農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王玲玲 陳娃容 吳思浩 黃敞 鄭勇 黎土煜

摘要：割膠是橡膠樹收獲膠乳的重要途徑，便攜式機(jī)械化割膠是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和節(jié)本增效的途徑之一。為進(jìn)一步提高機(jī)械割膠效果，根據(jù)采膠生理特殊性、割膠工況復(fù)雜多變性、橡膠樹收獲物膠乳黏彈特性、橡膠樹生長(zhǎng)差異性、割膠形式多樣性等農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合問題對(duì)割膠機(jī)械的設(shè)計(jì)需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)便攜式電動(dòng)割膠裝備的切割刀片、電子調(diào)速器、導(dǎo)向器等零部件。優(yōu)化結(jié)果表明：采用刃高≥10 mm的刀片割膠，可以輕松切斷舊膠線；電子調(diào)速器在電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 201～8 459 r/min區(qū)間調(diào)速時(shí)，靈敏度高，單次割膠軌跡連續(xù)平穩(wěn)；導(dǎo)向器形狀從“L”型優(yōu)化為“T”型，減少舊膠線對(duì)割膠機(jī)械的干預(yù)。優(yōu)化后的技術(shù)，提高便攜式割膠機(jī)械對(duì)割膠農(nóng)藝的適應(yīng)性，降低操作技術(shù)難度和單株割膠時(shí)間，膠工更容易快速掌握。

關(guān)鍵詞：機(jī)械割膠；橡膠樹；農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合；導(dǎo)向器；電子調(diào)速器

中圖分類號(hào)：S794.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 05-0022-07

收稿日期：2022年6月6日? 修回日期：2023年1月27日*基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFD1000600）；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（522RC788）

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)。E-mail：? zishi-010@163.com

通訊作者：鄭勇，男，1984年生，湖南祁陽(yáng)人，副研究員；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化與自動(dòng)控制。E-mail：? zhengyong07@163.com

Optimal design and application of high-efficiency rubber tapping technology

based on the integration of agricultural machinery and agronomy

Wang Lingling1， 2， Chen Warong1， 2， Wu Sihao1， 2， Huang Chang1， 2， Zheng Yong1， 2， Li Tuyu1， 2

（1. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， 571101， China; 2. Mechanical

Sub-center of National Important Tropical Crops Engineering Technology Research Center， Haikou， 571101， China）

Abstract：

Rubber tapping is an important way to harvest latex from rubber trees， and handheld mechanical rubber tapping is one of the ways to upgrade the industry and improve efficiency. In order to further improve the mechanical rubber tapping effect， cutting blade， electronic governor， guide of rubber tapping equipment were optimized and designed according to the design requirements of rubber cutting machinery caused by the particularity of rubber tapping physiology， the complexity and flexibility of rubber tapping condition， the viscous-elastic behaviour of rubber latex， the diversity of tapping methods and other problems. The optimization results demonstrated that a blade with a height of at least 10 mm could be used to readily cut off the old rubber line. The electronic governor exhibited great sensitivity and a continuous and consistent single cutting track while the motor speed was between 3 201 r/min and 8 459 r/min. The shape of guide was optimized from “L” to “T” to reduce old rubber line intervening rubber tapping machinery. Improved method would reduce cutting time and technical complexity， make rubber tapping more accessible to novices， and increase the flexibility of both mechanized and handheld rubber tapping equipment to agronomic method.

Keywords：

rubber mechanical tapping; rubber tree; integration of agricultural machinery and agronomy; guide; electronic governor

