機械割膠裝備切割仿形機構設計與試驗

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，傳統人力割膠技術專業性強且難度大，勞動強度高，近十年，機械采膠裝備研發已成為破解產業掣肘的重要方向。為進一步提高割膠機械的割膠質量和工作平穩性，減少機械割膠傷樹，按照傳統人工割膠方式建立橡膠樹割面的割膠軌跡方程，設計一種由導向器、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構。分析導向器、割膠刀體、斜度裝配體等關鍵部件在割膠過程中的理論受力，并以手持式自動割膠機為試驗本體，對設計的仿形切割機構開展大田割膠試驗。結果表明：使用切割仿形機構割膠，更加貼合割面和割線，能夠沿割膠軌跡切割出條狀樹皮，能夠進行限深限厚仿形切割，減少傷樹，切割平均負載電流穩定在1.0～1.5 A，與傳統割膠模式相比，耗皮量比設置的上限值平均降低約10%，割膠深度約增加8%，驗證切割仿形機構的設計，滿足割膠技術要求。為天然橡膠產業機械化、智能化割膠裝備關鍵切割部件的研發提供參考。

關鍵詞：橡膠樹；割膠裝備；切割仿形機構；割膠軌跡；限深限厚

中圖分類號：S776.2

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02006209

收稿日期：2022年6月29日 ?修回日期：2022年8月15日

基金項目：海南省自然科學基金（522RC788）；國家重點研發計劃（2020YFD1000600）

第一作者：王玲玲，女，1986年生，安徽界首人，碩士，副研究員；研究方向為農業機械與信息技術。Email： zishi-010@163.com

通訊作者：張以山，男，1966年生，云南景谷人，研究員；研究方向為熱作栽培與機械化。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，是一種重要的工業原料［1］。割膠是亞洲植膠國膠農從事的一個重要職業［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］。我國天然橡膠產業是應國家經濟發展戰略需要而興起的［4］，近年來，隨著國際天膠市場持續低迷，我國植膠效益下滑，膠工收入難以維持生計，導致大量膠工外流、技工隊伍老齡化嚴重，產業用工荒凸顯［56］。目前，割膠仍沿用傳統割膠工具進行割膠，機械化、智能化割膠研發與應用仍面臨著重大挑戰［7］，嚴重制約天然橡膠產業發展［8］。需要創新裝備技術以武裝產業［9］，研發應用天然橡膠機械化、智能化割膠裝備是必然趨勢。在割膠領域，目前研發的割膠裝備，按照操作方式主要分為便攜式［1014］、固定式［8， 1416］、移動式［7， 1719］三種，可以有效降低割膠技術難度和勞動強度，但均未得到大面積應用與推廣。切割仿形機構是天然橡膠機械化、智能化收獲的關鍵機構，該仿形機構的設計至關重要，直接影響割膠裝備的割膠性能。

國內外對農林作物生產管理作業機械的仿形設計研究較多，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］、自適應仿形甘薯削皮機［22］、油麥兼用型精量寬幅免耕播種機仿形鑿式開溝器［23］、聯合收獲機割臺仿形機構［24］、甘蔗收割機刀盤仿形系統［25］、果園仿形風送噴霧機構驗［26］等。張喜瑞等［8］設計了仿形進階式固定式天然橡膠割膠機，觀測了割膠前5 min的排膠量和平均耗電量。上述文獻主要側重于對農林作物耕播、收割、噴霧等生產管理作業中的仿形設計，對割膠機械限深限厚切割仿形機構設計和研究較少。

為進一步提高割膠機械的割膠質量和工作平穩性，減少割膠傷樹，結合我國橡膠樹割膠技術規程和推式割膠刀農業標準［2729］，為便于開展試驗驗證，以手持式自動割膠機［13］為本體，設計一種能夠限深限厚的切割仿形機構，對橡膠樹的人工傳統割線進行仿形切割，并進行田間試驗，以期為機械化、智能化割膠裝備關鍵切割部件的研發提供參考。

1 整體結構與工作原理

1.1 割膠農藝要求

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］，仍沿用傳統割膠工藝，使用小圓口推刀或拉刀割膠，采用陽刀或陰刀割膠，陽刀割線時，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，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，樹皮從內到外分別是水囊皮、黃皮、砂皮內層、砂皮外層、粗皮。黃皮中含有大量功能很強的成熟乳管，是樹皮中主要的產膠部分。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穩產，要求割膠操作中控制好割膠深度，避免損傷到“水囊皮”［30］。割膠深度是割膠時割去樹皮的內切口與形成層的距離，常規割膠中規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］測量的橡膠樹有傳導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%，常規割膠的割膠深度1.2～1.8 mm，按照常規割膠深度，原則上對橡膠樹不會造成傷害。常規割膠中，要求切出的樹皮呈片狀，單次割膠的切片數低于40片，其中低于30片為最優［28］。要求切割仿形機構能夠限深且能沿著割線方向進行切割，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 整體結構

