4GXJ 型電動割膠刀在天然橡膠收獲中的應(yīng)用研究

陳娃容，鄧祥豐，王玲玲，張以山*

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，?？?71101；2.國家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心機械分中心，?？?71101）

2018 年，我國橡膠樹種植面積多達(dá)114.67 萬hm2，植膠面積和投產(chǎn)面積世界排名第三，僅次于印度尼西亞和泰國。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)持續(xù)性快速增長，對天然橡膠的需求也相應(yīng)呈現(xiàn)擴大勢頭。目前，我國在世界天然橡膠市場上仍舊保持著第一大進(jìn)口國和消費國地位，2018 年的天然橡膠消費量已達(dá)到560 多萬t，但自給率卻從20 世紀(jì)90年代的50%快速下降到如今的20%，對外存在著很強的依存度；并且天然橡膠的供應(yīng)渠道單一，以及各種不定向因素的疊加，給國內(nèi)天然橡膠供給帶來嚴(yán)重的安全隱患［1］。如何保障國內(nèi)天然橡膠的自身供應(yīng)水平與減小對外的依存度，成為該產(chǎn)業(yè)當(dāng)前面臨的重大難題。

隨著我國城鎮(zhèn)化與工業(yè)化改革速度的加快，勞動力成本不斷提升，給天然橡膠產(chǎn)業(yè)帶來用工難、用工成本高等問題，讓植膠整體效益明顯下滑。同時，受到橡膠價格“天花板”與勞動成本“地板”的雙重擠壓，膠工的割膠積極性嚴(yán)重受挫，出現(xiàn)棄割、棄管、改種等現(xiàn)象，導(dǎo)致天然橡膠種植業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)萎縮。因此，針對天然橡膠種植環(huán)境的特點和高強度勞動作業(yè)的需求，對于割膠機械應(yīng)用的呼聲也越來越高。割膠機械研發(fā)成為產(chǎn)業(yè)迫切需求，加速替代人工割膠的機械化采膠技術(shù)和裝備的研發(fā)與推廣，有助于逐步擺脫對傳統(tǒng)割膠的技術(shù)依賴性。目前，以便攜式電動割膠刀的應(yīng)用最為廣泛，融合了農(nóng)機與農(nóng)藝的技術(shù)要求，可根據(jù)樹皮厚度來調(diào)節(jié)割膠深淺，從而提高了割膠效率與降低割膠難度。本文從4GXJ型電動割膠刀的研發(fā)背景出發(fā)，比較其與傳統(tǒng)割膠刀的差異和優(yōu)勢，以及在天然橡膠收獲中的應(yīng)用效果，并提出在應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)建議，為電動割膠刀后續(xù)的優(yōu)化提供參考。

1 4GXJ 型電動割膠刀研發(fā)背景

青壯膠工人員流失，膠工的割膠積極性不高，多數(shù)更愿進(jìn)城務(wù)工。究其原因：第一，由于割膠作業(yè)收入不高且辛苦繁瑣，年輕的一輩都不愿從事該項勞動生產(chǎn)，導(dǎo)致隊伍斷層現(xiàn)象較為明顯，膠工群體老齡化嚴(yán)重；第二，采膠工具落后，多以傳統(tǒng)的割膠刀為主，技術(shù)性要求較高，培訓(xùn)時間長，導(dǎo)致勞動強度大，消耗大量勞動力資源，影響割膠效率；第三，受到國際環(huán)境影響，膠價長時期低迷，收入大幅降低，難以維持生計。由此也導(dǎo)致了橡膠園出現(xiàn)棄割、棄管現(xiàn)象，一些橡膠林還遭到砍伐，被改種其他經(jīng)濟(jì)效益高的農(nóng)作物，造成橡膠產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)重?fù)p失。一棵橡膠樹從育苗、種植再到開割需要花費好幾年的時間，開割的頭兩年產(chǎn)量并不高，加之有膠不割、砍樹毀膠問題日益嚴(yán)峻，增加了時間成本。當(dāng)下膠工老齡化及勞動力短缺迫使割膠成本上升，已然形成制約天然橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸，迫切需要研發(fā)采膠機械來提高產(chǎn)出效益。

2017 年，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所研發(fā)了我國第一代4GXJ-1 型電動割膠刀，并小批量試產(chǎn)和上市，之后又在原先的基礎(chǔ)上對電動割膠刀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化升級，推出第二代4GXJ-2 型電動割膠刀。該系列型號的電動割膠刀先后獲得國家重點專項、院本級基本業(yè)務(wù)費等項目的資助。

2 4GXJ 型電動割膠刀的特點和優(yōu)勢

4GXJ 型電動割膠刀如圖1 所示，由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所曹建華團(tuán)隊研發(fā)［4-7］，自推出起受到國內(nèi)外膠農(nóng)熱議和廣泛關(guān)注。4GXJ型電動割膠刀，在動力上由人力驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏︱?qū)動，能夠讓膠工的勞動強度降低一半；在割膠效果上，對割膠深度和耗皮厚度實現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)“傻瓜”式的操作效果；在割膠效率上，提升了10%～30%，并將新膠工的培訓(xùn)時間縮短至原來的一半，大大降低了培訓(xùn)成本。盡管在操作時仍需要人工輔助，但在一定程度上能夠緩解勞動強度，簡化了割膠技術(shù)的難度，為采膠作業(yè)實現(xiàn)機械化帶來技術(shù)性的變革。

