何焯亮+王濤+成滿平

摘要：為解決傳統(tǒng)割膠人工勞動強(qiáng)度大、工具落后、割膠效率低等問題，利用Pro/ENGINEER軟件建模，設(shè)計了由電動機(jī)帶動，可以方便調(diào)節(jié)割膠深度的橡膠樹割膠機(jī)。所設(shè)計的電動機(jī)經(jīng)減速裝置帶動圓鋸片以低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動，破皮能力強(qiáng)；獨特的刀刃可以使割面光滑，同時防止橡膠樹汁液外流造成損失；深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)操作簡單，用于調(diào)節(jié)割膠深度以適應(yīng)不同割膠場合；可拆裝電燈的加入方便夜間割膠。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，實用性強(qiáng)，能為進(jìn)一步實現(xiàn)割膠機(jī)械化、更深入研究割膠機(jī)械提供參考。

關(guān)鍵詞：橡膠樹；割膠裝置；深度調(diào)節(jié)

中圖分類號：S225.99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）17-4195-04

Designing Adjustable Tapping Machine of Rubber Tree

HE Zhuo-liang， WANG Tao， CHENG Man-ping

（Institute of Electrical and Mechanical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： In order to solve shortcomings of traditional tapping technique of rubber and create a model by using “Pro/ENGINEER”， a completely new tapping machine driven by a motor was designed. It was easy to regulate the depth of its tapping. The saw blade driven by designed motor could rotate at low speed through reduction gear， making it well at skin breaking. The unique blade could make the cut surface smooth and prevent the outflow of rubber tree SAP. Depth adjusting mechanism was easy to adjust the depth of tapping to adapt to different tapping occasions. Tapping at night might be possible due to the joining of electric lamp. The machine had simple structure and strong practicability. It will provide the reference for in-depth research， and practical production.

Key words： rrubber tree； tapping device； depth adjustment

天然橡膠兼具農(nóng)業(yè)屬性與資源屬性，是四大基礎(chǔ)工業(yè)原料中惟一的可再生資源，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域。美國Fredonia集團(tuán)新近報告稱，到2011年，世界橡膠消耗量達(dá)到2 630萬t，年均增長率為4%。高產(chǎn)量的橡膠將直接影響全球經(jīng)濟(jì)的增長以及推動橡膠種植業(yè)的發(fā)展。

要保證世界橡膠的供應(yīng)同時使中國成為橡膠大國，就要在國內(nèi)實現(xiàn)天然橡膠的穩(wěn)定高產(chǎn)，其中，割膠至關(guān)重要。而傳統(tǒng)的割膠很繁瑣，其可劃分為三道工序：第一道是在選好的樹上掛好槽子和杯子，以便橡膠汁液從樹上流到容器里，由非熟練工人完成。第二道是在槽子上方割去一層窄條樹皮，再噴一種化學(xué)液體以刺激橡膠汁液流出；這是直接影響橡膠產(chǎn)量的關(guān)鍵性工序，須由熟練可靠的工人來做。最后一道工序則是收集容器內(nèi)橡膠汁液，由非熟練工人完成。在第二道工序里，大量的工人們用一重約2.2 kg的名叫割皮刀的手提工具，一棵樹一棵樹地割，且割膠過程一般發(fā)生在夜間，即使已有“斜線陰刀割膠”、“四分之一陰陽線”等割膠法的發(fā)明，仍然存在勞動強(qiáng)度大，效率低下，人工成本較高的缺點。同時人們對割膠刀的研究很少，目前國內(nèi)專利大多為簡單的刀片式，比較好的也只是將刀片安裝在刀架上可以方便換刀等。隨著天然橡膠需求的增加，亟須使第二道工序機(jī)械化。第二工序的機(jī)械化的作用有：①提高天然橡膠的產(chǎn)量；②降低工人割膠技能的門檻，勞動力來源范圍擴(kuò)大，勞動力成本便隨之降低；③將工人從體力勞動中解放出來，消除單獨割膠的危險；④避免因割膠失誤造成的樹皮損傷、樹皮病?？傊?，割膠機(jī)械化與傳統(tǒng)割膠技術(shù)的新結(jié)合才是未來發(fā)展的方向[1-5]。

