苗间除草刀具结构设计研究

2019-02-11赵月明张国良郭兰天

时代农机 2019年9期

张喆，赵月明，张国良，张辉，郭兰天

（青岛理工大学临沂校区，山东临沂276000）

通过对苗间除草刀具的结构进行优化设计，对刀具的形态进行合理设置，对农机的路径进行控制规划，能够有效地实现避苗工作，提高除草率，降低人工劳动的强度。通过改变其运动轨迹，自动避免稻苗等方式，实现除草的目的。因此本文结合已有的研究经验，对苗间除草刀具结构进行设计。

1 苗间除草刀具结构设计的价值

1.1 苗间除草刀具结构设计有利于降低人工劳动

杂草和农作物争夺养分，占用农作物生长所必须的资源，因此在农业生产中一直是重中之重。统计表明，在全球15 亿hm2的农田因为杂草问题造成的损失约800 亿，单小麦造成的损失就高达400万吨以上。但是传统农业除草太依赖人工劳动，采用人工除草的方式，强度太高，而且效率低下，这大大的降低了农业生产的效率，造成了巨大的经济损失。

1.2 苗间除草刀具结构设计有利于降低污染

使用农药化肥是降低人工劳动的最有效方式，省时、省力、高效，能够给土壤提供足够的养分，并且能够消灭病虫害，实现除草的目的。但是农药化肥的使用尽管给土壤提供了充足的养分，并且实现了高效除草的目的，但是在施用中会造成农业污染，导致土壤退化，甚至会对农作物本身造成污染，影响农作物的品质，对农业生产有长期的恶劣影响。因此，使用苗间除草刀具进行除草，有利于降低农业污染，实现农业的机械化和现代化。

1.3 苗间除草刀具结构设计有利于提升除草率

农用机械的除草效果不仅在生态环保上由于除草剂，而且通过结构设计，在除草效率上也优于一些农药。而且机械除草在一些时候，比人工喷药的效果更好，效率更高。采用机械喷洒的效率高，但是能耗大，而且存在污染，因此采用机械除草是一种一举两得的选择。另一方面，采用机械除草还具有松土的作用，能够给作物生长提供充足的氧气量，提升除草率的同时，也为农业生产带来了效率。在结构设计方面，通过调节刀具的间距，有利于对不同距离植株进行除草处理。

2 当前苗间除草刀具存在的问题

2.1 除草率低伤苗率高

我国农业机械起步较晚，加之农业密集劳动力的形态，导致了农用机械的普及率不高。同时我国农业机械技术水平还有待提高，因为设计上主要用于清除作物行距之间的杂草，对于生长位置不规则的杂草除草率较低，甚至还存在一定的伤苗率。另一方面，目前的除草刀具主要靠切断杂草的根系，如果不能确定深度，那么会造成除草不净。同时，如果结构不合理，在狭窄的行间距进行作业时，容易造成土壤移动，破坏作物的生长环境。

2.2 刀具机械结构不合理

刀具结构设置不合理，会造成自身损伤，比如刀具结构设计不完善，在机构执行过程中与砖、石发生摩擦，造成损伤。同时，传统农业除草机械较大，能耗高，操作的方便性还有待提升。有些机械在工作时稳定性差，转向和刀盘的角度不灵活，加之检测不灵敏，会导致刀具误伤农作物。在结构的简单性、便捷性、模块化、刀片更换等方面还存在问题。

