王玲玲 黃敞 陳娃容 張以山 鄭勇 黎土煜

摘要：割膠是收獲膠乳的重要途徑，傳統(tǒng)人力割膠技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)且難度大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，近十年，機(jī)械采膠裝備研發(fā)已成為破解產(chǎn)業(yè)掣肘的重要方向。為進(jìn)一步提高割膠機(jī)械的割膠質(zhì)量和工作平穩(wěn)性，減少機(jī)械割膠傷樹，按照傳統(tǒng)人工割膠方式建立橡膠樹割面的割膠軌跡方程，設(shè)計(jì)一種由導(dǎo)向器、割膠刀體、斜度裝配體等部件組成的能夠限深限厚的切割仿形機(jī)構(gòu)。分析導(dǎo)向器、割膠刀體、斜度裝配體等關(guān)鍵部件在割膠過程中的理論受力，并以手持式自動(dòng)割膠機(jī)為試驗(yàn)本體，對(duì)設(shè)計(jì)的仿形切割機(jī)構(gòu)開展大田割膠試驗(yàn)。結(jié)果表明：使用切割仿形機(jī)構(gòu)割膠，更加貼合割面和割線，能夠沿割膠軌跡切割出條狀樹皮，能夠進(jìn)行限深限厚仿形切割，減少傷樹，切割平均負(fù)載電流穩(wěn)定在1.0～1.5 A，與傳統(tǒng)割膠模式相比，耗皮量比設(shè)置的上限值平均降低約10%，割膠深度約增加8%，驗(yàn)證切割仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足割膠技術(shù)要求。為天然橡膠產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、智能化割膠裝備關(guān)鍵切割部件的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：橡膠樹；割膠裝備；切割仿形機(jī)構(gòu)；割膠軌跡；限深限厚

中圖分類號(hào)：S776.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 02006209

收稿日期：2022年6月29日 ?修回日期：2022年8月15日

基金項(xiàng)目：海南省自然科學(xué)基金（522RC788）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFD1000600）

第一作者：王玲玲，女，1986年生，安徽界首人，碩士，副研究員；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械與信息技術(shù)。Email： zishi-010@163.com

通訊作者：張以山，男，1966年生，云南景谷人，研究員；研究方向?yàn)闊嶙髟耘嗯c機(jī)械化。Email： catasz@126.com

Design and experiment of cutting feeler mechanism for rubber tapping machine

Wang Lingling1， 2， Huang Chang1， 2， Chen Warong1， 2， Zhang Yishan1， 2， Zheng Yong1， 2， Li Tuyu1， 2

（1. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， 571101， China；

2. Mechanical Subcenter of National Important Tropical Crops Engineering Technology Research Center，

Haikou， 571101， China）

Abstract：

As latex harvested from rubber trees， rubber tapping is an important way to harvest latex. Traditional tapping technology is professional， difficult and high labor intensity. The research and development of mechanical rubber tapping equipment has become an important direction to crack the constraints of the industry in past ten years. In order to improve rubber tapping machinery quality and stability， and reduce rubber tree injury， the rubber tapping trajectory equation was established according to the traditional manual tapping method， and a mechanism composed of guider， slope assemblage and cutting knife was designed in the research， which could limit the cutting depth and thickness. The theoretical forces of the key components were also analyzed. Using a handheld automatic rubber tapping machine as the test body， the cutting feeler mechanism designed was tested in rubber tapping. The results showed that the cutting feeler mechanism could fit the tapping surface and trajectory better， cut out the stripshaped bark， limit cutting depth and thickness and reduce rubber tree damage. The average cutting current was stable between 1.0 A and 1.5 A. Compared to traditional tapping method， bark consumption was on average less than 10% compared with set upper value and tapping depth was increased at 8%. The design was verified， which met the technical requirements of rubber cutting operation. The cutting feeler mechanism proposed in this study is meaningful to improve cutting quality， stability and practicality. This research provides a reference for the subsequent development of mechanized and intelligent rubber tapping mechanism.

