水田除草机械行间除草机构的研究

李卓霖 柳海鹤 李春胜

摘 要：水稻是我国的主要粮食作物之一，稻田杂草是影响水稻产量和质量的主要因素之一，而我国对于农田杂草问题的解决方法主要是化学农药除草和人工除草。化学除草会造成农药残留，影响稻米质量，也会产生环境污染等问题，人工除草劳动强度过大且工作效率低下，作业环境也较为恶劣。为解决这些问题，本文设计了一种水田除草机。该型除草机由乘坐式高速插秧机提供前进动力，采用全被动式除草装置，由耙式除草辊、两排除草钢丝和叶片式除草轮组成，可满足同时完成行间和株间除草的要求。

关键词：水田除草;被动式除草装置;株间除草;牵引式

中图分类号：S22       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930021

引言

作为世界上主要的水稻生产国，我国种植水稻的历史可以追溯到10000多年前，水稻一直是我国的主要粮食作物之一。然而过去几十年间，我国水田作业机械发展几乎处于全面落后的地位，特别是水田除草机械。目前我国水田田间除草仍然主要采用化学除草剂除草和人工除草，但随着我国经济的持续发展，人们对于粮食质量的要求也在不断提高，越来越多的人有购买质量更高的大米的需求。化学除草作为目前我国主要的除草作业方式，已经成为限制大米产品质量的重要因素，未来也将越来越无法满足水稻生产的需求。而人工除草劳动强度大，工作效率低，成本高等问题也将导致大米产品价格过高，限制产品竞争力。因此，机械式除草方式就成为目前解决这些问题的最优解之一。机械式除草不仅工作效率高、成本低，而且更符合水稻生产机械化的趋势和目前保护性耕作的发展趋势。机械式除草方式能在显著提高稻米的产品质量的同时降低高质量稻米的生产成本，提高稻米产品的市场竞争力，满足我国人民对于高品质粮食日益增加的需求。

本文设计的水田除草机，是一种采用乘坐式高速插秧机作为前进动力，通过全被动式工作装置完成除草的牵引式水田除草机。除草部件包括耙式除草辊、除草钢丝和叶片式除草轮。本文将着重介绍用于行间除草的耙式除草辊和叶片式除草轮的结构及工作原理。

1 整机结构及工作原理

水田除草机整机结构如图1所示，叶片式除草轮组件、2排除草钢丝组件、耙式除草辊组件按前后顺序安装在机架上。工作时，将机器前方的悬挂点挂载在高速插秧机上，通过高速插秧机液压悬挂系统控制起降，调整高度并提供前进动力。田间进行除草作业时，通过除草工作部件对杂草的碾压、切削、牵拉和翻起泥土对杂草进行埋压等动作来达到除草的目的。

2 主要工作部件设计及工作原理

2.1 叶片式除草轮组件

叶片式除草轮组结构如图2、图3所示。由加工有多个定位孔的连接板连接机架与除草叶轮，通过更换定位孔调节除草叶轮的安装高度，连接板下方有1个长槽孔，长槽孔上安装1套螺栓用于叶轮架限位，限制除草叶轮的活动范围，连接板上方有3个卡槽用于安装拉簧并调节拉簧拉力。叶轮架由1块连接板和焊接于连接板两侧的螺杆组成，螺杆上安装轴承和除草叶轮，通过螺母可以调节、固定叶轮的位置，除草叶轮架的连接板最上方有1个安装拉簧的孔。拉簧安装于连接板和叶轮架之间，为除草叶轮提供向下的压力作用于泥土和杂草，并能使除草叶轮能更好地适应高低不平的土地。除草叶轮由1块圆形板和12片叶片焊接而成，12片叶片的密度能尽可能地不漏草并且不会因为叶片过于密集而夹带泥土影响除草作业效果，除草叶片有1个微小的弧度，可以使叶片进入泥土时更加顺畅，使除草叶轮在泥土中的活动更加合理，同时降低叶片夹带泥土和叶片本身损坏的风险。

叶片式除草轮组在田间进行除草作业时，通过除草叶轮转动滚压杂草，并由叶片插入泥土对杂草进行切削和弯折，通过破坏杂草的根、茎、叶等结构，达到阻止杂草生长或除灭水田杂草的目的。

2.2 耙式除草辊组件

耙式除草辊组件结构如图4、图5所示，连接板结构和原理与叶片式除草轮组中的连接板相同。除草辊架由1块连接板和2块焊接有销轴的折弯板组成，除草辊安装在2块折弯板之间可以自由转动。除草辊由1个圆筒，2块圆盘，6组耙齿焊接而成，耙齿每3组错位排布，使其在除草作业时没有漏除区域。除草辊架与连接板之间同样装有拉簧来提供拉力。

耙式除草辊组件在田间进行除草作业时，通过机架和拉簧等为耙式除草辊施加的下压力和耙式除草辊的被动滚转来翻动泥土，破坏杂草根系的生长环境，并通过翻起泥土埋压被压倒的杂草阻止杂草继续生长、影响水稻的产量。

2.3 叶片式除草轮的受力分析

由于叶片式除草轮组件和耙式除草辊组件除除草叶轮和除草辊之外部分结构类似，受力分析过程基本一致，故在本文中只对叶片式除草轮的主要工作部件进行受力分析。

设除草机运动方向与x轴正方向相同，除草叶轮铰链点O为原点，竖直向上方向为y轴，建立直角坐标系进行受力分析。除草叶轮在田间作业时如图部分受到泥土法向力和泥土摩擦力的作用。泥土对除草叶轮的法向力和泥土摩擦力随泥土的性状、除草叶轮的形状及作用位置不同而变化，合力作用点的位置也会随之变化。但除草叶轮对泥面的垂直挤压发生在第四象限，所以可以确定合力的作用点在第四象限。假设图6中的A点是合力的作用点，将泥土合力分解为水平分力R和垂直分力N。

如图6所示，当除草叶轮做匀速运动时，力的平衡方程为：

ΣFx=F-R=0

ΣFy=N-W-G=0

ΣMo=Nk-Rh=0

式中，R为泥土合力对除草叶轮的作用力在x轴方向的分力，N;F为机架对除草叶轮的拉力，N;N为泥土合力对除草叶轮的作用力在y轴方向的分力，N;W为拉簧提供的拉力通过叶轮架对除草叶轮的作用力，N;G为除草叶轮的重力，N;k为合力作用点A与y轴的距离，mm;h为合力作用点A与x轴的距离，mm。

3 结语

本研究吸收借鉴了外国机械式除草的先进经验，采用叶片式除草轮、除草钢丝、耙式除草辊多种除草装置组合应用，可以较高质量地完成除草作业，同时采用全被动式除草装置，具有结构简单、可靠性高、方便修理等优势。经过多次田间无苗试验和带苗试验，证明该机械各种水田工作环境适应性良好，安全可靠，且在工作环境良好情况下，综合除草率可达到75%。

参考文献

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（责任编辑  李媛媛）