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，便攜式機械化割膠是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級和節(jié)本增效的途徑之一。為進一步提高機械割膠效果，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、橡膠樹生長差異性、割膠形式多樣性等農(nóng)機農(nóng)藝融合問題對割膠機械的設(shè)計需求，優(yōu)化設(shè)計便攜式電動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)速器在電機轉(zhuǎn)速為3 201～8 459 r/min區(qū)間調(diào)速時，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，減少舊膠線對割膠機械的干預(yù)。優(yōu)化后的技術(shù)，提高便攜式割膠機械對割膠農(nóng)藝的適應(yīng)性，降低操作技術(shù)難度和單株割膠時間，膠工更容易快速掌握。

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

中圖分類號：S794.1

文獻標識碼：A

文章編號：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*基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2020YFD1000600）；海南省自然科學(xué)基金項目（522RC788）

第一作者：王玲玲，女，1986年生，安徽界首人，碩士，副研究員；研究方向為農(nóng)業(yè)機械與信息技術(shù)。E-mail：? zishi-010@163.com

通訊作者：鄭勇，男，1984年生，湖南祁陽人，副研究員；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化與自動控制。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

我國植膠業(yè)從20世紀70年代開始，是世界上首個在北緯18°～24°范圍內(nèi)大面積植膠成功的國家，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、勞動強度大、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，手持式電動割膠機械實現(xiàn)了量產(chǎn)和小規(guī)模推廣應(yīng)用，鄭勇等［5］研究了電動膠刀和傳統(tǒng)推刀割膠對割膠和產(chǎn)膠特性影響，觀測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，電動膠刀采膠較傳統(tǒng)推刀有明顯優(yōu)勢，割膠效果優(yōu)于現(xiàn)有采膠技術(shù)標準要求，與傳統(tǒng)小圓口推刀或拉刀相比，手持式割膠機械大幅度減小了割膠技術(shù)難度，提升割膠效率30%～40%，降低勞動強度60%，新膠工培訓(xùn)時間縮短1/2以上［6， 7］。手持式割膠機械的廣泛推廣應(yīng)用，對天然橡膠產(chǎn)業(yè)升級和節(jié)本增效具有積極的推動作用。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、橡膠樹生長差異性、割膠形式多樣性等問題，研究探索農(nóng)機農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計便攜式電動割膠裝備的切割刀片、電子調(diào)速器、導(dǎo)向器等零部件，重點解決舊膠線干預(yù)機械割膠、單次割膠的機械切割軌跡平穩(wěn)、關(guān)鍵部件穩(wěn)定可靠等問題，以提高便攜式割膠機械對割膠農(nóng)藝技術(shù)的適應(yīng)性，同時讓膠工更易快速掌握機械割膠技術(shù)。

1 農(nóng)機農(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］。橡膠樹乳管細胞內(nèi)膨壓很大，壓力數(shù)值高達1～1.4 MPa，相當(dāng)于10～14個標準大氣壓，樹皮的機械組織在保持挺立和外來力量的侵襲中起到支撐和保護的作用。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)時需要割破黃皮，但同時要求避免損傷水囊皮而造成傷樹。橡膠樹皮較硬、割膠困難、膠刀耗費大，推測與樹皮中石細胞分布密集、石細胞壁木質(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。橡膠樹是長周期作物，割膠時要求不能傷及母株形成層、每刀次耗皮量1.1～1.3 mm［2， 3］，要求割膠機械的切割模塊在割膠作業(yè)時能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級精準控制。

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)機械化發(fā)展滯后，農(nóng)機化技術(shù)服務(wù)水平低。橡膠樹干生長不均勻，即使是同一個樹干，樹皮厚度也不均勻，割膠作業(yè)時易造成傷樹。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，且費時費力。單次割膠作業(yè)時，要求割膠深度均勻、割線順直、下收刀整齊［2， 3］，這對割膠機械仿形設(shè)計提出了很高的要求。良好的仿形設(shè)計，能夠降低割膠技術(shù)難度，實現(xiàn)不需要人工控制刀片單次的切割軌跡，減少對橡膠樹皮結(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°、拉伸強度為23.0 MPa、拉斷永久變形為17%、拉伸伸長率為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)時要求割出的樹皮呈片狀，不污染膠水。設(shè)計割膠機械時，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對新鮮膠乳組分、理化性能和橡膠制品性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響［13］，樹圍和樹皮也會隨著年齡的增長而生長。橡膠樹喜歡高溫高濕的生長環(huán)境，但不耐寒，在溫度5 ℃以下即受凍害，季節(jié)、物候的不同，會對膠乳的成分和性質(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，都會影響橡膠樹的產(chǎn)量和健康狀況［15］。要求割膠機械能夠連續(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