Keywords：

Hevea brasiliensis; rubber tapping machine; cutting feeler mechanism; tapping trajectory; cutting depth and bark thickness control

0 引言

天然橡膠是橡膠樹的收獲物，是一種重要的工業(yè)原料［1］。割膠是亞洲植膠國(guó)膠農(nóng)從事的一個(gè)重要職業(yè)［2］，是采用專用的割膠工具切割掉橡膠樹皮，讓膠乳隨著割線流出的過程［3］。我國(guó)天然橡膠產(chǎn)業(yè)是應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略需要而興起的［4］，近年來(lái)，隨著國(guó)際天膠市場(chǎng)持續(xù)低迷，我國(guó)植膠效益下滑，膠工收入難以維持生計(jì)，導(dǎo)致大量膠工外流、技工隊(duì)伍老齡化嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)用工荒凸顯［56］。目前，割膠仍沿用傳統(tǒng)割膠工具進(jìn)行割膠，機(jī)械化、智能化割膠研發(fā)與應(yīng)用仍面臨著重大挑戰(zhàn)［7］，嚴(yán)重制約天然橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展［8］。需要?jiǎng)?chuàng)新裝備技術(shù)以武裝產(chǎn)業(yè)［9］，研發(fā)應(yīng)用天然橡膠機(jī)械化、智能化割膠裝備是必然趨勢(shì)。在割膠領(lǐng)域，目前研發(fā)的割膠裝備，按照操作方式主要分為便攜式［1014］、固定式［8， 1416］、移動(dòng)式［7， 1719］三種，可以有效降低割膠技術(shù)難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，但均未得到大面積應(yīng)用與推廣。切割仿形機(jī)構(gòu)是天然橡膠機(jī)械化、智能化收獲的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，該仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接影響割膠裝備的割膠性能。

國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)林作物生產(chǎn)管理作業(yè)機(jī)械的仿形設(shè)計(jì)研究較多，包括適用于大豆壟上雙行種植模式的仿形滑刀式開溝器［20］、齒帶式油菜撿拾器仿形減振裝置［21］、自適應(yīng)仿形甘薯削皮機(jī)［22］、油麥兼用型精量寬幅免耕播種機(jī)仿形鑿式開溝器［23］、聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)仿形機(jī)構(gòu)［24］、甘蔗收割機(jī)刀盤仿形系統(tǒng)［25］、果園仿形風(fēng)送噴霧機(jī)構(gòu)驗(yàn)［26］等。張喜瑞等［8］設(shè)計(jì)了仿形進(jìn)階式固定式天然橡膠割膠機(jī)，觀測(cè)了割膠前5 min的排膠量和平均耗電量。上述文獻(xiàn)主要側(cè)重于對(duì)農(nóng)林作物耕播、收割、噴霧等生產(chǎn)管理作業(yè)中的仿形設(shè)計(jì)，對(duì)割膠機(jī)械限深限厚切割仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究較少。

為進(jìn)一步提高割膠機(jī)械的割膠質(zhì)量和工作平穩(wěn)性，減少割膠傷樹，結(jié)合我國(guó)橡膠樹割膠技術(shù)規(guī)程和推式割膠刀農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［2729］，為便于開展試驗(yàn)驗(yàn)證，以手持式自動(dòng)割膠機(jī)［13］為本體，設(shè)計(jì)一種能夠限深限厚的切割仿形機(jī)構(gòu)，對(duì)橡膠樹的人工傳統(tǒng)割線進(jìn)行仿形切割，并進(jìn)行田間試驗(yàn)，以期為機(jī)械化、智能化割膠裝備關(guān)鍵切割部件的研發(fā)提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 割膠農(nóng)藝要求

割膠是橡膠樹獲取膠乳的重要途徑，是通過使用特制割膠工具切割橡膠樹樹皮里的乳管，收集排出的膠乳。世界大面積植膠超過100年［28］，仍沿用傳統(tǒng)割膠工藝，使用小圓口推刀或拉刀割膠，采用陽(yáng)刀或陰刀割膠，陽(yáng)刀割線時(shí)，割出的割線傾斜度為自左上方向右下方傾斜25°～30°，陰刀割線時(shí)，自左上方向右下方傾斜40°～45°［27， 29］。