1 割膠機(jī)模型及工作原理

1.1 模型設(shè)計

設(shè)計的可調(diào)節(jié)式橡膠樹割膠機(jī)主要由齒輪減速箱、電動機(jī)、切割組件和深度調(diào)節(jié)裝置四部分組成。切割組件包括圓形鋸片、圓墊片和固定螺母。圓鋸片安裝在減速箱殼外，通過螺母與減速箱中伸出的動力軸實現(xiàn)固連；齒輪箱內(nèi)安裝有相互聯(lián)系的齒輪組傳動且與電動機(jī)軸相連；深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由滾輪、帶螺紋的滾輪套筒組成，通過套筒的旋進(jìn)旋出控制割膠深度?？烧{(diào)節(jié)式橡膠樹割膠機(jī)模型如圖1所示。

1.2 工作原理

整機(jī)由蓄電池提供電源，由功率200 W、轉(zhuǎn)速1 800 r/min、電壓24 V的直流電動機(jī)提供動力，經(jīng)過減速箱內(nèi)的二級減速，帶動圓鋸片以低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)割膠功能。工作前，先調(diào)節(jié)定位滾輪，確定合適的割膠深度；工作時，左手提輔助手柄，右手緊握主手柄，打開電源開關(guān)，鋸片開始轉(zhuǎn)動，雙手控制割膠機(jī)，使割膠機(jī)在合適的割膠路線工作。

2 割膠機(jī)主要零件及參數(shù)endprint

2.1 齒輪減速模塊

橡膠樹的割取要求機(jī)器轉(zhuǎn)矩大、穩(wěn)定性好，而并不需要較高轉(zhuǎn)速。但若刀片轉(zhuǎn)速過小，生產(chǎn)效率就會下降。因此減速箱的設(shè)計、減速比的適當(dāng)選取十分重要。綜合考慮，減速模塊選取具有相同減速比的兩對齒輪減速，再用一對具有相同齒數(shù)的齒輪咧合實現(xiàn)功能。齒輪減速箱示意圖如圖2所示。

為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求，增大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，在電動機(jī)的輸出軸安裝一套齒輪減速箱，采用二級減速?？紤]到刀片的直徑較小，如果刀片直接與第二級的減速齒輪共軸，齒輪將干涉刀片的進(jìn)刀。為了解決這一問題，引進(jìn)第三對齒輪，這對齒輪咧合只是為了消除齒輪對刀片的干涉，采用具有相同齒數(shù)的齒輪來配合有利于成本的控制。

根據(jù)實際情況，為了方便攜帶，所選齒輪直徑要小，電動機(jī)的功率為200 W屬于小功率范圍，采用模數(shù)m=2就可以滿足使用要求，其他參數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)he*=1，C*=0.25。小齒輪齒數(shù)選17，大齒輪選29，兩齒輪互質(zhì)可以使每個齒的磨損均勻，提高齒輪的使用壽命。第三對齒輪考慮到與大齒輪的干涉，采用齒數(shù)為22的齒輪，所采取的的二級減速示意圖如圖3所示。

齒輪材料的選擇不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。由于工作阻力不大，齒輪可采用45號碳素鋼，45號鋼經(jīng)過調(diào)制處理與表面滲碳可以滿足使用要求。綜合考慮齒輪軸的受力情況也選用45碳素鋼，初步確定軸的直徑為12 mm，軸在工作時只受到扭轉(zhuǎn)力的作用，下面將對軸進(jìn)行校核。分析知與刀片相連的軸受力最大。

