黃敞 鄭勇 王玲玲 吳思浩 曹建華

摘要：天然橡膠市場持續(xù)低迷，且割膠隊伍開始老齡化，“膠工荒”已成為橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，機械和智能采膠方式將成為今后割膠的必然途徑。選擇4GXJ-1型電動膠刀，按照相關割膠規(guī)程，開展電動膠刀割膠切割驗證試驗。結(jié)果表明，電動膠刀對樹皮的切割能夠達到毫米級控制，平均每株橡膠樹的切割時間達到了預期水平，從而驗證了電動膠刀傳動裝置樣機的設計與應用，為同類產(chǎn)品的設計提供了參考依據(jù)。4GXJ-1型便攜式電動膠刀具有較強的實用性和推廣價值，該電動膠刀的應用對解決“膠工荒”具有重要意義。

關鍵詞：天然橡膠樹;機械割膠;切割技術;電動膠刀

中圖分類號： S225.99 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0260-04

當前，我國天然橡膠的種植面積已經(jīng)超過 113.33萬hm2，但是目前必須依賴人工割膠的生產(chǎn)成本占總成本的60%以上。尤其是近年來，受天然橡膠市場持續(xù)低迷和膠工隊伍老齡化的影響，“膠工荒”已經(jīng)成為橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不可回避的問題，天然橡膠產(chǎn)業(yè)面臨的形勢不容樂觀。2015年對我國三大植膠區(qū)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，僅2014—2015年，因膠價大幅下跌、膠工收入大幅降低難以維持生計，有40%～50%膠工外流，導致30%農(nóng)墾膠園、50%～60%民營膠園膠樹被棄割、棄管，產(chǎn)業(yè)每年損失達10億元以上[1]。突破傳統(tǒng)的割膠方式是研究者多年以來一直追尋的目標，而現(xiàn)代分析技術、信息技術、材料技術和機械設計等科技的發(fā)展，使得從傳統(tǒng)割膠方式向機械和智能采膠方式的變革成為必然[2-3]，可以在大幅度提高勞動生產(chǎn)率的同時，使割膠工序變得輕松、簡單和易于操作。機械與智能割膠技術也必將對橡膠產(chǎn)業(yè)的科技進步帶來巨大影響。

天然橡膠收獲的特殊性，使人們難以對其在野外環(huán)境中實現(xiàn)機械割膠。因此，盡管天然橡膠大面積栽培已有數(shù)10年的歷史，但生產(chǎn)上仍然沿用傳統(tǒng)膠刀進行推式（或拉式）人力割膠。早在1979年，馬來西亞橡膠研究院（RRIM）和日本Nihon Giken公司就合作研制了電動膠刀，但由于其體積大而重等原因，未能在生產(chǎn)上加以推廣應用[4-6]。從20世紀70年代末開始，我國國內(nèi)就開始了對電動割膠刀的研究，該類割膠刀體積相對較小、靈活、輕便，可便攜式移動，能重復使用，相對成本較低，且半自動化，但是限于當時的生產(chǎn)與加工條件，電機、電池體積大，加上部件加工精度等遠不能滿足生產(chǎn)上便攜式的要求，因此未能在生產(chǎn)上加以推廣使用。近年來，國內(nèi)學者在這方面的研究較多，包括王馭陌等設計的智能割膠刀[7]、唐風平設計的新型多功能免磨割膠刀[8]、王明輝設計的電動膠刀[9]、鄭義明設計的多功能電動膠刀[10]、袁靈龍設計的高效電動膠刀[11]、許振昆設計的割膠機[12]、周珉先等設計的便攜式電動割膠機[13]、蔣士富設計的電動橡膠切割機[14]、張俊雄等設計的帶割膠深度反饋的智能割膠刀[15]、劉博藝等設計的智能割膠刀[16]。本試驗在項目實施過程中，根據(jù)天然橡膠割膠技術和方式需求，共研究了17種便攜式電動膠刀樣機，最終定型了1款型號為4GXJ-1的電動膠刀[17-18]。

1 便攜式電動膠刀割膠技術

1.1 毫米級控制技術

天然橡膠的樹皮結(jié)構[19]主要包括粗皮、沙皮外層、沙皮內(nèi)層、黃皮和水囊皮5個層次，其中水囊皮包括功能次生韌皮部和形成層。一般在割膠操作中，應控制合理的深度，避免損傷到水囊皮，因為水囊皮的損傷將影響橡膠樹的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。橡膠樹樹皮的厚度約為7 mm，其中水囊皮的厚度小于1 mm，因此，機械割膠需要達到毫米級控制，才能確保割膠深度和防止傷樹。天然橡膠樹的樹皮結(jié)構如圖1所示。