0 引言

我國(guó)植膠業(yè)從20世紀(jì)70年代開始，是世界上首個(gè)在北緯18°～24°范圍內(nèi)大面積植膠成功的國(guó)家，主要種植在熱帶丘陵山區(qū)。割膠是橡膠樹獲取膠乳的唯一途徑，是通過割破橡膠樹皮里的乳管獲得天然橡膠。割膠作業(yè)工藝是橡膠樹收獲環(huán)節(jié)的重要技術(shù)［1］，目前仍沿用傳統(tǒng)割膠工藝，使用小圓口推刀或拉刀割膠，陽(yáng)刀割線（↓）自左上方向右下方傾斜25°～30°，陰刀割線（↑）自左上方向右下方傾斜40°～45°，割膠深度約0.18 cm［2， 3］，要求深度均勻、割線順直、下收刀整齊、膠水清潔，技術(shù)難度高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低［4］，割膠成本占生產(chǎn)成本的60%以上，目前技術(shù)膠工短缺、老齡化嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)面臨棄管棄割和用工荒雙重壓力。近年來，手持式電動(dòng)割膠機(jī)械實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)和小規(guī)模推廣應(yīng)用，鄭勇等［5］研究了電動(dòng)膠刀和傳統(tǒng)推刀割膠對(duì)割膠和產(chǎn)膠特性影響，觀測(cè)和比較了排膠初速度、干膠產(chǎn)量、耗皮量、灰分含量、傷樹率等重要膠乳特性參數(shù)，結(jié)果表明，電動(dòng)膠刀采膠較傳統(tǒng)推刀有明顯優(yōu)勢(shì)，割膠效果優(yōu)于現(xiàn)有采膠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，與傳統(tǒng)小圓口推刀或拉刀相比，手持式割膠機(jī)械大幅度減小了割膠技術(shù)難度，提升割膠效率30%～40%，降低勞動(dòng)強(qiáng)度60%，新膠工培訓(xùn)時(shí)間縮短1/2以上［6， 7］。手持式割膠機(jī)械的廣泛推廣應(yīng)用，對(duì)天然橡膠產(chǎn)業(yè)升級(jí)和節(jié)本增效具有積極的推動(dòng)作用。本文圍繞割膠農(nóng)藝中存在采膠生理特殊性、割膠工況復(fù)雜多變性、橡膠樹收獲物膠乳黏彈特性、橡膠樹生長(zhǎng)差異性、割膠形式多樣性等問題，研究探索農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)便攜式電動(dòng)割膠裝備的切割刀片、電子調(diào)速器、導(dǎo)向器等零部件，重點(diǎn)解決舊膠線干預(yù)機(jī)械割膠、單次割膠的機(jī)械切割軌跡平穩(wěn)、關(guān)鍵部件穩(wěn)定可靠等問題，以提高便攜式割膠機(jī)械對(duì)割膠農(nóng)藝技術(shù)的適應(yīng)性，同時(shí)讓膠工更易快速掌握機(jī)械割膠技術(shù)。

1 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)需求

1.1 采膠生理特殊性及技術(shù)需求

在天然橡膠生產(chǎn)中，樹皮的乳管列數(shù)目與膠乳產(chǎn)量密切相關(guān)，樹皮中的次生乳管列數(shù)目與天然橡膠產(chǎn)量高度相關(guān)［8］。橡膠樹乳管細(xì)胞內(nèi)膨壓很大，壓力數(shù)值高達(dá)1～1.4 MPa，相當(dāng)于10～14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，樹皮的機(jī)械組織在保持挺立和外來力量的侵襲中起到支撐和保護(hù)的作用。橡膠樹皮較硬，結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次是粗皮、砂皮外層、砂皮內(nèi)層、黃皮和水囊皮5個(gè)層次，其中水囊皮的厚度小于1 mm［9］，橡膠樹產(chǎn)生膠乳的乳管主要集中在黃皮，割膠作業(yè)時(shí)需要割破黃皮，但同時(shí)要求避免損傷水囊皮而造成傷樹。橡膠樹皮較硬、割膠困難、膠刀耗費(fèi)大，推測(cè)與樹皮中石細(xì)胞分布密集、石細(xì)胞壁木質(zhì)化加厚程度有關(guān)［10］。割膠作業(yè)中，因產(chǎn)膠乳管接近木質(zhì)部（產(chǎn)膠范圍僅3～4 mm），割淺無膠、割深傷樹。橡膠樹是長(zhǎng)周期作物，割膠時(shí)要求不能傷及母株形成層、每刀次耗皮量1.1～1.3 mm［2， 3］，要求割膠機(jī)械的切割模塊在割膠作業(yè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)精準(zhǔn)控制。

