曾山，武玉金，曾豐毅，于開鑫，馬立剛，楊文武

華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642

天然橡膠作為重要的工業(yè)原料和戰(zhàn)略物資,具有較強(qiáng)的耐磨性、絕緣性、密封性和減震性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于日常生活、軍事國防和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1].天然橡膠來源于橡膠樹,是由割膠后收獲的膠乳加工處理后制成的產(chǎn)品.割膠是通過割膠工具割去橡膠樹的樹皮,收集從樹干上沿割面流下來的膠乳,該過程是天然橡膠收獲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2].根據(jù)橡膠樹割膠技術(shù)規(guī)程,割膠作業(yè)有嚴(yán)格的技術(shù)要求[3],割膠太深會(huì)對橡膠樹造成傷害,割膠太淺不能割斷大多數(shù)乳管從而影響產(chǎn)量.橡膠樹在我國的種植面積已超過110萬hm2,目前我國橡膠的收獲依然采用傳統(tǒng)人工割膠的方式[4].由于人工割膠勞動(dòng)強(qiáng)度大、技術(shù)要求高、生產(chǎn)成本高,已出現(xiàn)膠工短缺和膠園棄管棄割的現(xiàn)象[5-6],制約了我國橡膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7].

為提高割膠效率,解決無人割膠等問題,國內(nèi)外已對自動(dòng)割膠工具進(jìn)行了多年的研究.目前割膠機(jī)械的自動(dòng)化程度依然很低.按照割膠工具的操作方式不同,可分為手工割膠刀、半自動(dòng)割膠機(jī)、自動(dòng)割膠機(jī)和割膠機(jī)器人等[8].使用最多的是手工割膠刀,其效率低,且割膠工人上崗前要經(jīng)過長時(shí)間培訓(xùn).電動(dòng)割膠機(jī)雖然降低了膠工的勞動(dòng)強(qiáng)度,但仍需一定的操作技術(shù),目前尚處于推廣應(yīng)用階段.自動(dòng)割膠是未來的發(fā)展趨勢,但由于膠林地形復(fù)雜,割膠機(jī)器人在膠林自主導(dǎo)航行走的問題,還需要進(jìn)一步研究[9-11].因此自動(dòng)割膠機(jī)一般采用固定式,可避免割膠機(jī)器人無法行走的問題[12].

印度和日本研制了自動(dòng)割膠刀[13],但仍需要膠工凌晨去膠林割膠,沒有完全解放勞動(dòng)力[14-15].中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所研制了4GXJ-Ⅰ型和4GXJ-2型電動(dòng)割膠刀[16-17],降低了膠工的操作難度,但存在不能去除膠線和排屑的問題,還需進(jìn)一步優(yōu)化.王學(xué)雷設(shè)計(jì)了一種混聯(lián)機(jī)構(gòu)的割膠機(jī)器人[18],但只進(jìn)行了機(jī)械臂的研究,無底盤搭載無法進(jìn)行林間作業(yè).馬來西亞發(fā)明了一種捆綁式自動(dòng)智能割膠機(jī)[19],但螺旋運(yùn)動(dòng)誤差大、切割深度不可調(diào),容易傷樹或不出膠.海南大學(xué)發(fā)明了一種自動(dòng)割膠機(jī)[20],切割深度可調(diào),但割線的斜度不可調(diào),不能滿足不同的割膠軌跡要求.

