張春龍，盛希宇，張順路，高 金，袁 挺，張俊雄，李 偉

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天然橡膠機械化采收鋸切功耗影響因素試驗

張春龍，盛希宇，張順路，高 金，袁 挺※，張俊雄，李 偉

（中國農業(yè)大學工學院，北京 100083）

鋸切式割膠是天然橡膠機械化采收的重點研究方向之一，該文以鋸切式割膠裝置為研究對象，開展鋸切功耗影響因素研究。該文設計了天然橡膠鋸切功耗測量試驗臺，研究了鋸片直徑、鋸片齒數(shù)、切割電機轉速、進給速度對鋸切式割膠裝置切割功耗的影響。構建了以切割電機轉速、進給速度及鋸片齒數(shù)為因素，以切割功耗為指標的割膠刀具切割功耗影響因素模型，并進行了三因素三水平的正交試驗。試驗結果表明，各因素對切割功耗影響的主次順序為鋸片齒數(shù)、進給速度、電機轉速、鋸片直徑；同時得到在給定因素水平下，切割參數(shù)最佳組合為進給速度為30 mm/s、電機轉速為500 r/min、鋸片齒數(shù)為10齒，此時電機切割功耗最小，功耗值為2.597 J。該研究可為天然橡膠機械化采收裝置的設計提供參考。

機械化；優(yōu)化；收獲；天然橡膠；切割功耗；正交試驗

0 引 言

橡膠樹是中國熱帶地區(qū)的重要經濟作物[1]。天然橡膠因其優(yōu)良的綜合性能，在航空航天等國防領域具有不可替代的作用，是一種不可或缺的戰(zhàn)略資源[2-3]。近年來天然橡膠價格大幅下降，同時受膠工短缺與老齡化的影響，部分民營橡膠林出現(xiàn)了棄管、棄割的現(xiàn)象[4-5]，給國內天然橡膠產業(yè)帶來了大量的經濟損失。目前，人工割膠依然是獲取天然橡膠的主要方式[6]，開展天然橡膠機械化采收技術研究，已經迫在眉睫。

機械化割膠中切削參數(shù)的選擇至關重要，切削參數(shù)將影響機械割膠裝置的切割性能。目前，國內外針對農林作物切割特性的研究較多。Zhong等[7]研究了木薯莖稈的切割力學特性，研究表明切削角和加載速率對切削強度的影響顯著。Igathinathan等[8-9]使用數(shù)字扭矩扳手和標準的萬能試驗機搭建了玉米莖稈切割試驗臺，測定了玉米莖稈的峰值應力。Chandio等[10]研究了加載速率對小麥和稻草力學特性的影響，結果表明，通過降低加載速率，可以節(jié)省剪切能量，有助于降低脫粒能量。Zhao等[11]研究了高茬玉米秸稈的切削性能，其主要研究了切削速度和切削角對最大切削阻力和切削功率的影響。Ghahraei等[12]研究了紅麻桿切割系統(tǒng)并進行了切割試驗，試驗結果表明旋轉切割速度對切割扭矩有顯著影響。楊永福等[13-15]對竹類的切削性能及加工性能進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)竹類斷面、徑向與橫向切削力明顯不同。郭瑩潔[16-18]研究了不同參數(shù)對毛竹的切削質量、單位切削功以及超前劈裂的影響。馬永康等[19]研制了檸條收割機切割器并進行了試驗，試驗表明切割器的總功耗會隨著枝條密度增加而增加。趙湛等[20]研究了不同切割參數(shù)對超級稻單莖稈切割力學性能的影響，研究表明切割功耗會隨著切割速度的提高而降低。此外還有針對甘蔗[21]、大麻[22]、苧麻[23]、苜蓿[24]、荔枝[25]等農作物莖稈的切削力和切削功耗的研究。不同農作物的生物特性不同，相同切割參數(shù)對不同作物的影響也不同，且針對橡膠樹皮切割功耗的研究尚屬空白，因此本文針對天然橡膠樹皮進行獨立試驗研究。

