橡膠園單輥一座一刀臥式除草機設計與試驗

王業勤，張 園，鄧怡國，韋麗嬌

(中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

橡膠是我國重要的戰略物資之一，在其生長過程中每年需要2～3次除草。橡膠園地域廣袤，傳統除草需要大量勞動力。近年來，橡膠價格較低迷，膠工流失嚴重，青壯年膠工逐年減少，隨著經濟的發展與橡膠園田間管理成本不斷攀升，出現較多橡膠園棄管現象。一些不管理的、雜草叢生的有各類小石子的、枯枝的橡膠園，傳統的除草機具被損壞，無法正常的作業。茂盛的雜草與橡膠樹爭水爭肥，導致開割橡膠樹膠水少且質量不佳、橡膠小苗生長緩慢。化學除草會殘留農藥，殺死微生物，破壞土壤，不利于橡膠樹生長。

20世紀50年代，我國便開始除草機械的研究，60年代開始苗間除草機械的研究。黑龍江省木材采運研究所研制了2G-200 型果園除草機，主要方式為拖拉機前懸掛和圓鋸片割草。到20世紀80年代，相繼有10多種除草機械被研制出來，包括有旋轉式、水平圓盤、垂直圓盤、鏈式及輕耙式等；但工作方式均以割為主，未考慮粉碎及還田利用等農藝。近年來，我國的除草機械技術水平有了很大的提高，主要有圓盤式和滾切式兩種[1-3]。但橡膠除草機械的研制還是空白，當前的除草機械不能完全適用于膠園。針對橡膠園除草機械落后的情況，根據橡膠膠園除草作業實際需要，在現有除草方式的基礎上，研制了單輥一座一刀臥式除草機，能夠在完成粉碎雜草任務的同時起到還田培肥的作用，且結構簡單、可靠。

1 膠園除草機整機設計

1.1 膠園除草機設計原則

一是按照橡膠園雜草除草合格率在90%以上且殘留根莖短于40cm的農藝技術要求進行設計；二是需要考慮橡膠園里有石子和枯枝，設計結構降低其對刀的損壞；三是除草系統結構要簡單，維護要方便。

1.2 膠園除草機的基本結構

膠園除草機主要由動力傳動系統及除草系統組成，如圖1所示。動力傳動系統主要由拖拉機動力輸出傳動組成，由變速箱、傳動軸、皮帶輪、皮帶組成，除草部分則由動刀輥和定刀排組成。

1.三點懸掛 2.變速箱 3.法蘭盤 4.傳動軸 5.皮帶輪 6.機架 7.皮帶 8.定刀排 9.定刀 10.動刀 11.動刀輥軸

1.3 膠園除草機的工作原理

拖拉機前進過程中通過機架三點懸掛機構拖動機具前進；拖拉機動力輸出軸通過萬向節將動力傳到變速箱；變速箱通過法蘭連接、傳動軸將動力傳到皮帶輪；皮帶輪帶動動刀棍高速旋轉；動刀旋轉切草，同時把草甩上定刀粉碎，完成除草作業。

1.4 膠園除草機整體參數

膠園除草機整體參數如表 1所示。

表1 除草機整體技術參數Table 1 Overall technical parameters of the lawn mower

2 關鍵結構設計與參數確定

2.1 關鍵結構設計

2.1.1 動刀結構選擇

用于粉碎除草的刀片主要有高強度耐磨鑄鋼制成的錘爪式刀片、由幾個直刀片、 1個橫向刀片與套管組焊而成的直刀式刀片及高錳鋼制造的L型外型甩刀式刀片。錘爪式刀片主要利用旋轉的錘爪搗碎，其質量較大且重心靠外，因而作業時轉動慣量較大，消耗動力比較大，要求刀本身使用壽命長、耐用，但接觸地面阻力大容易損壞機具。直刀式刀片主要利用旋轉的多把直刀切斷切碎，其制造工藝較復雜，價格昂貴，容易磨損，使用壽命短。L型外型甩刀式刀片主要利用旋轉的L型滑切斷，再把草撿拾進定刀粉碎，其入土比較省力，切草粉碎效果好，但切到石頭容易損壞[4]。為了減輕切到石頭容易損壞這一缺點，刀片末端改短，動刀輥上1個刀座只裝1把刀。當L型甩刀切到石頭時可以偏一邊去，避免了硬切石頭，有效緩解刀片崩壞，提高動刀和整機的使用壽命。雖然刀片末端改短，刀的拾撿能力下降，但橡膠除草只需切斷草根且殘留根莖短于40cm就達到橡膠除草的農藝要求。因此，本機設計選用L型外型甩刀式刀片，在刀片末端改短使其長為130mm的L型改進甩刀。