1.2 割膠工況復(fù)雜多變性及技術(shù)需求

橡膠種植園多分布在熱帶丘陵山區(qū)，地形差異大，且丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展滯后，農(nóng)機(jī)化技術(shù)服務(wù)水平低。橡膠樹干生長(zhǎng)不均勻，即使是同一個(gè)樹干，樹皮厚度也不均勻，割膠作業(yè)時(shí)易造成傷樹。使用傳統(tǒng)人力割膠工具，需要通過人工控制單次割膠的切割軌跡，割膠技術(shù)難度較大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。單次割膠作業(yè)時(shí)，要求割膠深度均勻、割線順直、下收刀整齊［2， 3］，這對(duì)割膠機(jī)械仿形設(shè)計(jì)提出了很高的要求。良好的仿形設(shè)計(jì)，能夠降低割膠技術(shù)難度，實(shí)現(xiàn)不需要人工控制刀片單次的切割軌跡，減少對(duì)橡膠樹皮結(jié)構(gòu)的水囊皮的傷害，提高割膠質(zhì)量。

1.3 橡膠樹收獲物膠乳黏彈特性及技術(shù)需求

橡膠樹收獲物膠乳為液體，生理特性包括膠乳中蔗糖含量、硫醇含量、無機(jī)磷含量、鎂離子含量等，生理參數(shù)與干膠產(chǎn)量、排膠初速度存在相關(guān)性［11］。膠乳的主要成分是聚異戊二烯，約占91%～94%［12］，直接烘干的天然橡膠純膠硫化膠物理性能包括：100%定伸應(yīng)力為0.8 MPa、300%定伸應(yīng)力為2.0 MPa、邵爾A型硬度為45°、拉伸強(qiáng)度為23.0 MPa、拉斷永久變形為17%、拉伸伸長(zhǎng)率為694%［12］。液態(tài)膠乳易粘連、易外流、易污染，割膠作業(yè)后留下的舊膠線彈性大，因此，割膠作業(yè)前需要手撕舊膠線，割膠作業(yè)時(shí)要求割出的樹皮呈片狀，不污染膠水。設(shè)計(jì)割膠機(jī)械時(shí)，應(yīng)盡量避免舊膠線纏刀，要求切割出的樹皮避免產(chǎn)生碎屑。

1.4 橡膠樹生長(zhǎng)差異性、割膠形式多樣性及技術(shù)需求

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［13］。橡膠樹品系繁多，有RRIM600、熱研7-33-97、熱研8-79、熱研88-13、PR107、熱試品系等，不同品系產(chǎn)膠能力及生理特性有差異，胡欣欣等［14］研究的熱試662、熱試419、熱試647、熱試9359、熱試451、RRIM600、PR107等7個(gè)品系中，樹皮中的次生乳管列數(shù)目與樹皮總厚度的比值呈正相關(guān)。橡膠樹的不同樹齡會(huì)對(duì)新鮮膠乳組分、理化性能和橡膠制品性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響［13］，樹圍和樹皮也會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而生長(zhǎng)。橡膠樹喜歡高溫高濕的生長(zhǎng)環(huán)境，但不耐寒，在溫度5 ℃以下即受凍害，季節(jié)、物候的不同，會(huì)對(duì)膠乳的成分和性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響［13］。根據(jù)膠工割膠習(xí)慣和生產(chǎn)需要，橡膠樹割膠形式多樣，包括新開割線、水線，高低線割線、陰陽(yáng)刀割膠、推割或拉割，工具的優(yōu)劣程度、膠工使用割膠工具的熟練水平，都會(huì)影響橡膠樹的產(chǎn)量和健康狀況［15］。要求割膠機(jī)械能夠連續(xù)調(diào)節(jié)割膠深度、耗皮量，能夠滿足生產(chǎn)上的差異化需求，且具有廣適性。