本文構建了以切割電機轉速、進給速度及鋸片齒數(shù)為因素，以切割功耗為指標的鋸切式割膠裝置切割功耗影響因素模型，設計了天然橡膠樹皮鋸切功耗測量試驗平臺。根據(jù)木材切削原理，對割膠裝置的運動切割參數(shù)進行了單因素試驗和多因素正交試驗，獲得了不同因素對試驗指標的影響效果。針對切割功耗，獲得了在給定因素水平下的切割參數(shù)最優(yōu)組合方案，為天然橡膠機械化采收裝置的小型化、輕量化設計提供指導和理論依據(jù)，對節(jié)約機械割膠能耗和增加機械割膠設備林間作業(yè)時長有參考意義。

1 材料與設備

1.1 試驗材料

試驗材料采樣于海南省儋州市國營西培農場西青農場三十一隊橡膠林，品種為7397品系，樹齡8 a，采樣時間為2018年1月19日，經保濕處理后于2018年1月24日在中國農業(yè)大學工學院農業(yè)機器人實驗室進行試驗。所截取樹段樹皮為未開割的原生皮，所截取樹段上、中、下樹圍分別為500、510、530 mm，樹段圓柱度較好，樹皮結構較均勻。根據(jù)割膠技術要求，在實際割膠作業(yè)中，陽刀割線斜度自左上方向右下方傾斜25°～30°，陰刀割線斜度自左上方向右下方傾斜40°～45°。在實際調研中獲知，海南當?shù)馗钅z主要采用陽刀割膠。根據(jù)陽刀的斜度要求與木材切削原理，割膠過程近似于橫-端向切割[26]。本文主要考慮陽刀割膠，鋸切割膠示意圖如圖1所示。

1.待割面 2.試樣 3.鋸片 4.已割面 1.Uncut surface 2.Sample 3.Saw blade 4.Cut surface

所制備試樣的長度（樹段軸線方向）、厚度（樹段徑向方向）和寬度（樹段圓周方向）分別為50、5.5和30 mm，根據(jù)實際切割工況，再將試樣切割至如圖1所示的梯形，其中梯形斜邊所在平面為待割面。所采試樣均用保鮮膜包裹后放入密封袋內密封保存，且均在切割試樣被截取后的2 h內完成試驗，以保證試樣的生物特性不發(fā)生變化。

1.2 鋸切式割膠裝置

試驗用鋸切式割膠裝置主要由傳動部件、電機、切割部件及控制部件組成。為提高傳動效率，避免造成能量損失，同時考慮到天然橡膠樹皮的切割阻力，采用電機軸通過剛性聯(lián)軸器直接帶動轉軸的方式。鋸片則通過螺母墊片緊固在轉軸上，便于更換。

由于橡膠林無供電設施，電動割膠裝置多由直流電機提供動力。為模擬實際生產情況，試驗用鋸切式割膠裝置選用57閉環(huán)步進直流電機，額定電壓為24 V，額定扭矩為2.2 N·m，電機伸出軸直徑為8 mm。該電機性能穩(wěn)定、發(fā)熱小，降低了電機發(fā)熱對試驗帶來的能量損失。

為提高切割效率，本文選用多齒鋸片。割膠耗皮量農藝要求為1～2 mm，為保證割膠效果，鋸片厚度應大于耗皮量最大值，因此選用的鋸片厚度為3 mm。在鋸片角度參數(shù)方面，根據(jù)木材切削原理[26]，鋸片前角選擇一般為15°～35°，但天然橡膠樹皮結構復雜，包含粗皮、砂皮、黃皮、水囊皮等，各皮層之間軟硬不同，經綜合考慮，鋸片前角取為25°，后角取為15°。鋸片材料選用硬度和耐磨性較好的鎢鋼。圖2為鋸切式割膠裝置。

