便携式天然橡胶采胶机械探究分析胶乳主要来自橡胶树内的乳管,当乳管被切断后,胶乳即会流出天然橡胶的采收,最早是用斧头或刀砍树皮,结果导致伤树严重,不能持续产胶直到1897年,新加坡植物园主任芮德勒(H.N.Ridley)发明了不伤及橡胶树形成层组织、在原割口上重复切割的连续割胶法,纠正了橡胶树原产地用斧头砍树取胶因而伤树、不能持久产胶的旧方法,使橡胶树能几十年连续割胶,这就是著名的“芮德勒连续割胶法”[1],从此开创了天然橡胶栽培的新纪元经过一百多年的发展,采胶技术与配套工具发生了巨大变化每一特定的历史时期,伴随着社会经济的发展和采胶技术体系的变革,都对应着采胶工具的革新和发展本文综述了推式割胶刀、拉式割胶刀、采胶针三种传统人力采胶工具,以及电动针采机、旋切式电动胶刀、往复式电动胶刀三种电动采胶机的设计研发、工具性能、割胶技术、割胶效果及成本,并对6种采胶工具进行了比较分析,提出了割胶机械在天然橡胶收获环节应用中存在的问题,以及应用前景,并提出天然橡胶产业收获技术将呈现电动采胶机和全自动智能化采胶机器人高低搭配、农艺农机融合的新模式的发展趋势1、传统采胶工具1.1传统人力割胶刀传统割胶刀应用最广、时间最长,按其割胶方式可分为推式(Gouge)和拉式(Gebung)两大类,通常有两个呈一定夹角的刀刃。
推式(图1)和拉式(图2)胶刀区别在于切割刀刃与手柄的连接形式、使用刀刃的朝向不同世界不同植胶国家,根据胶工的习惯,又作了一些特色的改进比如,印度的推刀(图3)切口就呈“U”形,刀口为波浪线,整体呈“一”字形,与中国的推刀明显不同拉刀整体呈“L”形,但泰国(图4)、越南(图5)、印度尼西亚、马来西亚(图6)的拉刀水平刃和立刃的尺寸大小、夹角都不相同,甚至在前端有一个凸出的圆弧刃图1中国推式胶刀图2中国拉式胶刀图3印度推式胶刀图4泰国拉式胶刀图5越南拉式胶刀图6马来西亚拉式胶刀传统人力割胶刀通常包括刀柄和刀体两部分,其优点是刀具由钢材铸成,成本较低,已使用了数十年但是这类割胶刀,胶工需要经过系统、长时间培训,尽管如此,也容易导致大量伤树现象,割胶深度和耗皮厚度均需胶工凭经验和技术掌控,劳动强度大,对胶工技术依赖度高,在技术胶工严重不足的当今,该类工具的落后性更加凸显近年来,研究者和生产一线技术人员,对该类胶刀进行了改进优化,试图提升其性能、降低割胶技术难度、提升割胶效果海南大学王驭陌[2]、张燕[3]等在传统胶刀上增设了一种割胶深度智能报警器(图7),当胶刀伤及木质部时,可以发出警报刘博艺等[4]提出了一种智能割胶刀,能够实时监测并记录割胶深度,方便胶工掌握力度控制割胶深度,并以存储中记录的数据为依据对胶工割胶操作进行打分和指导,便于胶工割胶技术的学习。
这类基于接触式原理、并在传统胶刀上增设的装置,仅起到了提醒作用,但此时已伤树,仍未能从根本上解决传统胶刀的不足图7割胶深度智能报警器2009年,西双版纳农机研究所[5]研发了新型多功能免磨割胶刀,比传统胶刀的硬度高出3度,刀刃修磨一次割胶株数增加了5～6倍李旭海[6]发明了一种可更换刀头的割胶刀(图8),刀体前端刀片可更换、刀体可拆卸,携带方便何建华[7]设计了一种不重磨夹固照明组合式割胶刀,除刀体前端刀片可更换外,还在刀身上增加了照明装置,胶工不用头戴胶灯此外,马来西亚橡胶所开发了一系列类似刀片可更换的割胶刀此类改进,是对传统人力胶刀的完善,减少了磨刀时间,一定程度上改善了割胶效果,但仍是技术高度依赖型的割胶工具,且仍未从根本上解决人力割胶刀的不足图8可更换刀头的割胶刀1.2传统针采工具20世纪80年代,鉴于传统割胶刀对胶工技术要求极高,中国与马来西亚科技工作者试图从源头上改变割胶方法和配套工具,研发设计了采胶技术要求极低的针刺式采胶器双针头针刺采胶器[8],手压式针刺采胶器,锤式针刺采胶器针刺采胶器,类似锥钻,钻柄上装有一种可拆卸的短针,用螺母和夹头固定使用时抓住把手将针刺进树皮,采胶速度更快,对胶工技术要求相对较低[9],因此,在20世纪70—80年代,针刺采胶曾轰轰烈烈的发展过一段时间。
