黄敞 郑勇 王玲玲 吴思浩 曹建华

摘要：天然橡胶市场持续低迷，且割胶队伍开始老龄化，“胶工荒”已成为橡胶产业发展的瓶颈之一，机械和智能采胶方式将成为今后割胶的必然途径。选择4GXJ-1型电动胶刀，按照相关割胶规程，开展电动胶刀割胶切割验证试验。结果表明，电动胶刀对树皮的切割能够达到毫米级控制，平均每株橡胶树的切割时间达到了预期水平，从而验证了电动胶刀传动装置样机的设计与应用，为同类产品的设计提供了参考依据。4GXJ-1型便携式电动胶刀具有较强的实用性和推广价值，该电动胶刀的应用对解决“胶工荒”具有重要意义。

关键词：天然橡胶树;机械割胶;切割技术;电动胶刀

中图分类号： S225.99 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）23-0260-04

当前，我国天然橡胶的种植面积已经超过 113.33万hm2，但是目前必须依赖人工割胶的生产成本占总成本的60%以上。尤其是近年来，受天然橡胶市场持续低迷和胶工队伍老龄化的影响，“胶工荒”已经成为橡胶产业发展过程中不可回避的问题，天然橡胶产业面临的形势不容乐观。2015年对我国三大植胶区的调研发现，仅2014—2015年，因胶价大幅下跌、胶工收入大幅降低难以维持生计，有40%～50%胶工外流，导致30%农垦胶园、50%～60%民营胶园胶树被弃割、弃管，产业每年损失达10亿元以上[1]。突破传统的割胶方式是研究者多年以来一直追寻的目标，而现代分析技术、信息技术、材料技术和机械设计等科技的发展，使得从传统割胶方式向机械和智能采胶方式的变革成为必然[2-3]，可以在大幅度提高劳动生产率的同时，使割胶工序变得轻松、简单和易于操作。机械与智能割胶技术也必将对橡胶产业的科技进步带来巨大影响。

天然橡胶收获的特殊性，使人们难以对其在野外环境中实现机械割胶。因此，尽管天然橡胶大面积栽培已有数10年的历史，但生产上仍然沿用传统胶刀进行推式（或拉式）人力割胶。早在1979年，马来西亚橡胶研究院（RRIM）和日本Nihon Giken公司就合作研制了电动胶刀，但由于其体积大而重等原因，未能在生产上加以推广应用[4-6]。从20世纪70年代末开始，我国国内就开始了对电动割胶刀的研究，该类割胶刀体积相对较小、灵活、轻便，可便携式移动，能重复使用，相对成本较低，且半自动化，但是限于当时的生产与加工条件，电机、电池体积大，加上部件加工精度等远不能满足生产上便携式的要求，因此未能在生产上加以推广使用。近年来，国内学者在这方面的研究较多，包括王驭陌等设计的智能割胶刀[7]、唐风平设计的新型多功能免磨割胶刀[8]、王明辉设计的电动胶刀[9]、郑义明设计的多功能电动胶刀[10]、袁灵龙设计的高效电动胶刀[11]、许振昆设计的割胶机[12]、周珉先等设计的便携式電动割胶机[13]、蒋士富设计的电动橡胶切割机[14]、张俊雄等设计的带割胶深度反馈的智能割胶刀[15]、刘博艺等设计的智能割胶刀[16]。本试验在项目实施过程中，根据天然橡胶割胶技术和方式需求，共研究了17种便携式电动胶刀样机，最终定型了1款型号为4GXJ-1的电动胶刀[17-18]。

1 便携式电动胶刀割胶技术

1.1 毫米级控制技术

天然橡胶的树皮结构[19]主要包括粗皮、沙皮外层、沙皮内层、黄皮和水囊皮5个层次，其中水囊皮包括功能次生韧皮部和形成层。一般在割胶操作中，应控制合理的深度，避免损伤到水囊皮，因为水囊皮的损伤将影响橡胶树的高产稳产。橡胶树树皮的厚度约为7 mm，其中水囊皮的厚度小于1 mm，因此，机械割胶需要达到毫米级控制，才能确保割胶深度和防止伤树。天然橡胶树的树皮结构如图1所示。

1.2 机械切割技术

根据立铣式、卧铣式、平切式、复合式切割对天然橡胶割面产生的影响，包括对排胶初速度、胶乳产量、伤树率等，确定最佳切割原理，对割胶机械切割关键参数进行测试，包括刀片形状与利度、切割行程、切割效率、切割频率等，选出机械切割与切割原理最佳的组合模式。机械切割的关键技术如图2所示。

1.3 样机定型与加工技术

采用物理传感器采集便携式电动胶刀传动结构的工况数据，结合仿真分析条件设定优化参数与边界条件，根据确定的优化结果，加工便携式电动胶刀传动装置样机，进行样机参数的确定与加工。样机定型与加工流程如图3所示。

2 便携式电动胶刀切割试验

2.1 试验材料

以4GXJ-1型电动胶刀为试验机型，选择数字万用表、接线端子、便携式计算机、秒表、游标卡尺、直尺、皮尺作为辅助材料进行试验。4GXJ-1型电动胶刀主要技术参数见表1。

2.2 试验条件

本试验选择位于海南儋州试验场三队的开割胶园，树龄达30年以上，选择正常开割的30株健康的天然橡胶树，开展电动胶刀切割实测试验。

2.3 试验方法

（1）使用皮尺测量天然橡胶树的树围、割线长度。（2）使用直尺测量天然橡胶树的树皮厚度。（3）用游标卡尺测量使用电动胶刀切割出来的树皮。（4）使用秒表记录单株切割时间。（5）使用数字万用表、接线端子、便携式计算机记录电动胶刀切割实测试验中的电流变化，包括空载电流、负载最小电流、负载最大电流、负载平均电流。（6）每次切割时，电动胶刀先启动5 s以上，确保电动胶刀启动进入稳定状态后，再进行切割试验。（7）参照NY/T 1088—2006《橡胶树割胶技术规程》进行割胶切割试验。

