便攜式電動(dòng)膠刀割膠技術(shù)與切割試驗(yàn)

黃敞 鄭勇 王玲玲 吳思浩 曹建華

摘要：天然橡膠市場(chǎng)持續(xù)低迷，且割膠隊(duì)伍開(kāi)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(jī)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(dòng)膠刀，按照相關(guān)割膠規(guī)程，開(kāi)展電動(dòng)膠刀割膠切割驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，電動(dòng)膠刀對(duì)樹(shù)皮的切割能夠達(dá)到毫米級(jí)控制，平均每株橡膠樹(shù)的切割時(shí)間達(dá)到了預(yù)期水平，從而驗(yàn)證了電動(dòng)膠刀傳動(dòng)裝置樣機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。4GXJ-1型便攜式電動(dòng)膠刀具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值，該電動(dòng)膠刀的應(yīng)用對(duì)解決“膠工荒”具有重要意義。

關(guān)鍵詞：天然橡膠樹(shù);機(jī)械割膠;切割技術(shù);電動(dòng)膠刀

中圖分類(lèi)號(hào)： S225.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2019）23-0260-04

當(dāng)前，我國(guó)天然橡膠的種植面積已經(jīng)超過(guò) 113.33萬(wàn)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(lái)，受天然橡膠市場(chǎng)持續(xù)低迷和膠工隊(duì)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(guò)程中不可回避的問(wèn)題，天然橡膠產(chǎn)業(yè)面臨的形勢(shì)不容樂(lè)觀。2015年對(duì)我國(guó)三大植膠區(qū)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，僅2014—2015年，因膠價(jià)大幅下跌、膠工收入大幅降低難以維持生計(jì)，有40%～50%膠工外流，導(dǎo)致30%農(nóng)墾膠園、50%～60%民營(yíng)膠園膠樹(shù)被棄割、棄管，產(chǎn)業(yè)每年損失達(dá)10億元以上[1]。突破傳統(tǒng)的割膠方式是研究者多年以來(lái)一直追尋的目標(biāo)，而現(xiàn)代分析技術(shù)、信息技術(shù)、材料技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)等科技的發(fā)展，使得從傳統(tǒng)割膠方式向機(jī)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(dòng)生產(chǎn)率的同時(shí)，使割膠工序變得輕松、簡(jiǎn)單和易于操作。機(jī)械與智能割膠技術(shù)也必將對(duì)橡膠產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步帶來(lái)巨大影響。

天然橡膠收獲的特殊性，使人們難以對(duì)其在野外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jìn)行推式（或拉式）人力割膠。早在1979年，馬來(lái)西亞橡膠研究院（RRIM）和日本Nihon Giken公司就合作研制了電動(dòng)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(yīng)用[4-6]。從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始，我國(guó)國(guó)內(nèi)就開(kāi)始了對(duì)電動(dòng)割膠刀的研究，該類(lèi)割膠刀體積相對(duì)較小、靈活、輕便，可便攜式移動(dòng)，能重復(fù)使用，相對(duì)成本較低，且半自動(dòng)化，但是限于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)與加工條件，電機(jī)、電池體積大，加上部件加工精度等遠(yuǎn)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(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在這方面的研究較多，包括王馭陌等設(shè)計(jì)的智能割膠刀[7]、唐風(fēng)平設(shè)計(jì)的新型多功能免磨割膠刀[8]、王明輝設(shè)計(jì)的電動(dòng)膠刀[9]、鄭義明設(shè)計(jì)的多功能電動(dòng)膠刀[10]、袁靈龍?jiān)O(shè)計(jì)的高效電動(dòng)膠刀[11]、許振昆設(shè)計(jì)的割膠機(jī)[12]、周珉先等設(shè)計(jì)的便攜式電動(dòng)割膠機(jī)[13]、蔣士富設(shè)計(jì)的電動(dòng)橡膠切割機(jī)[14]、張俊雄等設(shè)計(jì)的帶割膠深度反饋的智能割膠刀[15]、劉博藝等設(shè)計(jì)的智能割膠刀[16]。本試驗(yàn)在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)天然橡膠割膠技術(shù)和方式需求，共研究了17種便攜式電動(dòng)膠刀樣機(jī)，最終定型了1款型號(hào)為4GXJ-1的電動(dòng)膠刀[17-18]。

1 便攜式電動(dòng)膠刀割膠技術(shù)

1.1 毫米級(jí)控制技術(shù)

天然橡膠的樹(shù)皮結(jié)構(gòu)[19]主要包括粗皮、沙皮外層、沙皮內(nèi)層、黃皮和水囊皮5個(gè)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(yīng)控制合理的深度，避免損傷到水囊皮，因?yàn)樗移さ膿p傷將影響橡膠樹(shù)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。橡膠樹(shù)樹(shù)皮的厚度約為7 mm，其中水囊皮的厚度小于1 mm，因此，機(jī)械割膠需要達(dá)到毫米級(jí)控制，才能確保割膠深度和防止傷樹(shù)。天然橡膠樹(shù)的樹(shù)皮結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 機(jī)械切割技術(shù)

根據(jù)立銑式、臥銑式、平切式、復(fù)合式切割對(duì)天然橡膠割面產(chǎn)生的影響，包括對(duì)排膠初速度、膠乳產(chǎn)量、傷樹(shù)率等，確定最佳切割原理，對(duì)割膠機(jī)械切割關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(jī)械切割與切割原理最佳的組合模式。機(jī)械切割的關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。