2 高效割膠技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

便攜式割膠裝備的研發(fā)與應(yīng)用，符合膠工割膠習(xí)慣和生產(chǎn)需要，滿足不同橡膠品系、樹齡和割制的需求，實(shí)現(xiàn)了割膠深度和耗皮厚度精準(zhǔn)控制、對(duì)復(fù)雜樹干形狀的仿形，解決了銑削模式割皮碎屑污染膠液的難題，大幅度減小了割膠技術(shù)難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了割膠效率。當(dāng)前研發(fā)的4GXJ系列便攜式電動(dòng)割膠裝備，是世界割膠工具的一次變革，突破了電動(dòng)割膠裝置高精度切割深度控制、低損仿形切割、低振作業(yè)及高可靠性、多用途廣適性切割等關(guān)鍵技術(shù)［16］，雖然相對(duì)于傳統(tǒng)推拉式手工膠刀具有傷樹少、培訓(xùn)時(shí)間短、易掌握、大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度與技術(shù)難度等優(yōu)點(diǎn)，但由于橡膠樹具有采膠生理特殊、割膠工況復(fù)雜多變、收獲物膠乳黏彈特性、生長(zhǎng)差異性、割膠形式多樣性等特點(diǎn)，割膠農(nóng)藝技術(shù)差異大，便攜式電動(dòng)割膠裝備的使用仍具有局限性。本文圍繞農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)理論，重點(diǎn)解決舊膠線干預(yù)機(jī)械割膠、單次割膠的機(jī)械切割軌跡平穩(wěn)、關(guān)鍵部件穩(wěn)定可靠等問題，對(duì)便攜式割膠裝備的刀片、電子調(diào)速器、導(dǎo)向器等零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 刀片優(yōu)化設(shè)計(jì)

便攜式機(jī)械割膠裝備刀片的刃高越高，加工工藝技術(shù)難度越大，材料和加工成本也會(huì)隨之增加。本研究在刀片刃高為6 mm的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不改變刀片材質(zhì)、刀片刃角等參數(shù)，采用小圓桿一次成型，刀片立刃與水平刃夾角85°，刀片材料配比硬度超過55°，耐磨性和鋒利度高，原生皮可使用10 000刀次、再生皮可使用5 000刀次以上才修磨。本文選用刃高分別為6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm的刀片進(jìn)行切割效果比較與優(yōu)化，如圖1所示。

試驗(yàn)方法：由4GXJ-2便攜式電動(dòng)割膠裝備主機(jī)及配套電池、優(yōu)化設(shè)計(jì)的五種刃高刀片、皮尺、具有老膠線的開割橡膠樹共同組成試驗(yàn)系統(tǒng)。以20行×40行橡膠林為試驗(yàn)對(duì)象，在林場(chǎng)剔除補(bǔ)種、生病、直徑小于600 mm、沒有舊膠線的橡膠樹，機(jī)選30株樣樹（每種刃高刀片切割4株試驗(yàn)樣樹，取舊膠線切出率的平均值），開展舊膠線切割試驗(yàn)。將刀片安裝在4GXJ-2便攜式電動(dòng)割膠裝備主機(jī)上，對(duì)選擇的橡膠樹樣本進(jìn)行割膠，使用皮尺分別測(cè)量割線長(zhǎng)度（舊膠線長(zhǎng)度）、切出的舊膠線長(zhǎng)度，并計(jì)算舊膠線切出率（舊膠線切出率=舊膠線長(zhǎng)度/割線長(zhǎng)度）。使用優(yōu)化后的刀片切割舊膠線的試驗(yàn)如圖2所示。

研究結(jié)果表明：采用刃高≤8 mm的刀片割膠，能切出舊膠線，但舊膠線切出率低于60%，導(dǎo)致舊膠線易纏刀，干涉割膠軌跡，割膠前需要手撕舊膠線；采用刃高≥10 mm的刀片割膠，可以輕松切斷舊膠線，且舊膠線切出率達(dá)95%以上，割膠前不需手撕舊割膠，提高了割膠效率。不同刃高刀片與舊膠線切出率變化曲線如圖3所示，采用刃高10 mm的刀片單刀次切割出的舊膠線如圖4所示。

2.2 電子調(diào)速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

電子調(diào)速器旋鈕與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線越接近趨勢(shì)線，說明電機(jī)工作的連續(xù)性與穩(wěn)定性就會(huì)越好。本研究采用的電子調(diào)速器，是基于PI控制技術(shù)理論，采用霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)實(shí)時(shí)速度，通過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)械切割部件，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的［17］。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，電機(jī)運(yùn)動(dòng)涉及電機(jī)參數(shù)變化、運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)能不確定因素，需要通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練，優(yōu)化改進(jìn)電機(jī)參數(shù)變化與非線性干擾［18］。

