林业科学  2012, Vol. 48 Issue (5): 173-179   PDF    
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王立海, 潘明旭, 段铁成, 王秋实, 胡斌
Wang Lihai, Pan Mingxu, Duan Tiecheng, Wang Qiushi, Hu Bin
不同坡度及作用力对伐木作业者心率及伐木锯切周期的影响
Effects of Different Slopes and Pushing Force on Felling Cut Cycle and the Heart Rate of Loggers
林业科学, 2012, 48(5): 173-179.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(5): 173-179.

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收稿日期:2011-01-24
修回日期:2011-04-01

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王立海
潘明旭
段铁成
王秋实
胡斌

不同坡度及作用力对伐木作业者心率及伐木锯切周期的影响
王立海, 潘明旭, 段铁成, 王秋实, 胡斌    
东北林业大学工程技术学院 哈尔滨 150040
关键词:伐木作业    标准姿势    锯切周期    心率    坡度    
Effects of Different Slopes and Pushing Force on Felling Cut Cycle and the Heart Rate of Loggers
Wang Lihai, Pan Mingxu, Duan Tiecheng, Wang Qiushi, Hu Bin    
College of Engineering & Technology, Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: The effect of different slopes and pushing force on the heart rate of loggers in standard posture as well as on the one cutting cycle was studied in this paper. According to the questionnaire from experts, the weight of each analysis factor was obtained and AHP method was adopted to conclude the standard posture based on experiment. After comparison on the data that's got from experiment with mathematical statistics method, it was concluded that, under three different slopes, different pushing force had significant effect on the cutting cycle with standard posture. But the pushing force did not have much impact on the heart rate of the loggers at zero degree slope. Meanwhile, large pushing force and moderate pushing force did not affect the heart rate significantly when the slope is fifteen degree, and the opposite result is with small force. At thirty degree slope, each pushing force had significant effect on the heart rate of loggers. The research may provide as a guide to the loggers in reasonable pushing force selection at different slopes, which is beneficial for the forestry production department to draft relevant operating standards in order to guarantee the working efficiency as well as the safety and physical health of loggers.
Key words: felling    standard posture    felling cut cycle    heart rate    slope    

油锯伐木作业动作重复性高,劳动强度大,其强度达到重体力劳动等级(段铁成,2010)。由于我国伐区作业条件不同,对油锯手的生理与心理影响较大,导致作业效率因环境变化而变化(王立海等,1995)。如何使油锯手在高强度作业与不利的环境条件下保持比较高的作业效率,能保障作业人员的安全与健康,并且将林业机械设计与使用过程中融入人机工程学的理念,这些将成为科技工作者要研究的重要问题(潘明旭等,2011)。目前部分欧洲国家和日本对作业力度对操作者带来的疲劳已经进行了比较全面的研究,通过试验研究来指导作业进而提高作业的效率(Yovi et al., 2005; 藤井禧雄等,1976); 但是,我国在这方面的研究十分欠缺,尤其是对不同作用力、不同坡度条件下油锯手健康与作业效率的研究比较少(王秋实等,2007)。本文采用试验分析的方法,分别在3种坡度下分析不同的作用力对作业者的影响,同时提出在不同坡度上选择作用力的方法,研究成果不仅能指导安全高效作业,而且为有关部门制定相应的作业规程奠定基础。

1 研究方案 1.1 试验对象

男性油锯手6名,全部具有文字识别能力和正常思维能力,中青年,身高165~185 cm,体重60~80 kg,裸眼或矫正视力正常,身体健康。试验前一天油锯手开始禁止吸烟与饮酒; 油锯手技术熟练,工作认真,全部来自于黑龙江省方正林业局。以上群体可以代表从事林业伐木作业的主流人群。

1.2 试验仪器

柳州-YL94型高把油锯1台,可调节坡度试验台1个、摄像机2个、照相机2个、秒表 1块,试验用的调查问卷若干、试验用的木墩18个(粗细大致相同),同时需要记时人员1名、记录人员1名。

