4GXJ 型电动割胶刀在天然橡胶收获中的应用研究

陈娃容，邓祥丰，王玲玲，张以山*

（1.中国热带农业科学院橡胶研究所，海口571101；2.国家重要热带作物工程技术研究中心机械分中心，海口571101）

2018 年，我国橡胶树种植面积多达114.67 万hm2，植胶面积和投产面积世界排名第三，仅次于印度尼西亚和泰国。随着国内经济持续性快速增长，对天然橡胶的需求也相应呈现扩大势头。目前，我国在世界天然橡胶市场上仍旧保持着第一大进口国和消费国地位，2018 年的天然橡胶消费量已达到560 多万t，但自给率却从20 世纪90年代的50%快速下降到如今的20%，对外存在着很强的依存度；并且天然橡胶的供应渠道单一，以及各种不定向因素的叠加，给国内天然橡胶供给带来严重的安全隐患［1］。如何保障国内天然橡胶的自身供应水平与减小对外的依存度，成为该产业当前面临的重大难题。

随着我国城镇化与工业化改革速度的加快，劳动力成本不断提升，给天然橡胶产业带来用工难、用工成本高等问题，让植胶整体效益明显下滑。同时，受到橡胶价格“天花板”与劳动成本“地板”的双重挤压，胶工的割胶积极性严重受挫，出现弃割、弃管、改种等现象，导致天然橡胶种植业的发展出现萎缩。因此，针对天然橡胶种植环境的特点和高强度劳动作业的需求，对于割胶机械应用的呼声也越来越高。割胶机械研发成为产业迫切需求，加速替代人工割胶的机械化采胶技术和装备的研发与推广，有助于逐步摆脱对传统割胶的技术依赖性。目前，以便携式电动割胶刀的应用最为广泛，融合了农机与农艺的技术要求，可根据树皮厚度来调节割胶深浅，从而提高了割胶效率与降低割胶难度。本文从4GXJ型电动割胶刀的研发背景出发，比较其与传统割胶刀的差异和优势，以及在天然橡胶收获中的应用效果，并提出在应用中存在的问题和改进建议，为电动割胶刀后续的优化提供参考。

1 4GXJ 型电动割胶刀研发背景

青壮胶工人员流失，胶工的割胶积极性不高，多数更愿进城务工。究其原因：第一，由于割胶作业收入不高且辛苦繁琐，年轻的一辈都不愿从事该项劳动生产，导致队伍断层现象较为明显，胶工群体老龄化严重；第二，采胶工具落后，多以传统的割胶刀为主，技术性要求较高，培训时间长，导致劳动强度大，消耗大量劳动力资源，影响割胶效率；第三，受到国际环境影响，胶价长时期低迷，收入大幅降低，难以维持生计。由此也导致了橡胶园出现弃割、弃管现象，一些橡胶林还遭到砍伐，被改种其他经济效益高的农作物，造成橡胶产业经济的严重损失。一棵橡胶树从育苗、种植再到开割需要花费好几年的时间，开割的头两年产量并不高，加之有胶不割、砍树毁胶问题日益严峻，增加了时间成本。当下胶工老龄化及劳动力短缺迫使割胶成本上升，已然形成制约天然橡胶产业发展的最大瓶颈，迫切需要研发采胶机械来提高产出效益。

2017 年，中国热带农业科学院橡胶研究所研发了我国第一代4GXJ-1 型电动割胶刀，并小批量试产和上市，之后又在原先的基础上对电动割胶刀的结构进行了优化升级，推出第二代4GXJ-2 型电动割胶刀。该系列型号的电动割胶刀先后获得国家重点专项、院本级基本业务费等项目的资助。

2 4GXJ 型电动割胶刀的特点和优势

4GXJ 型电动割胶刀如图1 所示，由中国热带农业科学院橡胶研究所曹建华团队研发［4-7］，自推出起受到国内外胶农热议和广泛关注。4GXJ型电动割胶刀，在动力上由人力驱动转变为电力驱动，能够让胶工的劳动强度降低一半；在割胶效果上，对割胶深度和耗皮厚度实现了较为精准的控制，能够实现“傻瓜”式的操作效果；在割胶效率上，提升了10%～30%，并将新胶工的培训时间缩短至原来的一半，大大降低了培训成本。尽管在操作时仍需要人工辅助，但在一定程度上能够缓解劳动强度，简化了割胶技术的难度，为采胶作业实现机械化带来技术性的变革。

