Wpływ parametrów drzewa na czas wykonywania operacji obróbczych przy pozyskiwaniu drewna pilarką spalinową

Wydajność operacyjna pozyskiwania drewna warunkowana jest głównie przez czas wykonania określonej operacji pozyskaniowej (ścinki, okrzesywania bądź wyrzynki sortymentów). Zależnie od parametrów technicznych obrabianych drzew i pilarek, techniki pracy i technologii pozyskania, czas ten może być zróżnicowany. Zdaniem autora, za najbardziej oczywiste parametry drzew, najlepiej charakteryzujące proces pozyskiwania drewna pilarką, należy przyjąć: miąższość pozyskiwanych drzew, średnicę w miejscu cięcia bądź pole powierzchni przekroju rzazów podcinającego i ścinającego przy wykonywaniu ścinki, liczbę odcinanych gałęzi bądź pole powierzchni przekroju wszystkich rzazów przy okrzesywaniu, liczbę wyrabianych sortymentów bądź pole powierzchni przekroju wszystkich rzazów przy wyrzynce. Określenie wpływu wyżej wymienionych parametrów pozyskiwanych drzew na czas wykonywania poszczególnych operacji może zatem pozwolić na wskazanie operacji najbardziej niebezpiecznej, z racji występujących podczas niej zagrożeń (głównie emisja drgań i hałasu, duże obciążenie psychofizyczne) oraz być podstawą do szacunkowego określenia wydajności pozyskania przy obróbce drzew o zmiennej wielkości.

Praca w lesie przy pozyskiwaniu drewna uważana jest nie od dziś za jedną z najniebezpieczniejszych operacji obróbczych [Fibiger 1976; Giefing 1999; Sowa, Leszczyński 2000]. Wprowadzenie do procesu pozyskiwania drewna pilarek zwięk szyło wydajność pozyskania, ale jednocześnie spowodowało pojawienie się nowych zagrożeń wynikających ze specyficznego układu operator - pilarka - obrabiane drzewo. Alternatywą jest stosowanie w procesie obróbki drzew maszyn wielooperacyjnych o dużej wydajności, które jednak z racji wysokiej ceny zakupu, wysokich kosztów eksploatacji i konieczności zapewnienia im odpowiedniego frontu robót, nie znajdują szerszego zastosowania w praktyce polskiego leśnictwa [Więsik, Nurek 2002].

Podczas procesu pozyskiwania drewna pilarkami spalinowymi mamy najczęściej do czynienia z wykonywaniem trzech operacji obróbczych: ścinki, okrzesywania i wyrzynki. W zależności od technologii pracy operacje te mogą być wykonywane w dwóch wariantach w ciągu zmiany roboczej:

   - na każdym drzewie wykonuje się szeregowo wszystkie trzy operacje (ścinkę, okrzesywanie, wyrzynkę),

   - na każdym drzewie wykonuje się tylko jedną operację (np. tylko ścinkę, tylko okrzesywanie lub tylko wyrzynkę).

W warunkach polskich najczęściej mamy do czynienia z pierwszym wariantem technologicznym pozyskiwania drewna. Czas wykonywania poszczególnych operacji obróbczych związany jest z wielkością pozyskiwanych drzew, a dokładniej z ich parametrami. Za najlepiej charakteryzujące proces pozyskania drewna pilarkami spalinowymi, zdaniem autora, należałoby przyjąć następujące parametry:

   - miąższość pozyskiwanych drzew,

   - średnicę w miejscu cięcia przy wykonywaniu ścinki bądź pole powierzchni przekroju rzazów podcinającego i ścinającego,

   - liczbę odcinanych gałęzi przy wykonywaniu okrzesywania bądź pole powierzchni przekroju wszystkich rzazów przy okrzesywaniu,

   - liczbę wyrabianych elementów przy wykonywaniu wyrzynki bądź pole powierzchni przekroju wszystkich rzazów.

Poznanie czasu wykonywania poszczególnych operacji pozyskiwania drewna i określenie wpływu poszczególnych parametrów pozyskiwanych drzew na ten czas pozwala na wskazanie operacji najbardziej niebezpiecznej, z racji na występujące podczas niej różnego rodzaju stresory (drgania, hałas, emitowane gazy spalinowe, obciążenie fizyczne i psychiczne) [Hagen 1990; Kieser, Wick 1999].

