復合式水稻田除草機的設計與試驗

趙柳霖，齊 龍，馬 旭，鄭文漢，林少敏，王 聰，陳 彬

(華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

水稻是我國最主要的糧食作物，而稻田草害則是導致水稻產量下降和品質降低的主要原因之一[1-2]。為實現水稻的高產優質，必須有效地防控草害，目前世界范圍內水田除草方式主要有化學除草與機械除草兩種。

歐美等國家水稻種植多采用飛機撒播技術，稻苗無序生長，植保機具難以下田，因此田間雜草防治以飛機噴撒化學除草劑為主，效率高但污染與浪費嚴重[3]。亞洲國家的水稻種植方式通常以機械移栽為主，秧苗生長有序，雜草防治多采用除草機機械除草與噴桿式噴霧機噴施除草劑除草。噴霧機以井關JKB18C為代表機型[4]，此外還有小型背負式噴霧器、小型無人機噴藥，以及撒施芽前封閉性除草劑等?；瘜W藥劑除草方便高效，但普遍存在著較大的浪費與污染。機械除草機代表機型有日本美善SMW型[5]、王金武等研制的有機水稻中耕除草機[6]等步進式水田機械除草機，以及洋馬SJVP系列[7]、南京農業機械化研究所研制的2BYS-6型水田中耕除草機[8]等乘坐式水田機械除草機。但由于水田土壤特點、雜草的生長及分布規律及水稻機械化種植的農藝要求等，導致機械除草多應用于水田行間作業，株間作業則存在著傷苗多、效率低等諸多難以解決的問題。

綜上所述，施用化學除草劑是應用較廣泛的一種除草方式，具有快速、高效、經濟等優點，其主要有撒施芽前封閉性除草劑與噴施選擇性除草劑兩種方法，但均會帶來藥劑殘留、環境污染等問題。針對此情況，應加強局部對靶低量均勻噴施除草劑技術的研究，有效減少除草劑施用量并提高其利用率。而機械除草則是一種無污染的除草方式，是農業可持續發展的一項關鍵技術，具有增加氧氣、促進作物對養分的吸收等優點[9]；但現有除草機械多應用于稻田行間作業，株間雜草難以有效除去。

因此，為有效滅除行株間雜草、減少傷苗率及降低化學除草劑的投入量，筆者根據水田土壤的特點、雜草生長及分布規律等提出了一種行間機械、株間噴藥(除草劑)相結合的聯合除草技術，并研制了復合式水稻田除草機，以解決稻田雜草控制的難題。

1 整機結構設計

1.1 整機結構與工作原理

本文研制的復合式水稻田除草機主要由乘坐式插秧機底盤(水田拖拉機)、藥液儲存箱、后懸掛機架、株間噴霧器及行間除草輪等部件組成，如圖1所示。工作前，根據稻苗生長高度調節除草輪的安裝高度，防止機架壓苗；同時，調節液壓升降系統使機具滿足不同機械除草深度以及噴霧效果要求。工作時，機具以一定的速度前進，株間噴霧器對株間雜草進行對靶低量均勻噴施；螺旋刀齒除草輪被動旋轉，向下入土剪切雜草并攪動土壤，出土時刀齒帶動雜草與泥土翻轉，對雜草形成剪切、翻耕、埋壓等作用；兩者配合完成中耕除草作業。

1.水田拖拉機 2.流量調節器 3.藥液存儲箱 4.除草劑輸送管道 5.平衡調節結構 6.后懸掛機架 7.株間噴霧器 8.螺旋刀齒除草輪 圖1 復合式水稻田除草機結構簡圖Fig.1 Sketch map of combined type paddy weeder

1.2 機架設計

乘坐式插秧機工作時每次插6行秧。為配套插秧機工作，本機設計的復合式水稻田除草機機架長2.1m，配置7個除草輪，可保證接行時不漏除。機架與拖拉機后懸掛采用軸承套嵌連接并增加限位裝置，使其在承重的同時兩端可上下浮動從而具有一定的仿形能力，避免因田間地勢起伏造成機架壅土；同時，通過平衡調節裝置(開體花蘭螺絲配合張緊彈簧組成)將機架與后懸掛連接，保持機架兩端的平衡穩定，保證除草作業質量；機架背部安裝卡扣固定噴霧管道，并在底端安裝定型管，用以固定霧噴頭及調節噴霧方向等。

2 除草部件設計

2.1 噴霧系統設計

噴霧作業過程中，約有20%～30%以上的細小霧滴會被氣流攜帶向非標靶區域飄移[10]，造成環境污染、藥害等問題，這也是農藥利用效率低的重要原因之一。為解決此問題同時提高藥液附著率，大型噴霧機械多采用風送噴霧或風幕定向等方法[11]；但此類機械結構較復雜，不適用于復合式水稻田除草機中。本機為簡化設計，配合機械除草部件，選用防飄移反射式霧噴嘴，根據雜草與作物的高度差，合理降低噴頭安裝高度以減少霧滴飄移距離；同時，結合除草劑噴施要求(中、粗霧)，采用低壓隔膜泵并加裝溢流控制閥以控制其流量及霧化效果，增加霧滴附著率，達到20～40滴/cm2葉面有效霧滴數的要求[12]。噴管采用普通壓力藥物噴管，并配有自潔能力的多級過濾裝置及回流攪拌裝置；選用選擇性除草劑氰氟草酯對株間雜草進行對靶均勻噴霧。噴霧系統原理如圖2所示。

