苗間除草刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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(guò)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(guò)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)。

1 苗間除草刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的價(jià)值

1.1 苗間除草刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于降低人工勞動(dòng)

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(wèn)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。

1.2 苗間除草刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于降低污染

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(chóng)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。

1.3 苗間除草刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于提升除草率

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(guò)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(guò)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。

2 當(dāng)前苗間除草刀具存在的問(wèn)題

2.1 除草率低傷苗率高

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。

2.2 刀具機(jī)械結(jié)構(gòu)不合理

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(guò)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(wèn)題。

3 苗間除草刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外苗間除草刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

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(kāi)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(guò)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(guò)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。

3.2 國(guó)內(nèi)苗間除草刀具的研究進(jìn)展

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(guò)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%。

4 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案和保障措施

4.1 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案

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(guò)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。

4.2 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的保障措施

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?？傮w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(shuō)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(guò)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。

5 結(jié) 語(yǔ)

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)。