譚宏杰 李春勝 李卓霖 柳海鶴 王志濤 張丁佟

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，消費(fèi)者對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)與安全的要求越來(lái)越高，有機(jī)稻米也越發(fā)受到追捧與青睞，人們對(duì)稻米的需求不再是量的增長(zhǎng)，而轉(zhuǎn)向質(zhì)的提升，因此有機(jī)水稻種植是今后水稻生產(chǎn)的發(fā)展方向。截至2016年年底,我國(guó)有機(jī)谷物的總生產(chǎn)面積達(dá)到了81.2萬(wàn)hm2，占有機(jī)作物生產(chǎn)總面積的31%，其中水稻的種植面積最大，為27.6萬(wàn)hm2。有機(jī)稻種植要求不能使用化學(xué)藥劑進(jìn)行除草，現(xiàn)階段有機(jī)稻種植多數(shù)采用人工進(jìn)行除草，人工除草勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。同時(shí)，近年來(lái)由于城鎮(zhèn)化建設(shè)，農(nóng)村的勞動(dòng)力大量流向城市，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的勞動(dòng)力出現(xiàn)年齡偏大，勞動(dòng)力成本提升。這些都制約了有機(jī)稻米種植的發(fā)展。有機(jī)稻米最有效的除草方式便是使用機(jī)械除草來(lái)替代人工除草。目前我國(guó)機(jī)械除草技術(shù)還不成熟，市場(chǎng)現(xiàn)存大多數(shù)除草機(jī)只能除去行間雜草,而對(duì)于株間雜草無(wú)法達(dá)到理想的除草效果。因此，現(xiàn)階段生產(chǎn)的除草機(jī)均不能滿足農(nóng)藝要求，株間除草裝置的研制對(duì)我國(guó)綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

考慮到水稻田間除草屬于二次進(jìn)入田間作業(yè)，需要考慮的是機(jī)具進(jìn)入田間作業(yè)時(shí)應(yīng)保證行距與插秧時(shí)相一致，才能最大限度地保證在作業(yè)過(guò)程中不損傷秧苗。本文所使用的是洋馬2ZGQ-8D(VP8DN)高速插秧機(jī)作為配套動(dòng)力，為提高除草率本項(xiàng)目采用多種除草部件相結(jié)合的方式進(jìn)行除草作業(yè)。對(duì)于行間草采用對(duì)稱式除草輪對(duì)苗帶兩側(cè)進(jìn)行除草。株間草主要采用彈簧絲結(jié)構(gòu)對(duì)株間草進(jìn)行去除作業(yè)。在機(jī)具后端采用碾壓輥對(duì)前端所除的草進(jìn)行掩埋處理使之不能進(jìn)行光合作用達(dá)到除草的目的。

驅(qū)動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)的總體結(jié)構(gòu)是由圖1所示的1機(jī)架、2變速箱、3鏈傳動(dòng)箱、4行間動(dòng)力除草輪、5深度調(diào)節(jié)桿、6除草彈簧絲、7碾壓輥等部件組成。機(jī)具通過(guò)機(jī)架上的懸掛點(diǎn)與配套插秧機(jī)進(jìn)行連接。除草機(jī)本身無(wú)動(dòng)力采用牽引式連接形式，插秧機(jī)后輸出通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與除草機(jī)的變速箱連接，為除草機(jī)提供動(dòng)力。

1.2 驅(qū)動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)工作原理

驅(qū)動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)采用現(xiàn)有的水稻插秧機(jī)作為牽引動(dòng)力，本身無(wú)動(dòng)力，由插秧機(jī)后輸出通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與除草機(jī)的變速箱連接，為除草機(jī)提供動(dòng)力，除草機(jī)在田間作業(yè)行進(jìn)過(guò)程中，行間除草機(jī)構(gòu)通過(guò)除草輪的旋轉(zhuǎn)，拋切、拉拔或埋壓等形式，把靠近秧苗附近的雜草清除，株間除草機(jī)構(gòu)通過(guò)株間除草鋼絲調(diào)節(jié)相應(yīng)的除草位置，通過(guò)其結(jié)構(gòu)無(wú)限接近水稻秧苗，利用株間除草鋼絲組件去除水稻株間雜草，通過(guò)行間耙齒除草器前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，將行間雜草通過(guò)翻起泥土埋壓被壓倒的雜草阻止雜草繼續(xù)生長(zhǎng)，有效完成行間、株間除草作業(yè)。

1.機(jī)架；2.變速箱；3.鏈傳動(dòng)箱；4.行間動(dòng)力除草輪；5.深度調(diào)節(jié)桿；6.除草彈簧絲；7.碾壓輥

2 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 行間除草輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于除草輪齒屬于易損件，因此行間除草輪采用回轉(zhuǎn)體與除草輪分開(kāi)結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)成星形形狀，除草輪齒安裝在星形的星角位置，這樣在2個(gè)除草輪齒之間形成較大空隙。在進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)可有效避免因輪齒拖帶泥漿與水等增大除草輪工作阻力。