由P=Tω，得出T=3.09 N·m

τmax■=■=■

=■=9.1 MPa

查表得45號鋼的[τ]=40 MPa，由于9.1 MPa<40 MPa，故滿足使用要求。

2.2 鋸片

鋸片是割膠機(jī)的主要部件，需要滿足三個條件，即堅韌耐磨、鋒利和形狀合理。除此之外，鋸片還必須采用獨特的刃口，以便實現(xiàn)橡膠樹鋸口光滑，同時使靠樹心方向的鋸口深，防止橡膠外流。因此，為了能銳利地將橡膠樹木纖維組織切斷，切口平滑，同時為了保持槽底平整的開槽，用平齒齒形或者用左右平組合齒；而采用內(nèi)凹使靠樹心方向的鋸口深，是為了防止橡膠外流。不同鋸身橫截面形狀的圓鋸片如圖4所示。

經(jīng)分析，若采用普通平面鋸片[6]易造成橡膠液外流。如圖5所示：

為了解決這一問題，提高橡膠的采集率、出膠率，完善可調(diào)節(jié)式橡膠樹割膠刀各方面性能，擬采用定制內(nèi)凹鋸片（圖6）。

合理的耗皮量是實現(xiàn)橡膠高產(chǎn)的又一因素[7]，每次割掉的樹皮厚度以1.2～1.3 mm為宜。割皮太薄，沒有把乳管未端的膠塞和收縮部分割完，產(chǎn)量很低；相反，割得太厚產(chǎn)量也不會增加。更嚴(yán)重的是耗皮量太大，超過樹皮的再生速度，樹皮不夠周轉(zhuǎn)，被迫去割未熟的再生皮，將造成產(chǎn)量下降。如按這種耗皮量原生皮可割10年左右。割面的再生皮經(jīng)7～8年恢復(fù)到原來的厚度時又可割膠，這樣可以實現(xiàn)橡膠的連續(xù)割膠，因此鋸片擬采用1.3 mm的厚度。鋸片是實現(xiàn)割膠的工具，圓形刀片會在兩邊位置割不到，如果鋸片太大將使割不到的范圍增加，使實際的割膠線減小，如果鋸片太小又不能提高割膠效率，同時考慮到齒輪的大小，最終選用120 mm的鋸片直徑，鋸片擬采用鎢鈷類的硬質(zhì)合金制造，抗沖擊性好。綜上所述，圓形鋸片的參數(shù)為：鋸片厚度1.3 mm，鋸片內(nèi)凹角20o，鋸片直徑120 mm，鋸片內(nèi)孔直徑20 mm，刀片刃角17.6o。

2.3 深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

割膠的深度與橡膠樹樹皮的結(jié)構(gòu)有關(guān)，橡膠樹的樹皮分為5層，分別是粗皮、砂皮、黃皮、水囊皮、形成層，其中黃皮層乳管很多，排列整齊，產(chǎn)膠能力強(qiáng)。割膠生產(chǎn)中要割完砂皮、割開大部分黃皮才能割斷大部分的乳管達(dá)到產(chǎn)膠的目的，如果割到水囊皮或形成層就會造成傷樹，因此割膠深度尤為重要[8]。圖7為樹皮結(jié)構(gòu)及割膠深度示意圖。

割膠太淺，橡膠樹乳管組織未被破壞，汁液無法順利流出；割膠太深，樹皮組織會遭到損傷性破壞，大大減低橡膠產(chǎn)量。而采用可調(diào)節(jié)式割膠機(jī)，割膠深度可根據(jù)樹的粗細(xì)程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能很好地解決上述問題。

