葡萄園3DC-1500行間打草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邢潔潔，徐麗明*，史麗娜，劉文，高振銘（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

葡萄園3DC-1500行間打草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邢潔潔，徐麗明*，史麗娜，劉文，高振銘
（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

葡萄園雜草的防治是重要的作業(yè)之一，本文針對人工除草作業(yè)效率低、成本高、除草劑嚴(yán)重污染環(huán)境、降低果品品質(zhì)等問題，根據(jù)行間除草的作業(yè)要求，以及除草后可以保證拖拉機(jī)在雨后也能進(jìn)地作業(yè)的特殊要求，研究設(shè)計(jì)了“3DC-1500行間打草機(jī)”，以小型拖拉機(jī)為動(dòng)力，通過打草輥帶動(dòng)打草繩高速旋轉(zhuǎn)將地表雜草打碎，少傷及草根。實(shí)現(xiàn)葡萄園雜草的“零污染”防治，并保證拖拉機(jī)在雨后能進(jìn)地作業(yè)。實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果表明，該打草機(jī)能夠有效清除地表雜草，保留草根，平均作業(yè)效率為13540 m2/h，是人工作業(yè)的20倍以上，除草效果滿足實(shí)際要求。

葡萄園；雜草防治；零污染；高速旋轉(zhuǎn)輥；打草繩

葡萄是我國的主要水果之一，產(chǎn)量位居世界首位，種植面積排名第二，但雜草的防治一直是生產(chǎn)難以解決的大問題。雜草數(shù)量多生長快，爭奪肥水嚴(yán)重，可使產(chǎn)量減少1%～2%，特別是有些雜草還是病蟲的傳播媒介和寄主，使果園病蟲害發(fā)生嚴(yán)重，從而影響果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量。目前，多用人工除草或化學(xué)除草（噴灑化學(xué)除草劑）。人工除草作業(yè)效率低，人工成本很高；化學(xué)除草雖然需要人工數(shù)量少、作業(yè)效率高，但嚴(yán)重環(huán)境污染，造成果品農(nóng)藥殘留，損害果品品質(zhì)，危害人民的身體健康［1-3］。因此，非常有必要采用物理防治雜草，做到葡萄園的“零污染”管理，從根本上提升葡萄品質(zhì)，同時(shí)提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本。

相對于化學(xué)除草和人工除草，機(jī)械除草具有無污染、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)“零污染”管理。國內(nèi)外對農(nóng)作物的機(jī)械除草進(jìn)行了相關(guān)的研究，取得了一定的成果。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)針對玉米苗期行間和株間的雜草，研究了“3zcf-7700型多功能中耕除草機(jī)”［4］。黑龍江農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、黑龍江八一大學(xué)等單位分別針對大豆、水稻等田間雜草來研究相應(yīng)的機(jī)械［5-11］。而對于果園，如葡萄、蘋果、梨等，因其栽培模式多樣等原因，目前相關(guān)的機(jī)械除草研究較少［12-13］。

葡萄園的雜草主要分布在行間和株間，本文根據(jù)行間除草的作業(yè)要求，以及除草后可以保證拖拉機(jī)在雨后也能進(jìn)地作業(yè)（如噴藥、施肥等）的特殊要求，研究設(shè)計(jì)一種行間打草機(jī)械，具有葡萄園雜草的“零污染”防治和保證拖拉機(jī)在雨后能進(jìn)地作業(yè)的雙重優(yōu)勢。

1　葡萄園行間除草機(jī)械設(shè)計(jì)要求

以露天標(biāo)準(zhǔn)化籬架種植模式的葡萄園為工作背景，根據(jù)此類葡萄園的種植特點(diǎn)和作業(yè)需求對行間除草機(jī)械的設(shè)計(jì)提出以下要求：

（1）葡萄園的栽培行間一般寬度為2～3 m，只能滿足小型拖拉機(jī)（40馬力以下）的作業(yè)，所以要求該除草機(jī)械作業(yè)寬度適當(dāng)且作業(yè)功率較??；

