苗間除草刀具結構設計研究

張 喆，趙月明，張國良，張 輝，郭蘭天

（青島理工大學臨沂校區，山東 臨沂276000）

通過對苗間除草刀具的結構進行優化設計，對刀具的形態進行合理設置，對農機的路徑進行控制規劃，能夠有效地實現避苗工作，提高除草率，降低人工勞動的強度。通過改變其運動軌跡，自動避免稻苗等方式，實現除草的目的。因此本文結合已有的研究經驗，對苗間除草刀具結構進行設計。

1 苗間除草刀具結構設計的價值

1.1 苗間除草刀具結構設計有利于降低人工勞動

雜草和農作物爭奪養分，占用農作物生長所必須的資源，因此在農業生產中一直是重中之重。統計表明，在全球15 億hm2的農田因為雜草問題造成的損失約800 億，單小麥造成的損失就高達400萬噸以上。但是傳統農業除草太依賴人工勞動，采用人工除草的方式，強度太高，而且效率低下，這大大的降低了農業生產的效率，造成了巨大的經濟損失。

1.2 苗間除草刀具結構設計有利于降低污染

使用農藥化肥是降低人工勞動的最有效方式，省時、省力、高效，能夠給土壤提供足夠的養分，并且能夠消滅病蟲害，實現除草的目的。但是農藥化肥的使用盡管給土壤提供了充足的養分，并且實現了高效除草的目的，但是在施用中會造成農業污染，導致土壤退化，甚至會對農作物本身造成污染，影響農作物的品質，對農業生產有長期的惡劣影響。因此，使用苗間除草刀具進行除草，有利于降低農業污染，實現農業的機械化和現代化。

1.3 苗間除草刀具結構設計有利于提升除草率

農用機械的除草效果不僅在生態環保上由于除草劑，而且通過結構設計，在除草效率上也優于一些農藥。而且機械除草在一些時候，比人工噴藥的效果更好，效率更高。采用機械噴灑的效率高，但是能耗大，而且存在污染，因此采用機械除草是一種一舉兩得的選擇。另一方面，采用機械除草還具有松土的作用，能夠給作物生長提供充足的氧氣量，提升除草率的同時，也為農業生產帶來了效率。在結構設計方面，通過調節刀具的間距，有利于對不同距離植株進行除草處理。

2 當前苗間除草刀具存在的問題

2.1 除草率低傷苗率高

我國農業機械起步較晚，加之農業密集勞動力的形態，導致了農用機械的普及率不高。同時我國農業機械技術水平還有待提高，因為設計上主要用于清除作物行距之間的雜草，對于生長位置不規則的雜草除草率較低，甚至還存在一定的傷苗率。另一方面，目前的除草刀具主要靠切斷雜草的根系，如果不能確定深度，那么會造成除草不凈。同時，如果結構不合理，在狹窄的行間距進行作業時，容易造成土壤移動，破壞作物的生長環境。

2.2 刀具機械結構不合理

刀具結構設置不合理，會造成自身損傷，比如刀具結構設計不完善，在機構執行過程中與磚、石發生摩擦，造成損傷。同時，傳統農業除草機械較大，能耗高，操作的方便性還有待提升。有些機械在工作時穩定性差，轉向和刀盤的角度不靈活，加之檢測不靈敏，會導致刀具誤傷農作物。在結構的簡單性、便捷性、模塊化、刀片更換等方面還存在問題。

3 苗間除草刀具結構設計的研究進展

3.1 國外苗間除草刀具結構設計的研究進展

美國工程師kress Finger 將兩個反向斜角的齒輪圓盤作為執行機構，以伸出指性齒作為刀具，工作時利用土壤的反作用力，將土壤中雜草去除。同時該設備還能夠去除行間雜草。此外八釘指旋轉刀具也是一種創新的結構設計，該設計配有先進的檢測和導航裝置，用來控制彈齒在苗間生成一定的運動軌跡，實現避免刀具對苗間傷害的目的。刀具的結構主要由液壓驅動的釘指轉盤、閉鎖裝置和八根除草釘組成，裝置能夠單獨控制釘指伸縮，在工作時就能夠自動避開稻苗，控制位置的變化。M. J. O’Dogherty 采用運動學仿真的方法對刀具結構進行優化，刀具采用旋轉鋤結構，設計成260 度左右的豁口圓盤，通過對刀具的運動軌跡規劃實現快速除草。英國的Garford 研制的除草機器人速度可以達到3.2km/h，調整行間距離的側移速度為0.1m/s，除草行數最大可達12 行，該刀具在蔬菜除草中效率較高。Z.Gobor 研制了一種旋轉鋤刀具，該刀具至于垂直圓盤式上，能夠在行內苗株間進行除草工作。機械結構包括懸臂固定器和三個以上帶有末端刀具的懸臂，除草懸臂固定器平行于苗株行的上方，通過調整夾角來控制除草面積，同時確保一定范圍內的植株不會受到傷害。