图1 4GXJ型电动割胶刀

4GXJ 型电动割胶刀具有如下性能特点：

（1）适用性强：对称刀片结构设计，可满足阴阳刀、高低线割胶需求；可开水线、新割线；可推割和拉割。

（2）轻便舒适：人机工程学设计，主体重量≤370 g、4 000 Ah 电池重量≤430 g。

（3）效果良好：老胶线不缠刀；下收刀够深、整齐，割线平顺；切割树皮均为有效皮，呈片状，无树皮碎屑污染胶水。

（4）减少伤树：割胶深度和厚度由机械控制并可调节，可有效减少人为操作不当特别是新胶工的伤树。

（5）无级调速：根据树龄、割制、耗皮量不同需求，可选择合适动力转速。

（6）培训节本：操作简单易学，新胶工经3～5 d 培训即可上岗，节约培训时间和培训成本2/3。

（7）省工高效：割胶前基本不用手撕老胶线，一键式操作，熟练使用后6～10 s 完成单株割胶作业。熟练使用，单株割胶效率提升60%～80%，整体割胶效率提升20%～30%。

（8）续航力强：进口电芯，电池性能稳定、续航能力强；4 000 mAh 容量，满电可完成700 株以上胶树割胶。即使电力用完，可秒变传统刀，不影响割胶。

（9）功能模块化：整机按功能模块化设计，大大降低了维修技术难度。一个模块损坏可快速拆卸更换，大幅节约维修成本与时间

（10）降低“双难”：降低割胶技术难度和胶工劳动强度60%，割胶作业由“专业依赖型”转变为“大众普适型”，割胶不再完全依赖壮年技术胶工，可有效拓展胶工来源。

对比传统割胶刀，无论是购买费用、劳动强度、割胶效率、割面效果，还是在割胶技术难度等方面，电动割胶刀都具有不少的差异，两者性能比较如表1 所示。

根据表1 的各项参数指标比较发现，传统割胶刀与4GXJ 型电动割胶刀存在的较大差异具体包括：

表1 传统割胶刀与4GXJ型电动割胶刀的性能比较分析［2］

（1）从胶刀重量方面来看，两者在结构上都较为巧轻便携，在环境复杂的橡胶林间使用具有很大机动性。电动割胶刀由于配有电池、电机等动力部分，总体的重量与传统割胶刀相比要大些，但由于电池可悬挂于腰间，因此也减轻了手部的重量。而且在割胶时由于胶刀本身具有一定的质量，受到电机振动影响较小，这也加强了割胶的稳定性与平顺性。

（2）从胶刀性能方面来看，电动割胶刀由于耗皮量和割胶深度能够由胶刀上的机械结构来进行调控和限制，因此在技术上对胶工的要求较低，可减小劳动强度与提高工作效率，极大的缩短新胶工培训时间，对于成本投入的节约效果显著。和传统的割胶刀相比，在同样的劳动强度和割胶时间内，电动割胶刀所割胶树将会更多。

（3）从胶刀采胶效果方面来看，根据《橡胶树割胶技术规程》中的相关技术规程要求［3］，4GXJ型电动割胶刀与传统割胶刀在耗皮量、割胶深度、胶水产量、胶水清洁度、割面平滑度等效果上基本一致，并且优势突出。但是，由于橡胶树的树皮厚度不均与粗细不同，在割胶过程中对深度不容易准确把控，导致割胶深度不够或过深伤树，产量由此受到影响，这些也是目前电动割胶刀存在的共性问题。

（4）从胶刀成本费用方面来看，受到电动割胶刀的配件影响，比如动力控制部件、传动结构的复杂性和零件的加工精度要求等因素，导致购买成本比传统胶刀高出不少，但从培训新胶工的角度来分析，节约的成本也足够抵上一部电动割胶刀的购买费用。同时，在作业过程中花费同等的时间或消耗同等的劳动力情况下，一名经验丰富的胶工可增加20%～30%的割胶面积，也伴随着耗皮量的减少、伤树率的降低与磨刀时间的缩短，这些增效带来的经济效益远高于传统割胶刀。