Charakterystyka drzew i pilarek użytych do badań

Badania ograniczono do drzewostanów sosnowych o pierśnicach drzew zawartych w przedziale d_1.3 = 5,9-61,0 cm. Ze strzały wyrabiano dłużyce (w cieńszym końcu d ≥ 14 cm bez kory) i wałki papierówki długości 1,2 m z pozostałej części lub z całej strzały, jeśli jej d₀ ≤ 24 cm bez kory. Pomiary wykonywano w Nadleśnictwie Chojnów na dwóch sąsiadujących ze sobą powierzchniach będących w niewielkim od siebie oddaleniu. Była to powierzchnia trzebieżowa w drzewostanie w wieku 20-60 lat i powierzchnia zrębowa w drzewostanie w wieku 60 - 120 lat. Badania wykonywano w okresie jesienno-zimowo-wiosennym przy temperaturze powietrza od 5 do 18 °C, braku opadów i bezwietrznej pogodzie, na płaskim terenie w środku kompleksu leśnego, z dala od brzegu ściany lasu i sieci dróg. Obrabiane drewno sosnowe było w części odziomkowej pozbawione napływów korzeniowych i wewnętrznego murszu. Poddawane obróbce drzewa charakteryzowały się zbieżystymi strzałami o podobnym, zielonym ugałęzieniu, szczególnie w górnej części (od połowy długości w górę). Pozyskiwane drzewa nie stanowiły tzw. drzew trudnych wymagających zastosowania szczególnych technik ich ścinki. Podczas badań obróbce poddano 120 drzew sosnowych, trzy zbiory po 40 drzew dla każdej pilarki (średnie wartości parametrów charakterystycznych pozyskiwanych drzew podano w tabeli 1). Miąższość badanych drzew ustalono na podstawie tablic miąższości drzew (wg Radwańskiego).

Tabela 1. Średnie wartości parametrów charakterystycznych drzew
Table 1. Mean parameter values of characteristic trees

Drzewa o podanej wyżej charakterystyce pozyskiwane były za pomocą trzech profesjonalnych modeli pilarek spalinowych, wybranych losowo z większej grupy maszyn. Pilarki te różniły się między sobą pojemnością skokową (V_s = 46,54 i 62 cm³) i reprezentowały dwie grupy wielkościowe pilarek (średnie i duże) o największym udziale na rynku (odpowiednio 46 i 33%). Do badań wykorzystano piłę łańcuchową o podziałce 3/8 cala wyposażoną w ogniwa tnące typu dłuto i prowadnicę standardową o długości 15 cali. Każdorazowo przed przystąpieniem do pracy sprawdzano stan pilarki w celu zapewnienia jednakowych warunków przeprowadzania badań, np. sprawdzano stan piły łańcuchowej, utrzymywano poziom paliwa w zbiorniku co najmniej w połowie, prace rozpoczynano przy rozgrzanym silniku pilarki. Operacje obróbcze wykonywane były przez operatora o kilkunastoletnim doświadczeniu zawodowym.

Metodyka przeprowadzania badań

Czas trwania operacji ścinki mierzono od chwili rozpoczęcia wykonywania rzazu podcinającego aż do zakończenia rzazu ścinającego. Ścinkę przeprowadzano stosując dwie techniki wykonywania rzazów podcinających, w zależności od średnicy drzewa w miejscu ścinki. W przypadku drzew o średnicy do 15 cm w miejscu ścinki wykonywano jeden rzaz podcinający, a następnie poziomy rzaz ścinający. W przypadku średnicy drzewa w miejscu ścinki większej niż 15 cm, podcięcie wykonywano dwoma rzazami - skośnym i poziomym.

Pomiar i rejestracja czasu trwania operacji okrzesywania zaczynała się w momencie przystawienia prowadnicy wraz z ruchomą piłą łańcuchową do pierwszej okrzesywanej gałęzi, a kończyła się w momencie zakończenia rzazu odcinającego wierzchołek na grubości 5 cm bez kory. Okrzesywania dokonywano poruszając się od części odziomkowej ku wierzchołkowi z zastosowaniem techniki dźwigniowej.

Podczas wyrzynki sortymentów czas trwania tej operacji mierzony był od momentu rozpoczęcia wykonywania rzazu odcinającego pierwszy odcinek obrabianego drzewa aż do chwili zakończenia wyrzynki ostatniego odcinka. Wyrzynki wałków dokonywano zgodnie z wcześniejszymi oznakowaniami na pobocznicy drzewa. Ze względu na korzystanie z prowadnicy o długości dużo większej niż maksymalna średnica kolejnych odcinków (długość użyteczna prowadnicy - 28 cm), wykonywano jeden rzaz przerzynający od góry bądź od dołu, dolną bądź górną stroną prowadnicy.

