智能生长锥：便携式树木年轮自动采样设备-优快云博客

智能生长锥：一种用于树木年轮芯样自动采样的便携式设备

摘要

手动采集大量岩芯是一项艰苦的工作，尤其是当芯样直径较大时。我们开发了一种自动化的树木年轮采样设备——“智能生长锥”，以提高样本通量并最大限度减少肌肉劳损。该设备轻量化且便携，采用电池供电电动扳手，整套系统驱动钻孔操作的总重量小于10公斤。它能够采集5毫米和12毫米直径的岩芯，长度超过80厘米。与以往发表文章中使用的设备相比，该设备可实现更快的采样速度，并表现出更优的扭矩输出与总重量比。此外，该设备还能辅助启动12毫米生长锥的操作。它为树轮年代学/气候学以及木材解剖学/质量研究提供了多种高效的采样解决方案。

关键词

树木年轮齿轮树木育种 SilviScan 木材质量

引言

对于木材和森林科学领域的许多研究人员来说，生长锥是一种首选的取样方式，因为它可以在不杀死活树的情况下获取木材钻芯样本。手动生长锥的尖端带有锥形切削螺纹，在旋转时可将生长锥切入树干。它们是最常用的获取芯样工具，通常直径为4.35至12毫米[1]。用于采集12毫米岩芯的钻头外径为19毫米。由于与木材的接触面积较大且摩擦力高，生长锥需要较大的扭矩才能穿透木材，尤其是在采集12毫米岩芯时。

除了这种“切削式”生长锥外，还有一种“锯切式”生长锥，其钻头尖端采用插孔切割器而非切削刃[2]。插孔切割器在钻取岩芯时会产生锯末（或碎屑）。锯切式生长锥的主要优点之一是相比切削式生长锥，钻头外部摩擦更小。锯切式生长锥钻取岩芯所需扭矩较小，因此适用于硬木长岩芯的采样（例如 Pressler GmbH 生产的 Dendrobohrer）[3]。其缺点是钻取岩芯所需时间较长。

对于测量树木年龄、年轮宽度和密度，通常首选较小的5毫米岩芯。而对于稳定同位素、放射性同位素（如放射性碳和137Cs）以及无机元素的分析，则需要更多的木材质量，因此优选使用大直径岩芯（12毫米）[4]。当采用排水法测量密度时，也更倾向于使用大岩芯[5]，因为较大的岩芯可以提供更高精度的密度值[6]。在测量纤维长度时同样更倾向于使用12毫米岩芯，因为12毫米的直径足以包含针叶树的完整纤维，并且可用于微型制浆以评估纸张质量[5]。在树木育种项目中对木材进行评估时，有时更倾向于钻取岩芯而非砍伐树木，因为育种人员希望树木保持存活以便后续使用。

因此，人们对12毫米岩芯的机械采样有着广泛的需求。人们已多次尝试使用电动[2, 7–9],汽油动力 [3, 5, 7, 10–12]或液压工具[13]来实现木材钻芯样本采集的机械化，尤其是大直径钻芯。然而，这些尝试收效有限，主要原因是缺乏在不牺牲便携性的情况下有效吸收反作用力的方法。这些设备的动力源相对庞大 [10, 12, 13]，且依靠操作者手臂[7, 12, 13]来承受动力源产生的巨大反作用力。以往的所有设备均未设计可由操作者腿部支撑的反力杆（表1），而腿部所能承受的力远大于手臂。其他设备则采用固定在树干和/或地面的支架来吸收巨大的反作用力[8, 10, 11]，但这增加了设备的总重量。

合适的钻芯装置应具备轻量化、大扭矩并保持最佳钻芯速度。以往的装置可能满足其中一至两项条件，但尚无一种装置能够同时满足全部条件。由于这一局限性，此前开发的设备未能在研究人员中普及，大多数仍依赖手动钻芯。现有钻芯设备的技术障碍可归纳为以下四个重要特征。

第一个重要特征是动力来源。汽油发动机，例如用于链锯[12]或发动机钻机[5, 7],的发动机，能够产生大扭矩。然而，汽油发动机相对较重（例如，Tanaka TED‐270RS 在加满油后的重量为 6.0千克），整个钻芯过程中支撑这一重量在体力上具有挑战性。电池驱动扳手更轻，但缺乏使用增量切削钻孔器进行钻芯所需的足够扭矩。此外，电动扳手或发动机钻机的转速（390–1600 转/分钟）对于增量切削钻孔器而言过快。这些动力源单独使用时可能导致切削刃过热，从而造成烧焦的钻芯表面[5]。