采膠的部位是橡膠樹樹干樹皮，樹皮從內(nèi)到外分別是水囊皮、黃皮、砂皮內(nèi)層、砂皮外層、粗皮。黃皮中含有大量功能很強(qiáng)的成熟乳管，是樹皮中主要的產(chǎn)膠部分。水囊皮包括有功能次生韌皮部和形成層，厚度通常不超過1 mm，“水囊皮”的損傷將影響到橡膠樹的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，要求割膠操作中控制好割膠深度，避免損傷到“水囊皮”［30］。割膠深度是割膠時(shí)割去樹皮的內(nèi)切口與形成層的距離，常規(guī)割膠中規(guī)定的割膠深度是保留形成層外1～1.5 mm的樹皮不割，郝秉中等［30］測(cè)量的橡膠樹有傳導(dǎo)功能韌皮部的厚度為0.2～1 mm，平均約占樹皮總厚度的10.04%，常規(guī)割膠的割膠深度1.2～1.8 mm，按照常規(guī)割膠深度，原則上對(duì)橡膠樹不會(huì)造成傷害。常規(guī)割膠中，要求切出的樹皮呈片狀，單次割膠的切片數(shù)低于40片，其中低于30片為最優(yōu)［28］。要求切割仿形機(jī)構(gòu)能夠限深且能沿著割線方向進(jìn)行切割，切割出的樹皮為片狀。割膠深度和切出的樹皮厚度如圖1所示。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

切割仿形機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向器、斜配體、割膠刀體、調(diào)節(jié)旋鈕、刻度區(qū)組成，其中導(dǎo)向器由前后調(diào)整塊、上下調(diào)整塊兩部分組成。切割仿形機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)天然橡膠收獲作業(yè)中有效切割橡膠樹皮的關(guān)鍵部件，安裝在手持式自動(dòng)割膠機(jī)本體的頭部，可拆裝，易更換，是手持式自動(dòng)割膠機(jī)的關(guān)鍵零配件，也是固定式、移動(dòng)式全自動(dòng)割膠機(jī)械研發(fā)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵仿形切割部件。切割仿形機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將切割仿形機(jī)構(gòu)安裝在手持式自動(dòng)割膠機(jī)本體上，通過調(diào)整導(dǎo)向器的前后調(diào)整塊，可調(diào)整手持式自動(dòng)割膠機(jī)走刀方向的前后位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)割膠深度的有效控制。通過調(diào)整導(dǎo)向器的上下調(diào)整塊，可調(diào)整手持式自動(dòng)割膠機(jī)垂直走刀方向的上下位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)切出的樹皮厚度的有效控制。通過導(dǎo)向器的限位控制，能夠有效約束割膠作業(yè)中的切割軌跡。在人工控制下走刀切割樹皮時(shí)，導(dǎo)向器斜面頂點(diǎn)緊貼于橡膠樹已割面上，對(duì)已有的割線進(jìn)行準(zhǔn)確仿形，切出的新割線軌跡與舊割線一致，割膠動(dòng)作參照推式割膠刀，按照“一推、二靠、三拉、四走”的動(dòng)作要領(lǐng)完成割膠作業(yè)［13］。切割仿形機(jī)構(gòu)工作示意圖如圖3所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與受力分析

2.1 沿割線運(yùn)動(dòng)軌跡

橡膠樹樹形外輪廓差異性較大，為不規(guī)則近圓形結(jié)構(gòu)，因樹皮厚度不均勻，割出的割線是傾斜度為自左上方向右下方傾斜25°～30°的不規(guī)則曲線。沿割線正視面運(yùn)動(dòng)曲線如圖4所示。

圖4中的圓形代表切割仿形機(jī)構(gòu)，切割仿形機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，與割線的接觸方式為點(diǎn)接觸，運(yùn)動(dòng)方向始終與割線接觸點(diǎn)保持相切。

