張 喆,趙月明,張國(guó)良,張 輝,郭蘭天
(青島理工大學(xué)臨沂校區(qū),山東 臨沂276000)
通過對(duì)苗間除草刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)刀具的形態(tài)進(jìn)行合理設(shè)置,對(duì)農(nóng)機(jī)的路徑進(jìn)行控制規(guī)劃,能夠有效地實(shí)現(xiàn)避苗工作,提高除草率,降低人工勞動(dòng)的強(qiáng)度。通過改變其運(yùn)動(dòng)軌跡,自動(dòng)避免稻苗等方式,實(shí)現(xiàn)除草的目的。因此本文結(jié)合已有的研究經(jīng)驗(yàn),對(duì)苗間除草刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
雜草和農(nóng)作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分,占用農(nóng)作物生長(zhǎng)所必須的資源,因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一直是重中之重。統(tǒng)計(jì)表明,在全球15 億hm2的農(nóng)田因?yàn)殡s草問題造成的損失約800 億,單小麥造成的損失就高達(dá)400萬(wàn)噸以上。但是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)除草太依賴人工勞動(dòng),采用人工除草的方式,強(qiáng)度太高,而且效率低下,這大大的降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
使用農(nóng)藥化肥是降低人工勞動(dòng)的最有效方式,省時(shí)、省力、高效,能夠給土壤提供足夠的養(yǎng)分,并且能夠消滅病蟲害,實(shí)現(xiàn)除草的目的。但是農(nóng)藥化肥的使用盡管給土壤提供了充足的養(yǎng)分,并且實(shí)現(xiàn)了高效除草的目的,但是在施用中會(huì)造成農(nóng)業(yè)污染,導(dǎo)致土壤退化,甚至?xí)?duì)農(nóng)作物本身造成污染,影響農(nóng)作物的品質(zhì),對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有長(zhǎng)期的惡劣影響。因此,使用苗間除草刀具進(jìn)行除草,有利于降低農(nóng)業(yè)污染,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化和現(xiàn)代化。
農(nóng)用機(jī)械的除草效果不僅在生態(tài)環(huán)保上由于除草劑,而且通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在除草效率上也優(yōu)于一些農(nóng)藥。而且機(jī)械除草在一些時(shí)候,比人工噴藥的效果更好,效率更高。采用機(jī)械噴灑的效率高,但是能耗大,而且存在污染,因此采用機(jī)械除草是一種一舉兩得的選擇。另一方面,采用機(jī)械除草還具有松土的作用,能夠給作物生長(zhǎng)提供充足的氧氣量,提升除草率的同時(shí),也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了效率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,通過調(diào)節(jié)刀具的間距,有利于對(duì)不同距離植株進(jìn)行除草處理。
我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械起步較晚,加之農(nóng)業(yè)密集勞動(dòng)力的形態(tài),導(dǎo)致了農(nóng)用機(jī)械的普及率不高。同時(shí)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)水平還有待提高,因?yàn)樵O(shè)計(jì)上主要用于清除作物行距之間的雜草,對(duì)于生長(zhǎng)位置不規(guī)則的雜草除草率較低,甚至還存在一定的傷苗率。另一方面,目前的除草刀具主要靠切斷雜草的根系,如果不能確定深度,那么會(huì)造成除草不凈。同時(shí),如果結(jié)構(gòu)不合理,在狹窄的行間距進(jìn)行作業(yè)時(shí),容易造成土壤移動(dòng),破壞作物的生長(zhǎng)環(huán)境。
刀具結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理,會(huì)造成自身?yè)p傷,比如刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不完善,在機(jī)構(gòu)執(zhí)行過程中與磚、石發(fā)生摩擦,造成損傷。同時(shí),傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)除草機(jī)械較大,能耗高,操作的方便性還有待提升。有些機(jī)械在工作時(shí)穩(wěn)定性差,轉(zhuǎn)向和刀盤的角度不靈活,加之檢測(cè)不靈敏,會(huì)導(dǎo)致刀具誤傷農(nóng)作物。在結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性、便捷性、模塊化、刀片更換等方面還存在問題。
美國(guó)工程師kress Finger 將兩個(gè)反向斜角的齒輪圓盤作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),以伸出指性齒作為刀具,工作時(shí)利用土壤的反作用力,將土壤中雜草去除。同時(shí)該設(shè)備還能夠去除行間雜草。此外八釘指旋轉(zhuǎn)刀具也是一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)配有先進(jìn)的檢測(cè)和導(dǎo)航裝置,用來(lái)控制彈齒在苗間生成一定的運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)現(xiàn)避免刀具對(duì)苗間傷害的目的。刀具的結(jié)構(gòu)主要由液壓驅(qū)動(dòng)的釘指轉(zhuǎn)盤、閉鎖裝置和八根除草釘組成,裝置能夠單獨(dú)控制釘指伸縮,在工作時(shí)就能夠自動(dòng)避開稻苗,控制位置的變化。