1.3 樣機(jī)定型與加工技術(shù)

采用物理傳感器采集便攜式電動(dòng)膠刀傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的工況數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真分析條件設(shè)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(dòng)膠刀傳動(dòng)裝置樣機(jī)，進(jìn)行樣機(jī)參數(shù)的確定與加工。樣機(jī)定型與加工流程如圖3所示。

2 便攜式電動(dòng)膠刀切割試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

以4GXJ-1型電動(dòng)膠刀為試驗(yàn)機(jī)型，選擇數(shù)字萬(wàn)用表、接線端子、便攜式計(jì)算機(jī)、秒表、游標(biāo)卡尺、直尺、皮尺作為輔助材料進(jìn)行試驗(yàn)。4GXJ-1型電動(dòng)膠刀主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)選擇位于海南儋州試驗(yàn)場(chǎng)三隊(duì)的開(kāi)割膠園，樹(shù)齡達(dá)30年以上，選擇正常開(kāi)割的30株健康的天然橡膠樹(shù)，開(kāi)展電動(dòng)膠刀切割實(shí)測(cè)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

（1）使用皮尺測(cè)量天然橡膠樹(shù)的樹(shù)圍、割線長(zhǎng)度。（2）使用直尺測(cè)量天然橡膠樹(shù)的樹(shù)皮厚度。（3）用游標(biāo)卡尺測(cè)量使用電動(dòng)膠刀切割出來(lái)的樹(shù)皮。（4）使用秒表記錄單株切割時(shí)間。（5）使用數(shù)字萬(wàn)用表、接線端子、便攜式計(jì)算機(jī)記錄電動(dòng)膠刀切割實(shí)測(cè)試驗(yàn)中的電流變化，包括空載電流、負(fù)載最小電流、負(fù)載最大電流、負(fù)載平均電流。（6）每次切割時(shí)，電動(dòng)膠刀先啟動(dòng)5 s以上，確保電動(dòng)膠刀啟動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，再進(jìn)行切割試驗(yàn)。（7）參照NY/T 1088—2006《橡膠樹(shù)割膠技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行割膠切割試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹(shù)圍和割線長(zhǎng)度

本試驗(yàn)選擇的30株天然橡膠樹(shù)的樹(shù)圍均在600 mm以上，平均樹(shù)圍約為791 mm。30株天然橡膠樹(shù)均為1/2割線，平均割線長(zhǎng)度約為406 mm。天然橡膠樹(shù)的樹(shù)圍和割線長(zhǎng)度見(jiàn)圖4。

3.2 樹(shù)皮厚度和耗皮量

本試驗(yàn)選擇的30株天然橡膠樹(shù)的平均樹(shù)皮厚度約為 7.4 mm，電動(dòng)膠刀切割樹(shù)皮的平均耗皮量為2.19 mm。天然橡膠樹(shù)的樹(shù)皮厚度和電動(dòng)膠刀切割樹(shù)皮的耗皮量見(jiàn)圖5。

3.3 切割時(shí)間

在本研究中，每株天然橡膠樹(shù)的電動(dòng)膠刀切割時(shí)間與割線長(zhǎng)度成正比，平均每株橡膠樹(shù)的切割時(shí)間為13 s。天然橡膠樹(shù)的電動(dòng)膠刀切割時(shí)間見(jiàn)圖6。

3.4 切割電流

電動(dòng)膠刀切割實(shí)測(cè)試驗(yàn)中的電流包括空載電流、負(fù)載最小電流、負(fù)載最大電流、負(fù)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(fù)載最大電流和最小電流受負(fù)載影響而有波動(dòng)，總體較穩(wěn)定。在試驗(yàn)過(guò)程中，待機(jī)電流為0.029 A，最大負(fù)載電流不超過(guò)2 A。電動(dòng)膠刀切割實(shí)測(cè)試驗(yàn)中的電流見(jiàn)圖7。

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

4 結(jié)論

（1）電動(dòng)膠刀切割樹(shù)皮的平均耗皮量為2.19 mm，對(duì)樹(shù)皮切割能夠達(dá)到毫米級(jí)控制。（2）樹(shù)齡30年以上、1/2割線的天然橡膠樹(shù)，平均每株的切割時(shí)間是13 s，達(dá)到了預(yù)期的切割效率。（3）電動(dòng)膠刀在切割過(guò)程中，平均空載電流、負(fù)載最小電流、負(fù)載最大電流、負(fù)載平均電流分別為0.64、0.88、1.64、1.29 A，驗(yàn)證了電動(dòng)膠刀傳動(dòng)裝置樣機(jī)的設(shè)計(jì)。

本研究驗(yàn)證了4GXJ-1型便攜式電動(dòng)膠刀關(guān)鍵部件技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，4GXJ-1型便攜式電動(dòng)膠刀具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。同時(shí)，本研究將為便攜式電動(dòng)膠刀下一步的優(yōu)化改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。

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收稿日期：2018-09-05

基金項(xiàng)目：中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（編號(hào)：1630022018011）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2016YFD0701500）。

作者簡(jiǎn)介：黃 敞（1985—），男，廣西柳州人，助理研究員，主要研究方向?yàn)橄鹉z機(jī)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?yàn)橄鹉z機(jī)械化與信息化。E-mail：zishi-010@163.com。