background image

Technical Journal of Engineering and Applied Sciences 

Available online at www.tjeas.com 
©2013 TJEAS Journal-2013-3-10/904-908 
ISSN 2051-0853 ©2013 TJEAS 
 

 

 

 

Investigation the vibration of chain saw by simulating cutting tree 

 

Masoud Fayzi

1

, Ali Jafari

2*

 and Hojat Ahmadi

2

 

 

1-  Master science of Mechanical Engineering of Agricultural Machinery, University of Tehran, karaj, 

Iran 

2-  Associte professor of Mechanical Engineering of Agricultural Machinery, University of Tehran, 

karaj, Iran 

 

Corresponding author Email: jafarya@ut.ac.ir 

 

 

ABSTRACT:  One  of  machines  that  whose  operator  is  exposed  to  large  magnitude  of  hand-arm 
vibration is chain saw. Some studies are accordance whit this. These vibrations can cause vascular, 
neurological  and  musculoskeletal  disorder,  collectively  named  as  hand-arm  vibration  syndrome. 
Main sources of vibration for this machine are single cylinder engine and the interaction of the chain 
with  the  wood  being  worked  on.  Current  study  was  done  to  investigate  the  effect  of  engine  speed 
and  Species  of  wood  on  the  vibration  of  front  handle  of  070-stihl  chain  saw  during  the  cutting 
simulating  tree.  The  result  showed  that the  effect  of  different  operation, different  axes  and  different 
speeds  on  the  value  of  RMS  acceleration  was  significant  at  1%  level.  The  peak  of  frequency 
spectrum was in the frequency in accordance with the hook of piston. By change in species of wood 
occasionally  the  peak  frequency  was  shifted  to  other  centre  frequency  between  the  range 
frequencies of 63Hz to 100 Hz. 
 
 
Keywords:  hand-arm  vibration,  hard  wood,  RMS  acceleration,  1/3  octave,  frequency  weighted 
acceleration, accelerometer 
 

 

INTRODUCTION

 

 

 

Almost any people are exposed to vibration during all days. Daily exposure to whole-body vibration over a 

number  of  years  can  disturb  the  central  nervous  system  (Anonymous,  1989).  The  hand-arm  transmitted 
vibration can cause complex vascular, neurological and musculoskeletal disorder, collectively named as hand-
arm vibration syndrome (Ko  Ying et al,  2011). Therefore it  is important  to, that the  vibration effect of different 
machines  should  be  studied.  Sam  and  Kathirvel  (2006)  measured  and  calculated  vibration  characteristics  of 
walking  and  riding  type  power  tillers  during.  Their  results  indicated  forward  speed, terrain, type  of  power  tiller 
and  mode  of  operation  influence  on  acceleration  levels  and  the  hand-arm  system  (Sam  and  Kathirvel,  2006). 
Later  Sam  and  Kathirvel  (2009)  tried  to  reducing  hand  transmitted  vibration  of  walking  and  riding  type  power 
tillers  by  use  of  vibration  isolators  for  engine  and  handle  bar  (Sam  and  Kathirvel,  2009).  Paddan  and  Griffin 
measured  and  evaluated  whole-body  vibration  in  100  different  vehicles  in  14  groups  according  to  British 
Standard BS 6841 (1987) and International Standard ISO 2631 (1997) (Paddan and Griffin, 2002). Four types 
of engine mountings and one handle isolator where  installed on  hand tractor and where investigated  effect of 
them  in  reduction  of  work  stress  during  field  operation  in  India  (Tewari  and  Dewangan,  2009).  Goglia  et  al 
measured vibration on steering wheel of small four-wheel drive tractor. They compared data whit ISO 5349 and 
concluded 10% of exposed persons being infected with the finger blanching after less than 2 years (Gogliaa, V 
et al, 2003). One study was done for reducing hand arm vibration in petrol driven grass trimmer. In this study 
different  suspended  handles  were  designed  and  developed  and  installed  on  this  machine.  Results  indicated 
that not all the handles were effective in reducing hand-arm vibration and operators are not fully aware of the 
level of vibration (Ko Ying et al, 2011). 
 

The  chainsaw  is  one  of  hand-held  tools  that  expose  self  operators  to  high  levels  of  noise  and  hand-arm 

vibration which can lead to hearing loss and conditions such as vibration white finger syndrome and Raynaud's 
phenomenon.  The  results  of  study  on  the  sample  that  included  142  men  were  chainsaw  operators  and  569 
were  not,  indicated  that  the  prevalence  of  the  vibration  syndrome  in  control  group  who  did  not  handle  the 
chainsaw was 18%. The prevalence in this group was high. Nevertheless the prevalence in the men using the 
chainsaw  was  significantly  higher  at  44%  (Taylor  et  al,  1971).  Pyykko  et  al  studied  the  effect  of  hand-arm 
vibration  on  hearing  loss  in  a  group  of  lumberjacks  in  the  years  1972  and  1974-1978.  (Pyykko  et  al,  1981). 

background image

Tech J Engin & App Sci., 3 (10): 904-908, 2013 
 
 
 

905 

 
 

 

 

Farkkila  et  al  measured  the  hand  grip  forces  at  both  handles  of  chainsaw  in  89  professional  lumberjacks. 
Subjects’  whit  vibration-induced  white  fingers  had  a  higher  ratio  of  hand  grip  force  to  the  maximal  voluntary 
compression force than the lumberjacks without this syndrome in both handles (Farkkila et al, 1979). 
 