圖1 4GXJ型電動割膠刀

4GXJ 型電動割膠刀具有如下性能特點：

（1）適用性強：對稱刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計，可滿足陰陽刀、高低線割膠需求；可開水線、新割線；可推割和拉割。

（2）輕便舒適：人機工程學(xué)設(shè)計，主體重量≤370 g、4 000 Ah 電池重量≤430 g。

（3）效果良好：老膠線不纏刀；下收刀夠深、整齊，割線平順；切割樹皮均為有效皮，呈片狀，無樹皮碎屑污染膠水。

（4）減少傷樹：割膠深度和厚度由機械控制并可調(diào)節(jié)，可有效減少人為操作不當(dāng)特別是新膠工的傷樹。

（5）無級調(diào)速：根據(jù)樹齡、割制、耗皮量不同需求，可選擇合適動力轉(zhuǎn)速。

（6）培訓(xùn)節(jié)本：操作簡單易學(xué)，新膠工經(jīng)3～5 d 培訓(xùn)即可上崗，節(jié)約培訓(xùn)時間和培訓(xùn)成本2/3。

（7）省工高效：割膠前基本不用手撕老膠線，一鍵式操作，熟練使用后6～10 s 完成單株割膠作業(yè)。熟練使用，單株割膠效率提升60%～80%，整體割膠效率提升20%～30%。

（8）續(xù)航力強：進(jìn)口電芯，電池性能穩(wěn)定、續(xù)航能力強；4 000 mAh 容量，滿電可完成700 株以上膠樹割膠。即使電力用完，可秒變傳統(tǒng)刀，不影響割膠。

（9）功能模塊化：整機按功能模塊化設(shè)計，大大降低了維修技術(shù)難度。一個模塊損壞可快速拆卸更換，大幅節(jié)約維修成本與時間

（10）降低“雙難”：降低割膠技術(shù)難度和膠工勞動強度60%，割膠作業(yè)由“專業(yè)依賴型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按蟊娖者m型”，割膠不再完全依賴壯年技術(shù)膠工，可有效拓展膠工來源。

對比傳統(tǒng)割膠刀，無論是購買費用、勞動強度、割膠效率、割面效果，還是在割膠技術(shù)難度等方面，電動割膠刀都具有不少的差異，兩者性能比較如表1 所示。

根據(jù)表1 的各項參數(shù)指標(biāo)比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)割膠刀與4GXJ 型電動割膠刀存在的較大差異具體包括：

表1 傳統(tǒng)割膠刀與4GXJ型電動割膠刀的性能比較分析［2］

（1）從膠刀重量方面來看，兩者在結(jié)構(gòu)上都較為巧輕便攜，在環(huán)境復(fù)雜的橡膠林間使用具有很大機動性。電動割膠刀由于配有電池、電機等動力部分，總體的重量與傳統(tǒng)割膠刀相比要大些，但由于電池可懸掛于腰間，因此也減輕了手部的重量。而且在割膠時由于膠刀本身具有一定的質(zhì)量，受到電機振動影響較小，這也加強了割膠的穩(wěn)定性與平順性。

（2）從膠刀性能方面來看，電動割膠刀由于耗皮量和割膠深度能夠由膠刀上的機械結(jié)構(gòu)來進(jìn)行調(diào)控和限制，因此在技術(shù)上對膠工的要求較低，可減小勞動強度與提高工作效率，極大的縮短新膠工培訓(xùn)時間，對于成本投入的節(jié)約效果顯著。和傳統(tǒng)的割膠刀相比，在同樣的勞動強度和割膠時間內(nèi)，電動割膠刀所割膠樹將會更多。

（3）從膠刀采膠效果方面來看，根據(jù)《橡膠樹割膠技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求［3］，4GXJ型電動割膠刀與傳統(tǒng)割膠刀在耗皮量、割膠深度、膠水產(chǎn)量、膠水清潔度、割面平滑度等效果上基本一致，并且優(yōu)勢突出。但是，由于橡膠樹的樹皮厚度不均與粗細(xì)不同，在割膠過程中對深度不容易準(zhǔn)確把控，導(dǎo)致割膠深度不夠或過深傷樹，產(chǎn)量由此受到影響，這些也是目前電動割膠刀存在的共性問題。

（4）從膠刀成本費用方面來看，受到電動割膠刀的配件影響，比如動力控制部件、傳動結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和零件的加工精度要求等因素，導(dǎo)致購買成本比傳統(tǒng)膠刀高出不少，但從培訓(xùn)新膠工的角度來分析，節(jié)約的成本也足夠抵上一部電動割膠刀的購買費用。同時，在作業(yè)過程中花費同等的時間或消耗同等的勞動力情況下，一名經(jīng)驗豐富的膠工可增加20%～30%的割膠面積，也伴隨著耗皮量的減少、傷樹率的降低與磨刀時間的縮短，這些增效帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)割膠刀。