針對上述問題,結(jié)合割膠的技術(shù)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)對固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)的定位機(jī)構(gòu)、割膠機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究,以期為橡膠收獲的機(jī)械化和自動(dòng)化裝備研發(fā)提供參考.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)主要由定位機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、割膠機(jī)構(gòu)、限位模塊、控制系統(tǒng)和電源等組成,如圖1所示.定位機(jī)構(gòu)將自動(dòng)割膠機(jī)固定在橡膠樹上,并保證割膠機(jī)構(gòu)與樹干同軸心; 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的合成,帶動(dòng)割膠機(jī)構(gòu)螺旋運(yùn)動(dòng); 在割膠機(jī)構(gòu)上安裝割膠刀,通過電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)割膠的進(jìn)刀和退刀動(dòng)作; 通過限位模塊上的光電傳感器識(shí)別圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn),通過控制系統(tǒng)控制自動(dòng)割膠機(jī),根據(jù)割膠作業(yè)流程,實(shí)現(xiàn)割膠刀自右下向左上螺旋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行割膠.

1.光電傳感器1; 2.環(huán)形軌道; 3.直線導(dǎo)軌; 4.電動(dòng)推桿; 5.上步進(jìn)電機(jī); 6.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu); 7.環(huán)形齒; 8.光電傳感器2; 9.橡膠樹模型; 10.定位機(jī)構(gòu); 11.梯形絲杠; 12.同步軸; 13.割膠機(jī)構(gòu); 14.下步進(jìn)電機(jī); 15.同步齒形帶; 16.支撐桿.

1.2 工作原理

固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)的工作原理如下:啟動(dòng)電源,控制系統(tǒng)收到割膠指令后,割膠機(jī)構(gòu)先進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作,當(dāng)限位模塊觸發(fā)時(shí)回到原點(diǎn)準(zhǔn)備割膠; 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)上升到起刀位置,電動(dòng)推桿伸出實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀動(dòng)作; 2個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)割膠刀螺旋運(yùn)動(dòng)切割樹皮; 步進(jìn)電機(jī)的脈沖走完后完成割膠,電動(dòng)推桿收回實(shí)現(xiàn)退刀動(dòng)作,割膠刀所走螺旋軌跡的長度和角度,通過修改步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn); 2個(gè)步進(jìn)電機(jī)再同時(shí)反轉(zhuǎn)進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作,割膠機(jī)構(gòu)復(fù)位后,完成割膠作業(yè)等待下次割膠指令; 當(dāng)自動(dòng)割膠機(jī)收到下次割膠指令時(shí),起刀位置會(huì)自動(dòng)低于上次一定的脈沖數(shù)(耗皮量),再進(jìn)行割膠作業(yè).

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 定位機(jī)構(gòu)

固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)進(jìn)行割膠作業(yè)時(shí),先將其安裝固定在橡膠樹上.為將自動(dòng)割膠機(jī)穩(wěn)定地固定在橡膠樹上,設(shè)計(jì)了如圖2所示的一種固定帶式定位機(jī)構(gòu),可滿足樹圍不同的橡膠樹割膠,保證自動(dòng)割膠機(jī)與橡膠樹同軸心,降低割膠誤差.固定帶式定位機(jī)構(gòu)由固定圈和固定扣組成,與環(huán)形導(dǎo)軌連接,通過在固定圈上等間距開出8個(gè)卡槽,來適應(yīng)樹圍在500 mm～800 mm之間的橡膠樹.通過螺栓上緊定位機(jī)構(gòu),固定帶可增大與樹皮的接觸面積,保證自動(dòng)割膠機(jī)固定的穩(wěn)定性.

自動(dòng)割膠機(jī)采用上、下2個(gè)固定機(jī)構(gòu)與環(huán)形導(dǎo)軌連接固定在橡膠樹上.固定帶受力分析如圖3所示,2條固定帶與樹皮間摩擦力的合力大小要大于自動(dòng)割膠機(jī)自身的重量,否則自動(dòng)割膠機(jī)會(huì)沿著樹干向下移動(dòng),影響割膠的精確性和二次割膠.根據(jù)牛頓定律,自動(dòng)割膠機(jī)固定在橡膠樹上時(shí)應(yīng)滿足以下公式:

(1)

圖3 固定帶受力分析圖

式中:Ff1為固定帶與樹皮間的摩擦力;FN1為固定帶與樹皮間的壓力;G1為自動(dòng)割膠機(jī)的重量;μ為固定機(jī)構(gòu)與樹皮間的摩擦系數(shù).