切割仿形機構主要由導向器、斜配體、割膠刀體、調節旋鈕、刻度區組成，其中導向器由前后調整塊、上下調整塊兩部分組成。切割仿形機構是實現天然橡膠收獲作業中有效切割橡膠樹皮的關鍵部件，安裝在手持式自動割膠機本體的頭部，可拆裝，易更換，是手持式自動割膠機的關鍵零配件，也是固定式、移動式全自動割膠機械研發設計的關鍵仿形切割部件。切割仿形機構整體結構如圖2所示。

將切割仿形機構安裝在手持式自動割膠機本體上，通過調整導向器的前后調整塊，可調整手持式自動割膠機走刀方向的前后位置，實現對割膠深度的有效控制。通過調整導向器的上下調整塊，可調整手持式自動割膠機垂直走刀方向的上下位置，實現對切出的樹皮厚度的有效控制。通過導向器的限位控制，能夠有效約束割膠作業中的切割軌跡。在人工控制下走刀切割樹皮時，導向器斜面頂點緊貼于橡膠樹已割面上，對已有的割線進行準確仿形，切出的新割線軌跡與舊割線一致，割膠動作參照推式割膠刀，按照“一推、二靠、三拉、四走”的動作要領完成割膠作業［13］。切割仿形機構工作示意圖如圖3所示。

2 關鍵部件設計與受力分析

2.1 沿割線運動軌跡

橡膠樹樹形外輪廓差異性較大，為不規則近圓形結構，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°的不規則曲線。沿割線正視面運動曲線如圖4所示。

圖4中的圓形代表切割仿形機構，切割仿形機構在運動過程中，與割線的接觸方式為點接觸，運動方向始終與割線接觸點保持相切。

將割線正視面曲線簡化為二次函數進行計算，其曲線函數方程為

y=a1x2+b1x

（1）

k=y′=2a1x+b1=tanα

（2）

式中：

y——切割仿形機構的刀刃曲線縱坐標；

x——切割仿形機構的刀刃曲線橫坐標；

y′——縱坐標的一階導數；

a1、b1——常數；

k——曲線斜率；

α——刀刃接觸割線出的滑切角。

以割線長度為0.40 m的橡膠樹標準木為例，當x=0 cm時，α取最小值25°，當x=0.40 m時，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），可得割膠仿形機構沿割線正視面運動的曲線方程為

y=0.14x2+0.47x

（3）

沿割線側視面運動曲線如圖5所示。圖5中的圓形代表切割仿形機構。

（a） 割線側視圖

（b） 沿割線側視面運動曲線

將其簡化為拋物線，則割線曲線方程為

y=f（z）

（4）

簡化為拋物線方程

y2=2p1z（p>0）

（5）

準線K為

z=-p12

（6）

式中：

p1——

焦點K2至準線K的距離；

K2——

焦點，坐標為p12，0。

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

ρ=2p1cosβ1-cos2β

（7）

機構沿割線側視面運動曲線的參數方程為

z=2p1t2

y=2p1t

（8）

式中：

t——點B0在曲線上對應的參數。

2.2 切割仿形設計與受力分析

2.2.1 切割仿形設計

使用傳統推式割膠刀進行割膠作業，主要通過膠工掌握割膠技術的熟練程度來實現對割膠深度和耗皮量的控制，割膠技術難度大，勞動強度高。張喜瑞等人設計的仿形限深滾輪［8］，是基于常見的導向輪形式，將導向輪與橡膠樹之間的線接觸改進為點接觸，以實現割膠限深的目的。由于不同橡膠品系、樹齡、季候、割制條件下，橡膠樹生長存在差異性，割膠深度、耗皮厚度的農藝要求也有差異［31］。采用常見的輪式和桿式導向限深機構，不能連續調節割膠深度、耗皮量，難以滿足生產上的差異化需求，不具有廣適性。

采用導向器側面與橡膠樹已割面樹干之間線接觸、導向器末端與橡膠樹樹干割線內側之間點接觸的方式，改進設計仿形限深限厚導向器，如圖6（a）所示。導向器固定在斜面體上，可前后、上下調節。割膠時，導向器側面與橡膠樹已割面樹干相對固定滑動，導向器末端與靠近橡膠樹樹干割線相對固定滑動，對橡膠樹割線軌跡進行仿形。通過導向器上下調節塊，調整導向器與橡膠樹已割面樹干接觸位置，調整走刀方向，達到對割膠深度的控制，如圖6（b）所示。通過導向器前后調節塊，調整導向器與割膠刀體之間的距離，達到對割膠耗皮量的控制，如圖6（c）、圖6（d）所示。