In present study the vibration on the front handle of portable, hand-held, petrol-engine chainsaw during the 

work  on  set-up  that  simulating  the  cutting  tree  was  measured.  The  measurement  was  repeated  in  different 
speeds of engine and different Iranian Hardwoods. 
 

So  the  current  study  was  done  with  objective  to  measurement  the  vibration  of  one  chainsaw  during  the 

cutting  wood  and  investigates  the  effect  of  diversity  of  wood  on  characteristics  of  hand-arm  vibration  of 
chainsaw. 
 

MATERIALS AND METHODS 

 
 

For  this  study  a  070-stihl  chainsaw  was  selected. This  type  of  chainsaw  is  widely  used  in  Iran  for  cutting 

different Size of trees and Transformation the large diameter logs to timbers in Forests. Three engine speeds 
was selected for tests. First speed was 6000rpm, speed of engine at maximum chainsaw power. In third speed 
the  trigger  lever  was  be  completely  pressed  and  in  Second  speed  trigger  lever  was  in  position  between  two 
other speed.  
 

Also  we  selected  three  Species  of  hardwood  that  grow  in  Forests  of  the  north  of  Iran,  Hornbeam  by 

Scientific name as Carpinus betulus, Beech by Scientific name as Fagus orientalis and Alder by Scientific name 
as  Alnus  subcordata.  A  timber  with  dimension  as 

                    of  each  Species  was  prepared 

immediately after cutting three trees that was Located at similar condition of Height above sea level. In order to 
Prevention of Loss of moisture during the transportation of forest to Laboratory, timbers were covered by nylon. 
Figure (1) showed the timbers after transportation to Laboratory. 
 

 

Figure 1. timbers in nylon 

 

 

To  hold  timbers  a  vertical,  a  set  up  was  made.  Set  up  included  two  mandibles  consist  of  two  plates  that 

anchor together whit four Bolts. The mandibles weld to a strong pillar.  Please look to figure (2). 
 

 

Figure 2. set up for test 

 

 

The  different  accessories  employed  in  this  study  were  handle  adapter,  multipurpose  accelerometer  (VMI-

192) and data acquisition system (easy viber). The adapter was rigidly fixed on the front handle of the chainsaw 
so that there was no motion between the adapter and the handle grip. This equipment is showed in figure (3). 

background image

Tech J Engin & App Sci., 3 (10): 904-908, 2013 
 
 
 

906 

 
 

 

 

 

Figure 3. (a) - adapter and accelerometer on the hand grip of chainsaw (b) - data acquisition system, accelerometer and cables 

 

 

One  professional  male  operator  was  chosen  for  this  study  that  hi  was  healthy  and  in  good  physical 

condition.  Values  of  age,  height  and  weight  of  the  operators  were  31.3  years,  170.4  cm  and  67.3  kg, 
respectively. 
 

The  experiment  was  conducted  in  split-factorial  design  where  different  woods  were  taken  as  main  plot, 

different  speeds  and  different  directions  as  factors.  81  tests  in  three  Species  of  hardwood,  three  speeds  of 
engine,  three  Perpendicular  axes  and  three  repeats  were  conducted.  Similar  tests  were  conducted  without 
cutting wood. All tests were conducted according to ISO 5349. 
 

The orientation of the measurement axes was selected according to ISO 5349 that is shown in figure (3). 

The vibration acceleration at various conditions was measured and recorded in the data acquisition system and 
data  were  transferred  to computer.  The  recommendation  of  ISO-5349  (2001)  was  followed  for  calculating  the 
frequency-unweighted acceleration and frequency-weighted acceleration in 1/3rd octave bands at 6.3 and 1250 
Hz  (ISO  5349,  2001).  To  test  the  effect  of  different  engine  speed  levels,  different  Species  of  hardwood  and 
different axes on the rms acceleration, One-way analysis of variance was performed. 
 

RESULTS AND DISCUSSION 

 

 

The  result  of  ANOVA  that  was  performed  to  test  the  different  root  mean  square  acceleration  of  different 

speeds,  different  axes  and  different  operations  is  illustrated  in  table  (1).  This  result  showed  that  the  RMS 
acceleration  in  different  operation,  different  axes  and  different  speeds  was  significant  at  1%  level.  The 
interaction between operation and speed was not significant means the effect of speed on RMS was similar in 
all  operations  but the  effect  of  speed  in  different  axis  was  not  similar  because  the  interaction  between  speed 
and axis was significant at 1% level. The interaction between operation and axes was significant at 1% level. It 
can  be  understand  that  properties  of  wood  affected  on  the  RMS  in  three  perpendicular  axes  means  that  it  is 
possible  the  largest  vibration  in  different  woods  occur  in  different  axis.  The  interaction  between  operation, 
speed and axes was significant at 1% level. 
 