3 苗间除草刀具结构设计的研究进展

3.1 国外苗间除草刀具结构设计的研究进展

美国工程师kress Finger 将两个反向斜角的齿轮圆盘作为执行机构，以伸出指性齿作为刀具，工作时利用土壤的反作用力，将土壤中杂草去除。同时该设备还能够去除行间杂草。此外八钉指旋转刀具也是一种创新的结构设计，该设计配有先进的检测和导航装置，用来控制弹齿在苗间生成一定的运动轨迹，实现避免刀具对苗间伤害的目的。刀具的结构主要由液压驱动的钉指转盘、闭锁装置和八根除草钉组成，装置能够单独控制钉指伸缩，在工作时就能够自动避开稻苗，控制位置的变化。M. J. O’Dogherty 采用运动学仿真的方法对刀具结构进行优化，刀具采用旋转锄结构，设计成260 度左右的豁口圆盘，通过对刀具的运动轨迹规划实现快速除草。英国的Garford 研制的除草机器人速度可以达到3.2km/h，调整行间距离的侧移速度为0.1m/s，除草行数最大可达12 行，该刀具在蔬菜除草中效率较高。Z.Gobor 研制了一种旋转锄刀具，该刀具至于垂直圆盘式上，能够在行内苗株间进行除草工作。机械结构包括悬臂固定器和三个以上带有末端刀具的悬臂，除草悬臂固定器平行于苗株行的上方，通过调整夹角来控制除草面积，同时确保一定范围内的植株不会受到伤害。

3.2 国内苗间除草刀具的研究进展

国内的苗间除草刀具包括旋转锄刀具结构、弹齿刀具结构、垂直圆盘刀具结构、水平圆盘刀具结构、锥形圆盘刀具结构、链齿刀具结构等，单双翼刀具结构是我国农业除草中最广泛的应用形式，除草效果较好。关于刀具的优化方法，中国农业大学的黄小龙用正交试验的方法进行了优化设计，其除草率高达88.5%，更显著的效果在于伤苗率低，仅仅为1.6%。张春龙设计的除草刀具结构是由机械手构成，其转臂可绕自身Z 轴自由旋转，机械手刀具采用三指手爪，为了不伤害作物，其中一指为活动手指，根据图像识别的信息进行判断。作业时可将机械手刀具不至于植株的两侧，除草率高达90%以上。刘继展研制了六爪和八爪刀具，能够同时控制多套割刀进行除草工作，效率较好。韩豹等发明的水平圆盘刀具通过优化出最佳工作参数组合实现了结构性能的提升。张国等人对刀具进行结构优化，在不翻土作业的情况下，除草率96%，碎土率96.5%。

4 刀具结构设计的方案和保障措施

4.1 刀具结构设计的方案

刀具设计时要充分考虑切削阻力、刃角、刃线形状、加工可行性、刀盘拆装、更换刀片和振动平衡等因素。要求除草装置至少具有割草和断根两个功能，除草刀盘和除草刀片使用螺栓连接。可以采用弹齿耙刀具、扫描锄刀具、鸭掌形刀具、旋转式刀具、地面刀具和刷子刀具。刀刃形状可以采用直线型、圆弧型、抛物线型，用数学方法进行计算。在刀刃厚度选择上，太薄容易造成磨损、卷刃、崩刃和振动变形，太厚容易造成切削阻力大，不易割断杂草，而且还提升能耗，实验表明选择选取刃角为25°，刀片厚度为3mm 效果较好。要根据农机前进的速度和刀盘的转速计算刀片的数量，以确保最优的效率，提升除草率。在割茬高度调节机构设计方面，要精确测量手轮转过的圈数n，实现精准控制滑块举例的目的。转角机构包括转角电机、平面四连杆机构和转角平板等部分，刀盘底部与地面形成夹角，前刀片切除杂草，后刀片深入土壤。

4.2 刀具结构设计的保障措施

针对不同情况，要对刀具结构进行优化设计。为了避免对农作物造成损害，比如采用除草铲机构，使用扇形豁口的圆盘形状，目的是为了利用豁口的运动位置避免对农作物的损害。总体机构配置编码器箱体、液压马达、马达安装板和铲杆。同时也要仿形机构进行设计，确保如图深度在50mm，也要设置调节装置，对刀具的入土深度进行调节。为了合理控制刀具的运行轨迹，就要根据不同农田的特性对刀具的结构进行初始化调节，具体来说要调节刀具与地面的角度和入土深度，采用调节圆柱与调节螺栓的方式进行调节，利用丝杠螺母传动的工作原理伸缩，实现调节角度的目的。采用扫描锄刀具能够实现自主调节间距，适用于高速运行的作业环境。将鸭掌形刀具通过S 型弹性铲柄与机架相连，能够有效避免障碍物带来的损伤。