將割線正視面曲線簡(jiǎn)化為二次函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其曲線函數(shù)方程為

y=a1x2+b1x

（1）

k=y′=2a1x+b1=tanα

（2）

式中：

y——切割仿形機(jī)構(gòu)的刀刃曲線縱坐標(biāo)；

x——切割仿形機(jī)構(gòu)的刀刃曲線橫坐標(biāo)；

y′——縱坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)；

a1、b1——常數(shù)；

k——曲線斜率；

α——刀刃接觸割線出的滑切角。

以割線長(zhǎng)度為0.40 m的橡膠樹標(biāo)準(zhǔn)木為例，當(dāng)x=0 cm時(shí)，α取最小值25°，當(dāng)x=0.40 m時(shí)，α取最小值30°，代入式（2），可得a1=0.14，b1=0.47。

將a1、b1代入式（1），可得割膠仿形機(jī)構(gòu)沿割線正視面運(yùn)動(dòng)的曲線方程為

y=0.14x2+0.47x

（3）

沿割線側(cè)視面運(yùn)動(dòng)曲線如圖5所示。圖5中的圓形代表切割仿形機(jī)構(gòu)。

（a） 割線側(cè)視圖

（b） 沿割線側(cè)視面運(yùn)動(dòng)曲線

將其簡(jiǎn)化為拋物線，則割線曲線方程為

y=f（z）

（4）

簡(jiǎn)化為拋物線方程

y2=2p1z（p>0）

（5）

準(zhǔn)線K為

z=-p12

（6）

式中：

p1——

焦點(diǎn)K2至準(zhǔn)線K的距離；

K2——

焦點(diǎn)，坐標(biāo)為p12，0。

該割線的極點(diǎn)在拋物線定點(diǎn)O點(diǎn)，將z=ρcosβ，y=ρsinβ代入拋物線方程，可得極坐標(biāo)方程為

ρ=2p1cosβ1-cos2β

（7）

機(jī)構(gòu)沿割線側(cè)視面運(yùn)動(dòng)曲線的參數(shù)方程為

z=2p1t2

y=2p1t

（8）

式中：

t——點(diǎn)B0在曲線上對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

2.2 切割仿形設(shè)計(jì)與受力分析

2.2.1 切割仿形設(shè)計(jì)

使用傳統(tǒng)推式割膠刀進(jìn)行割膠作業(yè)，主要通過膠工掌握割膠技術(shù)的熟練程度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)割膠深度和耗皮量的控制，割膠技術(shù)難度大，勞動(dòng)強(qiáng)度高。張喜瑞等人設(shè)計(jì)的仿形限深滾輪［8］，是基于常見的導(dǎo)向輪形式，將導(dǎo)向輪與橡膠樹之間的線接觸改進(jìn)為點(diǎn)接觸，以實(shí)現(xiàn)割膠限深的目的。由于不同橡膠品系、樹齡、季候、割制條件下，橡膠樹生長(zhǎng)存在差異性，割膠深度、耗皮厚度的農(nóng)藝要求也有差異［31］。采用常見的輪式和桿式導(dǎo)向限深機(jī)構(gòu)，不能連續(xù)調(diào)節(jié)割膠深度、耗皮量，難以滿足生產(chǎn)上的差異化需求，不具有廣適性。

采用導(dǎo)向器側(cè)面與橡膠樹已割面樹干之間線接觸、導(dǎo)向器末端與橡膠樹樹干割線內(nèi)側(cè)之間點(diǎn)接觸的方式，改進(jìn)設(shè)計(jì)仿形限深限厚導(dǎo)向器，如圖6（a）所示。導(dǎo)向器固定在斜面體上，可前后、上下調(diào)節(jié)。割膠時(shí)，導(dǎo)向器側(cè)面與橡膠樹已割面樹干相對(duì)固定滑動(dòng)，導(dǎo)向器末端與靠近橡膠樹樹干割線相對(duì)固定滑動(dòng)，對(duì)橡膠樹割線軌跡進(jìn)行仿形。通過導(dǎo)向器上下調(diào)節(jié)塊，調(diào)整導(dǎo)向器與橡膠樹已割面樹干接觸位置，調(diào)整走刀方向，達(dá)到對(duì)割膠深度的控制，如圖6（b）所示。通過導(dǎo)向器前后調(diào)節(jié)塊，調(diào)整導(dǎo)向器與割膠刀體之間的距離，達(dá)到對(duì)割膠耗皮量的控制，如圖6（c）、圖6（d）所示。

