年来，研究人员大多围绕油锯的使用安全，特别是对发生“反弹”时锯链制动器的可靠性和效率问题进行了研究。

1.2.4 油锯多元化设计研究

我国自20世纪50年代开始引进国外油锯。1957年柳州机械厂成功制造了05L型油锯，并于1958年进行批量生产，开启了我国独立自主生产油锯的历程，该型号油锯在机械化采伐作业中做出了巨大的贡献。为了进一步提高采伐机械化水平和研制一系列适于我国林业使用的新型高效能油锯，当时的国家林业部林业机械研究设计所(现国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所)对国外前端油锯进行了反复的对比试验，并于1966年1月在北京大觉寺召开了油锯选型和定型会议。此后，CY5型油锯开始在西北林业机械厂大量生产，在相当一段时间内，油锯生产处于高速发展状态。1970年，广东省林业机械厂设计出了基本型高把油锯(BG29 (GL-4) )并进行了小批量生产。随着油锯产业的不断成熟，各个机械厂开始了创新与优化，开始向轻型油锯转变。1994年，江苏林海动力机械集团引进瑞典油锯技术，小批量生产出Prof56油锯，被国家科委等部门列为国家级新产品，此后各种型号的油锯层出不穷。随着科技和社会的不断进步，出现了自动导航避障技术、自动树干检测技术和自动爬树剪枝机构等新型技术，同时还开发了林间移动作业机器人[16]，伴随着智能化技术的发展，油锯产品及油锯相关产品的设计呈多元化趋势。

2 油锯产品研究存在的问题及对策

2.1 油锯产品操作舒适性不高

油锯的动力由汽油发动机提供，汽油机和机内燃油重量所占比例较大，同时油锯工作时的锯切部分的振动强度大，操作者还要长时间用固定姿势把持油锯，导致工作强度大。油锯一般用来完成采伐任务，粉末颗粒多、振动产生的噪声大，整个林间作业环境十分恶劣。工作过程中稍有不慎，还有可能发生安全事故，所以提高油锯产品的操作舒适度和安全系数，降低工作强度十分必要。例如可以根据油锯的工作性能和特点来设计安全防护设备，以提高油锯的使用安全；降噪、减振方面可以借助相关软件进行仿真，依据仿真分析结果进行优化设计[17]；可以从结构轻量化设计、材料选择优质化等方面来达到轻质化效果。除此之外，还可以考虑把油锯产品智能化，通过远程操控把操作者从恶劣的工作环境中解放出来，从根本上解决油锯产品操作舒适性不高的问题。

2.2 油锯产品耗油经济性不高

油锯一般用汽油加机油的混合油，两者按一定的比例进行混合，但混合比例会影响油锯的使用性能。混合比例不当容易导致锯链润滑度不够，从而引起使用故障，并且汽油与机油混合物会老化，要注意两者的配量问题。林中作业环境恶劣，采伐时间长，燃油消耗大，在实际操作中很难实现配比恰当。另一方面，燃油经济性不高[18]。由于油锯工作方式比较粗放，往往存在漏油、产生浓烟等现象，因此改善燃油机制变得十分重要。可以对燃油的高效利用进行研究，减少废气排量，提高燃油利用率，并且优化发动机结构，采用高效节能燃料，从而达到节能环保的目的，同时采用更加便捷的供油方式，保证储油空间的密闭性，避免燃油泄漏。

2.3 油锯产品研究和开发新型的程度不高

常规油锯为便携式油锯，分为高把锯、矮把锯两种类型。工作时操作者一人一锯，重量大、工作强度大、工作环境恶劣、工作危险性高。所以，在面对如何将繁杂危险的采伐工作变得经济安全的问题上，对油锯产品进行研究并开发新型产品就显得十分必要。在设计上采用最优化思想，解决结构、质量、性能方面的问题；在制造方面，选择使用合适的新型材料及热处理工艺；在开发新型方面，可以与其他学科结合，开发自动化与智能化的油锯产品。虽然目前微电脑技术在油锯上有所应用，但在简化操作、保障作业安全、提高工作效率等方面还不够成熟，仍需开展大量的开发和调研工作。