割膠深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過螺紋的旋合精準(zhǔn)調(diào)節(jié)小球與刀片的的相對位置，基本方法是定位小球通過球鉸鏈鉸接在固定管上，管外部有螺紋，與此螺紋配合的螺管固定在機(jī)架上。深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖8。其基本原理是在割膠的過稱中定位小球始終與樹皮表面相接觸，由于定位小球與螺紋管用球鉸鏈，它可以自由旋轉(zhuǎn)，減小與樹皮間的摩擦力，不會傷及樹皮；通過旋轉(zhuǎn)螺紋管可以調(diào)節(jié)定位小球與刀具的相對位置，由于螺紋管固定在殼體上，刀具的軸線與樹體的位置是不變的，故能調(diào)節(jié)刀具的進(jìn)刀量。

2.4 電動機(jī)的選擇

根據(jù)工作地點為農(nóng)田缺少供電系統(tǒng)，采用由蓄電池帶動的直流電動機(jī)。人力割膠每分鐘割2棵樹，該割膠機(jī)割膠為每分鐘4棵樹，取割膠線長度為80 cm，割膠深度為2 cm，耗皮量為0.13 mm。經(jīng)計算選功率為200 W，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，電壓選24 V的直流電動機(jī)。由直流電動機(jī)直接輸出動力顯然不能符合割膠要求，選定定制的減速箱輔助傳動，實現(xiàn)電動機(jī)的安全利用。

3 小結(jié)

試驗完成了可調(diào)節(jié)式橡膠樹割膠機(jī)的設(shè)計，研究出一種可以調(diào)節(jié)割膠深度、高效率、便于操作的割膠機(jī)。其主要創(chuàng)新點為：采用細(xì)螺紋作為深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能夠方便的控制割膠深度；獨特的刀片使刃口光滑內(nèi)傾；電動機(jī)提供動力降低勞動強(qiáng)度。目前市場上簡單的刀片式的割膠機(jī)缺點明顯，無法滿足市場需求。這里提出的一種新型設(shè)計方案能滿足不同使用要求，使用簡單，一方面降低對使用者的技術(shù)依賴，另一方面降低割膠人員的勞動強(qiáng)度，防止樹皮病的發(fā)生，提高樹皮的利用率，具有極大的市場應(yīng)用前景，能為進(jìn)一步研制高效割膠工具提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 割膠機(jī)[J].糧油加工與食品機(jī)械，1976（3）：52-55.

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[3] 伍國芳，伍 帥.設(shè)有照明燈的割膠刀[P].中國專利：ZL 200720104477.X，2008-01-16.

[4] 校現(xiàn)周.我國割膠制度的現(xiàn)狀分析與國外研究進(jìn)展[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，25（4）：61-63.

[5] 毛 丹，樊軍慶，張信禹.椰子自動切口機(jī)的設(shè)計[J].食品與機(jī)械，2013，29（1）：164-166.

[6] 李 黎.木材切削原理與刀具[M].北京：中國林業(yè)出版社，2005.

[7] 南 風(fēng).橡膠割膠新技術(shù)要點[J].農(nóng)村實用技術(shù)，2013（2）：44-45.

[8] 蔣桂芝，李健祥，羅宗云.橡膠樹死皮病與割膠技術(shù)相關(guān)因素分析[J].熱帶農(nóng)業(yè)科技，2012（1）：1-3，7.endprint

2.1 齒輪減速模塊

橡膠樹的割取要求機(jī)器轉(zhuǎn)矩大、穩(wěn)定性好，而并不需要較高轉(zhuǎn)速。但若刀片轉(zhuǎn)速過小，生產(chǎn)效率就會下降。因此減速箱的設(shè)計、減速比的適當(dāng)選取十分重要。綜合考慮，減速模塊選取具有相同減速比的兩對齒輪減速，再用一對具有相同齒數(shù)的齒輪咧合實現(xiàn)功能。齒輪減速箱示意圖如圖2所示。

為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求，增大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，在電動機(jī)的輸出軸安裝一套齒輪減速箱，采用二級減速?？紤]到刀片的直徑較小，如果刀片直接與第二級的減速齒輪共軸，齒輪將干涉刀片的進(jìn)刀。為了解決這一問題，引進(jìn)第三對齒輪，這對齒輪咧合只是為了消除齒輪對刀片的干涉，采用具有相同齒數(shù)的齒輪來配合有利于成本的控制。