導(dǎo)向器、斜配體均采用鋅合金材料，鑄件溫度相對(duì)低，易加工。刀片采用合金鋼材料，硬度較好，硬度達(dá)到50HRC以上。導(dǎo)向器連接于斜度裝配體上的連接處，并向橡膠樹已割面樹干外周面的切線方向延伸，與割膠刀體的端刃部平行適配，導(dǎo)向器左右對(duì)稱安裝于斜度裝配體的兩側(cè)，與割膠刀體配合使用。

2.2.2 導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力分析

導(dǎo)向器與橡膠樹之間滑動(dòng)產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，有側(cè)面線接觸的滑動(dòng)摩擦力fs和末端點(diǎn)接觸的滑動(dòng)摩擦力ft，反作用于導(dǎo)向器的力有垂直于樹干的力fn和與垂直于割線的力Fn，受力主要集中在導(dǎo)向器側(cè)面和末端。導(dǎo)向器受力與橫截面積示意圖如圖7所示。

（a） 導(dǎo)向器受力分析

（b） 導(dǎo)向器與割線接觸橫截面積

為便于計(jì)算，將導(dǎo)向器穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)化為壓桿，屬于比例限制內(nèi)的穩(wěn)定問題。導(dǎo)向器穩(wěn)定條件為

n1=Fer1F1≥nst1

（9）

式中：

n1——導(dǎo)向器穩(wěn)定條件的安全系數(shù)；

F1——導(dǎo)向器的工作應(yīng)力；

Fer1——導(dǎo)向器的臨界力；

nst1——

需用穩(wěn)定性安全系數(shù)，導(dǎo)向器為鋅合金材料，穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.8～3.0。

按照歐拉公式計(jì)算，導(dǎo)向器的工作應(yīng)力

F1=η1E0I1l12

（10）

式中：

E0——彈性模量，N/cm2；

η1——導(dǎo)向器的穩(wěn)定系數(shù)；

l1——導(dǎo)向器全長(zhǎng)，cm；

I1——導(dǎo)向器截面的慣性矩，cm4。

導(dǎo)向器的臨界應(yīng)力

σc1=π2E0π2E0λ12

（11）

壓桿的柔度

λ1=μ1l1i1

（12）

式中：

μ1——導(dǎo)向器的長(zhǎng)度系數(shù)；

i1——導(dǎo)向器截面的慣性半徑，cm。

導(dǎo)向器一端固定在斜度裝配體，另一端沿著割線進(jìn)行側(cè)向移動(dòng)，但不能轉(zhuǎn)動(dòng)，則導(dǎo)向器的長(zhǎng)度系數(shù)μ1、穩(wěn)定系數(shù)η1分別為1、9.87。