第二个重要特征是齿轮。为了将高速低扭矩输入转换为适合生长锥驱动的低速高扭矩输出，已采用各种增强扭矩的齿轮，例如蜗轮蜗杆[11]和土钻齿轮 [5, 7]。与这些齿轮相比，行星齿轮（图1）具有扭矩输出/重量比高、能量效率高以及同轴齿轮结构等优点 [14]。

第三个重要特征是反力杆。传统机械钻孔系统中使用的所有电钻、发动机钻机和链锯都配有小型反力杆，设计上依靠操作员的手部进行支撑[5, 7, 9, 12]。例如，一种配备小型反力杆和Atom品牌钻孔附件的汽油动力链锯被开发用于驱动生长锥[12]。由于反力杆较小，操作员难以承受强烈的反作用力，正如我们稍后将讨论的，这甚至存在危险性。其他早期设备则采用支架来吸收反作用力，这些支架固定在树干/地面或车架上[8, 10, 11]。支架能更有效地吸收反作用力。

在我们的经验估算中，从日本橡树（Quercus crispula）或柚木（Tectona grandis）采集12毫米厚 80厘米长的样本芯所需的扭矩超过500 牛·米。为了吸收如此大的反作用力，使用更长的反力杆可能更为合适，因为（除了增加杠杆作用外）操作员可以用腿部而不是手臂更容易地支撑这种大的反作用力。

第四个重要特点是启动和提取生长锥的便利性。以前的设备缺乏启动钻头或在钻头卡入树干时将其取出的手段。前一种情况尤其发生在体型较小的人启动 12毫米生长锥时。后一种情况例如当钻头遇到树干内的空腔或腐烂区域，导致钻头螺纹无法咬合时发生。由于用于钻取树木的12毫米钻头成本为1000至2000美元，因此当钻头卡住时，将其取出具有经济上的激励。

本研究的目标是设计一种能够满足以下所有标准的机械取芯采样系统，并验证其在野外的性能。

目标取芯系统的规格如下：
1. 电池供电，重量小于10kg，便于野外作业。
2. 能够产生足够的扭矩（980 牛·米），以从最硬的硬木树种中采集长（长达80厘米）和大直径（高达12毫米）的岩芯。它还应能够通过一根较长的反力杆吸收同等大小的反作用扭矩（980 牛·米），该反力杆可由操作者腿部和/或地面支持。
3. 可由一人操作，并能在对指定地点的所有树木（包括不同尺寸和年龄）进行钻芯时，实现比手动钻芯高出三倍以上的采样通量效率。
4. 能够立即启动钻芯操作，无需将支架安装或拆卸到采样树木或地面上。
5. 转速应足够慢（14–67 转/分钟），以防止岩芯表面炭化。
6. 旋转方向应能立即反转，以便设备能快速将钻头从树木中抽出。
7. 更换齿轮比应迅速。
8. 能够启动并抽出直径达12毫米的钻头。

材料与方法

组件

我们设计的自动化树木年轮采样设备，称为“智能生长锥”或“Smartborer”，由五个主要部件组成：动力扳手、齿轮箱、反力杆、套筒和生长锥（图2）。我们设计了两种型号，用于采集5毫米和12毫米芯样。

在典型配置中，电子扳手（图2a）以1600 rpm的转速驱动齿轮箱（图2b）的输入端，在另一侧产生 14–330 rpm范围的输出。该齿轮箱使用小齿轮和大齿轮（图2b左下角），其齿轮比分别约为1:5和1:24。小齿轮包含一组行星齿轮，传动比为4.91，大齿轮包含两组行星齿轮，传动比为24.1（= 4.91 × 2, 图1）。齿轮箱可单独使用一个大齿轮，或同轴连接大齿轮和小齿轮的组合，以将齿轮比从1:5切换至1:118（= 4.91³）。通常，我们使用1:24到1:118之间的齿轮比，换挡过程约需10秒。反力杆（图2c）对于防止驱动生长锥时齿轮箱旋转是必需的。可伸缩杆（图2d）连接在反力杆的下端，以便用操作员的腿和/或地面吸收反作用力。

示意图0

当从硬木中钻取12毫米厚80厘米长的样本芯时，我们将一根绳子（图2f）系在反力杆/可伸缩杆的上部和下部。通过这种方式，操作员可以支撑反力杆的两侧以吸收更大的反作用力。

有一个套筒（图2g），连接齿轮箱的输出端和生长锥钻头的方形端（图2h）。该套筒有两个孔眼，可用于穿绳（u5–6 mm）。所有定制部件（图2b–d, g）均由不锈钢制成。