試驗(yàn)方法：由TBS1102型示波器、HSP-6015型可編程直流電源、優(yōu)化前電子調(diào)速器、優(yōu)化后電子調(diào)速器、電位器旋鈕表盤、外轉(zhuǎn)子電機(jī)共同組成試驗(yàn)系統(tǒng)?？删幊讨绷麟娫吹妮敵鲭妷?、電流分別為12 V、5 A，為電子調(diào)速器供電；將電位器旋鈕表盤圓周進(jìn)行等分，共分成60格，通過旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕表盤旋鈕，調(diào)節(jié)外轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)速，外轉(zhuǎn)子電子可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍為0～10 000 r/min；采用示波器測(cè)量空載條件下外轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

研究結(jié)果表明：優(yōu)化前的電子調(diào)速器，從電子調(diào)速器旋鈕的開始端計(jì)算，旋鈕在0～4格時(shí)，電機(jī)無法啟動(dòng)；旋鈕在第5格時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為3 072 r/min；旋鈕在5～23格時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)變化速度快，旋鈕23格時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速達(dá)到8 041 r/min；旋鈕在24～59格時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)變化較平緩，變化不大；旋鈕在末端時(shí)，位于第59格，此時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為9 452 r/min，為電機(jī)工作的最大轉(zhuǎn)速。優(yōu)化前的電子調(diào)速器調(diào)速曲線為拋物線，調(diào)速連續(xù)性差，影響割膠的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的電子調(diào)速器，從電子調(diào)速器旋鈕的開始端計(jì)算，旋鈕在0～4格時(shí)，電機(jī)無法啟動(dòng)；旋鈕在第5格時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為3 201 r/min；旋鈕在5～43格時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)變化較明顯，接近線性曲線，旋鈕43格時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速達(dá)到8 459 r/min；旋鈕在44～59格時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)變化較平緩，變化不大；旋鈕在末端時(shí)，位于第59格，此時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為9 447 r/min，為電機(jī)工作的最大轉(zhuǎn)速。

優(yōu)化后的電子調(diào)速器，在割膠作業(yè)中，旋鈕在5～43格間轉(zhuǎn)動(dòng)，可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行連續(xù)近線性化控制，割膠軌跡較平穩(wěn)，能夠較好地控制便攜式割膠裝備的切割部件單次的切割軌跡，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量割膠。優(yōu)化后的電子調(diào)速器調(diào)速曲線接近線性趨勢(shì)線y=135.42x+2 370.8。優(yōu)化前后的電子調(diào)速器曲線對(duì)比如圖5所示。

2.3 導(dǎo)向器優(yōu)化設(shè)計(jì)

導(dǎo)向器用于連接便攜式電動(dòng)割膠裝備的斜度裝配體上的連接處，并向橡膠樹干割面外周面的切線方向延伸，與切割刀片的端刃部平行適配，導(dǎo)向器左右對(duì)稱安裝于斜度裝配體的左右兩側(cè)，與切割刀片配合使用。導(dǎo)向器工作示意如圖6所示。

現(xiàn)有的便攜式電動(dòng)割膠裝備的導(dǎo)向器采用“L型”設(shè)計(jì)，通常僅為設(shè)置于切割刀片刃部前側(cè)的一個(gè)單純的遮擋結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)向器與切割刀片之間存在缺口，配合使用時(shí)形成非封閉式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致割膠時(shí)不能完全割斷粘連于樹干內(nèi)側(cè)的膠線，單次完成割膠軌跡后，仍需要人工清理，降低了割膠效率。同時(shí)，由于限于現(xiàn)有導(dǎo)向器的自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其與樹干間僅依靠導(dǎo)向器的尾部頂點(diǎn)進(jìn)行接觸，完成單次割膠軌跡后，導(dǎo)向器與樹干間的接觸軌跡為一條線，導(dǎo)向器的支撐面極小，膠工割膠時(shí)，若用力向樹干內(nèi)側(cè)擠壓割膠裝備時(shí)，易造成樹干損傷，降低了便攜式電動(dòng)割膠裝備的工作穩(wěn)定性，增加了膠工操作難度，導(dǎo)致膠工不容易快速掌握便攜式電動(dòng)割膠裝備的操作技術(shù)。