1.2 機械切割技術

根據(jù)立銑式、臥銑式、平切式、復合式切割對天然橡膠割面產(chǎn)生的影響，包括對排膠初速度、膠乳產(chǎn)量、傷樹率等，確定最佳切割原理，對割膠機械切割關鍵參數(shù)進行測試，包括刀片形狀與利度、切割行程、切割效率、切割頻率等，選出機械切割與切割原理最佳的組合模式。機械切割的關鍵技術如圖2所示。

1.3 樣機定型與加工技術

采用物理傳感器采集便攜式電動膠刀傳動結(jié)構的工況數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真分析條件設定優(yōu)化參數(shù)與邊界條件，根據(jù)確定的優(yōu)化結(jié)果，加工便攜式電動膠刀傳動裝置樣機，進行樣機參數(shù)的確定與加工。樣機定型與加工流程如圖3所示。

2 便攜式電動膠刀切割試驗

2.1 試驗材料

以4GXJ-1型電動膠刀為試驗機型，選擇數(shù)字萬用表、接線端子、便攜式計算機、秒表、游標卡尺、直尺、皮尺作為輔助材料進行試驗。4GXJ-1型電動膠刀主要技術參數(shù)見表1。

2.2 試驗條件

本試驗選擇位于海南儋州試驗場三隊的開割膠園，樹齡達30年以上，選擇正常開割的30株健康的天然橡膠樹，開展電動膠刀切割實測試驗。

2.3 試驗方法

（1）使用皮尺測量天然橡膠樹的樹圍、割線長度。（2）使用直尺測量天然橡膠樹的樹皮厚度。（3）用游標卡尺測量使用電動膠刀切割出來的樹皮。（4）使用秒表記錄單株切割時間。（5）使用數(shù)字萬用表、接線端子、便攜式計算機記錄電動膠刀切割實測試驗中的電流變化，包括空載電流、負載最小電流、負載最大電流、負載平均電流。（6）每次切割時，電動膠刀先啟動5 s以上，確保電動膠刀啟動進入穩(wěn)定狀態(tài)后，再進行切割試驗。（7）參照NY/T 1088—2006《橡膠樹割膠技術規(guī)程》進行割膠切割試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹圍和割線長度

本試驗選擇的30株天然橡膠樹的樹圍均在600 mm以上，平均樹圍約為791 mm。30株天然橡膠樹均為1/2割線，平均割線長度約為406 mm。天然橡膠樹的樹圍和割線長度見圖4。

3.2 樹皮厚度和耗皮量

本試驗選擇的30株天然橡膠樹的平均樹皮厚度約為 7.4 mm，電動膠刀切割樹皮的平均耗皮量為2.19 mm。天然橡膠樹的樹皮厚度和電動膠刀切割樹皮的耗皮量見圖5。

3.3 切割時間

在本研究中，每株天然橡膠樹的電動膠刀切割時間與割線長度成正比，平均每株橡膠樹的切割時間為13 s。天然橡膠樹的電動膠刀切割時間見圖6。

3.4 切割電流

電動膠刀切割實測試驗中的電流包括空載電流、負載最小電流、負載最大電流、負載平均電流，平均值分別為0.64、0.88、1.64、1.29 A?？蛰d電流比較穩(wěn)定，負載最大電流和最小電流受負載影響而有波動，總體較穩(wěn)定。在試驗過程中，待機電流為0.029 A，最大負載電流不超過2 A。電動膠刀切割實測試驗中的電流見圖7。

在電動膠刀割膠切割過程中，電流隨時間的變化包括2段，第1段為空載時電流隨時間的變化，第2段為切割時電流隨時間的變化，不同天然橡膠樹切割電流的變化形狀基本一致。每次切割時，電動膠刀先啟動5 s以上，待電動膠刀啟動進入穩(wěn)定狀態(tài)后，進行切割試驗。

4 結(jié)論

（1）電動膠刀切割樹皮的平均耗皮量為2.19 mm，對樹皮切割能夠達到毫米級控制。（2）樹齡30年以上、1/2割線的天然橡膠樹，平均每株的切割時間是13 s，達到了預期的切割效率。（3）電動膠刀在切割過程中，平均空載電流、負載最小電流、負載最大電流、負載平均電流分別為0.64、0.88、1.64、1.29 A，驗證了電動膠刀傳動裝置樣機的設計。

本研究驗證了4GXJ-1型便攜式電動膠刀關鍵部件技術的設計與應用，4GXJ-1型便攜式電動膠刀具有較強的實用性和推廣價值。同時，本研究將為便攜式電動膠刀下一步的優(yōu)化改進提供理論基礎和技術基礎。

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收稿日期：2018-09-05

基金項目：中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院基本科研業(yè)務費專項資金（編號：1630022018011）;國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0701500）。

作者簡介：黃 敞（1985—），男，廣西柳州人，助理研究員，主要研究方向為橡膠機械化。E-mail：25871740@qq.com。

通信作者：王玲玲，碩士，助理研究員，主要研究方向為橡膠機械化與信息化。E-mail：zishi-010@163.com。