1.定壓回吸裝置 2.反射式霧噴頭 3.溢流閥 4.液泵 5.過濾器 圖2 噴霧系統原理圖Fig.2 Schematic of spray system

藥箱容量Δ采用經驗公式計算[13]，即

Δ=0.0015GBLn

(1)

其中，G為單位面積施藥量；B為機組有效作業寬幅；L為地塊平均長度；n為每箱藥往返作業單程次數。由式(1)可得藥箱容量約為80L。

2.2 機械除草機構設計

為實現小功率水田拖拉機聯合除草作業，要求除草輪工作阻力小，對土壤破壞能力強。本研究中除草輪為從動式，除草作業時除草輪與拖拉機驅動輪按照一定的輪徑比轉動，根據除草輪刀齒安裝端點的運動軌跡(旋輪線)的特點，計算可得到最佳刀齒寬度。運動軌跡分析如圖3所示。

圖3 除草輪運動軌跡分析Fig.3 Motion trajectory analysis of weeding roll

經過原點的除草輪旋輪線曲線參數方程為[14]

x=r(θ-sinθ)
y=r(1-cosθ)

(2)

其中，r為除草輪半徑；θ為除草輪轉過的弧度。代入除草輪的入土深度h，計算每條刀齒與土壤表面兩次作用(入土、出土)間隔的距離S1與h，則

(3)

兩條相鄰的刀齒分別與土壤表面作用的間距S2為

S2=L-S1

(4)

(5)

其中，L為兩條相鄰的刀齒安裝在除草輪上距離(m)。

當S1?S2或S1?S2時，兩間隙距離相差太大，只有足夠寬的刀齒方可避免遺漏，而增大刀齒寬度會造成除草輪難以入土以及重復工作；當S1與S2接近或相等時合理寬度的刀齒可完全覆蓋刀齒、刀齒之間與土壤表面作用時固有的間隙從而避免漏除，即S1=S2=L/2≈52mm，同時綜合考慮刀齒寬度對其入土能力的影響，設計螺旋刀齒寬為30mm。由式(5)可求得此時理論不遺漏除入土深度h≈62.6mm。

為保證不出現遺漏，要求除草輪、徑小、刀齒密，翻動土壤能力強；但直徑太小的除草輪會出現纏草現象(2πr≥l，r為除草輪半徑，l為雜草高度)，刀齒過密則會影響其入土能力。據調查，插秧后15天的除草期內雜草高度一般不超過250mm。綜合以上因素設計輪盤直徑為250mm；刀齒設計為螺旋刀齒，選用300mm×20mm×2mm的矩形鋼片將齒緣磨刃繞軸向扭轉720°，嵌裝到刀盤內，每個除草輪配置6個刀齒。除草輪結構簡圖如圖4所示。

圖4 螺旋刀齒除草輪Fig.4 Spiral cutter weeding roll

3 性能試驗

3.1 試驗條件

為測試復合式水稻田除草機工作性能，于2015年4月25日在廣東省肇慶市農業機械化研究所綜合試驗站進行該機的田間試驗。試驗田塊面積約1hm2，試驗地點田間概況如圖5所示。試驗水稻品種為超級稻永豐優9802，平均高20cm，每穴苗數平均4株，長勢良好，未見明顯病蟲害，移栽后未進行人工除草或噴灑除草劑。雜草主要為稗草及千金子等，平均高度為8cm。

圖5 試驗地點田間概況Fig.5 General situation of the test field

3.2 試驗方法

選取除草率Cr和霧滴沉積數目Pr作為除草機作業質量的評定指標。霧滴沉積數Pr為

(6)

其中，N為所取雜草葉片上的霧滴總數(滴)；S為選取的雜草葉片的總面積(cm2)。除草率定義為

(7)

其中，Z為試驗區域內水稻行間雜草總株數；S為除草作業后試驗區域內水稻行間剩余雜草總數，包括行間未除去的雜草(未被壓折、連根拔起或倒伏)與株間除草劑未生效的雜草(噴霧后兩天未見死亡)。

為測試復合式水稻田除草機工作性能是否滿足中耕除草要求，機具前進速度選取0.3，0.6、0.9m/s 3個水平，除草輪入土深度選取3、6、9cm 3個水平。對除草機進行全因素試驗，按照試驗因素不同水平組合，共進行9次試驗。統計除草率時，選取9塊20m長的地塊作為試驗區域，每個試驗區域前后各5m長的區域作為加速和減速的緩沖區，以保證機器能以穩定的狀態通過試驗區域；在每次試驗區域內隨機選取兩個10m×2行的范圍進行統計，將測得的試驗數據記錄如表1所示。