根據(jù)實際情況，為了方便攜帶，所選齒輪直徑要小，電動機(jī)的功率為200 W屬于小功率范圍，采用模數(shù)m=2就可以滿足使用要求，其他參數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)he*=1，C*=0.25。小齒輪齒數(shù)選17，大齒輪選29，兩齒輪互質(zhì)可以使每個齒的磨損均勻，提高齒輪的使用壽命。第三對齒輪考慮到與大齒輪的干涉，采用齒數(shù)為22的齒輪，所采取的的二級減速示意圖如圖3所示。

齒輪材料的選擇不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。由于工作阻力不大，齒輪可采用45號碳素鋼，45號鋼經(jīng)過調(diào)制處理與表面滲碳可以滿足使用要求。綜合考慮齒輪軸的受力情況也選用45碳素鋼，初步確定軸的直徑為12 mm，軸在工作時只受到扭轉(zhuǎn)力的作用，下面將對軸進(jìn)行校核。分析知與刀片相連的軸受力最大。

由P=Tω，得出T=3.09 N·m

τmax■=■=■

=■=9.1 MPa

查表得45號鋼的[τ]=40 MPa，由于9.1 MPa<40 MPa，故滿足使用要求。

2.2 鋸片

鋸片是割膠機(jī)的主要部件，需要滿足三個條件，即堅韌耐磨、鋒利和形狀合理。除此之外，鋸片還必須采用獨特的刃口，以便實現(xiàn)橡膠樹鋸口光滑，同時使靠樹心方向的鋸口深，防止橡膠外流。因此，為了能銳利地將橡膠樹木纖維組織切斷，切口平滑，同時為了保持槽底平整的開槽，用平齒齒形或者用左右平組合齒；而采用內(nèi)凹使靠樹心方向的鋸口深，是為了防止橡膠外流。不同鋸身橫截面形狀的圓鋸片如圖4所示。

經(jīng)分析，若采用普通平面鋸片[6]易造成橡膠液外流。如圖5所示：

為了解決這一問題，提高橡膠的采集率、出膠率，完善可調(diào)節(jié)式橡膠樹割膠刀各方面性能，擬采用定制內(nèi)凹鋸片（圖6）。

合理的耗皮量是實現(xiàn)橡膠高產(chǎn)的又一因素[7]，每次割掉的樹皮厚度以1.2～1.3 mm為宜。割皮太薄，沒有把乳管未端的膠塞和收縮部分割完，產(chǎn)量很低；相反，割得太厚產(chǎn)量也不會增加。更嚴(yán)重的是耗皮量太大，超過樹皮的再生速度，樹皮不夠周轉(zhuǎn)，被迫去割未熟的再生皮，將造成產(chǎn)量下降。如按這種耗皮量原生皮可割10年左右。割面的再生皮經(jīng)7～8年恢復(fù)到原來的厚度時又可割膠，這樣可以實現(xiàn)橡膠的連續(xù)割膠，因此鋸片擬采用1.3 mm的厚度。鋸片是實現(xiàn)割膠的工具，圓形刀片會在兩邊位置割不到，如果鋸片太大將使割不到的范圍增加，使實際的割膠線減小，如果鋸片太小又不能提高割膠效率，同時考慮到齒輪的大小，最終選用120 mm的鋸片直徑，鋸片擬采用鎢鈷類的硬質(zhì)合金制造，抗沖擊性好。綜上所述，圓形鋸片的參數(shù)為：鋸片厚度1.3 mm，鋸片內(nèi)凹角20o，鋸片直徑120 mm，鋸片內(nèi)孔直徑20 mm，刀片刃角17.6o。