1.步進電機 2.控制器 3.聯(lián)軸器 4.鋸片

1.3 功耗測量試驗臺

天然橡膠鋸切切割功耗測量試驗臺總體結構如圖3所示，主要包括：由北京時代超群電器科技有限公司所生產的步進電機同步帶線性模組滑臺，定位精度為0.3 mm，滑塊線速度為0～500 mm/s；泉州冠航達電子科技有限公司生產的KG-3015高帶寬隔離變送器，檢測信號范圍DC0～2 A，輸出信號范圍DC0～5 V，采樣頻率為1 kHz，精度為0.004 A；勝利DM6234P+測速儀，測量范圍為2.5～99 999 r/min，分辨力為0.1 r/min，基本精度為±(0.05%+1)；游標卡尺、單片機、24 V直流穩(wěn)壓電源、十字平口鉗、計算機、鋸切式割膠裝置等。

1.十字平口鉗 2.滑臺 3.夾持裝置 4.切割試樣 5.割膠裝置 6.支座

試驗在鋸切功耗測量試驗臺上進行，割膠裝置固定在支座上，試驗過程中保持固定不動；十字平口鉗以及夾持裝置固定在滑臺上，滑臺可提供不同的進給速度。試驗通過割膠裝置不動、試樣運動的方式實現(xiàn)對試樣的切割。為避免試樣在寬度方向上受力變形，導致試樣的生物特性發(fā)生變化，夾持裝置在厚度方向夾持試樣，并將試樣水平旋轉30°，使得試樣被割面與滑臺進給方向保持平行，同時確保在切割時為橫-端向切割，以模擬實際割膠工況。

直流穩(wěn)壓電源與隔離變送器、鋸切式割膠裝置串聯(lián)，隔離變送器輸出端連接單片機，由單片機進行AD采集，并且通過RS232串口與計算機實時通訊，進行數(shù)據(jù)的傳輸與儲存。試驗過程中，首先將電機調至預設轉速，并用測速儀進行檢測，然后用計算機控制單片機開始進行AD采集，再控制滑臺以預設速度靠近試樣直至完成一次切割，滑臺的進給速度即為切割進給速度。通過調節(jié)十字平口鉗，將每次切割的耗皮量控制在2 mm；每次的切割厚度即試樣厚度5.5 mm。功耗測量試驗臺的進給速度與電機轉速均可測可調；單片機與計算機實時通訊，可實時獲得電路中的瞬時電流，進而計算出切割功耗。

2 試驗方案

2.1 試驗指標

式中為電機兩端電壓，V；1為切割時流經電機的實時電流，A；1為切割時采樣開始時間，s；2為切割時采樣結束時間，s；為切割時間，s。

式中2為空載時電機電流，A；3為空載時采樣開始時間，s；4為空載時采樣結束時間，s。

總和1采樣時間相同，則切割試樣所消耗的能量為

2.2 試驗因素

影響鋸切功耗的影響因素主要有2個，一個是鋸片切割線速度，另一個是鋸片每齒進給量z，其中

式中為鋸片切割線速度，m/s；為鋸片直徑，mm；為切割電機轉速，r/min。

式中f為每齒進給量，mm；為切割進給速度，m/min；為鋸片齒數(shù)。

根據(jù)式（4）、（5），鋸片直徑、電機轉速、進給速度、鋸片齒數(shù)會對鋸片的切割功耗產生一定影響。

所以選取割膠裝置電機轉速、進給速度、鋸片齒數(shù)以及鋸片直徑進行單因素試驗，每個因素取3個水平，每個水平重復3次。

2.3 多因素試驗設計

在單因素試驗結果與分析上，選取3個因素的3個水平進行正交試驗，用以尋求參數(shù)的最優(yōu)化組合，選取L9(34)正交表，試驗指標為切割功耗。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 鋸片直徑

鋸片最小直徑定為32 mm，為了拉開因素水平區(qū)間，將鋸片直徑分別定為32、42和52 mm，如圖4a所示。

圖4 試驗用鋸片

采集并保存割膠裝置電機的10 s包含帶負載電流，并記錄10 s割膠裝置電機空載電流，分別計算出帶負載功耗以及空載的功耗，二者差值作為割膠裝置切割試樣的切割功耗。每個水平進行3次重復試驗，試驗結果見表1。通過對數(shù)據(jù)的分析可得出：電機切割功耗隨著鋸片直徑的增加而增加。當鋸片的直徑為32 mm時，所消耗的功耗最少，此時的切割平均功耗為4.995 J。通過方差分析，= 0.25<0.05(2,6)=5.14，表明鋸片直徑的變化對割膠裝置的切割功耗影響不顯著。

