驅(qū)動式水田機械除草機的研究

譚宏杰 李春勝 李卓霖 柳海鶴 王志濤 張丁佟

(吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130022)

引言

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，消費者對食品營養(yǎng)與安全的要求越來越高，有機稻米也越發(fā)受到追捧與青睞，人們對稻米的需求不再是量的增長，而轉(zhuǎn)向質(zhì)的提升，因此有機水稻種植是今后水稻生產(chǎn)的發(fā)展方向。截至2016年年底,我國有機谷物的總生產(chǎn)面積達到了81.2萬hm2，占有機作物生產(chǎn)總面積的31%，其中水稻的種植面積最大，為27.6萬hm2。有機稻種植要求不能使用化學(xué)藥劑進行除草，現(xiàn)階段有機稻種植多數(shù)采用人工進行除草，人工除草勞動強度大，作業(yè)效率低。同時，近年來由于城鎮(zhèn)化建設(shè)，農(nóng)村的勞動力大量流向城市，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的勞動力出現(xiàn)年齡偏大，勞動力成本提升。這些都制約了有機稻米種植的發(fā)展。有機稻米最有效的除草方式便是使用機械除草來替代人工除草。目前我國機械除草技術(shù)還不成熟，市場現(xiàn)存大多數(shù)除草機只能除去行間雜草,而對于株間雜草無法達到理想的除草效果。因此，現(xiàn)階段生產(chǎn)的除草機均不能滿足農(nóng)藝要求，株間除草裝置的研制對我國綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

1 總體設(shè)計方案

1.1 整機結(jié)構(gòu)

考慮到水稻田間除草屬于二次進入田間作業(yè)，需要考慮的是機具進入田間作業(yè)時應(yīng)保證行距與插秧時相一致，才能最大限度地保證在作業(yè)過程中不損傷秧苗。本文所使用的是洋馬2ZGQ-8D(VP8DN)高速插秧機作為配套動力，為提高除草率本項目采用多種除草部件相結(jié)合的方式進行除草作業(yè)。對于行間草采用對稱式除草輪對苗帶兩側(cè)進行除草。株間草主要采用彈簧絲結(jié)構(gòu)對株間草進行去除作業(yè)。在機具后端采用碾壓輥對前端所除的草進行掩埋處理使之不能進行光合作用達到除草的目的。

驅(qū)動式水田機械除草機的總體結(jié)構(gòu)是由圖1所示的1機架、2變速箱、3鏈傳動箱、4行間動力除草輪、5深度調(diào)節(jié)桿、6除草彈簧絲、7碾壓輥等部件組成。機具通過機架上的懸掛點與配套插秧機進行連接。除草機本身無動力采用牽引式連接形式，插秧機后輸出通過萬向節(jié)與除草機的變速箱連接，為除草機提供動力。

1.2 驅(qū)動式水田機械除草機工作原理

驅(qū)動式水田機械除草機采用現(xiàn)有的水稻插秧機作為牽引動力，本身無動力，由插秧機后輸出通過萬向節(jié)與除草機的變速箱連接，為除草機提供動力，除草機在田間作業(yè)行進過程中，行間除草機構(gòu)通過除草輪的旋轉(zhuǎn)，拋切、拉拔或埋壓等形式，把靠近秧苗附近的雜草清除，株間除草機構(gòu)通過株間除草鋼絲調(diào)節(jié)相應(yīng)的除草位置，通過其結(jié)構(gòu)無限接近水稻秧苗，利用株間除草鋼絲組件去除水稻株間雜草，通過行間耙齒除草器前進轉(zhuǎn)動，將行間雜草通過翻起泥土埋壓被壓倒的雜草阻止雜草繼續(xù)生長，有效完成行間、株間除草作業(yè)。

1.機架；2.變速箱；3.鏈傳動箱；4.行間動力除草輪；5.深度調(diào)節(jié)桿；6.除草彈簧絲；7.碾壓輥

2 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 行間除草輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于除草輪齒屬于易損件，因此行間除草輪采用回轉(zhuǎn)體與除草輪分開結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)體設(shè)計成星形形狀，除草輪齒安裝在星形的星角位置，這樣在2個除草輪齒之間形成較大空隙。在進行田間作業(yè)時可有效避免因輪齒拖帶泥漿與水等增大除草輪工作阻力。