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，實現(xiàn)了割膠深度和耗皮厚度精準控制、對復(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)難度和勞動強度，提升了割膠效率。當(dāng)前研發(fā)的4GXJ系列便攜式電動割膠裝備，是世界割膠工具的一次變革，突破了電動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］，雖然相對于傳統(tǒng)推拉式手工膠刀具有傷樹少、培訓(xùn)時間短、易掌握、大幅降低勞動強度與技術(shù)難度等優(yōu)點，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、生長差異性、割膠形式多樣性等特點，割膠農(nóng)藝技術(shù)差異大，便攜式電動割膠裝備的使用仍具有局限性。本文圍繞農(nóng)機農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)理論，重點解決舊膠線干預(yù)機械割膠、單次割膠的機械切割軌跡平穩(wěn)、關(guān)鍵部件穩(wěn)定可靠等問題，對便攜式割膠裝備的刀片、電子調(diào)速器、導(dǎo)向器等零部件進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 刀片優(yōu)化設(shè)計

便攜式機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隨之增加。本研究在刀片刃高為6 mm的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，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的刀片進行切割效果比較與優(yōu)化，如圖1所示。

試驗方法：由4GXJ-2便攜式電動割膠裝備主機及配套電池、優(yōu)化設(shè)計的五種刃高刀片、皮尺、具有老膠線的開割橡膠樹共同組成試驗系統(tǒng)。以20行×40行橡膠林為試驗對象，在林場剔除補種、生病、直徑小于600 mm、沒有舊膠線的橡膠樹，機選30株樣樹（每種刃高刀片切割4株試驗樣樹，取舊膠線切出率的平均值），開展舊膠線切割試驗。將刀片安裝在4GXJ-2便攜式電動割膠裝備主機上，對選擇的橡膠樹樣本進行割膠，使用皮尺分別測量割線長度（舊膠線長度）、切出的舊膠線長度，并計算舊膠線切出率（舊膠線切出率=舊膠線長度/割線長度）。使用優(yōu)化后的刀片切割舊膠線的試驗如圖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

電子調(diào)速器旋鈕與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線越接近趨勢線，說明電機工作的連續(xù)性與穩(wěn)定性就會越好。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電機實時速度，通過動力傳動系統(tǒng)控制機械切割部件，實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的［17］。在電機轉(zhuǎn)速控制中，電機運動涉及電機參數(shù)變化、運動擾動能不確定因素，需要通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練，優(yōu)化改進電機參數(shù)變化與非線性干擾［18］。

試驗方法：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)子電機共同組成試驗系統(tǒng)?？删幊讨绷麟娫吹妮敵鲭妷骸㈦娏鞣謩e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；采用示波器測量空載條件下外轉(zhuǎn)子電機的轉(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算，旋鈕在0～4格時，電機無法啟動；旋鈕在第5格時，電機啟動，此時電機平均轉(zhuǎn)速為3 072 r/min；旋鈕在5～23格時，電機轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動變化速度快，旋鈕23格時電機平均轉(zhuǎn)速達到8 041 r/min；旋鈕在24～59格時，電機轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動變化較平緩，變化不大；旋鈕在末端時，位于第59格，此時電機平均轉(zhuǎn)速為9 452 r/min，為電機工作的最大轉(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算，旋鈕在0～4格時，電機無法啟動；旋鈕在第5格時，電機啟動，此時電機平均轉(zhuǎn)速為3 201 r/min；旋鈕在5～43格時，電機轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動變化較明顯，接近線性曲線，旋鈕43格時電機平均轉(zhuǎn)速達到8 459 r/min；旋鈕在44～59格時，電機轉(zhuǎn)速隨旋鈕的轉(zhuǎn)動變化較平緩，變化不大；旋鈕在末端時，位于第59格，此時電機平均轉(zhuǎn)速為9 447 r/min，為電機工作的最大轉(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，可以對電機的轉(zhuǎn)速進行連續(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線y=135.42x+2 370.8。優(yōu)化前后的電子調(diào)速器曲線對比如圖5所示。