表1 單因素試驗方案及結果

3.1.2 鋸片齒數(shù)

割面平整度隨鋸片齒數(shù)減少而變差，同時考慮到鋸片的加工難度會隨著齒數(shù)的增多而加大。綜合考慮定制了齒數(shù)分別為10、15、20的鋸片，如圖4b所示。分別對橡膠樹皮試樣進行切割，各水平試驗重復3次，分別計算出切割電機功耗及平均值，試驗結果見表1。通過對數(shù)據(jù)的分析可得：電機切割功耗隨著鋸片齒數(shù)增加而增加，齒數(shù)為10時，所消耗的平均功耗最少為3.609 J。通過方差分析，=21>0.05(2,6)=5.14，表明鋸片齒數(shù)的變化對割膠裝置的切割功耗影響顯著。

3.1.3 切割電機轉速

在實際切割過程中，切割電機轉速過低會影響割面平整度，影響流膠速度，轉速過高會對步進電機的使用壽命產生影響。綜合考慮，分別用切割電機在轉速為500、710、920 r/min的情況下對橡膠樹皮試樣進行了切割試驗，各水平試驗重復3次，分別計算出切割電機功耗以及平均值，試驗結果見表1。通過對數(shù)據(jù)的分析可得出：電機切割功耗隨著切割電機的轉速增加而增加，切割電機轉速為500 r/min時，所消耗的平均功耗最少為3.92 J。通過方差分析，=5.42>0.05(2,6)=5.14，表明切割電機轉速的變化對割膠裝置的切割功耗影響顯著。

3.1.4 進給速度

通過控制滑臺電機轉速從而可以控制切割進給速度，參考實際割膠速度[27]，并考慮到進給量太小會影響作業(yè)效率，進給量太大會影響割面質量，分別以10、20、30 mm/s的進給速度對橡膠樹皮試樣進行了切割試驗，各水平試驗重復3次，分別計算出切割電機功耗以及平均值，試驗結果見表1。通過對數(shù)據(jù)的分析可得出：電機切割功耗隨著切割進給速度增大而減少，切割進給速度為30 mm/s時，所消耗的平均功耗最少為3.721 J。通過方差分析，=12.56>0.05(2,6)=5.14，表明切割進給速度的變化對割膠裝置的切割功耗影響顯著。

3.2 多因素正交試驗

在單因素試驗結果與分析上，選取割膠裝置電機轉速、鋸片齒數(shù)以及進給速度3個因素的3個水平進行正交試驗。正交試驗因素和水平如表2所示。

表2 正交試驗因素水平

Table 1 Factors and levels for orthogonal test

正交試驗結果如表3所示。由表3可以看出，4號試驗組最高，切割功耗為12.965 J，3號試驗組最低，切割功耗為2.597 J。通過計算值和極差值，比較出鋸片齒數(shù)、進給速度、割膠裝置電機轉速各水平對切割功耗的影響。由表3可知，各考察因子的極差值越大，說明該因子對指標切割功耗的影響越大。這樣確定了對切割功耗的影響因素的主次關系為鋸片齒數(shù)、進給速度和割膠裝置電機轉速。從降低切割功耗的角度出發(fā)，選擇每個因素中值較小的水平。在鋸片齒數(shù)方面，選水平3（10齒）較佳；在切割進給速度方面，選水平3（30 mm/s）較佳；在割膠裝置電機轉速方面，選取水平1（500 r/min）為好，即133為給定因素水平下的最佳試驗組合，且133恰好是表3中3號試驗組，其切割功耗試驗結果（2.597 J）在9組試驗中最小。

表3 正交試驗方案及結果

4 結 論

本文設計了天然橡膠鋸切功耗測量試驗臺，以鋸片直徑、鋸片齒數(shù)、切割電機轉速及進給速度為試驗因素，以品種為7397、樹齡8 a的橡膠樹為試驗對象進行切割功耗測量試驗。