導(dǎo)向器呈L形，將導(dǎo)向器橫截面簡(jiǎn)化為L(zhǎng)形，導(dǎo)向器的橫截毛面積

A=BH-b×（ey2+h）

（13）

式中：

A——導(dǎo)向器的橫截毛面積；

B——導(dǎo)向器與割線接觸橫截面積的總長(zhǎng)度；

b——

導(dǎo)向器橫截面尾端到縱截面的距離；

H——

導(dǎo)向器與割線接觸橫截面積的總高度；

h——

導(dǎo)向器與樹皮接觸的頂部到橫截面的距離；

ey2——導(dǎo)向器與樹皮接觸的高度。

導(dǎo)向器截面的慣性矩

I1=13（Bey13+aey23－bh3）

（14）

式中：

ey1——導(dǎo)向器與樹皮未接觸的高度。

導(dǎo)向器截面的慣性半徑

i1=I1A

（15）

導(dǎo)向器截面的最小慣性半徑

i1min=I1minA

（16）

化簡(jiǎn)得到導(dǎo)向器受到橡膠樹割面和割線的工作應(yīng)力

F1=9.87E0（Bey13+aey23－bh3）3l12

（17）

導(dǎo)向器慣性半徑取最小值i1min時(shí)，臨界應(yīng)力σc1最大，此時(shí)導(dǎo)向器的臨界應(yīng)力

σc1=π2E0（Bey13+aey23-bh3）3l12［BH－b×（ey2+h）］

（18）

此時(shí)l1=2.82 cm，a=1.25 cm，b=1.57cm，h=0，B=H=2.82 cm，ey1=1.04 cm，ey2=1.78 cm，π=3.14，鋅合金（參照硬鋁合金）彈性模量為70 GPa，此時(shí)取E0=70 GPa，計(jì)算得出導(dǎo)向器的臨界應(yīng)力為3.20×1010 N/m2。

2.2.3 割膠刀體結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力分析

割膠刀體在割膠作業(yè)過程中，割膠刀體與橡膠樹割線上的樹皮為線接觸，割膠刀體切割割線示意圖如圖8所示。

割膠刀體在切割樹皮時(shí)接觸部分產(chǎn)生局部彈性變形，形成接觸面很小的面接觸，在割膠刀體的接觸處產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，離開割膠刀體的接觸面稍遠(yuǎn)處應(yīng)力急劇下降。接觸強(qiáng)度條件為

σmax≤σHP

（19）

式中：

σHP——許用接觸應(yīng)力。

割膠刀體與橡膠樹割線上的樹皮為線接觸，在平均主應(yīng)力P的作用下，割膠刀體與橡膠樹割面的割線的樹皮相互壓緊，在接觸區(qū)附近產(chǎn)生應(yīng)力和變形，接觸區(qū)簡(jiǎn)化為橢圓，接觸橢圓方程為

A1x2+B1y2=C

（20）

A1=B1=R2-R12R1R2

（21）

接觸面尺寸

a2

=b2

=0.909×3PR1R2R1+R21－v12E1+1－v22E2

（22）

當(dāng)割膠刀體與割線的面接觸E1=E2=E，μ1=μ2=0.03時(shí)，最大接觸壓應(yīng)力為

σmax=0.388×3PE2R2－R1R1R22

（23）

式中：

E1——

割膠刀體的彈性模量，N/cm2；

E2——

橡膠樹皮的彈性模量，N/cm2；

P——平均主應(yīng)力；

v1——割膠刀體的泊松比；

v2——橡膠樹皮的泊松比；

a2——接觸橢圓的長(zhǎng)半軸；

b2——接觸橢圓的短半軸；

R1——

割膠刀體接觸點(diǎn)處的主曲率半徑；

R2——

橡膠樹皮接觸點(diǎn)處的主曲率半徑。

應(yīng)力最大時(shí)，應(yīng)滿足條件

R2－R1R1R2≈1

（24）

合金鋼彈性模量為206 GPa，普通碳鋼的許用應(yīng)力為113 MPa，此時(shí)取E=206 GPa，P=113 MPa，計(jì)算得出割膠刀體的最大接觸壓應(yīng)力為1.69×1010 N/m2。

2.2.4 斜度裝配體結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力分析

斜度裝配體與導(dǎo)向器之間為面接觸，接觸示意圖如圖9所示。

為便于計(jì)算，將斜度裝配體穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)化為壓桿。斜度裝配體穩(wěn)定條件為

n2=Fer2F2≥nst2

（25）

式中：

F2——斜度裝配體的工作應(yīng)力；

Fer2——斜度裝配體的臨界力；

nst2——

需用穩(wěn)定性安全系數(shù)，斜度裝配體為鋅合金材料，穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.8～3.0。