本文采用應(yīng)力和應(yīng)變成線性關(guān)系的普通碳鋼為材料，仿割面樹干內(nèi)切口標(biāo)準(zhǔn)型切割軌跡，優(yōu)化設(shè)計(jì)了限位導(dǎo)向器。導(dǎo)向器在割膠過程中，與割面和割線接觸受力會(huì)發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形而產(chǎn)生疲勞破壞，通過靜應(yīng)力分析確定導(dǎo)向器的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變，以掌握導(dǎo)向器受到的力學(xué)特性參數(shù)，驗(yàn)證導(dǎo)向器的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。本文通過SolidWorks軟件對(duì)導(dǎo)向器和斜度裝配體進(jìn)行三維建模，并定義零件的相關(guān)材料屬性，采用四面體網(wǎng)格劃分進(jìn)行分析，劃分網(wǎng)格后對(duì)導(dǎo)向器進(jìn)行相應(yīng)載荷與約束的邊界條件添加，以反映真實(shí)的割膠作業(yè)情況。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的限位導(dǎo)向器的靜應(yīng)變力的分析結(jié)果如圖7所示。導(dǎo)向器的最大變形量為0.06 mm，集中在導(dǎo)向器的直角轉(zhuǎn)彎處，相對(duì)于導(dǎo)向器的整體尺寸，可忽略不計(jì)。導(dǎo)向器的最大應(yīng)變量為0.29 mm，集中在導(dǎo)向器的末端，受到的最大應(yīng)力為147 MPa，集中在導(dǎo)向器的斜角轉(zhuǎn)彎處末端。導(dǎo)向器的材料選用普通碳鋼，其最大應(yīng)力為220 MPa，符合材料的強(qiáng)度要求，能夠在正常割膠作業(yè)操作過程中不會(huì)受到損壞。

導(dǎo)向器安裝在斜度裝配體上的靜應(yīng)變力的分析結(jié)果如圖8所示。斜度裝配體的最大形變量為0.04 mm，集中在斜度裝配體與導(dǎo)向器的連接處，相比較于斜度裝的整體尺寸，該變形量比較小，可進(jìn)行忽略不計(jì)。斜度裝配體的最大應(yīng)變量為2.8×10-4 mm，受到的最大應(yīng)力為41.6 MPa，均出現(xiàn)在斜度裝配體與導(dǎo)向器的連接處。安裝在斜度裝配體上的導(dǎo)向器的最大變形量為0.03 mm，集中在導(dǎo)向器的末端，相對(duì)于導(dǎo)向器的整體尺寸，可忽略不計(jì)。導(dǎo)向器的最大應(yīng)變量為2.10×10-4 mm，受到的最大應(yīng)力為31.2 MPa，均集中在導(dǎo)向器與斜度裝配體的連接處。斜度裝配體和導(dǎo)向器的材料均選用普通碳鋼，其最大應(yīng)力為220 MPa，符合材料的強(qiáng)度要求，能夠在正常割膠作業(yè)操作過程中不會(huì)受到損壞。

導(dǎo)向器形狀從“L”型優(yōu)化為“T”型，增大了導(dǎo)向器與切割刀片之間的空間，利于切出的樹皮、老膠線通過。導(dǎo)向器尾部面與樹干進(jìn)行接觸，完成單次割膠軌跡后，導(dǎo)向器與樹干間的接觸軌跡為一個(gè)面，減小對(duì)樹干的擠壓，不易造成傷樹，膠工容易快速掌握操作技術(shù)。