Czas wykonywania poszczególnych operacji określany był za pomocą chronometraży dokonywanych jednocześnie z pomiarami drgań pilarek, za pomocą miernika poziomu dźwięku Brüel & Kjaer 2231 z zespołem do oceny wpływu drgań na człowieka, typu 2522, wyposażonym w zegar czasu rzeczywistego. Dodatkowo dokonywano pomiaru czasu ścinki, okrzesywania i wyrzynki legalizowanym elektronicznym ręcznym stoperem firmy Casio. W badaniach włączenie miernika drgań (i pomiaru czasu operacji) następowało z chwilą przyłożenia prowadnicy do pnia, a wyłączenie po skończeniu danej operacji. Mierzono więc łączny czas pracy pilarki - w rzazie i np. przy przejściach do następnych miejsc okrzesywania gałęzi i wyrzynki danej strzały.

Wpływ parametrów drzew na czas wykonywania operacji pozyskania drewna

W wyniku analizy statystycznej [Wójcik 2004] nie stwierdzono różnic między zbiorami wziętych do badań drzew, dlatego też potraktowano je jako jeden zbiór. Z analizy wynika, że parametrem drzewa najbardziej wpływającym na samą ścinkę jest jego średnica w miejscu ścinki, na okrzesywanie - liczba odcinanych gałęzi, a na wyrzynkę - ilość wyrabianych elementów. Zależność czasu wykonywania ścinki, okrzesywania i wyrzynki od wyżej wymienionych parametrów pokazano na rycinach 1-3.

Wartości poszczególnych współczynników korelacji pozwalają na stwierdzenie istotnej zależności czasu wykonywania ścinki od średnicy w miejscu ścinki.

Można również jednoznacznie stwierdzić istotny wpływ liczby gałęzi na czas okrzesywania drzewa. Zależność czasu wykonywania wyrzynki sortymentów od liczby wyrabianych z drzewa elementów pokazano na rycinie 3; jest ona statystycz­nie istotna dla wszystkich trzech modeli pilarek.

Ryc. 1. Zależność czasu ścinki od średnicy w miejscu ścinki dla zbioru wszystkich pozyskiwanych drzew
Fig. 1. Relationship between the work time of felling and the diameter at felling cut for the set of all harvested trees

Ryc. 2. Zależność czasu okrzesywania od liczby odcinanych gałęzi dla zbioru wszystkich pozyskiwanych drzew

Fig. 2. Relationship between the work time of delimbing and the number of branches cut off for the set of all harvested trees

Ryc. 3. Zależność czasu wyrzynki sortymentów od liczby wyrabianych elementów dla zbioru wszystkich pozyskiwanych drzew

Fig. 3. Relationship between the work time of bucking and the number of stem elements cut for the set of all harvested trees

Przedstawione na rycinach 1-3 zależności pozwalają na stwierdzenie istotnej zależności na poziomie α = 0,01 (99%), bowiem przy r_tab.a=0,01 = 0,3982 we wszystkich przypadkach zachodziła relacja r > r_tab.

Czasy pracy pilarki przy wykonywaniu ścinki wahały się w przedziale (5;246 s) w zależności od wielkości pozyskiwanych drzew (średnicy w miejscu ścinki) i modelu pilarki. Najdłuższymi czasami ścinki i największą rozpiętością przedziału czasu ścinki charakteryzowała się pilarka o najmniejszej pojemności skokowej (5;246 s) - (średnio 112,2 s/drzewo). Pilarka H 254 XP - (24; 228 s) - (średnio 72,5 s/drzewo) i pilarka największa (H 262 XP) - (20; 161 s) - (średnio 60,4 s/drzewo). Różnice te wynikały zapewne z większej wydajności powierzchniowej skrawania pilarek o pojemności 54 cm³ i 62 cm³ niż pilarki o najmniejszej pojemności 46 cm³.

Czas wykonywania okrzesywania był większy od czasu ścinki. Wahał się on w przedziale (33; 437 s) w zależności od liczby i grubości odcinanych gałęzi, a także od modelu pilarki. W przypadku pilarki najmniejszej (o objętości skokowej 46 cm³) czas potrzebny do okrzesania strzały wynosił od 37 do 370 s (średnio 174,2 s/drzewo; 0,11 s/gałąź). Pilarką średnią (54 cm³) gałęzie odcinano w czasie od 45 do 437 s (średnio 155,5 s/drzewo; 0,11 s/gałąź). Natomiast pilarką największą (62 cm³) od 33 do 420 s (średnio 166,2 s/drzewo; 0,11 s/gałąź). Wskaźnik średniego czasu odcięcia pojedynczej gałęzi ma taką samą wartość dla wszystkich modeli pilarek i wynosił 0,11 s/gałąź. Niewielkie różnice w czasie wykonywania okrzesywania całego drzewa różnymi pilarkami mogły wynikać z większej powierzchniowej wydajności skrawania pilarek o większej pojemności skokowej, a także z większej ich masy i gabarytów.