2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由環(huán)形齒、環(huán)形導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌、梯形絲杠、同步軸和步進(jìn)電機(jī)等組成,如圖4所示.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是帶動(dòng)割膠刀沿橡膠樹螺旋運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),其工作原理為:采用齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)帶動(dòng)割膠機(jī)構(gòu)螺旋運(yùn)動(dòng),一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng),另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)梯形絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng).

1.下步進(jìn)電機(jī); 2.環(huán)形軌道; 3.割膠機(jī)構(gòu); 4.直線導(dǎo)軌; 5.上步進(jìn)電機(jī); 6.安裝板; 7.環(huán)形齒; 8.支撐桿; 9.限位片; 10.向心軸承; 11.圓柱齒輪1; 12.圓柱齒輪2; 13.光電傳感器; 14.梯形絲杠; 15.同步軸; 16.同步齒形帶; 17.電機(jī)安裝座.

2.2.1 圓周運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)割膠技術(shù)要求,陽線割線螺旋角為25°～30°,陰線割線螺旋角為35°～45°.將橡膠樹簡化為圓柱體,則割膠時(shí)割膠刀在水平方向移動(dòng)的距離x為樹圍的一段弧長,在豎直方向移動(dòng)的距離y為一段直線,如圖5所示,y與x的比值為螺旋角的正切值tanβ.為滿足割膠技術(shù)要求,對自動(dòng)割膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).

(2)

圖5 割線軌跡

式中:v1為割膠刀水平方向的速度;v2為割膠刀豎直方向的速度;t為割膠刀切割的時(shí)間;β為割線螺旋角;x為割膠刀在水平方向移動(dòng)的距離;y為割膠刀在豎直方向移動(dòng)的距離.

自動(dòng)割膠機(jī)通過同步軸使上下機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng).按照傳統(tǒng)人工割膠的技術(shù)要求,自動(dòng)割膠機(jī)要滿足割線的螺旋軌跡占樹圍的二分之一.考慮到整機(jī)結(jié)構(gòu)的布局和割膠機(jī)構(gòu)的限制,采用220°的環(huán)形軌道和環(huán)形齒.根據(jù)橡膠樹的開割標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)樹圍達(dá)到500 mm時(shí)便可開始割膠,此時(shí)橡膠樹的直徑約為160 mm.考慮切割不同樹圍的橡膠樹和結(jié)構(gòu)布局,為保證割膠刀與樹皮間的距離,環(huán)形軌道內(nèi)側(cè)直徑選擇為450 mm,外側(cè)直徑選擇為510 mm,環(huán)形齒分度圓直徑選擇為500 mm.選定圓柱齒輪的模數(shù)m為2 mm,圓柱齒輪1的齒數(shù)z1為25,圓柱齒輪2的齒數(shù)z2為17.查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》,圓柱齒輪的分度圓直徑計(jì)算公式為:

d=mz

(3)

式中:d為圓柱齒輪的分度圓直徑;m為圓柱齒輪的模數(shù);z為圓柱齒輪的齒數(shù).

計(jì)算出2個(gè)圓柱齒輪的分度圓直徑分別為:

d1=mz1=50 mm

(4)

d2=mz2=34 mm

(5)

式中:d1為圓柱齒輪1的分度圓直徑;d2為圓柱齒輪2的分度圓直徑;m為圓柱齒輪的模數(shù);z1為圓柱齒輪1的齒數(shù);z2為圓柱齒輪2的齒數(shù).

環(huán)形齒整環(huán)的齒數(shù)為:

(6)

式中:za為環(huán)形齒整環(huán)的齒數(shù);dh為環(huán)形齒的分度圓直徑;m為環(huán)形齒的模數(shù).