按照歐拉公式計(jì)算，斜度裝配體的工作應(yīng)力為

F2=η2E3I2l22

（26）

斜度裝配體的臨界應(yīng)力

σc2=π2E3π2E3λ22

（27）

壓桿的柔度為

λ2=μ2l2i2

（28）

式中：

E3——

斜度裝配體彈性模量，N/cm2;

l2——斜度裝配體全長(zhǎng)，cm;

I2——

斜度裝配體截面的慣性矩，cm4;

μ2——斜度裝配體的長(zhǎng)度系數(shù);

η2——斜度裝配體的穩(wěn)定系數(shù)；

i2——

斜度裝配體截面的慣性半徑，cm。

斜度裝配體與導(dǎo)向器相對(duì)固定，屬于兩端鉸接，則斜度裝配體的長(zhǎng)度系數(shù)μ2、穩(wěn)定系數(shù)η2分別為1、9.87。

將斜度裝配體與導(dǎo)向器接觸面簡(jiǎn)化為矩形，接觸面的橫截毛面積

A2=a3b3

（29）

斜度裝配體慣性矩

I2x=a3b3312，I2y=a33b312

（30）

斜度裝配體受到的應(yīng)變距離

e2x=b32，e2y=a32

（31）

斜度裝配體慣性半徑

i2=I2A2

（32）

i2x=0.289b3，i2y=0.289a3

（33）

化簡(jiǎn)得到斜度裝配體受到的工作應(yīng)力為

F2x=0.824a3b33E3l22，

F2y=0.824a33b3E3l22

（34）

斜度裝配體慣性半徑取最小值i2min時(shí)，臨界應(yīng)力σc2最大，此時(shí)斜度裝配體的臨界應(yīng)力為

σc2x=0.084π2b32E3l22，

σc2y=0.084π2a32E3l22

（35）

此時(shí)l2=4.56 cm，a3=1.65 cm，b3=2.48 cm，π=3.14，鋅合金（參照硬鋁合金）彈性模量為70 GPa，此時(shí)取E3=70 GPa，計(jì)算得出的斜度裝配體的臨界應(yīng)力σc2x=2.16×1010 N/m2，σc2y=9.58×109 N/m2。

3 田間試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)械割膠裝備切割仿形機(jī)構(gòu)在割膠作業(yè)中的切割性能，于2021年9月在海南儋州中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)三隊(duì)天然橡膠種植基地，選擇樹圍均在600 mm以上、1/2割線，平均割線長(zhǎng)度約為400 mm的150株開割期橡膠樹進(jìn)行割膠作業(yè)試驗(yàn)，每5株樹為一組，共分為30組，每組的試驗(yàn)結(jié)果均取5株樹的平均值。切割仿形機(jī)構(gòu)割膠作業(yè)過程包括下刀、行刀和收刀操作，如圖10所示。

3.1 試驗(yàn)方案

將切割仿形機(jī)構(gòu)裝載到手持式自動(dòng)割膠機(jī)［13］手柄前端，按照NY/T 1088—2006《橡膠樹割膠技術(shù)規(guī)程》［27］要求，1/2陽(yáng)刀割線不大于14 mm，割膠深度1.2～1.8 mm，對(duì)切割仿形機(jī)構(gòu)限深限厚尺寸進(jìn)行調(diào)整，將導(dǎo)向器側(cè)面與已割面線貼合，導(dǎo)向器末端與割線內(nèi)側(cè)點(diǎn)貼合，耗皮量設(shè)在14 mm以下，開展割膠切割試驗(yàn)。以選擇的30組共150株處于開割生產(chǎn)期的橡膠樹為試驗(yàn)對(duì)象，每株樹均沿人工割線割1刀，重點(diǎn)觀測(cè)割線長(zhǎng)度、耗皮量、樹皮厚度、割膠時(shí)間、負(fù)載電流等參數(shù)。每次切割時(shí)，啟動(dòng)電源5 s后，確保手持式自動(dòng)割膠機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后，再進(jìn)行切割試驗(yàn)［32］。試驗(yàn)觀測(cè)的割膠時(shí)間為單株橡膠樹割膠作業(yè)時(shí)間，是從下刀到收刀的過程時(shí)間。為不傷害開割生產(chǎn)期橡膠樹的韌皮部，不直接對(duì)割膠深度進(jìn)行測(cè)量，采用測(cè)量計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)的方法，計(jì)算人工切割樹皮厚度、切割仿形機(jī)構(gòu)切割樹皮厚度的試驗(yàn)結(jié)果，分析切割過程是否傷樹。試驗(yàn)用的主要設(shè)備包括：皮尺、游標(biāo)卡尺、秒表、數(shù)字萬(wàn)用表、接線端子、手持式自動(dòng)割膠機(jī)。