（2）葡萄園行間地表保留較低的覆蓋雜草有助于保持水土，對于雨后的機(jī)械作業(yè)還能夠起到防滑作用，所以要求除草作業(yè)時(shí)，只將地表上面雜草較高的部分進(jìn)行清除，保留草根。

（3）葡萄園的雜草種類多，都屬于草本植物，主要有狗牙根、馬齒莧、馬唐、牛筋草、白茅、凹頭莧、反枝莧、刺莧、辜草等，各種雜草的特性不同，且不同地塊雜草高度不同，所以要求除草機(jī)械的適應(yīng)性較強(qiáng)。

2　行間打草機(jī)的研制

針對葡萄園行間地表上面的雜草清除，本文研發(fā)了“3DC-1500行間打草機(jī)”（圖1和圖2），工作幅寬1.5 m，可以適用于標(biāo)準(zhǔn)化籬架種植模式的葡萄園，并滿足其作業(yè)需求。該打草機(jī)主要工作部分為打草機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三部分，其中前兩個(gè)機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。

圖1　3DC-1500行間打草機(jī)三維簡圖

圖2　3DC-1500行間打草機(jī)

2.1打草機(jī)構(gòu)

現(xiàn)有的打草方式有很多，本文采用打草繩進(jìn)行打草作業(yè)。打草機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要包括打草輥、打草繩固定橡膠板和打草繩。其中橡膠板共4個(gè)，通過螺栓固定在打草輥上，橡膠板上有打草繩扣孔，打草繩與橡膠板采用“扣”的形式進(jìn)行安裝，使一根打草繩的兩邊長度相等，相鄰兩個(gè)橡膠板上的打草繩交錯(cuò)安裝。這種固定方法安裝方便，容易更換，且當(dāng)打草繩在旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)受到向外的離心力，進(jìn)一步加強(qiáng)打草繩與橡膠板之間的固定。橡膠板具有較好的彈韌性，對打草繩磨損傷害極小，當(dāng)打草繩打到堅(jiān)硬物體時(shí)，橡膠板還能進(jìn)行自身變形，防止打草繩被拉斷。

圖3　打草機(jī)結(jié)構(gòu)

打草機(jī)構(gòu)的工作原理是，打草輥帶動(dòng)打草繩高速旋轉(zhuǎn)將地表雜草打碎，所以該打草機(jī)的作業(yè)效果受打草繩的強(qiáng)度和打草輥的轉(zhuǎn)速影響很大。

（1）打草繩的選擇。本文選用割草專用的3.0 mm方型打草繩，具有柔韌、耐磨、不易斷、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，常用在普通園林的割草裝備上，能夠打斷草本植物甚至較細(xì)的木本植物的，滿足葡萄園各種雜草清除需求。

（2）打草輥的轉(zhuǎn)速。理論上打草輥的轉(zhuǎn)速越高打草效果越好，經(jīng)過樣機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)打草輥轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/s左右時(shí)，雜草都能被打得粉碎，打草效果已經(jīng)能夠達(dá)到要求。所以本機(jī)器選定600 r/s為打草輥的工作轉(zhuǎn)速。

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

鑒于葡萄的栽培行距，該機(jī)器選用小型拖拉機(jī)提供動(dòng)力，其PTO最大輸出轉(zhuǎn)速為540 r/s，但在正常作業(yè)行駛時(shí)，PTO輸出轉(zhuǎn)速一般為300 r/s左右。要想使打草輥達(dá)到所需的工作轉(zhuǎn)速600 r/s，需要通過傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行兩倍提速。

該打草機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)包括齒輪箱傳動(dòng)和帶輪傳動(dòng)，齒輪箱通過萬向節(jié)分別與拖拉機(jī)PTO和主動(dòng)帶輪軸連接，從動(dòng)帶輪軸與打草輥裝配在一起。由于農(nóng)用齒輪箱很少用于增速，所以齒輪箱選用傳動(dòng)比1∶1進(jìn)行等速傳動(dòng)，帶輪傳動(dòng)選用傳動(dòng)比1∶2進(jìn)行增速傳動(dòng)，進(jìn)而將PTO輸出的轉(zhuǎn)速加倍，達(dá)到打草輥的工作需求。