根據(jù)環(huán)形齒占整環(huán)的比例,可計(jì)算出其齒數(shù)為:

zh=(220°/360°)za≈153

(7)

式中:zh為環(huán)形齒的齒數(shù);za為環(huán)形齒整環(huán)的齒數(shù).

二分之一樹圍對應(yīng)環(huán)形齒的齒數(shù)z3為:

z3=(180°/360°)za=125

(8)

式中:z3為二分之一樹圍環(huán)形齒的齒數(shù);za為環(huán)形齒整環(huán)的齒數(shù).

2.2.2 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過步進(jìn)電機(jī)用帶傳動(dòng)帶動(dòng)梯形絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)割膠機(jī)構(gòu)沿樹干直線運(yùn)動(dòng).割膠刀的直線運(yùn)動(dòng)是決定割線螺旋軌跡的重要因素,速度過快或過慢都無法割出滿足割膠技術(shù)要求的割線,不利于膠乳的排出和收集,為梯形絲杠選擇合適的導(dǎo)程與直徑是滿足螺旋軌跡的關(guān)鍵.

橡膠樹的樹圍為500 mm時(shí),二分之一樹圍為250 mm,割膠刀在水平方向圓周運(yùn)動(dòng)的弧長l為250 mm,為割出割線軌跡為25°～30°的螺旋線,則割膠刀在豎直方向運(yùn)動(dòng)的距離為:

h1=ltan 25°≈116 mm

(9)

h2=ltan 30°≈144 mm

(10)

式中:h1、h2分別為割膠刀在豎直方向運(yùn)動(dòng)的距離下限與上限;l為割膠刀在水平方向圓周運(yùn)動(dòng)的弧長.

梯形絲杠帶動(dòng)割膠刀沿樹干方向運(yùn)動(dòng)的距離在116 mm～144 mm之間.選擇同步齒形帶的傳動(dòng)比為1,步進(jìn)電機(jī)的減速比為1∶20,設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為300 r/min,則梯形絲杠的轉(zhuǎn)速為15 r/min.設(shè)定割膠時(shí)間為2 min,則梯形絲杠轉(zhuǎn)過的圈數(shù)n為30圈.設(shè)定割線螺旋角為25°,可得梯形絲杠的導(dǎo)程P為:

(11)

式中:P為梯形絲杠的導(dǎo)程;h為割膠刀在豎直方向運(yùn)動(dòng)的距離;n為梯形絲杠轉(zhuǎn)過的圈數(shù).

由式(9)和式(11)得P=3.86 mm.查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》,選取梯形絲杠的導(dǎo)程P=4 mm,梯形絲杠的直徑D=16 mm,摩擦系數(shù)μ=0.1,螺旋角δ=30°,設(shè)計(jì)梯形絲杠的長度L=514 mm,符合運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的要求.

2.3 割膠機(jī)構(gòu)

割膠對切割深度有嚴(yán)格的要求,切割太深會(huì)傷樹,切割太淺不出膠.根據(jù)割膠技術(shù)規(guī)程,割膠深度要求內(nèi)切口與形成層之間的距離為1.2 mm～1.8 mm.割膠機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)推桿與拉簧的配合,由控制系統(tǒng)控制電動(dòng)推桿的伸出和縮回,實(shí)現(xiàn)割膠機(jī)構(gòu)的進(jìn)刀和退刀動(dòng)作,如圖6所示.為保證切割深度一致和適應(yīng)不同樹圍的橡膠樹,對割膠機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).

1.調(diào)節(jié)螺桿; 2.電動(dòng)推桿; 3.安裝板; 4.滑塊; 5.擺桿; 6.拉簧; 7.擋阻; 8.割膠刀; 9.割膠刀安裝座; 10.仿形輪; 11.調(diào)節(jié)板; 12.擺臂; 13.連桿.