導向器、斜配體均采用鋅合金材料，鑄件溫度相對低，易加工。刀片采用合金鋼材料，硬度較好，硬度達到50HRC以上。導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，導向器左右對稱安裝于斜度裝配體的兩側，與割膠刀體配合使用。

2.2.2 導向器結構參數與受力分析

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

（a） 導向器受力分析

（b） 導向器與割線接觸橫截面積

為便于計算，將導向器穩定性計算簡化為壓桿，屬于比例限制內的穩定問題。導向器穩定條件為

n1=Fer1F1≥nst1

（9）

式中：

n1——導向器穩定條件的安全系數；

F1——導向器的工作應力；

Fer1——導向器的臨界力；

nst1——

需用穩定性安全系數，導向器為鋅合金材料，穩定性安全系數為1.8～3.0。

按照歐拉公式計算，導向器的工作應力

F1=η1E0I1l12

（10）

式中：

E0——彈性模量，N/cm2；

η1——導向器的穩定系數；

l1——導向器全長，cm；

I1——導向器截面的慣性矩，cm4。

導向器的臨界應力

σc1=π2E0π2E0λ12

（11）

壓桿的柔度

λ1=μ1l1i1

（12）

式中：

μ1——導向器的長度系數；

i1——導向器截面的慣性半徑，cm。

導向器一端固定在斜度裝配體，另一端沿著割線進行側向移動，但不能轉動，則導向器的長度系數μ1、穩定系數η1分別為1、9.87。

導向器呈L形，將導向器橫截面簡化為L形，導向器的橫截毛面積

A=BH-b×（ey2+h）

（13）

式中：

A——導向器的橫截毛面積；

B——導向器與割線接觸橫截面積的總長度；

b——

導向器橫截面尾端到縱截面的距離；

H——

導向器與割線接觸橫截面積的總高度；

h——

導向器與樹皮接觸的頂部到橫截面的距離；

ey2——導向器與樹皮接觸的高度。

導向器截面的慣性矩

I1=13（Bey13+aey23－bh3）

（14）

式中：

ey1——導向器與樹皮未接觸的高度。

導向器截面的慣性半徑

i1=I1A

（15）

導向器截面的最小慣性半徑

i1min=I1minA

（16）

化簡得到導向器受到橡膠樹割面和割線的工作應力

F1=9.87E0（Bey13+aey23－bh3）3l12

（17）

導向器慣性半徑取最小值i1min時，臨界應力σc1最大，此時導向器的臨界應力

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

（18）

此時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，此時取E0=70 GPa，計算得出導向器的臨界應力為3.20×1010 N/m2。

2.2.3 割膠刀體結構參數與受力分析

割膠刀體在割膠作業過程中，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接觸部分產生局部彈性變形，形成接觸面很小的面接觸，在割膠刀體的接觸處產生很大的局部應力，離開割膠刀體的接觸面稍遠處應力急劇下降。接觸強度條件為

σmax≤σHP

（19）

式中：

σHP——許用接觸應力。

割膠刀體與橡膠樹割線上的樹皮為線接觸，在平均主應力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，在接觸區附近產生應力和變形，接觸區簡化為橢圓，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）

當割膠刀體與割線的面接觸E1=E2=E，μ1=μ2=0.03時，最大接觸壓應力為

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——接觸橢圓的長半軸；

b2——接觸橢圓的短半軸；

R1——

割膠刀體接觸點處的主曲率半徑；

R2——

橡膠樹皮接觸點處的主曲率半徑。

應力最大時，應滿足條件

R2－R1R1R2≈1

（24）

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

2.2.4 斜度裝配體結構參數與受力分析

斜度裝配體與導向器之間為面接觸，接觸示意圖如圖9所示。

為便于計算，將斜度裝配體穩定性計算簡化為壓桿。斜度裝配體穩定條件為

n2=Fer2F2≥nst2

（25）

式中：

F2——斜度裝配體的工作應力；

Fer2——斜度裝配體的臨界力；

nst2——

需用穩定性安全系數，斜度裝配體為鋅合金材料，穩定性安全系數為1.8～3.0。

按照歐拉公式計算，斜度裝配體的工作應力為

F2=η2E3I2l22

（26）

斜度裝配體的臨界應力

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，cm;

I2——

斜度裝配體截面的慣性矩，cm4;

μ2——斜度裝配體的長度系數;