2.1.2 動刀在刀輥上的排列

動刀刀輥在工作時會產生較大的離心力，刀輥不平衡，機具將大幅振動，粉碎質量下降，機具能耗增加。因此，動刀在刀輥上的排列的合理性將影響機具的粉碎效果和機具的平衡性能。動刀的排列原則有3點：一是在不產生漏割的情況下動刀軸向間距越大越好，相鄰兩動刀徑向夾角盡量大，以避免干擾與阻塞；二是動刀的排列，軸向分布均勻，徑向等角分布，使機具空載旋轉刀輥負荷均勻，動刀產生的離心率為零；三是結構簡單，制造加工方便，能耗小，成本低[5]。

目前，常見的動刀排列方式有單螺旋線、雙螺旋線、多螺旋線、交錯平衡、交錯對稱及星型對稱等排列方式。綜合考慮，本機具采用單螺旋線排列方式。螺旋排列方式能夠確保刀輥在高速旋轉下動刀與定刀作用下雜草不斷切碎的質量和順序單刀切草規避小石子，減輕機具工作阻力，有效降低振動，減輕刀輥軸承受力，提高軸承與動刀使用壽命。動刀在刀輥的刀座排列如圖2所示。

圖2 除草機動刀輥刀座分布圖Fig.2 The distribution diagram of the cutter seat of the weeding maneuver tool

2.2 參數確定

2.2.1 機動刀回轉半徑確定

動刀回轉半徑大小直接影響機具的粉碎效果、機具的振動大小和使用壽命。動刀回轉半徑增大，機具整體尺寸必然增大，機具的動不平衡因素也增大，機具振動更激烈[6-7]。確定動刀長度為130mm，考慮常規鋼管的尺寸和當前我國秸稈粉碎還田機動刀回轉半徑大多在240～300mm之間，本機具選擇鋼管外徑為150mm作為動刀輥軸直徑，即動刀回轉半徑可確定為280mm。

2.2.2 機前進速度確定

機具的前進速度影響動刀的切草速度，動刀的切草速度則影響雜草切割粉碎效果。機具前進速度太快，會出現漏切雜草，達不到機具除草的工作要求；機具前進速度太慢，則出現重切雜草，降低機具工作效率，增加機具能耗，提高除草成本。為了合理切草，不漏切也不重切，必須是后一把動刀刀尖與前一把刀根的運動軌跡重合，因此確定機具的前進速度為0.5～1.2m/s[8]。

2.2.3 機刀輥轉速確定

機具動刀輥旋轉速度的大小決定動刀切草的速度和生產阻力的大小，是影響雜草粉碎效果的主要因素。刀輥的轉速高，生產的切力和阻力也大。雖然雜草容易切碎，但振動也大，碰到石子不容易避開和降低動刀的使用壽命。據相關研究可知，秸稈粉碎的切割速度約為30～48m/s[7，9-10]。李明等人通過試驗得出：刀端的速度48m/s時，甘蔗葉粉碎效果最好[11]。因此，本機具設計選擇的動刀切割速度初步為30～48m/s。

動刀切割速度是由機具不前進只是旋轉時動刀刀端的線速度和機具前進速度按照速度合成原理合成，即

(1)

刀輥旋轉時，動刀做勻速圓周運動，依據勻速圓周運動規律可知

(2)

其中，R為動刀回轉半徑；ω為動刀旋轉角速度；n為刀輥旋轉速度。

由式(1)和式(2)可得

(3)

(4)

