葡萄园3DC-1500行间打草机的设计与试验

邢洁洁，徐丽明*，史丽娜，刘文，高振铭（中国农业大学工学院，北京 100083）

葡萄园3DC-1500行间打草机的设计与试验

邢洁洁，徐丽明*，史丽娜，刘文，高振铭
（中国农业大学工学院，北京 100083）

葡萄园杂草的防治是重要的作业之一，本文针对人工除草作业效率低、成本高、除草剂严重污染环境、降低果品品质等问题，根据行间除草的作业要求，以及除草后可以保证拖拉机在雨后也能进地作业的特殊要求，研究设计了“3DC-1500行间打草机”，以小型拖拉机为动力，通过打草辊带动打草绳高速旋转将地表杂草打碎，少伤及草根。实现葡萄园杂草的“零污染”防治，并保证拖拉机在雨后能进地作业。实地试验结果表明，该打草机能够有效清除地表杂草，保留草根，平均作业效率为13540 m2/h，是人工作业的20倍以上，除草效果满足实际要求。

葡萄园；杂草防治；零污染；高速旋转辊；打草绳

葡萄是我国的主要水果之一，产量位居世界首位，种植面积排名第二，但杂草的防治一直是生产难以解决的大问题。杂草数量多生长快，争夺肥水严重，可使产量减少1%～2%，特别是有些杂草还是病虫的传播媒介和寄主，使果园病虫害发生严重，从而影响果实的品质和产量。目前，多用人工除草或化学除草（喷洒化学除草剂）。人工除草作业效率低，人工成本很高；化学除草虽然需要人工数量少、作业效率高，但严重环境污染，造成果品农药残留，损害果品品质，危害人民的身体健康［1-3］。因此，非常有必要采用物理防治杂草，做到葡萄园的“零污染”管理，从根本上提升葡萄品质，同时提高作业效率，降低生产成本。

相对于化学除草和人工除草，机械除草具有无污染、效率高、成本低等优点，可以实现“零污染”管理。国内外对农作物的机械除草进行了相关的研究，取得了一定的成果。东北农业大学针对玉米苗期行间和株间的杂草，研究了“3zcf-7700型多功能中耕除草机”［4］。黑龙江农业机械化科学研究院、黑龙江八一大学等单位分别针对大豆、水稻等田间杂草来研究相应的机械［5-11］。而对于果园，如葡萄、苹果、梨等，因其栽培模式多样等原因，目前相关的机械除草研究较少［12-13］。

葡萄园的杂草主要分布在行间和株间，本文根据行间除草的作业要求，以及除草后可以保证拖拉机在雨后也能进地作业（如喷药、施肥等）的特殊要求，研究设计一种行间打草机械，具有葡萄园杂草的“零污染”防治和保证拖拉机在雨后能进地作业的双重优势。

1　葡萄园行间除草机械设计要求

以露天标准化篱架种植模式的葡萄园为工作背景，根据此类葡萄园的种植特点和作业需求对行间除草机械的设计提出以下要求：

（1）葡萄园的栽培行间一般宽度为2～3 m，只能满足小型拖拉机（40马力以下）的作业，所以要求该除草机械作业宽度适当且作业功率较小；

（2）葡萄园行间地表保留较低的覆盖杂草有助于保持水土，对于雨后的机械作业还能够起到防滑作用，所以要求除草作业时，只将地表上面杂草较高的部分进行清除，保留草根。

（3）葡萄园的杂草种类多，都属于草本植物，主要有狗牙根、马齿苋、马唐、牛筋草、白茅、凹头苋、反枝苋、刺苋、辜草等，各种杂草的特性不同，且不同地块杂草高度不同，所以要求除草机械的适应性较强。

2　行间打草机的研制

针对葡萄园行间地表上面的杂草清除，本文研发了“3DC-1500行间打草机”（图1和图2），工作幅宽1.5 m，可以适用于标准化篱架种植模式的葡萄园，并满足其作业需求。该打草机主要工作部分为打草机构、传动机构和高度调节机构三部分，其中前两个机构是关键机构。

图1　3DC-1500行间打草机三维简图

图2　3DC-1500行间打草机

2.1打草机构

现有的打草方式有很多，本文采用打草绳进行打草作业。打草机构如图3所示，主要包括打草辊、打草绳固定橡胶板和打草绳。其中橡胶板共4个，通过螺栓固定在打草辊上，橡胶板上有打草绳扣孔，打草绳与橡胶板采用“扣”的形式进行安装，使一根打草绳的两边长度相等，相邻两个橡胶板上的打草绳交错安装。这种固定方法安装方便，容易更换，且当打草绳在旋转作业时受到向外的离心力，进一步加强打草绳与橡胶板之间的固定。橡胶板具有较好的弹韧性，对打草绳磨损伤害极小，当打草绳打到坚硬物体时，橡胶板还能进行自身变形，防止打草绳被拉断。