1.3 试验方案

试验1—选择油锯手的标准姿势。消除姿势选择不同对试验带来的影响(胡斌等,2009)。准备:编制问卷,具体参数设定与选择见后文。试验前:向被试人员说明本试验的目的和相关背景,使被试者对试验有清楚的认识,试验者要根据自己的理解,向被试者描述影响姿势选择的因素。试验进行:每个被试者要单独进行试验,避免相互之间的干扰。不对被试者进行任何思维活动上的引导和干涉。被试者遇到障碍时给予必要的不带指向性的帮助,保证试验顺利进行。对问卷得到的结果进行统计,搜集到的数据采用层次分析法,选出参与试验油锯手群体中理想的作业姿势。

试验2—不同坡度条件下,不同作用力对锯切周期及心率的影响。作用力分等见表 1(段铁成等,2009a; 2009b)。

表 1 作用力分类标准 Tab.1 The classification criteria of pushing force

表 1描述了不同链锯转速对应的不同的作用力。大作用力1,控制链锯转速为3 000 r·min-1; 中作用力2,控制链锯转速为4 500 r·min-1; 小作用力3,控制链锯转速为6 000 r·min-1。伐木的姿势及位置选择右肩向上坡位的标准姿势(胡斌等,2009)。试验流程为:将6名油锯手按1~6编号,让油锯手依编号开始登上试验台,采用大作用力进行伐木作业,并由相应的记录人员按照油锯手的编号记录油锯手的锯切周期与心率; 然后采用中作用力依照前组试验的方法,依次在试验台上作业,并记录锯切周期与试验者心率; 最后采用小作用力依照前组试验的方法,依次在试验台上作业,并记录锯切周期与试验者心率。由于试验设计成单因素影响模式—坡度因素固定、作业姿势固定,故采用LSD(least significant difference,最小显著差法)来衡量所有因素(不同坡度和作用力下的锯切周期、心率)经过两两比较后存在的显著性差异。

2 试验数据整理与分析 2.1 选择油锯手的标准姿势

针对油锯伐木作业特点,结合人体力学相关理论(武传北等,1997),确定措施层B的影响因素B1,B2,B3,B4分别对应舒适性、协调性、平衡性、减震性。通过编制调查问卷提升中间层B影响因子权重的可信度,在参与测试的人员尽可能排除外界的干扰下独立完成问卷。对问卷的结果进行统计,得出舒适与协调、舒适与平衡、舒适与减震、协调与平衡、协调与减震、平衡与减震之间的选择权重。

同时从现阶段比较普遍的6种油锯手姿势作为措施层C,仍然采用问卷调查的方式,让参与试验的油锯手从B层的影响因素方面确定C层方案的选择顺序,先选择的权重要大,由B层的4个影响因素权重构造4个比较矩阵。

应用层次分析法,采用MATLAB软件计算。分别计算出上述矩阵的特征值、特征向量,并用最大特征值进行一致性检验,检验结果证明试验构造的比较矩阵具有一致性,进而得出C层对A层的权重,并对其进行排序。选出权重最大的值对应的C层因素为标准姿势,具体做法参见文献(王秋实,2008)。选出的标准姿势简化如图 1,试验现场拍摄的相应伐木姿势如图 2

图 1 标准姿势 Fig.1 Standard posture
图 2 伐木姿势 Fig.2 Felling cut posture
2.2 不同坡度下不同作用力对油锯手锯切周期与心率的影响

1) 坡度为0°时不同作用力对锯切周期的影响  试验中的0°是指油锯手作业时所处位置的坡度,是指将调整试验台,使油锯手伐木时所站立的试验台表面与地面成0°角。具体步骤见试验方案。锯切周期是指油锯手完成1次伐木作业所用的时间,即所测得的动作周期用时。由记录人员记录相应的数据,用SPSS软件分析处理,见表 2表 3

表 2 坡度为0°时3种不同作用力下锯切周期值方差统计 Tab.2 Under 0°angle the three different pushing force of falling cut cycle ANOVA table
表 3 坡度为0°时3种不同作用力的周期时间两两比较的结果 Tab.3 Under the 0°angle the three different pushing force of falling cut cycle comparison