行間除草輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，由星形側(cè)板、中間軸、輪齒安裝板、加強板焊接形成回轉(zhuǎn)體。除草輪齒通過螺栓與回轉(zhuǎn)體上的輪齒安裝板進行安裝。相鄰2個除草輪齒成錯位排列，這樣輪齒之間可形成互補，在作業(yè)時可形成行間全幅作業(yè)。

圖3所示為組裝成單組后的示意圖，鏈傳動箱通過傳動軸與機架上傳動軸相聯(lián)。調(diào)節(jié)桿與機架上的調(diào)節(jié)座板相聯(lián)。這樣整個行間除草輪與機架形成了鉸接結(jié)構(gòu)，在工作時可通過調(diào)節(jié)桿對行間除草輪的除草深度進行單組調(diào)節(jié)。

圖3 組裝后的行間除草輪

圖4 除草輪受力分析圖

設(shè)除草機運動方向與x軸正方向相同，除草葉輪鉸鏈點O為原點，豎直向上方向為y軸建立直角坐標系進行受力分析。除草葉輪在田間作業(yè)時如圖部分受到泥土法向力和泥土摩擦力的作用。泥土對除草葉輪的法向力和泥土摩擦力隨泥土的性狀、除草葉輪的形狀及作用位置不同而變化，合力作用點的位置也會隨之變化。但除草葉輪對泥面的垂直擠壓發(fā)生在第四象限，所以可以確定合力的作用點在第四象限。假設(shè)圖4中的A點是合力的作用點，將泥土合力分解為水平分力R和垂直分力N。

如圖4所示，當除草葉輪做勻速運動時，力的平衡方程：

∑Fx=F-R=0

∑Mo=Nk-Rh=0

式中，R為泥土合力對除草葉輪的作用力在x軸方向的分力，N；F為除草輪自轉(zhuǎn)切向力，N；N為泥土合力對除草葉輪的作用力在y軸方向的分力，N；k為合力作用點A與y軸的距離，mm；h為合力作用點A與x軸的距離，mm。

2.2 行間除草輪組件

葉片式除草輪組件如圖5所示，是由加工有多個定位孔的連接板與機架相連接，通過更換定位孔調(diào)節(jié)除草輪的安裝高度；連接板下方有1個長槽孔，在長槽孔上安裝有限位螺栓用來給除草輪安裝板限位，限制除草葉輪的活動范圍；在除草輪安裝板前端有1個拉簧安裝孔，連接板上方有3個卡槽用于安裝拉簧，在不同除草時期根據(jù)除草深度及雜草根系所需力的大小不同，改變接簧在連接板上方3個卡槽的位置調(diào)節(jié)拉簧拉力。

圖5 葉片式除草輪組件

2.3 株間除草鋼絲組件

株間除草鋼絲組件如圖6所示，在工作時有3種形式的彈簧絲組合在一起工作的。由于除草作業(yè)分為不同時期，不同時期內(nèi)水稻秧苗所能承受的力是不同的，在水稻秧苗剛返青結(jié)束時，這時期水稻田間的雜草還沒有萌出，但在土壤表層下面已形成了出芽狀態(tài)，此時根據(jù)實際情況可進行一次預(yù)除草作業(yè)，這時由于水稻秧苗剛返青根系相對較弱，在除草作業(yè)時可將弧線彈簧絲與加強彈簧絲連接在一起，以擴大弧線彈簧絲的開口度，使其盡量不與水稻秧苗根系接觸，以避免對水稻秧苗造成傷害。在水稻后期除草時，由于水稻已基本完成分孽水稻的須根系已完全形成，這是可通過加強彈簧絲加強直邊彈簧絲的強度，以更好地去除雜草。

圖6 株間除草鋼絲組件

2.4 碾壓除草輥組件

除草輥架由1塊連接板和2塊焊接有銷軸的折彎板組成，除草碾壓輥安裝在兩塊折彎板之間可以自由轉(zhuǎn)動。除草碾壓輥組件如圖7、圖8所示，由1個圓筒、2塊圓盤、6組耙齒焊接而成，耙齒每3組錯位排布，使其在除草作業(yè)時沒有漏除區(qū)域。除草輥架與連接板之間同樣裝有拉簧來提供拉力。