η2——斜度裝配體的穩定系數；

i2——

斜度裝配體截面的慣性半徑，cm。

斜度裝配體與導向器相對固定，屬于兩端鉸接，則斜度裝配體的長度系數μ2、穩定系數η2分別為1、9.87。

將斜度裝配體與導向器接觸面簡化為矩形，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）

化簡得到斜度裝配體受到的工作應力為

F2x=0.824a3b33E3l22，

F2y=0.824a33b3E3l22

（34）

斜度裝配體慣性半徑取最小值i2min時，臨界應力σc2最大，此時斜度裝配體的臨界應力為

σc2x=0.084π2b32E3l22，

σc2y=0.084π2a32E3l22

（35）

此時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，此時取E3=70 GPa，計算得出的斜度裝配體的臨界應力σc2x=2.16×1010 N/m2，σc2y=9.58×109 N/m2。

3 田間試驗結果

為驗證設計的機械割膠裝備切割仿形機構在割膠作業中的切割性能，于2021年9月在海南儋州中國熱帶農業科學院試驗場三隊天然橡膠種植基地，選擇樹圍均在600 mm以上、1/2割線，平均割線長度約為400 mm的150株開割期橡膠樹進行割膠作業試驗，每5株樹為一組，共分為30組，每組的試驗結果均取5株樹的平均值。切割仿形機構割膠作業過程包括下刀、行刀和收刀操作，如圖10所示。

3.1 試驗方案

將切割仿形機構裝載到手持式自動割膠機［13］手柄前端，按照NY/T 1088—2006《橡膠樹割膠技術規程》［27］要求，1/2陽刀割線不大于14 mm，割膠深度1.2～1.8 mm，對切割仿形機構限深限厚尺寸進行調整，將導向器側面與已割面線貼合，導向器末端與割線內側點貼合，耗皮量設在14 mm以下，開展割膠切割試驗。以選擇的30組共150株處于開割生產期的橡膠樹為試驗對象，每株樹均沿人工割線割1刀，重點觀測割線長度、耗皮量、樹皮厚度、割膠時間、負載電流等參數。每次切割時，啟動電源5 s后，確保手持式自動割膠機進入穩定運轉狀態后，再進行切割試驗［32］。試驗觀測的割膠時間為單株橡膠樹割膠作業時間，是從下刀到收刀的過程時間。為不傷害開割生產期橡膠樹的韌皮部，不直接對割膠深度進行測量，采用測量計算轉發的方法，計算人工切割樹皮厚度、切割仿形機構切割樹皮厚度的試驗結果，分析切割過程是否傷樹。試驗用的主要設備包括：皮尺、游標卡尺、秒表、數字萬用表、接線端子、手持式自動割膠機。

3.2 結果與分析

使用切割仿形機構，沿人工割線進行割膠，新割線與人工割線基本保持一致，使用切割仿形機構割膠前后的割線如圖11所示。使用切割仿形機構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。

耗皮量測量結果如圖13所示，使用切割仿形機構割膠的耗皮量均不大于設置值的上限14 mm，平均低于上限值的10%。樹皮厚度測量結果如圖14所示，使用切割仿形機構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，使用切割仿形機構的割膠深度會略大于人工的割膠深度，均在8%以內，不會造成傷樹。綜上，滿足割膠作業技術要求。

切割空載電流、負載電流均較穩定，切割平均負載電流均在1.0～1.5 A之間，驗證了切割仿形機構的設計，滿足割膠作業要求。使用切割仿形機構割膠過程的切割電流測量結果如圖15所示。

4 結論

1） ?設計了機械割膠裝備切割仿形機構關鍵部件，在仿形機構設計中，導向器、斜配體均采用鋅合金材料，刀片采用合金鋼材料；割膠作業時，以人工割線及已割面為參考，通過前后、上下調整導向器進行限深限厚仿形，通過下刀、行刀、收刀實現沿人工割線的曲線切割運動，切割出條狀樹皮，完成割膠作業。

2） ?理論分析了切割仿形機構沿割線運動軌跡，以及導向器、刀片、斜度裝配體關鍵零部件的受力，導向器的臨界應力為3.20×1010 N/m2，割膠刀體的最大接觸壓應力為1.69×1010 N/m2，斜度裝配體的水平方向和垂直方向的臨界應力分別為2.16×1010 N/m2，9.58×109 N/m2，確定了合適的導向器外側面及末端的設計及材料選擇，以確保切割仿形機構更加貼合割面和割線，實現高效仿形，可以參照傳統人工割膠技術進行割膠作業。

3） ?使用切割仿形機構割膠的耗皮量均不大于設定值的上限值，平均約低于上限值的10%，均在割膠技術要求范圍內；割膠深度會略大于人工割膠，均在8%以內，不會造成傷樹。滿足割膠作業技術要求。

4） ?使用切割仿形機構割膠過程的切割平均負載電流均在1.0～1.5 A之間且穩定，驗證了切割仿形機構的設計，滿足切割穩定的割膠作業要求。

參 考 文 獻

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