試驗結果表明：隨著機具前進速度增加，除草率先上升后下降，單位面積霧滴沉積數逐漸減少。在速度較低時(0.3m/s)，霧滴沉積效果高于最高標準，株間雜草可完全除去，但同時造成一定程度的污染浪費；而行間除草輪由于轉速與機具前進速度成正比，此時轉速過低，難以完全發揮除草功能。速度適中時(0.6m/s)，霧噴頭在株間作業效果較好，霧滴沉積效果滿足要求；行間除草率隨著機具速度增加而上升，整機作業效果較好。速度較高時(0.9m/s)，霧噴頭難以形成有效霧滴沉積，故株間除草效果不佳；行間除草輪作業效果較好，但存在打滑、入土不充分等現象，一定程度上影響了整機除草作業效率。

表1 田間試驗數據Table 1 Date of the field test

隨著除草輪入土深度的增加，除草率先上升后下降，單位面積霧滴沉積數先增多后減少。在除草輪入土較少時，翻動土壤能力較差，此時行間除草率不高；而入土過多則會出現壅土現象，同樣影響除草率；在入土深度為6cm時除草輪工作穩定切除草率較高，與運動軌跡計算結果大致相符。霧滴沉積情況和噴嘴與雜草之間的高度差有直接關系：除草輪入土少時，兩者之間的高度差較大，會出現一定程度的飄移，霧滴不能與葉片形成有效接觸；除草輪入土較多時，兩者之間高度差過小，霧滴以較大的速度直擊葉片造成反彈，不利于附著；在入土深度為6cm時，高度差適中，霧滴附著效果最好。

4 結論

1)根據我國水稻生產實際情況及行、株間除草要求，設計制造了一款復合式水稻田除草機。該機由水田拖拉機提供動力，分別配備了行間機械除草部件與株間化學噴霧除草部件。該機結構簡單輕便，可有效除去水田行、株間雜草，減少了除草劑施用量并提高其利用率。

2)選取機具前進速度和除草輪入土深度作為試驗因素對復合式水稻田除草機進行了全因素試驗，測試了該機的工作性能。結果表明：隨著機具前進速度增加了除草率先上升后下降，霧滴沉積數相應減少；隨著除草輪入土深度的增加，除草率先上升后下降，單位面積霧滴沉積數先增多后減少。除草效果最佳組合為機具前進速度為0.6m/s，除草輪入土深度為6cm，此時除草率為89.7%，單位面積霧滴沉積數為35。由綜合試驗結果可知：該機平均除草率為86.7%，單位面積霧滴沉積數為35.1滴/cm2，符合機械除草與噴霧除草的作業質量要求。

[1] 劉珍環，李正國，唐鵬欽，等.近30年中國水稻種植區域與產量時空變化分析[J]．地理學報，2013(5)：680-693．

[2] 劉興林，孫濤，付聲姣，等．水稻田除草劑的應用及雜草抗藥性現狀[J]．西北農林科技大學學報：自然科學版，2015(7)：115-126．

[3] Rebich R A, Coupe R H, Turman E M. Herbicide concentrations in the Mississippi River Basin-The importance of chloroacetanilide herbicide degradates [J].Science of the Total Environment, 2004, 321(1/3): 1-3.

[4] 東風井關JKB18C型水田植保機[J].農業機械,2015(12):38.

[5] 株式會社美善．水田除草兼用溝切り機：日本，2007105006[P].2007-04-26．

[6] 王金武，趙佳樂，王金峰，等．有機水稻中耕除草機設計[J]．東北農業大學學報，2013，44(11)：107-112．

[7] 宮原佳彥．機械除草技術開発の動向[J]．東北雑草研究會，2007(7)：1-6.

[8] 吳崇友，張敏，金誠謙，等．2BYS-6型水田中耕除草機設計與試驗[J]．農業機械學報，2009(7)：51-54．

[9] 馬旭，齊龍，梁柏，等．水稻田間機械除草裝備與技術研究現狀及發展趨勢[J]．農業工程學報，2011，27(6)：162-168．

[10] 袁會珠,楊代斌,閆曉靜,等.農藥有效利用率與噴霧技術優化[J]. 植物保護,2011(5):14-20.

[11] 張鐵,楊學軍,嚴荷榮,等.超高地隙噴桿噴霧機風幕式防飄移技術研究[J].農業機械學報,2012(12):77-86.

[12] 呂曉蘭,傅錫敏,吳萍,等.噴霧技術參數對霧滴沉積分布影響試驗[J].農業機械學報,2011(6):70-75.

[13] 中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊：植物保護機械[K].北京：中國農業科學技術出版社，2013.

[14] 劉世偉，伍家德．旋輪線的特征性質[J]．華中師院學報：自然科學版，1981(2)：119-122.