調(diào)節(jié)螺栓與連桿和擺桿相配合,擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓使連桿相對擺桿前后移動(dòng),以調(diào)節(jié)割膠刀與樹皮間的距離.通過調(diào)整擋阻的角度,可為擺臂提供不同的支點(diǎn),改變擺臂的角度以適應(yīng)不同的橡膠樹.擺臂的頭部傾斜角度與割線螺旋角相同,使與其上表面接觸的仿形輪也向上傾斜相同的角度,保證仿形輪可沿割線軌跡純滾動(dòng).割膠刀安裝在仿形輪的上方,通過調(diào)節(jié)割膠刀伸出仿形輪的距離來控制切割深度,并保證切割深度的一致性,避免對橡膠樹造成傷害.通過調(diào)節(jié)板與割膠刀安裝座的配合,轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)割膠刀進(jìn)刀時(shí)的入刀角度,保證進(jìn)刀時(shí)割膠刀正對橡膠樹軸心,如圖7所示.

1.割膠刀; 2.割膠刀安裝座; 3.擺臂; 4.調(diào)節(jié)板; 5.仿形輪.

2.4 控制系統(tǒng)

固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)采用PLC控制器,自動(dòng)控制割膠機(jī)各機(jī)構(gòu)按順序動(dòng)作完成割膠作業(yè).控制系統(tǒng)采用三菱FX3U系列PLC,用步進(jìn)指令(STL)編寫自動(dòng)割膠機(jī)的控制程序.通過2個(gè)DS-OLS4-FPD數(shù)字式兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)割膠機(jī)構(gòu)割膠時(shí)的螺旋運(yùn)動(dòng)和下一次割膠的換行動(dòng)作.通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電動(dòng)推桿伸縮,實(shí)現(xiàn)割膠刀進(jìn)刀和退刀動(dòng)作.通過2個(gè)光電傳感器監(jiān)測割膠機(jī)構(gòu)復(fù)位時(shí)是否回到右原位和下原位.通過觸摸屏修改PLC寄存器中的數(shù)值,實(shí)現(xiàn)對割線螺旋角和割線長度的調(diào)整,從而調(diào)節(jié)割線軌跡.自動(dòng)割膠機(jī)控制程序框圖如圖8所示,按照程序框圖編寫控制程序梯形圖.

圖8 控制系統(tǒng)程序框圖

3 割膠刀設(shè)計(jì)與分析

3.1 割膠刀受力分析

3.1.1 進(jìn)刀受力分析

為保證自動(dòng)割膠機(jī)在進(jìn)刀時(shí)割膠刀能切入樹皮,在割膠時(shí)割膠刀能切割樹皮,需提供割膠刀足夠的推力.通過割膠刀的受力分析,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).采用L形割膠刀進(jìn)行受力分析,割膠時(shí)割膠刀先切入樹皮,再沿割線軌跡割去樹皮.進(jìn)刀時(shí)割膠刀切入樹皮的受力分析如圖9所示,刀頭切入樹皮時(shí)有一定的入刀角度,樹皮對割膠刀產(chǎn)生阻力,割膠刀需克服進(jìn)刀時(shí)的阻力才能切入樹皮.

圖9 進(jìn)刀時(shí)割膠刀受力分析

根據(jù)牛頓定律,割膠刀切入時(shí)其受力要滿足:

(12)

式中:F為割膠刀的進(jìn)刀力;Fn為樹皮對割膠刀的反作用力;Ff為割膠刀受到的摩擦力;G為割膠刀自身的重量;μ為割膠刀與樹皮間的摩擦系數(shù);φ為割膠刀與樹皮間的摩擦角;λ為割膠刀的進(jìn)刀角度;θ為割膠刀傾斜的角度.

對式(12)簡化得:

(13)

因?yàn)槟Σ料禂?shù)取決于接觸面的材料性質(zhì)和表面情況,所以tanφ為定值,由式(13)可知樹皮對割膠刀反作用力的主要影響因素有割膠刀進(jìn)刀角度λ和割膠刀傾斜角度θ.