表 2可知:P值均小于0.05水平度,因而采用标准姿势在0°坡度下,不同作用力对锯切周期分配值影响显著。

表 3的LSD检验可知:坡度为0°时,大作用力、中作用力、小作用力下的周期两两对比显著。这说明在平地的作业环境下,不同作用力对油锯手锯切周期的长短是有影响的。从图 3中可以看出:当处于平坦坡度的作业环境时,人的心理压力较小(王寿元,2007; 胡斌等,2010),油锯手动作较舒展; 在较大作用力与中等作用力下锯切周期分布平稳,同等作用力下每一名参与作业的油锯手锯切周期大致相同。总体的趋势为:在0°坡度下,锯切周期随着作用力增大而减小; 在小作用力下,编号为1,4的油锯手周期略微偏大,因为1,4号油锯手身高较矮,作业时容易受到外界因素影响,需要调整姿势,并且考虑到木墩的质量难免存在不均匀性,参与人员有限,试验次数因受体力条件的制约不可过多。由LSD检验的显著性可知,从曲线得出的总体趋势是有科学依据的。以上分析表明作用力越大,锯切周期越短。此结论为油锯手作业效率的选择提供依据,在0°坡度上,若希望提高效率则应选择大作用力。

图 3 0°坡不同作用力下周期变化 Fig.3 Under the 0°angle the three different felling cut's cycle time

2) 坡度为15°时不同作用力对周期的影响  本组试验需要将油锯手伐木时所站立的试验台表面调整成与地面成15°角,试验流程与在0°坡度时的试验流程一致。将本组试验测得的数据用SPSS软件分析处理,见表 4表 5

表 4 坡度为15°时不同作用力下锯切周期值方差统计 Tab.4 Under 15°angle the three different pushing force of falling cut cycle ANOVA table
表 5 坡度为15°时3种不同作用力的周期时间两两比较的结果 Tab.5 Under the 15°angle the three different pushing force of falling cut cycle comparison

表 4表 5可以看出:坡度为15°时,不同的作用力对锯切周期影响显著。从图 4可以看出:在小作用力下,出现了试验者的锯切周期的波动,这是因为15°坡度已经给伐木者带来一定的心理压力,采用小作用力进行伐木势必增加伐木的难度; 中等作用力与大作用下的锯切周期分布平稳。根据以上讨论,对比锯切周期总的分布趋势,可以得出:随着作用力的增大,锯切周期减小。进而证明了15°坡度下锯切周期受作用力影响强烈,且作用力越大,锯切周期越小。此结论为油锯手作业效率的选择提供依据,在15°坡度上,若希望提高效率则应选择大作用力。

图 4 15°坡不同作用力下周期变化 Fig.4 Under the 15° angle the three different felling cut's cycle time

3) 坡度为30°时不同作用力对周期的影响  本组试验需要将油锯手伐木时所站立的试验台表面调整成与地面成30°角,试验流程与在0°坡度时的试验流程一致。将本组试验测得的数据用SPSS软件分析处理,见表 6表 7

表 6 坡度为30°时不同作用力下锯切周期值方差统计 Tab.6 Under 30°angle the three different pushing force of falling cut cycle ANOVA table
表 7 坡度为30°时3种不同作用力的周期时间两两比较的结果 Tab.7 Under the 30°angle the three different pushing force of falling cut cycle comparison

表 6表 7可以看出:坡度为30°时,不同的作用力对锯切周期影响显著。从图 5可以看出:在小作用力下,出现了试验者的锯切周期的波动,这是因为30°坡度给伐木者带来更大的心理压力,采用小作用力进行伐木势必加深伐木的难度; 中等作用力与大作用下的锯切周期分布平稳。根据以上讨论,对比锯切周期总的分布趋势,可以得出:随着作用力的增大,锯切周期减小。进而证明了30°坡度下锯切周期受作用力影响强烈,且作用力越大,锯切周期越小。此结论为油锯手作业效率的选择提供依据,在30°坡度上,若希望提高效率则应选择大作用力。