確定動刀回轉半徑為280mm，機具的前進速度為0.5～1.2m/s，動刀切割速度為30～48m/s，可計算出刀輥最小的旋轉速度為983r/min，刀輥最大的旋轉速度為1 620r/min。根據計算出的數值，綜合考慮拖拉機輸出動力轉速、變速箱和參考國內秸稈粉碎機的參數，本機具選擇刀輥旋轉速度為1 520r/min。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

試驗場地在徐聞曲界友好農場橡膠園里，配套東方紅904拖拉機，拖拉機的前進速度為0.8m/s。試驗地友好農場橡膠園連續3年不割膠也沒有管理，雜草長得比較茂盛，基本有950mm高，橡膠園里還有一些小石子。試驗地膠園面積為4.91hm2。

3.2 試驗方法

拖拉機行走速度調整到正常作業速度即機具的前進速度為0.8m/s，刀輥旋轉速度為1 520r/min。以拖拉機前進方向為長度方向，選取長度50m、寬度1.5m的面積作為試驗檢測的取樣單位，隨機選取6個取樣單位，分別測得相應數據，求得試驗指標，并在作業過程中對機具振動、噪音、動刀輥軸承發熱及動刀磨損等情況進行考查。根據作業后除草的效果，對機具的各性能指標進行了以下方法的測定。

3.2.1 除草合格率

從取樣單位中隨機選取6個測試區面積A(2m×1.5 m )，在測試區中測取所有未切到雜草面積a和雜草殘留根莖高于40cm的面積為b。根據式(5)計算出每個測量區中除草合格率λ( % )，最后取6個測量區中λ的平均值，即為所求值，則

(5)

3.2.2 殘留根莖高度

測量取樣單位經機具作業后所有雜草殘留根莖高度，然后取最大值與最小值，即為雜草殘留根莖高度范圍。

3.2.3 工作效率與1h燃油消耗量

拖拉機勻速作業1h，記錄1次作業長度L和所消耗的燃油量Q(Q為1h燃油消耗量)，隨機記錄6次。按公式(6)計算出機器的工作效率，即

(6)

其中，η為機器工作效率；S為取樣作業面積；L為取樣作業長度；I為作業幅寬；t為時間。

3.2.4 除草機的穩定性

除草機的穩定性是指除草機在不同時間、不同工況下作業時仍能保持正常工作，由多次試驗后各項檢測指標(即除草合格率、工作效率及1h燃油消耗量的波動性)來體現除草機的穩定性。各指標波動性越小，機具工作穩定性越好。本文根據數學模型的形式，經過一定的計算就能夠得出除草機的穩定性，即

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，ε為機器穩定性系數；μ1、μ2、μ3為各指標波動系數。

3.3 試驗結果與分析

在作業試驗過程中，只有少量雜草沒有粉碎，動刀雖有磨損，但沒有崩壞的，機具沒有出現堵塞等現象，基本能夠很好地完成除草任務，且穩定性系數為97.4%。依據上述試驗方法測得除草機性能參數，如表 2 所示。

表2 除草機田間試驗結果Table 2 Field test results of weeding machine

試驗結果表明：機具正常作業時穩定性好，平均除草合格率為96.23%，且殘留根莖高度范圍在5～33cm，平均工作效率在0.423hm2/h，平均燃油消耗量為 4.633kg/h。以上指標優于橡膠園雜草除草合格率在90%以上且殘留根莖短于40cm的農藝要求。

機具在作業過程中，機具噪音比較大，動刀輥軸承輕微發熱，有少量含水量較低的藤類雜草纏繞。因此，在后續研究中還需對機具進行改進，提高樣機的工作性能。

4 結論

1)采用臥式秸稈粉碎機的原理成功研制了橡膠園橡膠園單輥一座一刀臥式除草機，滿足了橡膠園除草農藝要求。機具采用單刀螺旋線排列，在刀輥轉速為1 520r/min、前進速度0.8m/s時，能有效緩解除草機刀具碰到石子容易崩壞等問題。

2)該除草機的成功研制填補了橡膠除草機械的空白，解決了橡膠園除草時勞動力不足的問題，且雜草還田有效地增加了綠肥還田，有助于橡膠種植經濟效益的發展和生態效益的提高。