行間除草輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，由星形側(cè)板、中間軸、輪齒安裝板、加強(qiáng)板焊接形成回轉(zhuǎn)體。除草輪齒通過(guò)螺栓與回轉(zhuǎn)體上的輪齒安裝板進(jìn)行安裝。相鄰2個(gè)除草輪齒成錯(cuò)位排列，這樣輪齒之間可形成互補(bǔ)，在作業(yè)時(shí)可形成行間全幅作業(yè)。

圖3所示為組裝成單組后的示意圖，鏈傳動(dòng)箱通過(guò)傳動(dòng)軸與機(jī)架上傳動(dòng)軸相聯(lián)。調(diào)節(jié)桿與機(jī)架上的調(diào)節(jié)座板相聯(lián)。這樣整個(gè)行間除草輪與機(jī)架形成了鉸接結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)桿對(duì)行間除草輪的除草深度進(jìn)行單組調(diào)節(jié)。

圖3 組裝后的行間除草輪

圖4 除草輪受力分析圖

設(shè)除草機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與x軸正方向相同，除草葉輪鉸鏈點(diǎn)O為原點(diǎn)，豎直向上方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系進(jìn)行受力分析。除草葉輪在田間作業(yè)時(shí)如圖部分受到泥土法向力和泥土摩擦力的作用。泥土對(duì)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(diǎn)的位置也會(huì)隨之變化。但除草葉輪對(duì)泥面的垂直擠壓發(fā)生在第四象限，所以可以確定合力的作用點(diǎn)在第四象限。假設(shè)圖4中的A點(diǎn)是合力的作用點(diǎn)，將泥土合力分解為水平分力R和垂直分力N。

如圖4所示，當(dāng)除草葉輪做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，力的平衡方程：

∑Fx=F-R=0

∑Mo=Nk-Rh=0

式中，R為泥土合力對(duì)除草葉輪的作用力在x軸方向的分力，N；F為除草輪自轉(zhuǎn)切向力，N；N為泥土合力對(duì)除草葉輪的作用力在y軸方向的分力，N；k為合力作用點(diǎn)A與y軸的距離，mm；h為合力作用點(diǎn)A與x軸的距離，mm。

2.2 行間除草輪組件

葉片式除草輪組件如圖5所示，是由加工有多個(gè)定位孔的連接板與機(jī)架相連接，通過(guò)更換定位孔調(diào)節(jié)除草輪的安裝高度；連接板下方有1個(gè)長(zhǎng)槽孔，在長(zhǎng)槽孔上安裝有限位螺栓用來(lái)給除草輪安裝板限位，限制除草葉輪的活動(dòng)范圍；在除草輪安裝板前端有1個(gè)拉簧安裝孔，連接板上方有3個(gè)卡槽用于安裝拉簧，在不同除草時(shí)期根據(jù)除草深度及雜草根系所需力的大小不同，改變接簧在連接板上方3個(gè)卡槽的位置調(diào)節(jié)拉簧拉力。

圖5 葉片式除草輪組件

2.3 株間除草鋼絲組件

株間除草鋼絲組件如圖6所示，在工作時(shí)有3種形式的彈簧絲組合在一起工作的。由于除草作業(yè)分為不同時(shí)期，不同時(shí)期內(nèi)水稻秧苗所能承受的力是不同的，在水稻秧苗剛返青結(jié)束時(shí)，這時(shí)期水稻田間的雜草還沒(méi)有萌出，但在土壤表層下面已形成了出芽狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)實(shí)際情況可進(jìn)行一次預(yù)除草作業(yè)，這時(shí)由于水稻秧苗剛返青根系相對(duì)較弱，在除草作業(yè)時(shí)可將弧線彈簧絲與加強(qiáng)彈簧絲連接在一起，以擴(kuò)大弧線彈簧絲的開(kāi)口度，使其盡量不與水稻秧苗根系接觸，以避免對(duì)水稻秧苗造成傷害。在水稻后期除草時(shí)，由于水稻已基本完成分孽水稻的須根系已完全形成，這是可通過(guò)加強(qiáng)彈簧絲加強(qiáng)直邊彈簧絲的強(qiáng)度，以更好地去除雜草。

圖6 株間除草鋼絲組件

2.4 碾壓除草輥組件

除草輥架由1塊連接板和2塊焊接有銷(xiāo)軸的折彎板組成，除草碾壓輥安裝在兩塊折彎板之間可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。除草碾壓輥組件如圖7、圖8所示，由1個(gè)圓筒、2塊圓盤(pán)、6組耙齒焊接而成，耙齒每3組錯(cuò)位排布，使其在除草作業(yè)時(shí)沒(méi)有漏除區(qū)域。除草輥架與連接板之間同樣裝有拉簧來(lái)提供拉力。

碾壓除草輥組件，在田間進(jìn)行除草作業(yè)時(shí)，通過(guò)機(jī)架和拉簧等給碾壓除草輥施加的下壓力和碾壓除草輥的被動(dòng)滾轉(zhuǎn)來(lái)翻動(dòng)泥土，破壞雜草根系的生長(zhǎng)環(huán)境，并且可以通過(guò)翻起泥土埋壓被壓倒的雜草阻止雜草繼續(xù)生長(zhǎng)。