M. J. O’Dogherty 采用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的方法對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,刀具采用旋轉(zhuǎn)鋤結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)成260 度左右的豁口圓盤,通過對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)快速除草。英國(guó)的Garford 研制的除草機(jī)器人速度可以達(dá)到3.2km/h,調(diào)整行間距離的側(cè)移速度為0.1m/s,除草行數(shù)最大可達(dá)12 行,該刀具在蔬菜除草中效率較高。Z.Gobor 研制了一種旋轉(zhuǎn)鋤刀具,該刀具至于垂直圓盤式上,能夠在行內(nèi)苗株間進(jìn)行除草工作。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括懸臂固定器和三個(gè)以上帶有末端刀具的懸臂,除草懸臂固定器平行于苗株行的上方,通過調(diào)整夾角來(lái)控制除草面積,同時(shí)確保一定范圍內(nèi)的植株不會(huì)受到傷害。
國(guó)內(nèi)的苗間除草刀具包括旋轉(zhuǎn)鋤刀具結(jié)構(gòu)、彈齒刀具結(jié)構(gòu)、垂直圓盤刀具結(jié)構(gòu)、水平圓盤刀具結(jié)構(gòu)、錐形圓盤刀具結(jié)構(gòu)、鏈齒刀具結(jié)構(gòu)等,單雙翼刀具結(jié)構(gòu)是我國(guó)農(nóng)業(yè)除草中最廣泛的應(yīng)用形式,除草效果較好。關(guān)于刀具的優(yōu)化方法,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的黃小龍用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),其除草率高達(dá)88.5%,更顯著的效果在于傷苗率低,僅僅為1.6%。張春龍?jiān)O(shè)計(jì)的除草刀具結(jié)構(gòu)是由機(jī)械手構(gòu)成,其轉(zhuǎn)臂可繞自身Z 軸自由旋轉(zhuǎn),機(jī)械手刀具采用三指手爪,為了不傷害作物,其中一指為活動(dòng)手指,根據(jù)圖像識(shí)別的信息進(jìn)行判斷。作業(yè)時(shí)可將機(jī)械手刀具不至于植株的兩側(cè),除草率高達(dá)90%以上。劉繼展研制了六爪和八爪刀具,能夠同時(shí)控制多套割刀進(jìn)行除草工作,效率較好。韓豹等發(fā)明的水平圓盤刀具通過優(yōu)化出最佳工作參數(shù)組合實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能的提升。張國(guó)等人對(duì)刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在不翻土作業(yè)的情況下,除草率96%,碎土率96.5%。
刀具設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮切削阻力、刃角、刃線形狀、加工可行性、刀盤拆裝、更換刀片和振動(dòng)平衡等因素。要求除草裝置至少具有割草和斷根兩個(gè)功能,除草刀盤和除草刀片使用螺栓連接??梢圆捎脧楜X耙刀具、掃描鋤刀具、鴨掌形刀具、旋轉(zhuǎn)式刀具、地面刀具和刷子刀具。刀刃形狀可以采用直線型、圓弧型、拋物線型,用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。在刀刃厚度選擇上,太薄容易造成磨損、卷刃、崩刃和振動(dòng)變形,太厚容易造成切削阻力大,不易割斷雜草,而且還提升能耗,實(shí)驗(yàn)表明選擇選取刃角為25°,刀片厚度為3mm 效果較好。要根據(jù)農(nóng)機(jī)前進(jìn)的速度和刀盤的轉(zhuǎn)速計(jì)算刀片的數(shù)量,以確保最優(yōu)的效率,提升除草率。在割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,要精確測(cè)量手輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)n,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制滑塊舉例的目的。轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)角電機(jī)、平面四連桿機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)角平板等部分,刀盤底部與地面形成夾角,前刀片切除雜草,后刀片深入土壤。
針對(duì)不同情況,要對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了避免對(duì)農(nóng)作物造成損害,比如采用除草鏟機(jī)構(gòu),使用扇形豁口的圓盤形狀,目的是為了利用豁口的運(yùn)動(dòng)位置避免對(duì)農(nóng)作物的損害。總體機(jī)構(gòu)配置編碼器箱體、液壓馬達(dá)、馬達(dá)安裝板和鏟桿。同時(shí)也要仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),確保如圖深度在50mm,也要設(shè)置調(diào)節(jié)裝置,對(duì)刀具的入土深度進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了合理控制刀具的運(yùn)行軌跡,就要根據(jù)不同農(nóng)田的特性對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化調(diào)節(jié),具體來(lái)說要調(diào)節(jié)刀具與地面的角度和入土深度,采用調(diào)節(jié)圓柱與調(diào)節(jié)螺栓的方式進(jìn)行調(diào)節(jié),利用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的工作原理伸縮,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)角度的目的。采用掃描鋤刀具能夠?qū)崿F(xiàn)自主調(diào)節(jié)間距,適用于高速運(yùn)行的作業(yè)環(huán)境。將鴨掌形刀具通過S 型彈性鏟柄與機(jī)架相連,能夠有效避免障礙物帶來(lái)的損傷。
為了提升苗間除草刀具的除草率,就要在除草工作中不斷改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),檢 驗(yàn)其效果,根據(jù)實(shí)踐調(diào)整其結(jié)構(gòu)。