操作

我们通常通过推动电动扳手和反力杆，使螺纹部分（尖端前3厘米）插入树干来启动生长锥。当有两人操作时，可将反力杆倾斜至水平方向，以便每人分别推动反力杆的左侧或右侧。通过用更大的压力将钻头的切削刃紧压在树干上，我们可以更轻松地启动12毫米生长锥。然而，树干树皮的粗糙度和厚度常常导致钻头难以开始切入，尤其当一个体型较小和/或经验不足的人单独在硬木上启动12毫米生长锥时更为困难。

为解决这一问题，我们设计了一款由电机驱动的套筒，该套筒还可作为绞盘使用（图2g，绞盘插座）。将一根绳子缠绕在树干周围绕过绞盘插座的孔眼（图2左上角）。拉紧两端后，打一个蝴蝶结形成环状。当绞盘插座开始驱动时，绳子会缠绕在钻头上直至绷紧，并将钻头的切削刃压向树干表面，迫使钻头进入树干（图2h，左上角）。当螺纹部分完全进入树干并与木材充分啮合后，解开并移除绳子，继续取芯操作。

如果生长锥取芯采样的目的是确定准确的树木年龄，则所采集的样本核心应包含髓心。为了精确对准钻孔方向，可先使用钻孔器启动器手动启动生长锥，直至钻孔方向稳定，然后切换至机械钻孔。

达到所需的钻孔深度后，我们将套筒（图2g）从钻头的方形端拆下，并安装生长锥的手柄。手动取出样本芯后，再次将智能生长锥（Smart‐borer）连接到钻头末端。只需将电动扳手的旋转设置反转，即可使钻头逆时针旋转，从而从树干中取出钻头。钻头取出时所需的扭矩低于插入时。

我们在大型（胸径[60厘米）喜马拉雅雪松（雪松）和日本橡树（光叶栎）上测试了Smartborer，以模拟树木年轮采样；在小型（胸径 \30 厘米）日本落叶松（Larix kaempferi）和日本柳杉（Cryptomeria japonica）上测试，以模拟木材质量研究的采样。我们使用Smartborer对每种直径为5毫米和12毫米的岩芯各采集了超过200个样本，采样至半径中点。所用钻头为长度45–80厘米的Haglof生长锥钻头，直径分别为5毫米和12毫米。

结果

规格

在我们评估过的各种动力扳手（电池、汽油动力、交流电源和气动）中，我们确定重型电动扳手（Makita TW450D）最为实用。尽管其具有便携性（含6.0安时‐0.7千克电池Makita BL1860B，重量为3.5千克），但仍能提供大扭矩。因此，我们决定在所有性能测试中使用这款电动扳手。

我们以1:24的齿轮比采集所有5毫米芯样。对于12毫米芯样，我们以1:24的齿轮比启动钻头，并持续操作直至钻头在木材中卡住，这种情况通常发生在针叶树取样深度约为22厘米时。随后，我们将齿轮比降至1:118，并继续钻取至髓心。此时产生的扭矩即使从大型Q. crispula中采集12毫米厚80厘米长的岩芯，齿轮比也足够。通过这种换挡方式，我们可以节省大量电池电量，因为一个电池在使用和不使用换挡的情况下，分别可以采集7.0个和4.7个33厘米长度的雪松岩芯。

5毫米取芯钻取芯时所需扭矩较小。由于其反作用力较小，我们采用了直径更小的较细反力杆和更轻的方驱套筒，使总重量降至6.0千克（表1）。由于采集12毫米芯样需要更大的扭矩，因此我们必须将用于采集12毫米芯样的设备总重量增加至9.5千克。钻头的转速几乎保持恒定，不受穿透深度和所采树种的影响。使用1:24和1:118的齿轮比时，5毫米和12毫米钻头的穿透速度分别约为每分钟50厘米和每分钟12厘米（表1）。

野外性能测试

尽管最大可达到取芯深度为80厘米，但我们建议在较浅的钻孔深度停止作业，尤其是在采集硬木样本时。通过始终将钻头末端保留8–12厘米在树干外部，操作员可以将Decorum取芯提取器[15]连接到该部分，从而取出卡住的钻头。

在模拟雪松的树木年轮学取样中，C.deodara使用一个6.0安时‐0.7千克电池可获取5.5个岩芯（u5毫米）约50厘米长，或4.0个岩芯（u12毫米）约40厘米长（表1）。在模拟柳杉L.kaempferi的木材质量研究取样中，一个电池可产生36个岩芯（5毫米）约14厘米长，以及26个岩芯（u12毫米）约14厘米长。