综上，便携式电动采胶刀具有广阔的发展前景，也是由传统割胶方式向自动采胶方式发展的衔接与过渡，只要将目前电动割胶刀存在的割深、仿形等问题解决好，那么应用在自动采胶技术上将会取得巨大突破。

3 4GXJ 型电动割胶刀的应用及效果

4GXJ 型电动割胶刀由于传动零件较多，使得整体结构相对复杂，且对零件加工和装配的精度、材料的耐磨性等方面都有一定要求。但其切割方式和作业功能都与传统割胶刀无明显差异，在人工的辅助下可以完成传统的割胶技术要求；切下的树皮均为有效皮，并且乳胶正常排出无污染；行刀过程中不仅有效减少对割线的挤压，而且还让起收刀够深、够整齐，即使刀片出现停顿的情况也不会影响到割面的平滑度，保障了排胶的流畅与产量。同时，电动割胶刀的设计也能够将老胶线连同树皮一起切割下来，解决了老胶线缠绕刀片的问题，大幅提升了割胶效率。

4GXJ 系列电动割胶刀通过限位导向器与割胶刀片的配合，实现了对割胶深度和耗皮厚度的毫米级控制［8］。相比传统割胶刀只能依靠生产经验和操作手感来控制，4GXJ 型电动割胶刀只要按照其技术要求正常使用，就能够达到几乎不伤树的效果，可以与使用传统割胶刀的一级胶工相媲美，从而有效减少了人为因素造成的伤树影响。4GXJ 型电动割胶刀也能够在一定程度上仿照传统胶刀的作业模式，达到预期割胶效果。而且该款电动割胶刀的设计理念为一键式的“傻瓜”操作，这样能降低胶工的劳动强度与割胶培训的技术难度，极大的提升整体割胶效率，单株割胶效率可提升60%～80%。通过大田试验评估发现，该款电动割胶刀在伤树率、耗皮量、胶水清洁度、割面平滑度等方面都与传统割胶刀无明显差异［9］。

目前4GXJ 系列电动割胶刀已实现产业化的批量生产，并在世界上的主要产胶国进行推广和应用，一定程度上缓解了当前割胶机械化低、产业胶工短缺的世界性难题。

4 电动割胶刀存在的不足与建议

（1）机械结构的改进与优化。4GXJ 型电动割胶刀存在机械传动结构较为复杂，对关键零部件的加工精度和材料耐磨性要求高的问题，而且树皮厚度不均与树干粗细不一，造成限位导向器难以对限深的一致性得到满足，还是会出现割伤树的现象。所以，尚需做进一步的改进与优化，来提升割胶效果和使用性能。

（2）结合实践生产经验提升使用性能。便携式电动割胶刀的制造加工目前尚无成熟的生产工艺路线可供参考，在树干外沿的仿形、割胶深度和耗皮厚度的准确控制、主要零件的制造工艺、生产与维护的成本花费等方面，仍需通过与大田的生产实践相结合来不断深入优化。

（3）使用习惯的调整与改变。传统割胶刀使用历史较为悠久，多数胶工的使用习惯也都根深蒂固，在使用电动割胶刀时难免会出现行动笨拙、不适应等现象。因此，有必要对胶工的技术加强培训与指导，这样也有利于电动割胶刀的推广使用。但是，要进行市场化并逐步替代传统割胶刀成为胶工生产作业的主要工具，还需要不断的努力。

（4）农艺与农机融合程度不够。目前市场上出现的便携式电动割胶刀由于其设计结构与农艺的结合深度不足，导致割胶的效果达不到预期要求，难以实现目前传统采胶标准的技术规范要求。故需要从生产实际出发，以胶工的需求为导向，来加强电动割胶刀在农艺方面的融合，同时也需要修订相关的技术规程和行业标准，这样才能加快电动割胶刀的推广应用。