金佳俊，謝東升，邵圣樂，奚小波

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

水稻是我國最主要的糧食作物，占糧食總產(chǎn)量的35%以上[1]，雜草是造成水稻產(chǎn)量下降和品質(zhì)降低的主要原因之一[2]，目前稻田除草方式主要以化學(xué)除草為主，占90%以上，長期、大量、高頻的施藥除草引發(fā)雜草的抗藥性提高、生態(tài)環(huán)境遭到破壞、食品安全面臨挑戰(zhàn)[3]。隨著人們生活水平的提高，越來越多的人開始追求綠色無公害有機(jī)食品，尤其是有機(jī)大米，受到越來越多人的青睞。因此，化學(xué)除草劑的弊端逐漸顯現(xiàn)出來，更高效環(huán)保的機(jī)械除草開始被提倡并推廣。

機(jī)械除草技術(shù)是一種環(huán)保型除草技術(shù)，利用各種耕、翻、耙、中耕松土等措施實(shí)現(xiàn)除草，減免化學(xué)除草劑的使用，對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境保護(hù)有著重要意義。在除草過程中，不僅去除雜草，還能翻轉(zhuǎn)土壤，增加土壤的氧氣含量和促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收[4]。然而，機(jī)械除草技術(shù)的難點(diǎn)在于保證去除行間和株間雜草的同時(shí)，避免除草部件對(duì)稻苗的機(jī)械損傷。為此，本文設(shè)計(jì)了一種往復(fù)擺動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)，能夠保證較高的除草率和較低的傷苗率。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的往復(fù)擺動(dòng)式機(jī)械除草機(jī)主要由往復(fù)擺動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)、壓草支撐滑板、行間除草機(jī)構(gòu)和機(jī)架等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 往復(fù)擺動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

機(jī)具前進(jìn)方向如圖2 所示（各部件從右至左依次作業(yè)），在機(jī)具前進(jìn)時(shí)，行走裝置通過懸掛支架將機(jī)具降下，壓草滑板下端貼合地面，在行走裝置的帶動(dòng)下往前滑動(dòng)。懸掛機(jī)構(gòu)可使機(jī)具繞前進(jìn)方向在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，避免由于機(jī)具的左右傾斜影響除草效果。進(jìn)行株間除草時(shí)，除草彈爪在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下在株間分別向左右兩側(cè)擺動(dòng)，可將雜草拔起或推倒。之后由壓草滑板向上翹起的一端壓至泥漿下，同時(shí)連接在斬草軸上的斬草輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將壓在壓草滑板下的株間雜草斬?cái)?。安裝有除草鏟的傳動(dòng)軸在傳動(dòng)箱的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，除草鏟尖端部分將被斬?cái)嗟闹觊g雜草向上翻離地面，并鏟起行間雜草，使草根翻離地面，無法附著在泥漿當(dāng)中，避免雜草再次生長，提高除草效果，實(shí)現(xiàn)株間與行間除草。

圖2 機(jī)具行進(jìn)方向上的工作順序

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 往復(fù)擺動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)

往復(fù)式株間除草機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架的最前端，在除草機(jī)前進(jìn)的過程中，通過除草彈爪的往復(fù)擺動(dòng)將生長在株間的雜草拔起或向兩側(cè)推倒。往復(fù)擺動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)由除草彈爪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、左右拉桿等組成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 往復(fù)擺動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)

在實(shí)際工作過程中，伺服電機(jī)開始工作，經(jīng)輸出軸，帶動(dòng)偏心軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，兩組曲柄連桿機(jī)構(gòu)將偏心軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為拉桿在左右方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使安裝在機(jī)架上的除草彈爪形成往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)行除草作業(yè)。兩組曲柄連桿機(jī)構(gòu)能夠分別帶動(dòng)伺服電機(jī)左右兩側(cè)的各3 組除草彈爪，兩側(cè)的除草彈爪同一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)方向相反，以便于抵消除草作業(yè)帶來的慣量，并且可通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使除草彈爪只在株間往復(fù)擺動(dòng)，按需除草，防止傷苗。