3.2 結(jié)果與分析

使用切割仿形機(jī)構(gòu)，沿人工割線進(jìn)行割膠，新割線與人工割線基本保持一致，使用切割仿形機(jī)構(gòu)割膠前后的割線如圖11所示。使用切割仿形機(jī)構(gòu)切割的樹皮呈整條狀，均為有效皮，切出的橡膠樹皮如圖12所示。

耗皮量測(cè)量結(jié)果如圖13所示，使用切割仿形機(jī)構(gòu)割膠的耗皮量均不大于設(shè)置值的上限14 mm，平均低于上限值的10%。樹皮厚度測(cè)量結(jié)果如圖14所示，使用切割仿形機(jī)構(gòu)割出樹皮的厚度略小于人工割出樹皮的厚度，由于割膠深度是樹皮的總厚度減去割出的樹皮厚度。

因此，使用切割仿形機(jī)構(gòu)的割膠深度會(huì)略大于人工的割膠深度，均在8%以內(nèi)，不會(huì)造成傷樹。綜上，滿足割膠作業(yè)技術(shù)要求。

切割空載電流、負(fù)載電流均較穩(wěn)定，切割平均負(fù)載電流均在1.0～1.5 A之間，驗(yàn)證了切割仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足割膠作業(yè)要求。使用切割仿形機(jī)構(gòu)割膠過程的切割電流測(cè)量結(jié)果如圖15所示。

4 結(jié)論

1） ?設(shè)計(jì)了機(jī)械割膠裝備切割仿形機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件，在仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，導(dǎo)向器、斜配體均采用鋅合金材料，刀片采用合金鋼材料；割膠作業(yè)時(shí)，以人工割線及已割面為參考，通過前后、上下調(diào)整導(dǎo)向器進(jìn)行限深限厚仿形，通過下刀、行刀、收刀實(shí)現(xiàn)沿人工割線的曲線切割運(yùn)動(dòng)，切割出條狀樹皮，完成割膠作業(yè)。

2） ?理論分析了切割仿形機(jī)構(gòu)沿割線運(yùn)動(dòng)軌跡，以及導(dǎo)向器、刀片、斜度裝配體關(guān)鍵零部件的受力，導(dǎo)向器的臨界應(yīng)力為3.20×1010 N/m2，割膠刀體的最大接觸壓應(yīng)力為1.69×1010 N/m2，斜度裝配體的水平方向和垂直方向的臨界應(yīng)力分別為2.16×1010 N/m2，9.58×109 N/m2，確定了合適的導(dǎo)向器外側(cè)面及末端的設(shè)計(jì)及材料選擇，以確保切割仿形機(jī)構(gòu)更加貼合割面和割線，實(shí)現(xiàn)高效仿形，可以參照傳統(tǒng)人工割膠技術(shù)進(jìn)行割膠作業(yè)。

3） ?使用切割仿形機(jī)構(gòu)割膠的耗皮量均不大于設(shè)定值的上限值，平均約低于上限值的10%，均在割膠技術(shù)要求范圍內(nèi)；割膠深度會(huì)略大于人工割膠，均在8%以內(nèi)，不會(huì)造成傷樹。滿足割膠作業(yè)技術(shù)要求。

4） ?使用切割仿形機(jī)構(gòu)割膠過程的切割平均負(fù)載電流均在1.0～1.5 A之間且穩(wěn)定，驗(yàn)證了切割仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足切割穩(wěn)定的割膠作業(yè)要求。

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