2.3 深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

割膠的深度與橡膠樹樹皮的結(jié)構(gòu)有關(guān)，橡膠樹的樹皮分為5層，分別是粗皮、砂皮、黃皮、水囊皮、形成層，其中黃皮層乳管很多，排列整齊，產(chǎn)膠能力強(qiáng)。割膠生產(chǎn)中要割完砂皮、割開大部分黃皮才能割斷大部分的乳管達(dá)到產(chǎn)膠的目的，如果割到水囊皮或形成層就會造成傷樹，因此割膠深度尤為重要[8]。圖7為樹皮結(jié)構(gòu)及割膠深度示意圖。

割膠太淺，橡膠樹乳管組織未被破壞，汁液無法順利流出；割膠太深，樹皮組織會遭到損傷性破壞，大大減低橡膠產(chǎn)量。而采用可調(diào)節(jié)式割膠機(jī)，割膠深度可根據(jù)樹的粗細(xì)程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能很好地解決上述問題。

割膠深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過螺紋的旋合精準(zhǔn)調(diào)節(jié)小球與刀片的的相對位置，基本方法是定位小球通過球鉸鏈鉸接在固定管上，管外部有螺紋，與此螺紋配合的螺管固定在機(jī)架上。深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖8。其基本原理是在割膠的過稱中定位小球始終與樹皮表面相接觸，由于定位小球與螺紋管用球鉸鏈，它可以自由旋轉(zhuǎn)，減小與樹皮間的摩擦力，不會傷及樹皮；通過旋轉(zhuǎn)螺紋管可以調(diào)節(jié)定位小球與刀具的相對位置，由于螺紋管固定在殼體上，刀具的軸線與樹體的位置是不變的，故能調(diào)節(jié)刀具的進(jìn)刀量。

2.4 電動機(jī)的選擇

根據(jù)工作地點為農(nóng)田缺少供電系統(tǒng)，采用由蓄電池帶動的直流電動機(jī)。人力割膠每分鐘割2棵樹，該割膠機(jī)割膠為每分鐘4棵樹，取割膠線長度為80 cm，割膠深度為2 cm，耗皮量為0.13 mm。經(jīng)計算選功率為200 W，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，電壓選24 V的直流電動機(jī)。由直流電動機(jī)直接輸出動力顯然不能符合割膠要求，選定定制的減速箱輔助傳動，實現(xiàn)電動機(jī)的安全利用。

3 小結(jié)

試驗完成了可調(diào)節(jié)式橡膠樹割膠機(jī)的設(shè)計，研究出一種可以調(diào)節(jié)割膠深度、高效率、便于操作的割膠機(jī)。其主要創(chuàng)新點為：采用細(xì)螺紋作為深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能夠方便的控制割膠深度；獨特的刀片使刃口光滑內(nèi)傾；電動機(jī)提供動力降低勞動強(qiáng)度。目前市場上簡單的刀片式的割膠機(jī)缺點明顯，無法滿足市場需求。這里提出的一種新型設(shè)計方案能滿足不同使用要求，使用簡單，一方面降低對使用者的技術(shù)依賴，另一方面降低割膠人員的勞動強(qiáng)度，防止樹皮病的發(fā)生，提高樹皮的利用率，具有極大的市場應(yīng)用前景，能為進(jìn)一步研制高效割膠工具提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 南 風(fēng).橡膠割膠新技術(shù)要點[J].農(nóng)村實用技術(shù)，2013（2）：44-45.