据资料介绍,在当时的技术条件下,乙烯利刺激技术尚未成熟,多采用在根部埋电石的方法刺激,电石呈小块状,用量难以按技术规程标准施用,导致烂根现象另外,一些人认为,针刺采胶器仍需依赖人工操作、对解放劳动力的贡献不大,针刺深度不易控制、导致伤树而形成“木钉”、影响现生皮及乳管的再生、进而影响后续产胶,针刺伤树后,易引起树皮干涸、从而影响胶树生长与再生皮割胶,耗皮与传统割胶相比,减少一半,产量与传统割胶相比,仅为50%～70%左右,采胶针易弯易折断[10,11,12,13,14]因此,在20世纪末期,该采胶方法及工具被放弃2、电动采胶机2.1电动针刺采胶机20世纪80年代,中国与马来西亚都研发设计了采胶针[15,16,17],而马来西亚作为世界植胶大国,由于劳动力明显缺乏,对采胶工具的改进愿望更为强烈,先后研发设计了电磁刺针、机动刺针、螺旋刺针3款便携式针刺采胶工具,并配套设计了带齿轮刺针、旋转式刺针、微型钻针以及微钻头4种采胶针,用于生产上针刺采胶和刺割结合采胶,结果表明:针刺采胶单株产量虽低于常规(S/2d/2)割制,但针刺效率提升了约40%,因此每个胶工总体产量均高于传统割胶刀胶工12%～70%,且高刺胶位单株产量较传统的高。
从刺胶方式上看,旋转式刺针和螺旋刺针产量比手控刺针稍高从工具的耐用性看,手控刺针和螺旋刺针弯针现象较多,但机械故障较少机动刺针有老胶线缠针问题,由于水的渗透,工具开关经常失灵而无法启动总体来看,针刺采胶具有较好的研究基础,在理论和实践上是可行的,且针刺采胶速度较传统割刀快、能获得较理想的产量、生产制造较其它采胶机械更为简单、成本更低廉但是电动针刺采胶机除上述人工针刺采胶机存在的问题外,还存在以下问题:机械结构设计、针刺方式不合理,导致机械故障、老胶线缠针等,刺针弯针现象较多、刺针材料、强度需要提升,能耗高、电池续航时间不长,制造工艺有待提升,防水性能不足导致开关经常失灵而无法启动等,极大地限制了针刺采胶机械的研发与应用近年来,国内外还研发设计采胶针钻2016年,黄敞、郑勇等[18,19]研发了智能采胶针钻,包括机壳、针钻、旋转电机、推进电机、厚度信息获取装置和采胶处理器,旋转电机驱动针钻旋转,推进电机驱动针钻前后移动,厚度信息获取装置用于读取每个橡胶树上对应的厚度信息存储装置中的厚度信息,将厚度信息转换为推进电机的脉冲信号,根据该脉冲信号控制推进电机的推进深度,从而保护形成层不受伤害,且旋转钻入橡胶树皮更加容易,不会挤压乳胶管,保证了较多的排胶量。
2017年,国外也公布一种用电动螺丝刀改进过的钻孔取胶工具(图9),配合乙烯气刺采胶,获得了较理想的产量该方法采胶速度快,对技术要求低,要获得产量需加大乙烯刺激浓度,易导致胶树不可逆伤害,且钻孔深度不易控制,孔径较大,导致伤树,形成烂皮和木钉,目前未见有使用结果的详细报道图9电动采胶针钻2.2电动割胶刀电动割胶刀与传统割胶刀相比,从以下几个方面进行了革新:从人力到电力驱动、胶工劳动强度降低50%以上,割胶深度和耗皮厚度实现了毫米级别的精准控制、割胶技术难度降低50%以上,割胶效率提升10%～30%,新胶工培训时间缩短1/2以上尽管仍需人工辅助操作,伴随当代工业技术飞跃进步,微小型化的电动割胶刀已能批量生产并在产业上规模化应用,从理论(样机)实质性跨入产品应用阶段,为解决割胶机械化迈出了至关重要的一大步,是割胶工具一种里程碑式的革命早在20世纪70年代末开始,国内外就开始了对电动割胶刀的研究按其切割形式分,分为往复式和旋切式两大类2.2.1往复式1998年,王明辉[20]发明了平动切削式电动割胶刀,利用凸轮将旋转机械动力转换为平动动力,刀头仍沿用了传统的“V”字形,切割方式沿袭了传统推式割胶刀方式。