圖7 除草碾壓輥三維設(shè)計(jì)圖

圖8 除草碾壓輥組件

3 田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

針對(duì)田間試驗(yàn)的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)后，本文所研究的驅(qū)動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)經(jīng)過(guò)田間多次試驗(yàn)對(duì)比分析，確定了最佳除草深度20～40mm，機(jī)具行進(jìn)的速度控制在1.0m·s-1，除草率基本達(dá)到75%，是一個(gè)有效的除草裝置。

3.1 試驗(yàn)條件

3.1.1 樣機(jī)配套動(dòng)力

洋馬2ZGQ-8D(VP8DN)乘坐式高速插秧機(jī)，與試驗(yàn)田插秧時(shí)使用的為同一臺(tái)機(jī)具。該機(jī)器的動(dòng)力主要來(lái)自于高速插秧機(jī)。

3.1.2 試驗(yàn)樣機(jī)

水稻田除草機(jī)樣機(jī)。

3.2 除草作業(yè)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究主要的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為除草率，為測(cè)量試驗(yàn)區(qū)內(nèi)秧苗株間雜草及秧苗行間雜草除掉的數(shù)量和除前雜草數(shù)量比值，計(jì)算公式：

η=(W1-W2)/W1×100%

式中，η為除草率，%；W1為除草前雜草數(shù)，株；W2為除草后草數(shù)，株。

3.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用除草的深度、機(jī)具行進(jìn)速度、行間除草輪直徑、作業(yè)速度作為實(shí)驗(yàn)影響主要因素，除草率作為檢測(cè)指標(biāo)。

3.4 試驗(yàn)場(chǎng)地

3.4.1 時(shí)間

2021年6月15—20日。

3.4.2 地點(diǎn)

吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院水田試驗(yàn)田。

3.4.3 試驗(yàn)動(dòng)力機(jī)具

試驗(yàn)田插秧作業(yè)時(shí)采用的是洋馬2ZGQ-8D(VP8DN)乘坐式高速插秧機(jī)。

3.4.4 試驗(yàn)田概況

水稻秧苗行距30cm，株距18cm。該地塊在插秧前后沒(méi)有使用化學(xué)除草藥液進(jìn)行預(yù)防和除草作業(yè)。

3.4.5 試驗(yàn)田雜草情況

試驗(yàn)田的雜草生長(zhǎng)分布不均，并且不存在一定的規(guī)律，雜草的數(shù)量中等，種類大約為稗草、大葉草等。

3.5 工況

3.5.1 工況1

水深5～8cm；行間除草輪直徑200mm。具體見(jiàn)表1。

表1 工況1試驗(yàn)結(jié)果

3.5.2 工況2

水深5～8cm；行間除草輪直徑200mm。具體見(jiàn)表2。

表2 工況2試驗(yàn)結(jié)果

從工況1、工況2試驗(yàn)情況分析，除草率與除草深、機(jī)具作業(yè)速度、除草輪轉(zhuǎn)速、相關(guān)較大，當(dāng)機(jī)具除草輪轉(zhuǎn)速提高時(shí)，除草效率有所提升。在試驗(yàn)過(guò)程中，除草輪轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)阻力增加。

3.5.3 工況3

水深5～8cm；行間除草輪直徑260mm。具體見(jiàn)表3。

表3 工況3試驗(yàn)結(jié)果

3.5.4 工況4

水深6～8cm；行間除草輪直徑260mm。具體見(jiàn)表4。

表4 工況4試驗(yàn)結(jié)果

從工況3、工況4試驗(yàn)情況分析，除草率與除草深、機(jī)具作業(yè)速度、除草輪轉(zhuǎn)速、相關(guān)較大，當(dāng)機(jī)具除草輪轉(zhuǎn)速一定，機(jī)具作業(yè)速度增大時(shí)，除草效率有所下降。在試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)具作業(yè)速度過(guò)快還會(huì)出現(xiàn)對(duì)行不準(zhǔn)的情況，造成秧苗的損傷。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)多次田間試驗(yàn)情況分析來(lái)看，影響除草率的主要參數(shù)是機(jī)具作業(yè)速度、除草輪的轉(zhuǎn)速、除草深度。試驗(yàn)中因改變了行間除草輪的直徑，沒(méi)有發(fā)生行間除草輪堵塞情況。除草輪在具備主動(dòng)速度的前提下對(duì)田間雜草進(jìn)行作業(yè)，能夠更好地去除掉雜草的根部。

針對(duì)田間試驗(yàn)的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)后，本文所研究的驅(qū)動(dòng)式水田機(jī)械除草機(jī)經(jīng)過(guò)田間多次試驗(yàn)對(duì)比分析，確定了最佳除草深度20～40mm，當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度在1.0m·s-1時(shí)，作業(yè)效果最好，對(duì)秧苗的損傷也在可接受范圍內(nèi)。