图 5 30°坡不同作用力下周期变化图 Fig.5 Under the 30°angle the three different felling cut's cycle time

4) 坡度为0°时不同作用力对心率的影响  与上一组试验类似,试验中的0°仍旧是指油锯手作业时所处位置的坡度。让6名油锯手依次开始采用不同作用力(大、中、小)进行伐木作业,由相应的测量记录人员按照油锯手的编号在3种作用力下,分别测量记录1个锯切周期结束后相应编号油锯手的颈动脉10 s的搏动次数。将记录人员记录相应的数据,用SPSS软件进行分析处理,见表 8表 9

表 8 坡度为0°时不同作用力下心率方差统计 Tab.8 Under 0° angle the three different pushing force of heart rate ANOVA table
表 9 坡度为0°时3种不同作用力的心率两两比较的结果 Tab.9 Under the 0° angle the 3 different pushing force of heart rate comparison

表 8表 9可以看出:P远大于显著水平0.05。在平缓地面上(坡度0°)作业,油锯手在不同作用力下心率分配不显著,且两两比较均无显著性差异。说明坡度为0°时,不同作用力对油锯手的心率无影响。从图 6中3条折线有多个交叉点、走势无明显规律也可以进一步说明在此坡度上,不同作用力与油锯手的心脏负荷程度无关。

图 6 坡度为0°时不同作用力下心率的变化 Fig.6 Under the 0° angle the three different pushing force change in heart rate

医学试验证明,心理紧张能引起体内激素释放(代谢)加强、生理活动强度增高,从而引起乳酸供能增强、血乳酸水平上升,由此可见测验劳动负荷的根本区别为心理紧张程度(布鲁克斯,1992)。乳酸产生和积累效率主要取决于劳动强度和持续时间。在作业过程中, 肌乳酸和血乳酸二者之间浓度的相对平衡有一个过程, 所需时间长短受肌肉细胞膜通透性影响, 且与作业强度的大小和持续时间的长短有密切关系。从而说明不同强度作用时最高血乳酸浓度值出现时间具有异时性特点, 不同强度作用时负荷特征、持续时间影响着乳酸的转换率, 使参与负荷中的运动肌群乳酸生成速度和乳酸扩散速度不一致(姚俊等,2003)。血乳酸值对负荷强度反映的灵敏度比心率高,且心率影响乳酸的消除速度,并且心率在心理因素不同负荷不同条件下也会产生异时性特点。在0°坡时油锯手的心理最为放松,试验选择的6名油锯手均对油锯伐木有着丰富的经验; 增大作用力,锯切周期相应缩短,同时由于心率的异时性特点,故LSD检验得出不显著性。以上分析证明,该坡度下作业应按照效率优先原则选择作用力。

5) 坡度为15°时不同作用力对心率的影响  与上一组试验类似,试验中的15°仍旧是指油锯手作业时所处位置的坡度。让6名油锯手依次开始采用不同作用力(大、中、小)进行伐木作业,由相应的测量记录人员按照油锯手的编号在3种作用力下,分别测量记录1个锯切周期结束后相应编号油锯手的颈动脉10 s的搏动次数。将记录人员记录相应的数据用SPSS软件进行分析处理,见表 10表 11

表 10 坡度为15°时不同作用力下心率方差统计表 Tab.10 Under 15° angle the three different pushing force of heart rate ANOVA table
表 11 坡度为15°时3种不同作用力的心率两两比较的结果 Tab.11 Under the 15° angle the 3 different pushing force of heart rate comparison