3.2 國內苗間除草刀具的研究進展

國內的苗間除草刀具包括旋轉鋤刀具結構、彈齒刀具結構、垂直圓盤刀具結構、水平圓盤刀具結構、錐形圓盤刀具結構、鏈齒刀具結構等，單雙翼刀具結構是我國農業除草中最廣泛的應用形式，除草效果較好。關于刀具的優化方法，中國農業大學的黃小龍用正交試驗的方法進行了優化設計，其除草率高達88.5%，更顯著的效果在于傷苗率低，僅僅為1.6%。張春龍設計的除草刀具結構是由機械手構成，其轉臂可繞自身Z 軸自由旋轉，機械手刀具采用三指手爪，為了不傷害作物，其中一指為活動手指，根據圖像識別的信息進行判斷。作業時可將機械手刀具不至于植株的兩側，除草率高達90%以上。劉繼展研制了六爪和八爪刀具，能夠同時控制多套割刀進行除草工作，效率較好。韓豹等發明的水平圓盤刀具通過優化出最佳工作參數組合實現了結構性能的提升。張國等人對刀具進行結構優化，在不翻土作業的情況下，除草率96%，碎土率96.5%。

4 刀具結構設計的方案和保障措施

4.1 刀具結構設計的方案

刀具設計時要充分考慮切削阻力、刃角、刃線形狀、加工可行性、刀盤拆裝、更換刀片和振動平衡等因素。要求除草裝置至少具有割草和斷根兩個功能，除草刀盤和除草刀片使用螺栓連接。可以采用彈齒耙刀具、掃描鋤刀具、鴨掌形刀具、旋轉式刀具、地面刀具和刷子刀具。刀刃形狀可以采用直線型、圓弧型、拋物線型，用數學方法進行計算。在刀刃厚度選擇上，太薄容易造成磨損、卷刃、崩刃和振動變形，太厚容易造成切削阻力大，不易割斷雜草，而且還提升能耗，實驗表明選擇選取刃角為25°，刀片厚度為3mm 效果較好。要根據農機前進的速度和刀盤的轉速計算刀片的數量，以確保最優的效率，提升除草率。在割茬高度調節機構設計方面，要精確測量手輪轉過的圈數n，實現精準控制滑塊舉例的目的。轉角機構包括轉角電機、平面四連桿機構和轉角平板等部分，刀盤底部與地面形成夾角，前刀片切除雜草，后刀片深入土壤。

4.2 刀具結構設計的保障措施

針對不同情況，要對刀具結構進行優化設計。為了避免對農作物造成損害，比如采用除草鏟機構，使用扇形豁口的圓盤形狀，目的是為了利用豁口的運動位置避免對農作物的損害。總體機構配置編碼器箱體、液壓馬達、馬達安裝板和鏟桿。同時也要仿形機構進行設計，確保如圖深度在50mm，也要設置調節裝置，對刀具的入土深度進行調節。為了合理控制刀具的運行軌跡，就要根據不同農田的特性對刀具的結構進行初始化調節，具體來說要調節刀具與地面的角度和入土深度，采用調節圓柱與調節螺栓的方式進行調節，利用絲杠螺母傳動的工作原理伸縮，實現調節角度的目的。采用掃描鋤刀具能夠實現自主調節間距，適用于高速運行的作業環境。將鴨掌形刀具通過S 型彈性鏟柄與機架相連，能夠有效避免障礙物帶來的損傷。

5 結 語

為了提升苗間除草刀具的除草率，就要在除草工作中不斷改進其結構設計，檢 驗其效果，根據實踐調整其結構。