[8] 蔣桂芝，李健祥，羅宗云.橡膠樹死皮病與割膠技術(shù)相關(guān)因素分析[J].熱帶農(nóng)業(yè)科技，2012（1）：1-3，7.endprint

2.1 齒輪減速模塊

橡膠樹的割取要求機(jī)器轉(zhuǎn)矩大、穩(wěn)定性好，而并不需要較高轉(zhuǎn)速。但若刀片轉(zhuǎn)速過小，生產(chǎn)效率就會下降。因此減速箱的設(shè)計、減速比的適當(dāng)選取十分重要。綜合考慮，減速模塊選取具有相同減速比的兩對齒輪減速，再用一對具有相同齒數(shù)的齒輪咧合實現(xiàn)功能。齒輪減速箱示意圖如圖2所示。

為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求，增大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，在電動機(jī)的輸出軸安裝一套齒輪減速箱，采用二級減速?？紤]到刀片的直徑較小，如果刀片直接與第二級的減速齒輪共軸，齒輪將干涉刀片的進(jìn)刀。為了解決這一問題，引進(jìn)第三對齒輪，這對齒輪咧合只是為了消除齒輪對刀片的干涉，采用具有相同齒數(shù)的齒輪來配合有利于成本的控制。

根據(jù)實際情況，為了方便攜帶，所選齒輪直徑要小，電動機(jī)的功率為200 W屬于小功率范圍，采用模數(shù)m=2就可以滿足使用要求，其他參數(shù)均采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)he*=1，C*=0.25。小齒輪齒數(shù)選17，大齒輪選29，兩齒輪互質(zhì)可以使每個齒的磨損均勻，提高齒輪的使用壽命。第三對齒輪考慮到與大齒輪的干涉，采用齒數(shù)為22的齒輪，所采取的的二級減速示意圖如圖3所示。

齒輪材料的選擇不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。由于工作阻力不大，齒輪可采用45號碳素鋼，45號鋼經(jīng)過調(diào)制處理與表面滲碳可以滿足使用要求。綜合考慮齒輪軸的受力情況也選用45碳素鋼，初步確定軸的直徑為12 mm，軸在工作時只受到扭轉(zhuǎn)力的作用，下面將對軸進(jìn)行校核。分析知與刀片相連的軸受力最大。

由P=Tω，得出T=3.09 N·m

τmax■=■=■

=■=9.1 MPa

查表得45號鋼的[τ]=40 MPa，由于9.1 MPa<40 MPa，故滿足使用要求。

2.2 鋸片

鋸片是割膠機(jī)的主要部件，需要滿足三個條件，即堅韌耐磨、鋒利和形狀合理。除此之外，鋸片還必須采用獨特的刃口，以便實現(xiàn)橡膠樹鋸口光滑，同時使靠樹心方向的鋸口深，防止橡膠外流。因此，為了能銳利地將橡膠樹木纖維組織切斷，切口平滑，同時為了保持槽底平整的開槽，用平齒齒形或者用左右平組合齒；而采用內(nèi)凹使靠樹心方向的鋸口深，是為了防止橡膠外流。不同鋸身橫截面形狀的圓鋸片如圖4所示。

經(jīng)分析，若采用普通平面鋸片[6]易造成橡膠液外流。如圖5所示：

為了解決這一問題，提高橡膠的采集率、出膠率，完善可調(diào)節(jié)式橡膠樹割膠刀各方面性能，擬采用定制內(nèi)凹鋸片（圖6）。

合理的耗皮量是實現(xiàn)橡膠高產(chǎn)的又一因素[7]，每次割掉的樹皮厚度以1.2～1.3 mm為宜。割皮太薄，沒有把乳管未端的膠塞和收縮部分割完，產(chǎn)量很低；相反，割得太厚產(chǎn)量也不會增加。更嚴(yán)重的是耗皮量太大，超過樹皮的再生速度，樹皮不夠周轉(zhuǎn)，被迫去割未熟的再生皮，將造成產(chǎn)量下降。如按這種耗皮量原生皮可割10年左右。割面的再生皮經(jīng)7～8年恢復(fù)到原來的厚度時又可割膠，這樣可以實現(xiàn)橡膠的連續(xù)割膠，因此鋸片擬采用1.3 mm的厚度。鋸片是實現(xiàn)割膠的工具，圓形刀片會在兩邊位置割不到，如果鋸片太大將使割不到的范圍增加，使實際的割膠線減小，如果鋸片太小又不能提高割膠效率，同時考慮到齒輪的大小，最終選用120 mm的鋸片直徑，鋸片擬采用鎢鈷類的硬質(zhì)合金制造，抗沖擊性好。綜上所述，圓形鋸片的參數(shù)為：鋸片厚度1.3 mm，鋸片內(nèi)凹角20o，鋸片直徑120 mm，鋸片內(nèi)孔直徑20 mm，刀片刃角17.6o。