3.1.2 割膠受力分析

自動(dòng)割膠機(jī)完成進(jìn)刀動(dòng)作后,割膠刀切進(jìn)樹皮,開始按照規(guī)劃的螺旋軌跡運(yùn)動(dòng),割膠刀的刀刃割去樹皮后形成一條新的割線.按照手工割膠的技術(shù)要求,割膠的耗皮量為1.2 mm～2.0 mm,割膠刀刃角的大小是影響割膠效果的一個(gè)重要因素,對割膠刀刀刃進(jìn)行受力分析,如圖10所示.

圖10 刀刃受力分析

割膠刀在割去樹皮時(shí),刀刃會(huì)受到樹皮的反作用力和摩擦力,根據(jù)牛頓定律對刀刃進(jìn)行受力分析可得:

(14)

式中:F3為割膠刀對樹皮的切割力;FN為樹皮對割膠刀的支持力;f1為樹皮對割膠刀的摩擦力;μ為割膠刀與樹皮間的摩擦系數(shù);α為割膠刀刃口的角度.

簡化式(14)得:

(15)

分析式(15)可知,因?yàn)楦钅z刀與樹皮間的摩擦系數(shù)μ為定值,所以割膠刀刃口角度的正切值tanα需小于一個(gè)定值.α越小,割膠刀刃口的滑切性能越好,但α太小,會(huì)造成刃口的斜面太長,割膠刀容易變形且耐用性差,同時(shí)刃口角度太小不利于去除樹皮.通過對刃口的受力分析可知,割膠刀刃口的角度在20°～35°的范圍內(nèi)較為合適.

3.2 割膠刀設(shè)計(jì)

割膠刀長期在膠乳的腐蝕和潮濕的環(huán)境下工作,考慮到割膠刀的耐用性和經(jīng)濟(jì)性,割膠刀的材料選擇硬度為HRC64的W18Cr4V鎢系高速鋼,經(jīng)熱處理后,開出滿足割膠技術(shù)要求的刀刃.參考傳統(tǒng)L形推式手工割膠刀對自動(dòng)割膠機(jī)的割膠刀進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇其入刀角度為30°,如圖11所示.割膠刀的平刃切割水平方向的樹皮,割出排膠的出膠面; 立刃沿樹干方向切割內(nèi)層的樹皮,使割膠后切屑與樹干分離.平刃和立刃厚2 mm,兩刃之間的夾角為90°,刀刃刃口角度為30°.設(shè)計(jì)刀頭平刃底面向上傾斜2°,使割膠后形成的排膠面略向上傾斜,防止排出的膠乳在割線上外溢.

1.立刃; 2.平刃; 3.刀頭.

4 林間試驗(yàn)

為驗(yàn)證固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)割膠性能的穩(wěn)定性和可靠性,于2022年8月在廣東省茂名市高州市勝利農(nóng)場進(jìn)行割膠試驗(yàn),試驗(yàn)橡膠樹品種為熱研7-33-97.

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)按照《橡膠樹割膠技術(shù)規(guī)程》(NY/T 1088—2006)的割膠標(biāo)準(zhǔn),在膠林中選取20棵樹圍不同的橡膠樹進(jìn)行林間試驗(yàn),對自動(dòng)割膠機(jī)割膠性能進(jìn)行測試.割膠性能以割膠結(jié)束后膠乳的產(chǎn)量和割面的平整性來評價(jià).以切割深度、耗皮厚度和割線螺旋角為因素設(shè)置梯度進(jìn)行3因素3三水平試驗(yàn),以割膠結(jié)束后5 min排膠量為評價(jià)指標(biāo),并對割面情況進(jìn)行測量,每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值,以對自動(dòng)割膠機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行修正,明確影響排膠量的主次因素,確定最優(yōu)的工作參數(shù).林間試驗(yàn)如圖12所示.

