便攜式電動膠刀割膠技術與切割試驗

2019-03-03 02:43:42黃敞鄭勇王玲玲吳思浩曹建華

江蘇農業科學 2019年23期

黃敞鄭勇王玲玲吳思浩曹建華

摘要：天然橡膠市場持續低迷，且割膠隊伍開始老齡化，“膠工荒”已成為橡膠產業發展的瓶頸之一，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，按照相關割膠規程，開展電動膠刀割膠切割驗證試驗。結果表明，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，為同類產品的設計提供了參考依據。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超過 113.33萬hm2，但是目前必須依賴人工割膠的生產成本占總成本的60%以上。尤其是近年來，受天然橡膠市場持續低迷和膠工隊伍老齡化的影響，“膠工荒”已經成為橡膠產業發展過程中不可回避的問題，天然橡膠產業面臨的形勢不容樂觀。2015年對我國三大植膠區的調研發現，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%農墾膠園、50%～60%民營膠園膠樹被棄割、棄管，產業每年損失達10億元以上[1]。突破傳統的割膠方式是研究者多年以來一直追尋的目標，而現代分析技術、信息技術、材料技術和機械設計等科技的發展，使得從傳統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業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境中實現機械割膠。因此，盡管天然橡膠大面積栽培已有數10年的歷史，但生產上仍然沿用傳統膠刀進行推式（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，未能在生產上加以推廣應用[4-6]。從20世紀70年代末開始，我國國內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上便攜式的要求，因此未能在生產上加以推廣使用。近年來，國內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

天然橡膠的樹皮結構[19]主要包括粗皮、沙皮外層、沙皮內層、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穩產。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構如圖1所示。

1.2 機械切割技術

根據立銑式、臥銑式、平切式、復合式切割對天然橡膠割面產生的影響，包括對排膠初速度、膠乳產量、傷樹率等，確定最佳切割原理，對割膠機械切割關鍵參數進行測試，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構的工況數據，結合仿真分析條件設定優化參數與邊界條件，根據確定的優化結果，加工便攜式電動膠刀傳動裝置樣機，進行樣機參數的確定與加工。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定狀態后，再進行切割試驗。（7）參照NY/T 1088—2006《橡膠樹割膠技術規程》進行割膠切割試驗。

3 結果與分析

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。空載電流比較穩定，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定狀態后，進行切割試驗。

4 結論

（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化改進提供理論基礎和技術基礎。

參考文獻：

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