水田除草機械行間除草機構的研究

李卓霖 柳海鶴 李春勝

摘 要：水稻是我國的主要糧食作物之一，稻田雜草是影響水稻產量和質量的主要因素之一，而我國對于農田雜草問題的解決方法主要是化學農藥除草和人工除草。化學除草會造成農藥殘留，影響稻米質量，也會產生環境污染等問題，人工除草勞動強度過大且工作效率低下，作業環境也較為惡劣。為解決這些問題，本文設計了一種水田除草機。該型除草機由乘坐式高速插秧機提供前進動力，采用全被動式除草裝置，由耙式除草輥、兩排除草鋼絲和葉片式除草輪組成，可滿足同時完成行間和株間除草的要求。

關鍵詞：水田除草;被動式除草裝置;株間除草;牽引式

中圖分類號：S22 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930021

引言

作為世界上主要的水稻生產國，我國種植水稻的歷史可以追溯到10000多年前，水稻一直是我國的主要糧食作物之一。然而過去幾十年間，我國水田作業機械發展幾乎處于全面落后的地位，特別是水田除草機械。目前我國水田田間除草仍然主要采用化學除草劑除草和人工除草，但隨著我國經濟的持續發展，人們對于糧食質量的要求也在不斷提高，越來越多的人有購買質量更高的大米的需求。化學除草作為目前我國主要的除草作業方式，已經成為限制大米產品質量的重要因素，未來也將越來越無法滿足水稻生產的需求。而人工除草勞動強度大，工作效率低，成本高等問題也將導致大米產品價格過高，限制產品競爭力。因此，機械式除草方式就成為目前解決這些問題的最優解之一。機械式除草不僅工作效率高、成本低，而且更符合水稻生產機械化的趨勢和目前保護性耕作的發展趨勢。機械式除草方式能在顯著提高稻米的產品質量的同時降低高質量稻米的生產成本，提高稻米產品的市場競爭力，滿足我國人民對于高品質糧食日益增加的需求。

本文設計的水田除草機，是一種采用乘坐式高速插秧機作為前進動力，通過全被動式工作裝置完成除草的牽引式水田除草機。除草部件包括耙式除草輥、除草鋼絲和葉片式除草輪。本文將著重介紹用于行間除草的耙式除草輥和葉片式除草輪的結構及工作原理。

1 整機結構及工作原理

水田除草機整機結構如圖1所示，葉片式除草輪組件、2排除草鋼絲組件、耙式除草輥組件按前后順序安裝在機架上。工作時，將機器前方的懸掛點掛載在高速插秧機上，通過高速插秧機液壓懸掛系統控制起降，調整高度并提供前進動力。田間進行除草作業時，通過除草工作部件對雜草的碾壓、切削、牽拉和翻起泥土對雜草進行埋壓等動作來達到除草的目的。

2 主要工作部件設計及工作原理

2.1 葉片式除草輪組件

葉片式除草輪組結構如圖2、圖3所示。由加工有多個定位孔的連接板連接機架與除草葉輪，通過更換定位孔調節除草葉輪的安裝高度，連接板下方有1個長槽孔，長槽孔上安裝1套螺栓用于葉輪架限位，限制除草葉輪的活動范圍，連接板上方有3個卡槽用于安裝拉簧并調節拉簧拉力。葉輪架由1塊連接板和焊接于連接板兩側的螺桿組成，螺桿上安裝軸承和除草葉輪，通過螺母可以調節、固定葉輪的位置，除草葉輪架的連接板最上方有1個安裝拉簧的孔。拉簧安裝于連接板和葉輪架之間，為除草葉輪提供向下的壓力作用于泥土和雜草，并能使除草葉輪能更好地適應高低不平的土地。除草葉輪由1塊圓形板和12片葉片焊接而成，12片葉片的密度能盡可能地不漏草并且不會因為葉片過于密集而夾帶泥土影響除草作業效果，除草葉片有1個微小的弧度，可以使葉片進入泥土時更加順暢，使除草葉輪在泥土中的活動更加合理，同時降低葉片夾帶泥土和葉片本身損壞的風險。

葉片式除草輪組在田間進行除草作業時，通過除草葉輪轉動滾壓雜草，并由葉片插入泥土對雜草進行切削和彎折，通過破壞雜草的根、莖、葉等結構，達到阻止雜草生長或除滅水田雜草的目的。

2.2 耙式除草輥組件

耙式除草輥組件結構如圖4、圖5所示，連接板結構和原理與葉片式除草輪組中的連接板相同。除草輥架由1塊連接板和2塊焊接有銷軸的折彎板組成，除草輥安裝在2塊折彎板之間可以自由轉動。除草輥由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，使其在除草作業時沒有漏除區域。除草輥架與連接板之間同樣裝有拉簧來提供拉力。

耙式除草輥組件在田間進行除草作業時，通過機架和拉簧等為耙式除草輥施加的下壓力和耙式除草輥的被動滾轉來翻動泥土，破壞雜草根系的生長環境，并通過翻起泥土埋壓被壓倒的雜草阻止雜草繼續生長、影響水稻的產量。

2.3 葉片式除草輪的受力分析

由于葉片式除草輪組件和耙式除草輥組件除除草葉輪和除草輥之外部分結構類似，受力分析過程基本一致，故在本文中只對葉片式除草輪的主要工作部件進行受力分析。

設除草機運動方向與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。假設圖6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6所示，當除草葉輪做勻速運動時，力的平衡方程為：

ΣFx=F-R=0

ΣFy=N-W-G=0

ΣMo=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為機架對除草葉輪的拉力，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;W為拉簧提供的拉力通過葉輪架對除草葉輪的作用力，N;G為除草葉輪的重力，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。

3 結語

本研究吸收借鑒了外國機械式除草的先進經驗，采用葉片式除草輪、除草鋼絲、耙式除草輥多種除草裝置組合應用，可以較高質量地完成除草作業，同時采用全被動式除草裝置，具有結構簡單、可靠性高、方便修理等優勢。經過多次田間無苗試驗和帶苗試驗，證明該機械各種水田工作環境適應性良好，安全可靠，且在工作環境良好情況下，綜合除草率可達到75%。

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（責任編輯 ?李媛媛）