2.4 優(yōu)化前后整機(jī)割膠效果對(duì)比

將優(yōu)化后的切割刀片、電子調(diào)速器、導(dǎo)向器等關(guān)鍵部件，安裝到4GXJ-2便攜式電動(dòng)割膠裝備主機(jī)上，對(duì)具有老膠線的開割橡膠樹進(jìn)行割膠，與優(yōu)化前的整機(jī)割膠效果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的整機(jī)割膠整體效果優(yōu)于優(yōu)化前的整機(jī)。優(yōu)化后的整機(jī)割膠前不需手撕舊膠線，單株割膠時(shí)間較優(yōu)化前減少1～3 s；調(diào)速平穩(wěn)，割膠軌跡平穩(wěn)，不易傷樹；膠工技術(shù)培訓(xùn)比優(yōu)化前縮短約3天，膠工容易快速掌握。優(yōu)化前后整機(jī)參數(shù)與割膠效果對(duì)比如表1所示。

3 討論

割膠作業(yè)工藝是橡膠樹收獲環(huán)節(jié)的重要技術(shù)，目前生產(chǎn)上仍沿用傳統(tǒng)割膠工藝。當(dāng)前研發(fā)的4GXJ系列便攜電動(dòng)割膠裝備，已在中國(guó)、越南、泰國(guó)、柬埔寨等13個(gè)世界主要植膠國(guó)推廣應(yīng)用1萬余臺(tái)，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平［16］，使用該裝備進(jìn)行割膠作業(yè)時(shí)，仍參照傳統(tǒng)割膠工藝，省時(shí)、省力、高效，這與印度橡膠局的往復(fù)式電動(dòng)割膠刀［7］、云南的WSJD-1往復(fù)式電動(dòng)膠刀［19］均參照傳統(tǒng)割膠工藝進(jìn)行割膠作業(yè)，可以提高割膠效率、降低技術(shù)難度、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的研究結(jié)果一致，說明便攜式割膠裝備與技術(shù)是農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的橡膠樹高效割膠技術(shù)之一。

在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合需求方面，橡膠樹皮較硬，橡膠樹產(chǎn)膠乳管細(xì)胞內(nèi)膨壓數(shù)值高達(dá)1～1.4 MPa，接近木質(zhì)部，從農(nóng)藝上要求割膠機(jī)械在割膠作業(yè)時(shí)，每刀次耗皮量1.1～1.3 mm，不能損傷到厚度小于1 mm的水囊皮，割膠機(jī)械的切割模塊要達(dá)到毫米級(jí)精準(zhǔn)控制；膠園地形復(fù)雜，農(nóng)機(jī)化服務(wù)水平低，同時(shí)，橡膠樹生長(zhǎng)不均勻，割膠作業(yè)時(shí)，單次割膠的切割軌跡差異大，要求割膠機(jī)械具有較好的割膠樹干軌跡仿形裝置與技術(shù)，減少傷樹，確保割膠質(zhì)量；割出的液態(tài)膠乳易粘連、易外流、易污染，割膠作業(yè)后留下的舊膠線彈性大，要求割膠機(jī)械應(yīng)盡量避免受舊膠線的干擾，切出的樹皮避免產(chǎn)生碎屑，確保割膠作業(yè)順暢、不污染膠水；不同橡膠品系、樹齡、季候、割制條件下的橡膠樹生長(zhǎng)存在差異，結(jié)合膠工割膠習(xí)慣和生產(chǎn)需要，要求割膠機(jī)械能夠連續(xù)調(diào)節(jié)割膠深度、耗皮量，能夠完成新開割線、水線，高低線割線、陰陽(yáng)刀割膠、推割或拉割等多種形式的割膠方式，滿足生產(chǎn)上的差異化需求。

研究表明：便攜式割膠機(jī)械零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)在切割舊膠線、單次割膠的切割軌跡平穩(wěn)、減少傷樹、降低膠工割膠技術(shù)難度等方面能夠滿足農(nóng)藝對(duì)農(nóng)機(jī)的需求，但在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合需求和高效割膠技術(shù)優(yōu)化中存在的一些問題，有待進(jìn)一步研究。