為保證除草效果和防止傷苗，除草彈爪應(yīng)該有足夠的除草深度和寬度，同時(shí)其擺角不宜過大，否則容易傷苗，增加系統(tǒng)功耗。圖4 為除草彈爪的工作示意圖。除草彈爪總長度為：

圖4 除草彈爪工作示意圖

式（1）中：l1為除草彈爪拉桿端長度，單位為mm；l2為工作端長度，單位為mm；h 為除草彈爪工作深度，單位為mm；k 為工作寬度，單位為mm。

除草彈爪工作擺角α 為：

水稻行距一般為300 mm，在不傷苗的前提下，為保證較好的除雜草效果，取k 為320 mm，取h 為25 mm，l1設(shè)計(jì)為30 mm，則除草彈爪的總長度l 為524.5 mm，工作擺角為35.5°。

2.2 壓草支撐滑板

壓草支撐滑板安裝于往復(fù)擺動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)后方，與除草彈爪交錯(cuò)排列。壓草支撐滑板由壓草滑板、斬草軸、斬草輪和支撐支架四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。壓草滑板向上傾斜，其后半部分貼合于地面。往復(fù)擺動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)將株間雜草向行間推倒至壓草滑板所在區(qū)域，壓草滑板前半部分向上翹起一端將株間雜草壓至泥漿內(nèi)。斬草輪自身沒有動(dòng)力來源，依靠機(jī)具工作時(shí)泥土的阻力轉(zhuǎn)動(dòng)，并將壓草滑板下側(cè)的株間雜草斬?cái)?，后邊的除草鏟將斬?cái)嗟碾s草翻離地面，達(dá)到除株間草的目的。

圖5 壓草支撐滑板

2.3 行間除草機(jī)構(gòu)

行間草與被壓草支撐滑板壓入土中的株間草通過行間除草機(jī)構(gòu)進(jìn)行鏟除和埋壓，行間除草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6 所示，傳動(dòng)箱與除草鏟傳動(dòng)軸通過鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。除草鏟由兩個(gè)相對(duì)于連接桿左右方向?qū)ΨQ設(shè)置的除草部組成，兩個(gè)除草部的下緣向上傾斜，使底部相連接處形成尖端，除草部朝向連接桿的一端形成壓草面，當(dāng)傳動(dòng)箱帶動(dòng)除草鏟傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，除草鏟下緣切斷并鏟起行間草及被壓草支撐滑板壓入土中的株間草，經(jīng)壓草面使草根翻離地面，提高除草效果。

圖6 行間除草機(jī)構(gòu)

3 結(jié) 語

研制了一種往復(fù)擺動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)，該機(jī)具由水田拖拉機(jī)提供動(dòng)力，通過除草彈爪、斬草輪與除草鏟進(jìn)行復(fù)合除草作業(yè)，達(dá)到較好的除草效果。除草彈爪采用往復(fù)擺動(dòng)的方式除去株間雜草；斬草輪采用被動(dòng)除草方式進(jìn)行斬草和松土；除草鏟由傳動(dòng)箱傳遞動(dòng)力，將雜草翻離地面。本機(jī)具通過除草彈爪—斬草輪—除草鏟的除草方式來降低漏除率，保證行間除草和株間除草同時(shí)進(jìn)行。

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)于糧食作物的要求越來越高，所以有效解決除草難題是我們刻不容緩的任務(wù)。本次設(shè)計(jì)的往復(fù)擺動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)能夠很大程度上解決除草難題。它憑借著除草彈爪、斬草輪和除草鏟的結(jié)合，有效發(fā)揮了機(jī)械除草的優(yōu)勢，在今后的水稻種植過程中能夠得到廣泛的應(yīng)用。