3 结果与分析

3.1 树围和割线长度

本试验选择的30株天然橡胶树的树围均在600 mm以上，平均树围约为791 mm。30株天然橡胶树均为1/2割线，平均割线长度约为406 mm。天然橡胶树的树围和割线长度见图4。

3.2 树皮厚度和耗皮量

本试验选择的30株天然橡胶树的平均树皮厚度约为 7.4 mm，电动胶刀切割树皮的平均耗皮量为2.19 mm。天然橡胶树的树皮厚度和电动胶刀切割树皮的耗皮量见图5。

3.3 切割时间

在本研究中，每株天然橡胶树的电动胶刀切割时间与割线长度成正比，平均每株橡胶树的切割时间为13 s。天然橡胶树的电动胶刀切割时间见图6。

3.4 切割电流

电动胶刀切割实测试验中的电流包括空载电流、负载最小电流、负载最大电流、负载平均电流，平均值分别为0.64、0.88、1.64、1.29 A。空载电流比较稳定，负载最大电流和最小电流受负载影响而有波动，总体较稳定。在试验过程中，待机电流为0.029 A，最大负载電流不超过2 A。电动胶刀切割实测试验中的电流见图7。

在电动胶刀割胶切割过程中，电流随时间的变化包括2段，第1段为空载时电流随时间的变化，第2段为切割时电流随时间的变化，不同天然橡胶树切割电流的变化形状基本一致。每次切割时，电动胶刀先启动5 s以上，待电动胶刀启动进入稳定状态后，进行切割试验。

4 结论

（1）电动胶刀切割树皮的平均耗皮量为2.19 mm，对树皮切割能够达到毫米级控制。（2）树龄30年以上、1/2割线的天然橡胶树，平均每株的切割时间是13 s，达到了预期的切割效率。（3）电动胶刀在切割过程中，平均空载电流、负载最小电流、负载最大电流、负载平均电流分别为0.64、0.88、1.64、1.29 A，验证了电动胶刀传动装置样机的设计。

本研究验证了4GXJ-1型便携式电动胶刀关键部件技术的设计与应用，4GXJ-1型便携式电动胶刀具有较强的实用性和推广价值。同时，本研究将为便携式电动胶刀下一步的优化改进提供理论基础和技术基础。

参考文献：

[1]张 良，胡 祎，许能锐. 胶农割胶制度选择行为及其影响因素——基于海南与云南民营胶园调查[J]. 中国热带农业，2017（2）：35-40.

[2]谢黎黎，姜泽海，黄 志. 中国割胶制度的发展历程及解决胶工短缺建议[J]. 热带农业科学，2016，36（11）：15-19.

[3]许 雅. 有望缓解垦区胶工紧缺问题[N]. 海南农垦报，2015-12-02（001）.

[4]Smith H F. Specific gravity of latex and of rubber[J]. Journal of Rubber Research Institute of Malaysia，1940，9：218.

[5]Ridson E J. Determination of the dry rubber content of natural rubber latex，Part Ⅲ-Methods for fresh latex with special reverence to the metrolac[R]. Rubber Research Institute of Ceylon，1955，31：34-50.

[6]Sarath Kumara P H，Warnajith Pradad A K D. Methods of estimation of dry rubber content in natural rubber latex[J]. Bulletin of the Rubber Research Institute of Srilanka，2006，47：51-58.

[7]王驭陌，张 燕. 基于TRIZ理论的智能割胶刀设计[J]. 湖北农业科学，2015，54（12）：3010-3014.

[8]唐风平. 新型多功能免磨割胶刀[J]. 农机科技推广，2009（8）：55.

[9]王明辉. 电动胶刀：CN87206123[P]. 1988-06-08.

[10]郑义明. 多功能电动胶刀：CN202565880U[P]. 2012-12-05.

[11]袁灵龙. 高效电动胶刀：CN204560456U[P]. 2015-08-19.

[12]许振昆，吴纪营，张兴明. 一种割胶机：CN204907382U[P]. 2015-12-30.

[13]周珉先，张 钢. 便携式电动割胶机：CN205093296U[P]. 2016-03-23.

[14]蒋士富. 一种电动橡胶切割机：CN205129939U[P]. 2016-04-06.

[15]张俊雄，沈 阔，张顺路，等. 一种带割胶深度反馈的智能割胶刀：CN107065656A[P]. 2017-08-18.

[16]刘博艺，蔡宽麒，张 燕，等. 一种智能割胶刀：CN106342655A[P]. 2017-01-25.

[17]郑 勇，张以山，曹建华，等. 4GXJ-1型的电动胶刀采胶对割胶和产胶特性影响的研究[J]. 热带作物学报，2017，38（9）：1725-1735.

[18]郑 勇，黄 敞，曹建华，等. 一种电动割胶机：CN206165342U[P]. 2017-05-17.

[19]田维敏，史敏晶，谭海燕，等. 橡胶树树皮结构与发育[M]. 北京：科学出版社，2015：1-14.

收稿日期：2018-09-05

基金项目：中国热带农业科学院基本科研业务费专项资金（编号：1630022018011）;国家重点研发计划（编号：2016YFD0701500）。

作者简介：黄 敞（1985—），男，广西柳州人，助理研究员，主要研究方向为橡胶机械化。E-mail：25871740@qq.com。

通信作者：王玲玲，硕士，助理研究员，主要研究方向为橡胶机械化与信息化。E-mail：zishi-010@163.com。