1）? 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的有效融合，是農(nóng)業(yè)節(jié)本、提質(zhì)、增效的重要實(shí)現(xiàn)途徑，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)在小麥、玉米、高粱、大蒜、馬鈴薯、梨園等生產(chǎn)機(jī)械化中得到了較好應(yīng)用，為天然橡膠生產(chǎn)機(jī)械化農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合發(fā)展提供了共性技術(shù)路徑參考，包括制定技術(shù)研發(fā)與技術(shù)推廣方面的配套扶持政策、構(gòu)建高水平高效率產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)、加強(qiáng)技術(shù)示范與宣傳培訓(xùn)［20］等。天然橡膠生產(chǎn)機(jī)械化方面的農(nóng)機(jī)研發(fā)應(yīng)用較少，該方面農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)研究仍需加強(qiáng)。

2）? 因橡膠樹是長(zhǎng)周期作物，在選種、定值、管理方面的農(nóng)藝難以在短期內(nèi)更新，因此，本研究涉及的便攜式電動(dòng)割膠裝備零部件的優(yōu)化，均是根據(jù)橡膠樹割膠作業(yè)中割膠農(nóng)藝單向需求開展的，但在割膠機(jī)械研發(fā)與優(yōu)化過程中，農(nóng)機(jī)對(duì)農(nóng)藝也有需求，仍需進(jìn)一步研究。

3）? 便攜式電動(dòng)割膠裝備的割膠方式，仍參照傳統(tǒng)割膠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，割出的樹皮呈條狀，不污染膠水。優(yōu)化后的刀片刃高、電子調(diào)速器、導(dǎo)向器，能夠輕松切出舊膠線、切割的樹皮軌跡平穩(wěn)、不易傷樹，但對(duì)橡膠樹的收獲物膠乳的生理參數(shù)的影響還有待進(jìn)一步觀察和研究。

4）? 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，橡膠樹割膠農(nóng)藝技術(shù)也在不斷改進(jìn)，對(duì)割膠機(jī)械的需求也會(huì)改變和優(yōu)化，割膠機(jī)械開始向信息化、智能化方向發(fā)展，急需研究攻克便攜式電動(dòng)割膠裝備與固定式全自動(dòng)割膠機(jī)［21， 22］、移動(dòng)式全自動(dòng)割膠機(jī)［23， 24］等天然橡膠收獲裝備的共性高效農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)使用結(jié)果，仍需繼續(xù)研發(fā)優(yōu)化農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)與裝備，助力天然橡膠產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

4 結(jié)論

1）? 圍繞農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)理論，針對(duì)舊膠線干預(yù)機(jī)械割膠的問題，將刀片刃高從6 mm優(yōu)化到10 mm，舊膠線切出率從60%以下提高到95%以上，解決舊膠線纏刀、干預(yù)割線軌跡的問題，割膠前不需要手撕舊膠線，有助于提高割膠效率。

2）? 針對(duì)單次割膠的機(jī)械切割軌跡不平穩(wěn)問題，將調(diào)速曲線拋物線優(yōu)化為近線性曲線，電子調(diào)速器在電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 201～8 459 r/min區(qū)間調(diào)速時(shí)，從調(diào)速平緩優(yōu)化到調(diào)速靈敏，單次割膠軌跡更加連續(xù)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生樹皮碎屑，割膠效果更接近農(nóng)藝需求，有助于提高割膠質(zhì)量。

3）? 針對(duì)樹皮、舊膠線干預(yù)割線軌跡的問題，將導(dǎo)向器形狀從“L”型優(yōu)化為“T”型，增大導(dǎo)向器與切割刀片之間的空間，減少舊膠線對(duì)割膠機(jī)械的干預(yù)，導(dǎo)向器和斜度裝配體均使用普通碳鋼材料，最大應(yīng)力為220 MPa，優(yōu)化后的導(dǎo)向器最大應(yīng)力為147 MPa，導(dǎo)向器的安裝載體斜度裝配體的最大應(yīng)力為31.2 MPa，均符合材料的強(qiáng)度要求。導(dǎo)向器與樹干間的接觸軌跡從一條線優(yōu)化為一個(gè)面，減小對(duì)樹干的擠壓，不易造成傷樹。

4）? 優(yōu)化后的整機(jī)，割膠前不需手撕舊膠線，單株割膠時(shí)間較優(yōu)化前減少1～3 s，割膠軌跡平穩(wěn)，不易傷樹，膠工技術(shù)培訓(xùn)時(shí)間從3～5天縮短到1～3天，膠工更容易快速掌握。

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