碾壓除草輥組件，在田間進行除草作業(yè)時，通過機架和拉簧等給碾壓除草輥施加的下壓力和碾壓除草輥的被動滾轉(zhuǎn)來翻動泥土，破壞雜草根系的生長環(huán)境，并且可以通過翻起泥土埋壓被壓倒的雜草阻止雜草繼續(xù)生長。

圖7 除草碾壓輥三維設(shè)計圖

圖8 除草碾壓輥組件

3 田間試驗及結(jié)果分析

針對田間試驗的問題進行了優(yōu)化改進后，本文所研究的驅(qū)動式水田機械除草機經(jīng)過田間多次試驗對比分析，確定了最佳除草深度20～40mm，機具行進的速度控制在1.0m·s-1，除草率基本達到75%，是一個有效的除草裝置。

3.1 試驗條件

3.1.1 樣機配套動力

洋馬2ZGQ-8D(VP8DN)乘坐式高速插秧機，與試驗田插秧時使用的為同一臺機具。該機器的動力主要來自于高速插秧機。

3.1.2 試驗樣機

水稻田除草機樣機。

3.2 除草作業(yè)的質(zhì)量評價指標

本研究主要的質(zhì)量評價指標為除草率，為測量試驗區(qū)內(nèi)秧苗株間雜草及秧苗行間雜草除掉的數(shù)量和除前雜草數(shù)量比值，計算公式：

η=(W1-W2)/W1×100%

式中，η為除草率，%；W1為除草前雜草數(shù)，株；W2為除草后草數(shù)，株。

3.3 試驗方案

本試驗采用除草的深度、機具行進速度、行間除草輪直徑、作業(yè)速度作為實驗影響主要因素，除草率作為檢測指標。

3.4 試驗場地

3.4.1 時間

2021年6月15—20日。

3.4.2 地點

吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院水田試驗田。

3.4.3 試驗動力機具

試驗田插秧作業(yè)時采用的是洋馬2ZGQ-8D(VP8DN)乘坐式高速插秧機。

3.4.4 試驗田概況

水稻秧苗行距30cm，株距18cm。該地塊在插秧前后沒有使用化學(xué)除草藥液進行預(yù)防和除草作業(yè)。

3.4.5 試驗田雜草情況

試驗田的雜草生長分布不均，并且不存在一定的規(guī)律，雜草的數(shù)量中等，種類大約為稗草、大葉草等。

3.5 工況

3.5.1 工況1

水深5～8cm；行間除草輪直徑200mm。具體見表1。

表1 工況1試驗結(jié)果

3.5.2 工況2

水深5～8cm；行間除草輪直徑200mm。具體見表2。

表2 工況2試驗結(jié)果

從工況1、工況2試驗情況分析，除草率與除草深、機具作業(yè)速度、除草輪轉(zhuǎn)速、相關(guān)較大，當機具除草輪轉(zhuǎn)速提高時，除草效率有所提升。在試驗過程中，除草輪轉(zhuǎn)速過低時會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。同時也會出現(xiàn)阻力增加。

3.5.3 工況3

水深5～8cm；行間除草輪直徑260mm。具體見表3。

表3 工況3試驗結(jié)果

3.5.4 工況4

水深6～8cm；行間除草輪直徑260mm。具體見表4。

表4 工況4試驗結(jié)果

從工況3、工況4試驗情況分析，除草率與除草深、機具作業(yè)速度、除草輪轉(zhuǎn)速、相關(guān)較大，當機具除草輪轉(zhuǎn)速一定，機具作業(yè)速度增大時，除草效率有所下降。在試驗過程中，機具作業(yè)速度過快還會出現(xiàn)對行不準的情況，造成秧苗的損傷。

4 結(jié)論

經(jīng)過多次田間試驗情況分析來看，影響除草率的主要參數(shù)是機具作業(yè)速度、除草輪的轉(zhuǎn)速、除草深度。試驗中因改變了行間除草輪的直徑，沒有發(fā)生行間除草輪堵塞情況。除草輪在具備主動速度的前提下對田間雜草進行作業(yè)，能夠更好地去除掉雜草的根部。

針對田間試驗的問題進行了優(yōu)化改進后，本文所研究的驅(qū)動式水田機械除草機經(jīng)過田間多次試驗對比分析，確定了最佳除草深度20～40mm，當機具作業(yè)速度在1.0m·s-1時，作業(yè)效果最好，對秧苗的損傷也在可接受范圍內(nèi)。