2.3 導(dǎo)向器優(yōu)化設(shè)計

導(dǎo)向器用于連接便攜式電動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)有的便攜式電動割膠裝備的導(dǎo)向器采用“L型”設(shè)計，通常僅為設(shè)置于切割刀片刃部前側(cè)的一個單純的遮擋結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)向器與切割刀片之間存在缺口，配合使用時形成非封閉式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致割膠時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，由于限于現(xiàn)有導(dǎo)向器的自身設(shè)計結(jié)構(gòu)，其與樹干間僅依靠導(dǎo)向器的尾部頂點進行接觸，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，若用力向樹干內(nèi)側(cè)擠壓割膠裝備時，易造成樹干損傷，降低了便攜式電動割膠裝備的工作穩(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)切口標準型切割軌跡，優(yōu)化設(shè)計了限位導(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)，驗證導(dǎo)向器的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。本文通過SolidWorks軟件對導(dǎo)向器和斜度裝配體進行三維建模，并定義零件的相關(guān)材料屬性，采用四面體網(wǎng)格劃分進行分析，劃分網(wǎng)格后對導(dǎo)向器進行相應(yīng)載荷與約束的邊界條件添加，以反映真實的割膠作業(yè)情況。

優(yōu)化設(shè)計的限位導(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，相對于導(dǎo)向器的整體尺寸，可忽略不計。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，符合材料的強度要求，能夠在正常割膠作業(yè)操作過程中不會受到損壞。

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，可進行忽略不計。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，相對于導(dǎo)向器的整體尺寸，可忽略不計。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，符合材料的強度要求，能夠在正常割膠作業(yè)操作過程中不會受到損壞。

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面，減小對樹干的擠壓，不易造成傷樹，膠工容易快速掌握操作技術(shù)。

2.4 優(yōu)化前后整機割膠效果對比

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便攜式電動割膠裝備主機上，對具有老膠線的開割橡膠樹進行割膠，與優(yōu)化前的整機割膠效果進行對比。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的整機割膠整體效果優(yōu)于優(yōu)化前的整機。優(yōu)化后的整機割膠前不需手撕舊膠線，單株割膠時間較優(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)化前后整機參數(shù)與割膠效果對比如表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系列便攜電動割膠裝備，已在中國、越南、泰國、柬埔寨等13個世界主要植膠國推廣應(yīng)用1萬余臺，達到了國際領(lǐng)先水平［16］，使用該裝備進行割膠作業(yè)時，仍參照傳統(tǒng)割膠工藝，省時、省力、高效，這與印度橡膠局的往復(fù)式電動割膠刀［7］、云南的WSJD-1往復(fù)式電動膠刀［19］均參照傳統(tǒng)割膠工藝進行割膠作業(yè)，可以提高割膠效率、降低技術(shù)難度、減輕勞動強度的研究結(jié)果一致，說明便攜式割膠裝備與技術(shù)是農(nóng)機農(nóng)藝融合的橡膠樹高效割膠技術(shù)之一。

在農(nóng)機農(nóng)藝融合需求方面，橡膠樹皮較硬，橡膠樹產(chǎn)膠乳管細胞內(nèi)膨壓數(shù)值高達1～1.4 MPa，接近木質(zhì)部，從農(nóng)藝上要求割膠機械在割膠作業(yè)時，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，割膠機械的切割模塊要達到毫米級精準控制；膠園地形復(fù)雜，農(nóng)機化服務(wù)水平低，同時，橡膠樹生長不均勻，割膠作業(yè)時，單次割膠的切割軌跡差異大，要求割膠機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：便攜式割膠機械零部件的優(yōu)化設(shè)計在切割舊膠線、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)藝對農(nóng)機的需求，但在農(nóng)機農(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，有待進一步研究。

1）? 農(nóng)機農(nóng)藝的有效融合，是農(nóng)業(yè)節(jié)本、提質(zhì)、增效的重要實現(xiàn)途徑，農(nóng)機農(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)機械化中得到了較好應(yīng)用，為天然橡膠生產(chǎn)機械化農(nóng)機農(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、加強技術(shù)示范與宣傳培訓(xùn)［20］等。天然橡膠生產(chǎn)機械化方面的農(nóng)機研發(fā)應(yīng)用較少，該方面農(nóng)機農(nóng)藝融合技術(shù)研究仍需加強。