取芯钻外表面与周围木材之间的摩擦产生的热量并未导致岩芯炭化，而此前的机动设备曾出现过这种情况[5]。此外，在取芯器损坏频率（刃口缺口或钻头轴断裂）方面，我们未观察到机械钻孔与手工钻孔之间有任何明显差异，这可能是因为本设备的降低的转速（14–67 转/分钟）与手工取样时的转速相差不大。

我们对雪松和Q.crispula树木上的绞盘插座进行了测试，其能够成功启动12毫米钻头。对于5毫米钻头的启动，则无需使用绞盘插座。直径为5–6毫米的登山绳最适合用于绞盘插座（图2g）以及反力杆的支撑（图2f）。

当钻头在树干中穿过腐烂木材部分而被卡住时，Decorum取芯提取器与Smartborer结合使用效果良好。我们将提取器安装好，并将一根环形绳索系在提取器的底板上，然后只需反转钻孔器即可。该提取器通过螺杆机构将Smartborer的旋转力转换为轴向力。如果钻头的螺纹牢固地嵌入健康未腐烂的木材中，则钻头会通过自身旋转开始向后移动，提取器的底板自然地从树皮上抬起。为了增强提取器产生的轴向力，操作员可轻微向后倾斜，以在反转时向后拉动绷紧的环形绳索。此操作有助于将钻头从健康木材以及腐烂木材中拔出。

讨论

与传统设备的比较

Smartborer的最大优势体现在其反力杆设计上。迄今为止开发的其他设备均未采用可利用操作者腿部和/或地面吸收反作用力的反力杆设计（图2）。例如，假设在胸径高度（1.3米）进行取芯采样，并使用设备的最大允许扭矩（980 牛·米），则操作者腿部需在可伸缩杆下端承受754 牛（77 千克）的力（图2d）。机械式取芯不可避免地会产生等于大驱动扭矩的反作用扭矩。试图通过手臂来支撑如此强大的反作用力可能会导致操作者手臂或手腕损伤，如先前所述（M. 滕沃尔于 2014年4月21日在ITRDB树木年轮学论坛上的发帖）[12]。或者，可通过将动力单元安装在固定于树木/地面的支架上来吸收如此大的反作用力[10, 11],然而，这种支架会增加系统的重量，且支架的组装/拆卸需要时间。

第二个优点是Smartborer的高扭矩输出/总重量比。我们的设备可以手提或背负式携带，前往难以到达的林区。树木年轮学取样的一次野外考察可能持续数周，期间需要长途跋涉才能到达研究区域。在这种情况下，设备的重量成为一个关键问题。以往用于采集12毫米芯样的设备要么重得多，要么动力不足（见表1）[5, 8, 10, 11, 13]。相比之下，我们的设备具有最高的扭矩输出与总重量比。

第三个优点是高采样通量。最近开发的取芯装置变得更轻（例如，发动机、生长锥和支撑架的总重量为23公斤）[3]，并且能够从热带硬木中采集12毫米芯样。然而，这些装置采用锯切式生长锥[3, 16], 耗时较长。当锯切式生长锥由发动机驱动的钻机驱动时，采集30厘米芯样大约需要20分钟。[3]。配合Smartborer使用的增量切削钻孔器仅需约3分钟即可采集类似的核心（表1）。

然而，切削式增量生长锥也存在一些缺点。对于大直径的高密度硬木树木，手动操作的切削式增量生长锥有时会受到损坏。根据我们的经验，在钻取如Q. crispula等温带硬木或T. grandis等热带硬木时会发生此类情况。在对这些树种进行钻芯时，生长锥的切削刃有时会出现缺口，极少数情况下，钻头的轴部甚至可能断裂。如果这些问题频繁发生，采用“锯切式”生长锥可能是更好的选择。随着所取核心的长度和/或直径增加，由于与木材接触的表面积增大，所需的驱动扭矩也随之增加，因此采样操作需要更大的动力来驱动切削式增量生长锥。

结论

我们的设备相较于文献中报道的其他便携式设备（表1）具有显著改进，因为它同时实现了两个看似矛盾的目标：更轻的重量和更高的扭矩输出。当在可驾车轻松到达的林区采集大量岩芯和/或大直径岩芯时，该设备尤为有效。在进行木材质量研究的采样时，我们能够使采样通量比手动操作提高三倍以上，同时消除操作员严重的肌肉劳损。我们的设备还使研究人员，特别是体型较小的人和女性，能够获取通常通过手动钻芯无法实现的长岩芯和大直径岩芯。本设备的基本结构包括大齿轮、反力杆和套筒。根据2017年的普遍价格，能够采集5毫米和12毫米岩芯的设备分别约为70万和80万日元。