The  acceleration  spectra  of  chainsaw  employed  in  this  study  in  condition  without  cutting  log,  had  the 

highest peak in the Y

h

-axis in the frequency in accordance with the speed of engine. These peaks in 6000rpm, 

7720rpm and 8630 rpm speeds of engine occurred in 100Hz, 128.5Hz and 144Hz respectively. In the X

h

-axis, 

the highest peak was in the frequency that was similar whit Y

h

-axis. In the Z

h

-axis, the highest peak was in the 

double  frequencies  but  they  had  a  peak  in  the  similar  frequency  whit  Y

h

-axis  and  X

h

-axis.  The  acceleration 

spectra at frequency range of 0-250Hz at 6000rpm have been showed in figure (4). 
 
 

Table 1. ANOVA for the effect of different level of speeds, different species hardwood and different axis on the RMS acceleration 

Source of variation 

df 

Sum of square 

Mean square 

Calculated F 

          

42265/77

14088/59

40/62

**

background image

Tech J Engin & App Sci., 3 (10): 904-908, 2013 
 
 
 

907 

 
 

 

 

           

8

2774/38

346/80

      

2

55830/18

27915/09

116/74

**

     

2

31200/54

15600/27

65/24

**

                  

6

3159/18

526/53

2.20

ns

                 

6

20612/45

3435/41

14/37

**

             

4

25755/60

6438/90

26/93

**

                         

12

10621/19

885/10

3/70

**

      

64

15304/30

239/13

40/62

**

                                                        

 
 

The  acceleration  of  chainsaw  during  cutting  log  had  the  highest  peak  in  the  lower  frequencies  than  the 

condition without cutting log because the interaction between chain and wood, decrease the speed of engine.  
 

 

Figure 4. frequency spectra in the X

h

,Y

h

 and Z

h

 axes at 6000rpm 

 

 

The  frequency  weighted  rms  acceleration  at  1/3

rd

  octave  bands  from  6.3Hz  to  1250Hz  is  shown  in  figure 

(5). It can be seen that the frequency weighted rms acceleration from three species hardwood and in different 
speeds of engine followed a similar pattern. The highest peak in all directions, speeds and species accoutred in 
frequency  1/3

rd

  band  from  63Hz  to  100Hz  since  the  major  acceleration  is  due  to  hook  of  piston.  The  highest 

peak of Alder usually is in the higher frequencies than the Hornbeam and Beech because the speed of engine 
during  cutting  this  wood  is  more  than  other  two.  In  the  Z

h

-axis,  the  value  of  frequency  weighted  rms 

acceleration at frequencies between 315Hz to 800Hz is more than hornbeam and beech. The maximum value 
of frequency weighted rms acceleration in X

h

-axis and is found at 100Hz with the magnitude of 16.30447 m/s

2

 

during  cutting  the  Alder  notwithstanding  the  largest  peaks  in  acceleration  spectra  without  cutting  was  in    Y

h

-

axis. 

 

Figure 5. frequency weighted acceleration (rms) in one-third octave band 

REFERENCES 

 
Anonymous. 1989. Human vibration. Bruel & Kjar CO. Online publication. Denmark. 

background image

Tech J Engin & App Sci., 3 (10): 904-908, 2013 
 
 
 

908 

 
 

 

 

Farkkila M, Pyykko I, Korhonen O, Starck J. 1979. Hand grip forces during chain saw operation and vibration white finger in 

lumberjacks. British Journal of Industrial Medicine. 36: 336-341. 

ISO 5349-1. 2001. Mechanical vibration 

— Measurement and evaluation of human exposure to hand-transmitted vibration. 

ISO International standard. 

Ko  Ying  H,  Ooi  Lu  E,  Zaidi  Mohd  R.  2011.  The  desigen  and  development  of  suspended  handles  for  reducing  hand-arm 

vibration in petrol driven grass trimmer. Journal of Industrial Ergonomics. 41: 459-470. 

Paddan GS, Griffin MJ. 2002. Evaluation of whole-body vibration in vehicles. Journal of Sound and Vibration. 253: 195-213. 
Pyykko I, Starck J, Farkkila M, Hoikkala M, Korhonen O, Nurminen M. 1981. Hand-arm vibration in the aetiology of hearing 

loss in lumberjacks. British Journal of Industrial Medicine. 38: 281-289. 

Sam B, Kathirvel K. 2006. Vibration Characteristics of Walking and Riding Type Power Tillers. Biosystems Engineering. 95 

(4): 517 

– 528. 

Sam  B,  Kathirvel  K.  2009.  Development  and  evaluation  of  vibration  isolators  for  reducing  hand  transmitted  vibration  of 

walking and riding type power tillers. Bio systems Engineering. 103: 427-437. 

Taylor W, Person J, Kell RL, Keighley GD. 1971. Vibration syndrome in Forestry Commission chain saw operators. Brit. J. 

Induster. 28: 83-89. 

Tewari  VK,  Dewangan  kN.  2009.  Effect  of  vibr

ation  isolators  in  reduction  of  work  stress  during  field  operation  of  hand 

tractor. Biosystems Engineering. 103: 146-158.