1）單因素試驗結果表明：割膠裝置鋸片直徑對切割功耗無顯著影響；割膠裝置鋸片齒數(shù)對切割功耗有顯著影響，切割功耗隨鋸片齒數(shù)的增多而增大；割膠裝置電機轉速對切割功耗有顯著影響，切割功耗隨電機轉速的增大而增大；切割進給速度對切割功耗有顯著影響，切割功耗隨進給速度的增大而減小。

2）多因素正交試驗結果表明：對鋸切功耗影響大小的因素依次為鋸片齒數(shù)、進給速度、割膠裝置電機轉速。在給定因素水平下，最優(yōu)組合為割膠裝置電機轉速為500 r/min，鋸片齒數(shù)為10齒，進給為30 mm/s，在此組合下切割功耗最小，功耗值為2.597 J。

本文研究可為天然橡膠機械化采收裝置機構設計提供參考。

[1] 劉海清，方佳，張慧堅，等. 中國天然橡膠產業(yè)現(xiàn)狀研究[J]. 廣東農業(yè)科學，2009(9)：240－243.

Liu Haiqing, Fang Jia, Zhang Huijian, et al. Research on present situation of natural rubber in China[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2009(9): 240－243. (in Chinese with English abstract)

[2] 金華斌，田維敏，史敏晶. 我國天然橡膠產業(yè)發(fā)展概況及現(xiàn)狀分析[J]. 熱帶農業(yè)科學，2017，37(5)：98－104.

Jin Huabin, Tian Weimin, Shi Minjing. Current situation and industrial development of natural rubber in China[J]. Chinese Journal of Tropical Agriculture, 2017, 37(5): 98－104. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉少軍，張京紅，蔡大鑫，等. 海南島天然橡膠主要氣象災害風險區(qū)劃[J]. 自然災害學報，2015，24(3)：177－183.

Liu Shaojun, Zhang Jinghong, Cai Daxin, et al. Risk zoning of main meteorological disasters of natural rubber in Hainan Island[J]. Journal of Natural Disasters, 2015, 24(3): 177－183. (in Chinese with English abstract)

[4] 陳明文. 我國天然橡膠產業(yè)發(fā)展形勢與因應策略[J]. 農業(yè)經濟問題，2016，37(10)：91－94.

[5] 羅富晟，張德生. 我國農墾膠工老齡化原因與影響[J]. 熱帶農業(yè)科技，2012，35(2)：42－45.

Luo Fusheng, Zhang Desheng. Aging problem of rubber tapping workers in China state-farm and its affect[J]. Tropical Agricultural Science & Technology, 2012, 35(2): 42－45. (in Chinese with English abstract)

[6] 閆喜強，廖宇蘭. 橡膠樹割膠技術的探索[C]//三亞，第三屆全國地方機械工程學會學術年會暨海峽兩岸機械科技論壇，2013：4.

[7] Zhong Xue, Zhang Jin, Zhang Yanlin, et al. Test and analysis on the mechanical properties of cassava stalks[J]. Journal of Animal and Plant Sciences, 2015, 25(Supp.1): 59－67.

[8] Igathinathane C, Pordesimo L O, Schilling M W, et al. Fast and simple measurement of energy requirements for plant stalk cutting[C]//Providence: American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2008.

[9] Igathinathane C, Pordesimo L O, Schilling M W, et al. Fast and simple measurement of cutting energy requirement of plant stalk and prediction model development[J]. Industrial Crops and Products, 2011, 33(2): 518－523.

[10] Chandio F A, Yi C, TAgAr A A, et al. Effect of loading rate on mechanical characteristics of wheat and rice straw[J]. Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2013, 19(6): 1452－1458.

[11] Zhao Jiale, Huang Dongyan, Jia Honglei, et al. Analysis and experiment on cutting performances of high-stubble maize stalks[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2017, 10(1): 40－52.

[12] Ghahraei O, Ahmad D, Khalina A, et al. Cutting tests of kenaf stems[J]. Transactions of the ASABE, 54(1): 51－56.

[13] 楊永福. 竹材切削加工性能研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學，2005.