表 10可以看出:在比较平缓的地面上(坡度15°)作业,油锯手在不同作用力下心率分配显著。由表 11经过LSD检验发现:在15°坡度下,大作用力与中等作用力对心率影响不显著,小作用力对心率影响显著。这是由于大作用力与中等作用力下锯切周期一般稳定在10 s左右,这时虽然坡度的增加促使油锯手产生一定的紧张情绪,但是由于锯切周期较短,心率对负荷强度反应灵敏度较差,故二者呈不显著关系。小作用力下锯切周期已经稳定在20 s左右,油锯手体内的激素释放(代谢)已经到达相当的水平,这时血乳酸由于激素的催化关系得到了充分释放,心率由于油锯手身体内环境的持续变化开始反应小作用力所产生的影响,故二者呈现显著性关系。由图 7可知:大作用力与中等作用力与油锯手的心率无明显的关系,但是小作用力下的心率水平已经明显低于大作用力与中等作用力环境。以上分析表明了该坡度下,作用力的选择要综合考虑对周期和心率的影响。

图 7 坡度为15°时不同作用力下心率的变化 Fig.7 Under the 15° angle the three different pushing force change in heart rate

6) 坡度30°时不同作用力对心率的影响  与上一组试验类似,试验中的30°仍旧是指油锯手作业时所处位置的坡度。让6名油锯手依次开始采用不同作用力(大、中、小)进行伐木作业,由相应的测量记录人员按照油锯手的编号在3种作用力下,分别测量记录1个锯切周期结束后相应编号油锯手的颈动脉10 s的搏动次数。将记录人员记录相应的数据用SPSS软件进行分析处理,见表 12表 13

表 12 坡度30°时不同作用力下心率方差统计表 Tab.12 Under 30° angle the three different pushing force of heart rate ANOVA table
表 13 坡度30°时3种不同作用力的心率两两比较的结果 Tab.13 Under the 30° angle the 3 different pushing force of heart rate comparison

表 12表 13可以看出:在比较陡峭地面上作业(30°),油锯手在不同作用力下心率分配显著。通过对在此环境下作业的油锯手调查了解到,作业时无论该油锯手具有多么丰富的伐木经验,都会感到一定的心理压力。这种心理压力导致了油锯手体内的激素释放(代谢)达到比较高的水平,体内产生乳酸速度大大加快,同时就需要心率来对其进行积极的响应,来消除血乳酸的堆积。由于此时血乳酸处于较高水平上,对外界负荷与作业时间敏感度加强,故此时心率与不同的作用力二者存在显著关系。大作用力下锯切周期短于中等作用力下的锯切周期,血乳酸堆积反而较小,故心率反而不及中等作用力下的高。从图 8可知:小作用力下由于链锯的转速小,对油锯手产生的心理压力较小,加上油锯手经验丰富,可以较好控制心理压力,故心率曲线值是3条曲线中最低的,大作用力下心率居中,中等作用力心率最高。以上分析表明在该坡度下作业,作用力的选择要综合考虑对周期和心率的影响,如果只考虑心率对伐木者的影响而选择作用力是不科学的。

图 8 30°坡不同作用力下心率的变化 Fig.8 Under the 30° angle the three different pushing force change in heart rate
3 结论

1) 根据作用力与周期显著性分析可知,在同等坡度条件下,作用力与锯切周期相关十分显著,锯切周期随着作用力的增大而减小。

2) 根据作用力与心率显著性分析可知:0°坡度下,不同作用力对油锯手作业的心脏负荷无明显影响,作业时应该优先考虑效率因素即采用大作用力作业; 15°坡度上采用小作用力作业对油锯手的心脏负荷是有影响的,且心率值普遍低于大作用力与中作用力环境。在这种坡度的作业环境下,如果油锯手当天的身体状态不佳,则应选择小作用力的作业方式,虽然牺牲了作业效率,可是保证了油锯作业的可持续性; 30°坡度下不同程度的作用力均对心率有显著性影响,选择大作用力作业既能最大地提高作业效率,又可以使心率维持在中等水平上。应用本文结论为伐木作业提供了比较优化的选择方案,保证了油锯手健康的同时也得到最优的工作效率。

3) 本文由于试验条件的限制,只单就作用力与作业坡度2方面对锯切周期与心率进行了研究,试验的样本选取得较小。在今后的研究中可继续开展对作业者心率与作业周期的影响因素研究,为伐木标准化管理与制定提供更多的参考依据。

参考文献(References)
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