Czas podczas wykonywania wyrzynki był najkrótszy ze wszystkich badanych operacji pozyskania drewna. Zawarty był w przedziale (7; 240 s). Dla pilarki najmniejszej przedział ten wynosił odpowiednio (8; 240 s) - (średnio 75,4 s/drzewo; 0,31 s/rzaz), dla pilarki średniej od 7 do 225 s (średnio 48,4 s/drzewo; 0,27 s/rzaz), a dla pilarki największej od 8 do 234 s (średnio 64,2 s/drzewo; 0,27 s/rzaz). Stwierdzono, że pilarki o większej pojemności skokowej potrzebują znacznie krótszego czasu na wyrzynkę sortymentów. Potwierdza to również wyższy wskaźnik średniego czasu wykonania pojedynczego rzazu przerzynającego, który ma najwyższą wartość dla pilarki o najmniejszej objętości skokowej i mocy.

W tabeli 2 przedstawiono średnie wartości trwania poszczególnych operacji obróbczych pozyskiwania drewna dla trzech pilarek użytych do badań.

Tabela 2. Średnie wartości czasów ścinki, okrzesywania i wyrzynki badanymi pilarkami
Table 2. Mean values of work times of felling, delimbing, and bucking using the investigated chain saws

Stwierdzenia i wnioski

1. Czas wykonywania operacji pozyskania drewna (ścinki, okrzesywania i wy­rzynki) zależy od wielkości pilarek stosowanych podczas tego procesu, a także od parametrów pozyskiwanych drzew, tzn.:

   - największy wpływ na czas ścinki drzewa ma jego średnica w miejscu wykonywania rzazu ścinającego,

   - czas wykonywania okrzesywania uzależniony jest głównie od liczby odcinanych gałęzi od pobocznicy drzewa,

   - podczas wyrzynki czas potrzebny na wykonanie określonych sortymentów o różnej długości zależy od ich liczby.

2. Ze względu na czas trwania obróbki drzewa do ścinki należałoby polecić pilarkę o objętości skokowej 62 cm³, a do okrzesywania i przerzynki pilarkę o objętości skokowej 54 cm³.

3. Pilarka o objętości skokowej 46 cm³ z uwagi na najdłuższe czasy trwania poszczególnych operacji obróbczych nie powinna być polecana do zawodowego pozyskiwania drewna.

Literatura

Fibiger W. 1976. Ochrona zdrowia pracowników leśnictwa. Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich. Warszawa.

Giefing F. D. 1999. Ergonomiczna ocena procesów technologicznych pozyskiwania drewna i koncepcja syntezy wyników. Zastosowania Ergonomii 2/3, Zielona Góra.

Hagen K. B. 1990. Biomechanical analysis of spinal load in motor - manual cutting. Journal of Forest Enginieering, Vol. 2, Nr 1.

Kieser W., Wick M. 1999. Kreative Teamarbeit in der Holzernte. AFZ, Der Wald 9.

Sowa J. M., Leszczyński K. 2000. Zmiany w poziomie zagrożeń operatorów maszyn przy pozyskiwaniu drewna. Mat. Konf. Leśnej: Stan i perspektywy badań z zakresu użytkowania lasu, Sękocin 30-31 marca 2000.

Więsik J., Nurek T. 2002. Możliwości zastosowania harwesterów w Polsce. Problemy techniki rolniczej i leśnej. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 486, cz. II.

Wójcik K. 2004. Ergonomiczno-ekonomiczna metoda wyboru pilarki spalinowej do pozyskiwania drewna. Praca doktorska. Wydział Inżynierii Produkcji SGGW, Warszawa.

Autor

Krzysztof Wójcik  

Wydział Inżynierii Produkcji Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych Zakład Mechanizacji Leśnictwa SGGW w Warszawie

Źródło 

POLSKA AKADEMIA UMIEJĘTNOŚCI, PRACE KOMISJI NAUK ROLNICZYCH, LEŚNYCH I WETERYNARYJNYCH, tom nr 9/2007

Użytkowanie maszyn rolniczych i leśnych,KRAKÓW 2007  (ISSN 1733-5183)