Yang Yongfu. Studuy on the Cutting Performance of Bamboo[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[14] 楊永福，習寶田，李黎. 切削參數(shù)對竹材切削力影響的研究[J]. 木材加工機械，2005(3)：13－15.

Yang Yongfu, Xi Baotian, Li Li. Study on effects of cutting parameters for bamboo on cutting forces[J]. Wood Processing Machinery, 2005(3): 13－15. (in Chinese with English abstract)

[15] 楊永福，習寶田，李黎. 毛竹切削力的研究[J]. 北京林業(yè)大學學報，2006，28(4)：17－21.

Yang Yongfu, Xi Baotian, Li Li. Cutting forces of moso bamboo[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2006, 28(4): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[16] 郭瑩潔，楊永福. 銑削參數(shù)對毛竹表面粗糙度影響的研究[J]. 林產工業(yè)，2009，36(4)：21－23.

Guo Yingjie, Yang Yongfu. Study on the effects of milling parameters for moso bamboo on its surface roughness[J]. China Forest Products Industry, 2009, 36(4): 21－23. (in Chinese with English abstract)

[17] 郭瑩潔，楊永福，白雪. 銑削參數(shù)對毛竹超前劈裂的影響[J]. 北京林業(yè)大學學報，2009，31(增刊1)：193－196.

Guo Yingjie, Yang Yongxue, Bai Xue. Effects of milling parameters for Moso bamboo on its advance splitting[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2009, 31(Supp.1): 193－196.

[18] 郭瑩潔. 銑削參數(shù)對竹材銑削質量與單位切削功的影響[D]. 北京：北京林業(yè)大學，2009.

Guo Yingjie, Effects of Milling Parameters for Bamboo on its Milling Qualities and Unit Cutting Work[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[19] 馬永康，張振國，邊胤. 檸條收割機切割器的設計與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2007，38(7)：202－204.

[20] 趙湛，李耀明，徐立章，等. 超級稻單莖稈切割力學性能試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2010，41(10)：72－75.

Zhao Zhan, Li Yaoming, Xu Lizhang, et al. Experiment on cutting mechanical property of single super rice stalk[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(10): 72－75. (in Chinese with English abstract)

[21] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂，等. 甘蔗莖稈在光刃刀片切割下根茬破壞試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2007，23(3)：103－107.

Liu Qingting, Qu Yinggang, Qing Shangle, et al. Stubble damage of sugarcane stalks in cutting test by smooth-edge blade[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(3): 103－107. (in Chinese with English abstract)

[22] 田昆鵬，李顯旺，沈成，等. 天牛仿生大麻收割機切割刀片設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(5)：56－61.

Tian Kunpeng, Li Xianwang, Shen Cheng, et al. Design and test of cutting blade of cannabis harvester based on longicorn bionic principle[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 56－61. (in Chinese with English abstract)

[23] 蘇工兵，劉儉英，王樹才，等. 苧麻莖稈木質部力學性能試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2007，38(5)：62－65.

Su Gongbing, Liu Jianying, Wang Shucai, et al. Study on mechanical properties of xylem of ramie stalk[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(5): 62－65. (in Chinese with English abstract)

[24] 鄔備，王德成，王光輝，等. 割草機切割壓扁裝置運行參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2017，48(10)：76－83.

Wu Bei, Wang Decheng, Wang Guanghui, et al. Optimization and experiments of cut-condition device working parameter on mower conditioner[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(10): 76－83. (in Chinese with English abstract)

[25] 吳良軍，楊洲，洪添勝，等. 荔枝樹枝力學特性的試驗研究[J]. 農業(yè)工程學報，2012，28(16)：68－73.

Wu Liangjun, Yang Zhou, Hong Tiansheng, et al. Experimental study on mechanical properties of litehi branches[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(16): 68－73. (in Chinese with English abstract)

[26] 李黎. 木材切削原理與刀具[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2008.

[27] 張萬楨，黃慧德. 橡膠割膠工[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，2014.