2）? 因橡膠樹是長周期作物，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，但在割膠機械研發(fā)與優(yōu)化過程中，農(nóng)機對農(nóng)藝也有需求，仍需進一步研究。

3）? 便攜式電動割膠裝備的割膠方式，仍參照傳統(tǒng)割膠技術(shù)標準，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，但對橡膠樹的收獲物膠乳的生理參數(shù)的影響還有待進一步觀察和研究。

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，對割膠機械的需求也會改變和優(yōu)化，割膠機械開始向信息化、智能化方向發(fā)展，急需研究攻克便攜式電動割膠裝備與固定式全自動割膠機［21， 22］、移動式全自動割膠機［23， 24］等天然橡膠收獲裝備的共性高效農(nóng)機農(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)機農(nóng)藝融合的高效割膠技術(shù)理論，針對舊膠線干預(yù)機械割膠的問題，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）? 針對單次割膠的機械切割軌跡不平穩(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)速器在電機轉(zhuǎn)速為3 201～8 459 r/min區(qū)間調(diào)速時，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，減少舊膠線對割膠機械的干預(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)化為一個面，減小對樹干的擠壓，不易造成傷樹。

4）? 優(yōu)化后的整機，割膠前不需手撕舊膠線，單株割膠時間較優(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)時間從3～5天縮短到1～3天，膠工更容易快速掌握。

參 考 文 獻

［1］ 汝紹鋒， 李梓豪， 梁棟， 等. 天然橡膠樹割膠技術(shù)的研究及進展［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2018， 39（2）： 27-31.

Ru Shaofeng， Li Zihao， Liang Dong， et al. Progress in the reseach of tapping technology of natural rubber tree ［J］. Journal of Chinese Agricutural Mechanization， 2018， 39（2）： 27-31.

［2］ NY/T 1088—2006， 橡膠樹割膠技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ NY/T 267—2006， 推式割膠刀［S］.

［4］ Angel T S， Amrithesh K， Krishna K， et al. Artificial intelligence-based rubber tapping robot ［J］. Inventive Communication and Computational Technologies， 2022： 427-438.

［5］ 鄭勇， 張以山， 曹建華， 等. 4GXJ-I型電動膠刀采膠對割膠和產(chǎn)膠特性影響的研究［J］. 熱帶作物學(xué)報， 2017， 38（9）： 1725-1735.

Zheng Yong， Zhang Yishan， Cao Jianhua， et al. The influence of the rubber tree tapped and latex production characteristics using type 4GXJ-I of portable cordless brushless tapping knife ［J］. Chinese Journal of Tropical Crops， 2017， 38（9）： 1725-1735.

［6］ Huang Chang， Wang Lingling， Cao Jianhua， et al. The technology research on cutting test of 4GXJ-I tapping knife for rubber tree ［C］. Proceedings of 2019 2nd International Conference on Manufacturing Technology， Materials and Chemical Engineering （MTMCE 2019）， 2019.

［7］ 曹建華， 張以山， 王玲玲， 等. 天然橡膠便攜式采膠機械研究［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2020， 41（8）： 20-27.

Cao Jianhua， Zhang Yishan， Wang Lingling， et al. Research on portable tapping machine for natural rubber harvesting ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（8）： 20-27.

［8］ 盧世香， 馬瑞豐， 陳月異， 等. 巴西橡膠樹樹皮結(jié)構(gòu)特征與膠乳產(chǎn)量的相關(guān)性［J］. 熱帶作物學(xué)報， 2010， 31（8）： 1335-1339.

Lu Shixiang， Ma Ruifeng， Chen Yueyi， et al. Correlation between antomic properties of trunk bark and rubber yield in Hevea brasiliensis Muell. Arg. ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2010， 31（8）： 1335-1339.

［9］ 田維敏， 史敏晶， 譚海燕， 等. 橡膠樹樹皮結(jié)構(gòu)與發(fā)育［M］. 北京： 科學(xué)出版社， 2015.

［10］ 史敏晶， 李言， 王冬冬， 等. 巴西橡膠樹樹皮厚壁組織結(jié)構(gòu)和發(fā)育研究［J］. 熱帶作物學(xué)報， 2016， 37（2）： 311-316.

Shi Minjing， Li Yan， Wang Dongdong， et al. Development and structure of sclerenchyma in bark of rubber tree ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（2）： 311-316.

［11］ 張曉飛， 黃肖， 左如斌， 等. 3個橡膠樹引進品種的膠乳生理特性研究［J］. 熱帶作物學(xué)報， 2021， 42（10）： 2869-2874.