綜上，便攜式電動采膠刀具有廣闊的發(fā)展前景，也是由傳統(tǒng)割膠方式向自動采膠方式發(fā)展的銜接與過渡，只要將目前電動割膠刀存在的割深、仿形等問題解決好，那么應(yīng)用在自動采膠技術(shù)上將會取得巨大突破。

3 4GXJ 型電動割膠刀的應(yīng)用及效果

4GXJ 型電動割膠刀由于傳動零件較多，使得整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且對零件加工和裝配的精度、材料的耐磨性等方面都有一定要求。但其切割方式和作業(yè)功能都與傳統(tǒng)割膠刀無明顯差異，在人工的輔助下可以完成傳統(tǒng)的割膠技術(shù)要求；切下的樹皮均為有效皮，并且乳膠正常排出無污染；行刀過程中不僅有效減少對割線的擠壓，而且還讓起收刀夠深、夠整齊，即使刀片出現(xiàn)停頓的情況也不會影響到割面的平滑度，保障了排膠的流暢與產(chǎn)量。同時，電動割膠刀的設(shè)計也能夠?qū)⒗夏z線連同樹皮一起切割下來，解決了老膠線纏繞刀片的問題，大幅提升了割膠效率。

4GXJ 系列電動割膠刀通過限位導(dǎo)向器與割膠刀片的配合，實現(xiàn)了對割膠深度和耗皮厚度的毫米級控制［8］。相比傳統(tǒng)割膠刀只能依靠生產(chǎn)經(jīng)驗和操作手感來控制，4GXJ 型電動割膠刀只要按照其技術(shù)要求正常使用，就能夠達(dá)到幾乎不傷樹的效果，可以與使用傳統(tǒng)割膠刀的一級膠工相媲美，從而有效減少了人為因素造成的傷樹影響。4GXJ 型電動割膠刀也能夠在一定程度上仿照傳統(tǒng)膠刀的作業(yè)模式，達(dá)到預(yù)期割膠效果。而且該款電動割膠刀的設(shè)計理念為一鍵式的“傻瓜”操作，這樣能降低膠工的勞動強度與割膠培訓(xùn)的技術(shù)難度，極大的提升整體割膠效率，單株割膠效率可提升60%～80%。通過大田試驗評估發(fā)現(xiàn)，該款電動割膠刀在傷樹率、耗皮量、膠水清潔度、割面平滑度等方面都與傳統(tǒng)割膠刀無明顯差異［9］。

目前4GXJ 系列電動割膠刀已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的批量生產(chǎn)，并在世界上的主要產(chǎn)膠國進(jìn)行推廣和應(yīng)用，一定程度上緩解了當(dāng)前割膠機械化低、產(chǎn)業(yè)膠工短缺的世界性難題。

4 電動割膠刀存在的不足與建議

（1）機械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化。4GXJ 型電動割膠刀存在機械傳動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對關(guān)鍵零部件的加工精度和材料耐磨性要求高的問題，而且樹皮厚度不均與樹干粗細(xì)不一，造成限位導(dǎo)向器難以對限深的一致性得到滿足，還是會出現(xiàn)割傷樹的現(xiàn)象。所以，尚需做進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化，來提升割膠效果和使用性能。

（2）結(jié)合實踐生產(chǎn)經(jīng)驗提升使用性能。便攜式電動割膠刀的制造加工目前尚無成熟的生產(chǎn)工藝路線可供參考，在樹干外沿的仿形、割膠深度和耗皮厚度的準(zhǔn)確控制、主要零件的制造工藝、生產(chǎn)與維護(hù)的成本花費等方面，仍需通過與大田的生產(chǎn)實踐相結(jié)合來不斷深入優(yōu)化。

（3）使用習(xí)慣的調(diào)整與改變。傳統(tǒng)割膠刀使用歷史較為悠久，多數(shù)膠工的使用習(xí)慣也都根深蒂固，在使用電動割膠刀時難免會出現(xiàn)行動笨拙、不適應(yīng)等現(xiàn)象。因此，有必要對膠工的技術(shù)加強培訓(xùn)與指導(dǎo)，這樣也有利于電動割膠刀的推廣使用。但是，要進(jìn)行市場化并逐步替代傳統(tǒng)割膠刀成為膠工生產(chǎn)作業(yè)的主要工具，還需要不斷的努力。

（4）農(nóng)藝與農(nóng)機融合程度不夠。目前市場上出現(xiàn)的便攜式電動割膠刀由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)與農(nóng)藝的結(jié)合深度不足，導(dǎo)致割膠的效果達(dá)不到預(yù)期要求，難以實現(xiàn)目前傳統(tǒng)采膠標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范要求。故需要從生產(chǎn)實際出發(fā)，以膠工的需求為導(dǎo)向，來加強電動割膠刀在農(nóng)藝方面的融合，同時也需要修訂相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能加快電動割膠刀的推廣應(yīng)用。