Experiment of influence factors on sawing power consumption for natural rubber mechanical tapping

Zhang Chunlong, Sheng Xiyu, Zhang Shunlu, Gao Jin, Yuan Ting※, Zhang Junxiong, Li Wei

(,,100083,)

Natural rubber (NR) is an important economic crop in tropical regions of China and is also an indispensable strategic resource which has excellent capability. With the growing shortage of tappers, mechanization of NR tapping becomes an inevitable trend. There are many studies on cutting characteristics of agricultural and forestry crops both at home and abroad. However, the study on the cutting power consumption of rubber mechanical harvesting is still blank, so it is necessary to carry out independent experiments on NR bark. The selection of cutting parameters is very important in mechanized harvesting. Cutting parameters will affect the cutting ability of the cutter. In order to reduce the power consumption of the NR mechanized harvesting sawing cutter and prolong the working time of the mechanical tapping equipment in the forest, the influence factors on sawing power consumption were studied. At first an experiment bench for NR tapping was developed based on the actual working conditions. The bench was mainly composed of a sawing cutter, a data acquisition module, a feeding motion module and a microcontroller. Sawing cutter was fixed on the ground, while cutting samples were mounted on feeding motion module which was able to supply cutting force. Saw blade could be replaced to change the diameter and the teeth number, and both the motor speed of the cutter and the speed of the feeding module could be adjusted through programming. The DC (direct current) stabilized voltage power supply was connected in series with the isolating transmitter and sawing cutter. The output of the isolation transmitter was connected with the microcontroller. And the microcontroller was used to collect the instantaneous current of sawing motor. Then the data were transmitted to the computer through the RS232 serial port and the computer could calculate cutter power of motor as an experiment evaluation index. All samples were taken from Xiqing Farm in Danzhou City, Hainan Province. The truncated tree was untapped and the tree bark was original. Meanwhile, all cutting samples with size of 50 mm × 30 mm × 5.5 mm (length × breadth × height) were cut from a same truncated tree and in order to simulate the actual cutting condition, the sample was pruned into trapezium. The cutting samples were tested within 2 h to prevent the biological characteristics of samples from changing. Then single factor experiments were conducted, and the effect of the diameter and the teeth number of saw blade on power consumption was tested by using different saw blades with different teeth numbers and diameters, while that of the motor speed of cutter and the feeding speed of samples was tested through changing programs. And the results showed that the diameter of saw blade had no significant influence on power consumption, and the teeth number, feeding speed and motor speed had significant influence on power consumption. Power consumption decreased with the decrease of teeth number and motor speed, while it increased with the decrease of feeding speed. Finally an orthogonal experiment with 3 factors (teeth number, feeding speed and motor speed) and 3 levels was carried out based on the single factor experiments. And the results indicated that the significant level order of the effect of different factors on power consumption from high to low was teeth number, feeding speed and motor speed. Moreover, the optimal sawing parameters for NR mechanical tapping were obtained as follows: Teeth number was 10 teeth, feeding speed was 30 mm/s, and motor speed was 500 r/min, and under the optimal condition the cutter power of motor was 2.597 J. As the selection of cutting parameters is essential for NR mechanical tapping devices, which significantly affects the working ability of the tapping devices, this study can provide a reference for the device design of NR mechanized tapping.

mechanization; optimization; harvesting; natural rubber; power consumption; orthogonal test

2018-04-04

2018-06-30

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0701501）；國家自然科學基金（31601217）

張春龍，副教授，博士，主要從事農業(yè)機器人技術、機器視覺檢測技術研究。Email：zcl1515@cau.edu.cn

袁 挺，副教授，博士主要從事農業(yè)智能裝備、機器視覺技術研究。Email：yuanting122@hotmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.005

S225.93

A

1002-6819(2018)-17-0032-06

張春龍，盛希宇，張順路，高 金，袁 挺，張俊雄，李 偉. 天然橡膠機械化采收鋸切功耗影響因素試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(17)：32－37. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.005 http://www.tcsae.org

Zhang Chunlong, Sheng Xiyu, Zhang Shunlu, Gao Jin, Yuan Ting, Zhang Junxiong, Li Wei. Experiment of influence factors on sawing power consumption for natural rubber mechanical tapping[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 32－37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.005 http://www.tcsae.org