圖12 林間試驗(yàn)

預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),切割深度小于4 mm時(shí),割面無膠乳排出,切割深度大于8 mm時(shí),出現(xiàn)傷樹的情況,因此切割深度在4 mm～8 mm之間設(shè)置梯度.試驗(yàn)因素編碼如表1所示.

表1 試驗(yàn)因素編碼

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,試驗(yàn)方案和結(jié)果見表2.

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

4.2.1 回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert軟件Box-Behnken模塊對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到割膠結(jié)束后5 min排膠量回歸方程,采用F檢驗(yàn)驗(yàn)證其顯著性.各因素影響割膠結(jié)束后5 min排膠量的回歸方程為:

(16)

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)與方差分析見表3.由表3可知,回歸方程的p值小于0.000 1,說明模型擬合度極顯著.回歸方程失擬項(xiàng)的p值大于0.05,說明模型失擬性不顯著,回歸方程決定系數(shù)R2=0.993 6,說明回歸方程擬合度較高.由切割深度、耗皮厚度和割線螺旋角的p值可以判斷,切割深度和耗皮厚度對割膠結(jié)束后5 min的排膠量影響極顯著,割線螺旋角對割膠結(jié)束后5 min的排膠量影響不顯著.通過回歸系數(shù)的檢驗(yàn)可知,試驗(yàn)因素對割膠結(jié)束后5 min排膠量的影響順序依次為切割深度、耗皮厚度、割線螺旋角.

表3 回歸方程方差分析

4.2.2 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果,應(yīng)用Design-Expert軟件繪制切割深度與其他2個(gè)因素交互影響的三維響應(yīng)曲面如圖13所示.隨著切割深度逐漸增大,膠乳產(chǎn)量越高,其原因是切割越深割斷的乳管越多,所以最優(yōu)切割深度取最大值.隨著耗皮厚度逐漸增大,膠乳產(chǎn)量緩慢增大,且增長速度逐漸減小,其原因是耗皮厚度越大越能去除上次割膠流下的膠塞,為保證橡膠樹的割膠年限,耗皮厚度取中間值.隨著螺旋角逐漸增大,膠乳產(chǎn)量緩慢增大到穩(wěn)定值,其原因是螺旋角越大膠乳向下流動(dòng)的能力越強(qiáng)、外溢越少,但螺旋角太大割斷的乳管變少,所以螺旋角取中間值.綜上,結(jié)合回歸模型及響應(yīng)面的變化情況,選取切割深度8 mm,耗皮厚度1.5 mm、割線螺旋角27.5°為固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù),在最優(yōu)工作參數(shù)下割膠后5 min膠乳的產(chǎn)量為9.3 mL.

圖13 響應(yīng)曲面

5 結(jié)論

1) 根據(jù)割膠的技術(shù)要求,研制了一種固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī),闡述分析了整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),割膠機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng),滿足割膠技術(shù)要求,降低割膠的勞動(dòng)強(qiáng)度.

2) 對固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),保證割膠機(jī)構(gòu)與樹干同軸心和切割深度一致,適用于樹圍不同的橡膠樹割膠.

3) 完成了固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)樣機(jī)試制并進(jìn)行了林間試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明,固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)為切割深度8 mm、耗皮厚度1.5 mm、割線螺旋角27.5°,在最優(yōu)工作參數(shù)下割膠后5 min膠乳的產(chǎn)量為9.3 mL.試驗(yàn)因素對割膠結(jié)束后5 min排膠量的影響順序依次為切割深度、耗皮厚度、割線螺旋角.

4) 固定式橡膠自動(dòng)割膠機(jī)的整機(jī)質(zhì)量為22.5 kg,整機(jī)質(zhì)量較大搬運(yùn)不便,在后續(xù)研究中,可對整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),降低整機(jī)質(zhì)量.