图3　打草机结构

打草机构的工作原理是，打草辊带动打草绳高速旋转将地表杂草打碎，所以该打草机的作业效果受打草绳的强度和打草辊的转速影响很大。

（1）打草绳的选择。本文选用割草专用的3.0 mm方型打草绳，具有柔韧、耐磨、不易断、价格便宜等特点，常用在普通园林的割草装备上，能够打断草本植物甚至较细的木本植物的，满足葡萄园各种杂草清除需求。

（2）打草辊的转速。理论上打草辊的转速越高打草效果越好，经过样机试验发现，当打草辊转速达到600 r/s左右时，杂草都能被打得粉碎，打草效果已经能够达到要求。所以本机器选定600 r/s为打草辊的工作转速。

2.2传动机构

鉴于葡萄的栽培行距，该机器选用小型拖拉机提供动力，其PTO最大输出转速为540 r/s，但在正常作业行驶时，PTO输出转速一般为300 r/s左右。要想使打草辊达到所需的工作转速600 r/s，需要通过传动系统进行两倍提速。

该打草机的传动系统包括齿轮箱传动和带轮传动，齿轮箱通过万向节分别与拖拉机PTO和主动带轮轴连接，从动带轮轴与打草辊装配在一起。由于农用齿轮箱很少用于增速，所以齿轮箱选用传动比1∶1进行等速传动，带轮传动选用传动比1∶2进行增速传动，进而将PTO输出的转速加倍，达到打草辊的工作需求。

2.3高度调节装置

由于不同地块的杂草高度不同，以及不同品牌小型拖拉机的悬挂高度略有差别，所以需要该打草机能够方便地调节打草高度，保证打草效果，提高适应性。如图2所示，该机器的高度调节装置由两个可调节高度的底轮组成，固定于机架后端，通过旋转高度调节装置上的手轮，调节整体机架的高度，使机器处于合适的打草高度。

3　试验验证

3.1试验目的

通过葡萄园实地试验，测定打草效果和机械作业效率。

3.2试验设备

研制的3DC-1500打草机，秒表，米尺。

3.3试验地点

试验地点为河北遵化葡萄园，该葡萄园栽培行距为标准3 m，每行长度200 m，杂草有牛筋草、狗尾草等，平均高度15 cm。

3.4试验方法

根据杂草的高度，通过高度调节装置设定好打草机的工作，使打草绳在作业时与地面轻微接触。在保证打草绳有充足的打草时间，同时又不影响工作效率的前提下，将拖拉机前进速度设定为2.5 m/s左右进行打草试验（图2），每行只进行一次打草试验。

采用秒表测定每行作业的时间，测定10行，记录作业时间，计算该打草机的平均工作效率；观察打草后地表杂草残留情况，测量其最大高度。

3.5试验结果分析

（1）根据测定10行的时间，核算该打草机的平均工作效率为13540 m2/h，是人工作业的20倍以上。

（2）打草作业前后对比。对比作业前后，作业后的地表杂草基本清除干净，杂草残留高度最大不超过5 cm，没有破坏地表以及地下草根。结果表明该打草机打草效果达到预期。

4　结论

杂草防治是果园中的重要作业之一，人工除草效率低且费用很高，而化学除草不仅污染环境，而且严重影响果品品质。针对人工除草和化学除草的弊端，本文根据行间除草的作业要求，以及除草后可以保证拖拉机在雨后也能进地作业的特殊要求，研发了“3DC-1500行间打草机”，以小型拖拉机为动力，可在行距2～3 m的行距内进行作业，适用性强。该打草机通过打草辊带动打草绳高速旋转将地表杂草打碎，少伤及草根，便于雨后拖拉机能够进地作业。实地试验结果表明，该打草机作业效率平均为13540 m2/h，是人工作业的20倍以上；打草效果良好，能够有效清除地表杂草，并保留草根。所以该打草机能够大大减轻人工劳动强度，提高工作效率，并促进葡萄园“零污染”技术和高品质果品的健康发展。

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10.13414/j.cnki.zwpp.2016.05.012

2016-07-31

邢洁洁，博士研究生。E-mail： 584731137@qq.com

徐丽明，教授，博士生导师，主要从事生物生产自动化研究。E-mail： xlmoffice@126.com