2.3高度調(diào)節(jié)裝置

由于不同地塊的雜草高度不同，以及不同品牌小型拖拉機(jī)的懸掛高度略有差別，所以需要該打草機(jī)能夠方便地調(diào)節(jié)打草高度，保證打草效果，提高適應(yīng)性。如圖2所示，該機(jī)器的高度調(diào)節(jié)裝置由兩個(gè)可調(diào)節(jié)高度的底輪組成，固定于機(jī)架后端，通過旋轉(zhuǎn)高度調(diào)節(jié)裝置上的手輪，調(diào)節(jié)整體機(jī)架的高度，使機(jī)器處于合適的打草高度。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過葡萄園實(shí)地試驗(yàn)，測定打草效果和機(jī)械作業(yè)效率。

3.2試驗(yàn)設(shè)備

研制的3DC-1500打草機(jī)，秒表，米尺。

3.3試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為河北遵化葡萄園，該葡萄園栽培行距為標(biāo)準(zhǔn)3 m，每行長度200 m，雜草有牛筋草、狗尾草等，平均高度15 cm。

3.4試驗(yàn)方法

根據(jù)雜草的高度，通過高度調(diào)節(jié)裝置設(shè)定好打草機(jī)的工作，使打草繩在作業(yè)時(shí)與地面輕微接觸。在保證打草繩有充足的打草時(shí)間，同時(shí)又不影響工作效率的前提下，將拖拉機(jī)前進(jìn)速度設(shè)定為2.5 m/s左右進(jìn)行打草試驗(yàn)（圖2），每行只進(jìn)行一次打草試驗(yàn)。

采用秒表測定每行作業(yè)的時(shí)間，測定10行，記錄作業(yè)時(shí)間，計(jì)算該打草機(jī)的平均工作效率；觀察打草后地表雜草殘留情況，測量其最大高度。

3.5試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）根據(jù)測定10行的時(shí)間，核算該打草機(jī)的平均工作效率為13540 m2/h，是人工作業(yè)的20倍以上。

（2）打草作業(yè)前后對比。對比作業(yè)前后，作業(yè)后的地表雜草基本清除干凈，雜草殘留高度最大不超過5 cm，沒有破壞地表以及地下草根。結(jié)果表明該打草機(jī)打草效果達(dá)到預(yù)期。

4　結(jié)論

雜草防治是果園中的重要作業(yè)之一，人工除草效率低且費(fèi)用很高，而化學(xué)除草不僅污染環(huán)境，而且嚴(yán)重影響果品品質(zhì)。針對人工除草和化學(xué)除草的弊端，本文根據(jù)行間除草的作業(yè)要求，以及除草后可以保證拖拉機(jī)在雨后也能進(jìn)地作業(yè)的特殊要求，研發(fā)了“3DC-1500行間打草機(jī)”，以小型拖拉機(jī)為動(dòng)力，可在行距2～3 m的行距內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，適用性強(qiáng)。該打草機(jī)通過打草輥帶動(dòng)打草繩高速旋轉(zhuǎn)將地表雜草打碎，少傷及草根，便于雨后拖拉機(jī)能夠進(jìn)地作業(yè)。實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果表明，該打草機(jī)作業(yè)效率平均為13540 m2/h，是人工作業(yè)的20倍以上；打草效果良好，能夠有效清除地表雜草，并保留草根。所以該打草機(jī)能夠大大減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，并促進(jìn)葡萄園“零污染”技術(shù)和高品質(zhì)果品的健康發(fā)展。

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10.13414/j.cnki.zwpp.2016.05.012

2016-07-31

邢潔潔，博士研究生。E-mail： 584731137@qq.com

徐麗明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化研究。E-mail： xlmoffice@126.com