2.3 深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

割膠的深度與橡膠樹樹皮的結(jié)構(gòu)有關(guān)，橡膠樹的樹皮分為5層，分別是粗皮、砂皮、黃皮、水囊皮、形成層，其中黃皮層乳管很多，排列整齊，產(chǎn)膠能力強(qiáng)。割膠生產(chǎn)中要割完砂皮、割開大部分黃皮才能割斷大部分的乳管達(dá)到產(chǎn)膠的目的，如果割到水囊皮或形成層就會造成傷樹，因此割膠深度尤為重要[8]。圖7為樹皮結(jié)構(gòu)及割膠深度示意圖。

割膠太淺，橡膠樹乳管組織未被破壞，汁液無法順利流出；割膠太深，樹皮組織會遭到損傷性破壞，大大減低橡膠產(chǎn)量。而采用可調(diào)節(jié)式割膠機(jī)，割膠深度可根據(jù)樹的粗細(xì)程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能很好地解決上述問題。

割膠深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過螺紋的旋合精準(zhǔn)調(diào)節(jié)小球與刀片的的相對位置，基本方法是定位小球通過球鉸鏈鉸接在固定管上，管外部有螺紋，與此螺紋配合的螺管固定在機(jī)架上。深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖8。其基本原理是在割膠的過稱中定位小球始終與樹皮表面相接觸，由于定位小球與螺紋管用球鉸鏈，它可以自由旋轉(zhuǎn)，減小與樹皮間的摩擦力，不會傷及樹皮；通過旋轉(zhuǎn)螺紋管可以調(diào)節(jié)定位小球與刀具的相對位置，由于螺紋管固定在殼體上，刀具的軸線與樹體的位置是不變的，故能調(diào)節(jié)刀具的進(jìn)刀量。

2.4 電動機(jī)的選擇

根據(jù)工作地點為農(nóng)田缺少供電系統(tǒng)，采用由蓄電池帶動的直流電動機(jī)。人力割膠每分鐘割2棵樹，該割膠機(jī)割膠為每分鐘4棵樹，取割膠線長度為80 cm，割膠深度為2 cm，耗皮量為0.13 mm。經(jīng)計算選功率為200 W，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，電壓選24 V的直流電動機(jī)。由直流電動機(jī)直接輸出動力顯然不能符合割膠要求，選定定制的減速箱輔助傳動，實現(xiàn)電動機(jī)的安全利用。

3 小結(jié)

試驗完成了可調(diào)節(jié)式橡膠樹割膠機(jī)的設(shè)計，研究出一種可以調(diào)節(jié)割膠深度、高效率、便于操作的割膠機(jī)。其主要創(chuàng)新點為：采用細(xì)螺紋作為深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能夠方便的控制割膠深度；獨特的刀片使刃口光滑內(nèi)傾；電動機(jī)提供動力降低勞動強(qiáng)度。目前市場上簡單的刀片式的割膠機(jī)缺點明顯，無法滿足市場需求。這里提出的一種新型設(shè)計方案能滿足不同使用要求，使用簡單，一方面降低對使用者的技術(shù)依賴，另一方面降低割膠人員的勞動強(qiáng)度，防止樹皮病的發(fā)生，提高樹皮的利用率，具有極大的市場應(yīng)用前景，能為進(jìn)一步研制高效割膠工具提供參考。

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