3 油锯产品的发展趋势

3.1 新技术

随着现代科技日新月异的发展，油锯产品与新技术的结合已经成为可能。现阶段我国的空气喷射技术、微信息处理机技术、微型集成电路片技术、自动化技术、机器人技术、机电一体化技术已经发展得相当成熟。新一代的油锯研发应该运用更多新技术、新措施，从而制造出更安全、更方便、更高效的油锯新产品。当然新技术的发展也会提高油锯产品性能，比如利用新技术改造锯切系统[19]；利用新技术改善操作系统；利用新技术改变传统动力[20]。未来的发展中，油锯将会扩大到国民经济和社会生活的其他方向，油锯的变形产品也会越来越多、应用领域也会越来越广，因此新技术研发是未来的发展趋势。

3.2 新材料

轻质油锯在林区深受工人欢迎。国内的油锯重量大多在4.5 kg以上，而国外的轻质油锯大多在3 kg以下，工人作业时可挂于腰间，无论上山还是爬树都极其方便，而且体积虽小但动力十足。所以我国需要改进材料方面的参数，从而降低油锯产品的重量。例如使用树脂材料、工程塑料、轻质合金等材料。另外，把手处的材料也要特别注意，因为把手处材料的触感对工人的使用舒适度有很大的关系。此外，通过研究得知，把手处如果设有温度传感器式恒温器，使得把手保持适当温度(约16 ℃)就可以减少振动，提高操作者的舒适度。所以要研制一种耐温、保温且柔软的新材料。随着，人们对新型油锯性能需求的不断提高，新材料研发将是未来的发展趋势。

3.3 新工艺

在激烈的市场竞争作用下，产品日益趋向同质化，新工艺在促进市场产品的优化更新方面显得至关重要。虽然现阶段油锯产品在制造工艺和装配工艺上已经取得较大的突破，但新工艺的探究应用还要随着社会的发展不断进行。现阶段要不断在油锯设计、制造、使用过程中对现有的工艺进行分析，总结其优劣，不断地进行产品工艺的创新。新工艺将使产品具有质量轻、性能好、消耗小、生产效率高、加工精度高、加工工时少、制作成本低的优点。当然，油锯技术与工艺过程是相辅相成的，新工艺的出现将会推动油锯技术不断向前推进。为了满足油锯在当今市场的需要，贯彻以人为本、环保绿色的理念，新工艺研发是未来的发展趋势。

4 油锯产品在森林防火中的应用

2021-2050年我国森林分布区平均气温将会有所增加，导致森林火险期气候呈现暖干化变化趋势，大部分区域的火险指数将升高[21]。森林火灾是一种突发性强、破坏范围广、处置救助较为困难的自然灾害，它不仅给森林资源造成巨大损失，破坏生态环境，还会威胁到人民群众的生命财产安全。现阶段，各个国家都在不断地研制森林火灾预防与扑救的新型技术与装备[22]。中华人民共和国应急管理部2019年森林防火储备物资采购项目第十四包对油锯进行了公开招标公告。油锯作为森林防火工作中最常用的扑火机具，必须进行不断地创新与发展，从而来适应恶劣的工作环境，并为操作者提供舒适的作业体验。

在森林防火时期，要想有效地降低火险等级，必须要修建好防火隔离带，这样一旦发生森林火灾，就可以有效地阻断较为轻微的火灾进一步扩大变为较大山火，从而降低了森林火灾的影响[23]；在扑救森林火灾阶段，要想践行“打早、打了、打小”方针，应常采取重兵围控、彻底清除的战术[24]。在上述的正面扑救与阻隔手段中，油锯可发挥重要的作用。油锯可砍除线路上的幼树、枯死木、下层针叶树、部分中层针叶树，从而避免地表火沿树根燃烧到树干[25]；同时，油锯可将杂草、幼树、灌木、藤条、下层木等可燃物提前割除，开设一条宽1～2 m的简易隔离带，再结合风力灭火机将隔离带上的枯枝落叶吹净[26]。待林火延烧至隔离带时，火强度降低，再配合其他器具可将余火快速扑灭。需要注意的是，砍伐隔离带一般在火线蔓延正前方、地势相对平坦、风力相对较小、可燃物相对较少、森林稀疏、宽度尽量较大的地方，一般宽度为40～60 m[27]。油锯割除可燃物是森林防火作业的主要环节之一，研发和利用油锯产品对于解决油锯产品操作舒适性不高、耗油经济性不高、新型产品开发程度不高等问题具有极大地促进作用。