2012年,郑义明[21]也发明了类似原理的电动割胶,所设计割胶设备的体积有所减小该类电动胶刀体积相对小,灵活、轻便,相对成本低,半自动化,但限于当时的生产与加工条件,电机、电池体积大、部件加工精度等远不能满足生产上便携式要求,且割胶深度和厚度仍需人为调控,与传统胶刀相比,并没有明显降低技术难度的优势,因此未能在生产上大面积推广使用,因年代久远,仅见有专利及少量文献资料介绍,未见有实物样机图片1979年,马来西亚橡胶研究院(RRIM)和日本某公司合作研制了一款往复式电动胶刀并生产出了产品(图10),并在生产上试验试用,该机能降低割胶技术难度、减少伤树,产胶量也较人工传统胶刀高,但数年后基本已不在生产上使用据分析,限于当时的工业技术发展水平,电机和电池难以小型化,导致电动胶刀重量约3.5kg/台,胶工使用比较费力、时间长了易疲劳图10往复式电动割胶机2017—2019年,中国热带农业科学院曹建华等[22]研发了4GXJ型系列电动割胶刀(图11),在电动割胶刀的前部设有两个对称设计的刀片和限位导向器(可调),实现了割胶深度和耗皮厚度的精准控制机体小巧轻便,作业功能与传统胶刀几无差异,操作简单易学、一键式、“傻瓜化”操作,使割胶技术难度和劳动强度降低60%以上,效率提升20%～30%(单株割胶效率可提升60%～80%以上)。
经大田割胶评估,该机型割胶产量、伤树率、胶水清洁度、有效皮、割面平滑度、割胶效率最接近或优于传统胶刀目前,已实现批量生产,产品已在中国、泰国、马来西亚、越南、印度、印度尼西亚等12个世界主要植胶国开始了推广应用,有效拓展了胶工来源,一定程度上缓解了当前割胶无机械装备可用、产业技术胶工短缺的难题图114GXJ系列电动割胶刀2019年,云南袁灵龙[23]推出一款往复式电动割胶刀(图12),该机与早期的王明辉、郑义明发明的电动胶刀本质上无区别,仅解决了割胶机械动力问题,割胶深度和耗皮厚度仍需由胶工凭技术掌握,新胶工掌握难度大,易伤树或耗皮量过大,与传统胶刀相比,没有明显的改变和提升图12WSJD-1往复式电动胶刀往复式电动割胶机,其传动结构相对复杂,对部件的加工和装配精度、材料的耐磨性要求极高,需要有大型、高精密装备生产,一些小加工作坊生产的该类机型难以达到要求因其运动方式的特殊,要求限位导向器与刀片的配合及其外形极具特殊性,否则难以起到限深限厚作用但该类机型其优点非常突出:切割方式与作业功能与传统胶刀几无差异,完成所有割胶功能要求、不需要传统人力胶刀辅助;切割下的树皮呈长条片状、几乎都为有效皮,对胶水无污染;有效减少了行刀过程中对割线的挤压,排胶更顺畅;起收刀够深、够整齐,保障了产量;规避了老胶线缠绕切割刀片的问题,可以与树皮一起切割,大幅提升了割胶效率,不引起胶水外流;行刀过程中,即使停顿也不影响割面的平滑度。
因此,该类型电动胶刀会成为生产推广使用的主流方向,国内的研发与推广应用走在了世界的前列2.2.2旋切式2013年,周珉先等[24]研发了旋割式电动割胶刀,该机仅见发明专利,未见实物样机及大田测试和使用报告2015年,曹建华研发团队先后设计了多款横铣式、立铣式电动胶刀,试制了多轮样机用于割胶试验,但因存在老胶线缠绕刀片、切割树皮呈碎屑污染胶水、起收刀不够深影响产量等明显缺陷、割胶效果难以达到现行采胶技术标准要求,最终未在生产上推广应用2016年,广东阳江地区,有人研发了一款横铣旋切式电动胶刀(图13),该机体积较大,整机重量超过1.5kg,其优点是传动结构直连、简单其切割刀片为扇叶或涡轮叶形,在电机带动下作旋转运动而实现树皮切割,并配合“C形”限位导向器,实现限深、限厚作用但由于该机其切割刀片旋转方向与旧胶线垂直,极易造成旧胶线缠绕刀片而无法切割为了切断旧胶线,加大了电机功率和转速,但导致切割下的树皮呈粉末状,造成了胶水的污。