Zhang Xiaofei， Huang Xiao， Zuo Rubin， et al. Latex physiological characteristics of three introduced clones in Hevea brasiliensis ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（10）： 2869-2874.

［12］ 周省委. 不同干燥方式對天然橡膠性能的影響［J］. 化學(xué)工程與裝備， 2019（7）： 7-9.

［13］ 范丹. 樹齡和乙烯利刺激對天然橡膠性能影響的研究［D］. ?？冢?海南大學(xué)， 2014.

Fan Dan. Research on the effect of tree-age and ethylene stimulation on the properties of natural rubber ［D］. Haikou： Hainan University， 2014.

［14］ 胡欣欣， 李維國， 王祥軍， 等. 7個橡膠樹品系樹皮結(jié)構(gòu)與農(nóng)藝性狀相關(guān)性研究［J］. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報， 2019， 39（4）： 32-38， 46.

Hu Xinxin， Li Weiguo， Wang Xiangjun， et al. Study on correlation between laticifer differentiation and agronomic traits of rubber clones ［J］. Journal of Central South University of Forestry & Technology， 2019， 39（4）： 32-38， 46.

［15］ 閆喜強， 廖宇蘭. 橡膠樹割膠技術(shù)的探索［C］. 創(chuàng)新裝備技術(shù) 給力地方經(jīng)濟——第三屆全國地方機械工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會暨海峽兩岸機械科技論壇論文集， 2013： 130-133.

［16］ 王玲玲， 鄭勇， 黃敞， 等. 4GXJ系列便攜式電動割膠裝備與技術(shù)應(yīng)用［J］. 中國熱帶農(nóng)業(yè)， 2021（6）： 18-21， 62.

Wang Lingling， Zheng Yong， Huang Chang， et al. 4GXJ series portable electric tapping equipment and technology application ［J］. China Tropical Agriculture， 2021（6）： 18-21， 62.

［17］ 曹鈺， 黃都， 馮旭， 等. 電子調(diào)速器控制器的電磁兼容分析與試驗驗證［J］. 柴油機， 2021， 43（5）： 8-12， 49.

Cao Yu， Huang Du， Feng Xu. EMC analysis and test verification of electronic speed governor controller ［J］. Diesel Engine， 2021， 43（5）： 8-12， 49.

［18］ 豐富. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計［D］. 贛州： 江西理工大學(xué)， 2021.

Feng Fu. Optimal design of PMSM speed control system based on data drive ［D］. Ganzhou： Jiangxi University of Science and Technology， 2021.

［19］ 袁靈龍. 高效電動膠刀［P］. 中國專利： CN204560456U， 2015-08-19.

［20］ 梁建， 陳聰， 曹光喬. 農(nóng)機農(nóng)藝融合理論方法與實現(xiàn)途徑研究［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2014， 35（3）： 1-3， 7.

Liang Jian， Chen Cong， Cao Guangqiao. Theoretical methods and approach for integration of agriculture machinery and agronomy ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2014， 35（3）： 1-3， 7.

［21］ 許振昆， 王建勇， 張興明. 一種割膠機［P］. 中國專利： CN215683880U， 2022-02-01.

［22］ 吳米. 全自動橡膠割膠機研制與關(guān)鍵技術(shù)研究［D］. 湛江： 廣東海洋大學(xué)， 2019.

Wu Mi. Research on the development and key technology of full-automatic rubber tapping machine ［D］. Zhanjiang： Guangdong Ocean University， 2019.

［23］ 鄧祥豐， 肖蘇偉， 曹建華， 等. 基于軟軌行走的全自動采膠機設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2021， 42（12）： 17-23.

Deng Xiangfeng， Xiao Suwei， Cao Jianhua， et al. Design and realization of automatic rubber picking machine based on soft track walking ［J］. Journal of Chinese Agricutural Mechanization， 2021， 42（12）： 17-23.

［24］ 肖蘇偉， 張以山， 曹建華， 等. 天然橡膠全自動采膠系統(tǒng)技術(shù)理論研究［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2020， 41（9）：143-148.

Xiao Suwei， Zhang Yishan， Cao Jianhua， et al. Theoretical study on automatic tapping system of tapping system of natural rubber ［J］. Journal of Chinese Agricutural Mechanization， 2020， 41（9）： 143-148.