橡胶园单辊一座一刀卧式除草机设计与试验

王业勤，张 园，邓怡国，韦丽娇

(中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091)

0 引言

橡胶是我国重要的战略物资之一，在其生长过程中每年需要2～3次除草。橡胶园地域广袤，传统除草需要大量劳动力。近年来，橡胶价格较低迷，胶工流失严重，青壮年胶工逐年减少，随着经济的发展与橡胶园田间管理成本不断攀升，出现较多橡胶园弃管现象。一些不管理的、杂草丛生的有各类小石子的、枯枝的橡胶园，传统的除草机具被损坏，无法正常的作业。茂盛的杂草与橡胶树争水争肥，导致开割橡胶树胶水少且质量不佳、橡胶小苗生长缓慢。化学除草会残留农药，杀死微生物，破坏土壤，不利于橡胶树生长。

20世纪50年代，我国便开始除草机械的研究，60年代开始苗间除草机械的研究。黑龙江省木材采运研究所研制了2G-200 型果园除草机，主要方式为拖拉机前悬挂和圆锯片割草。到20世纪80年代，相继有10多种除草机械被研制出来，包括有旋转式、水平圆盘、垂直圆盘、链式及轻耙式等；但工作方式均以割为主，未考虑粉碎及还田利用等农艺。近年来，我国的除草机械技术水平有了很大的提高，主要有圆盘式和滚切式两种[1-3]。但橡胶除草机械的研制还是空白，当前的除草机械不能完全适用于胶园。针对橡胶园除草机械落后的情况，根据橡胶胶园除草作业实际需要，在现有除草方式的基础上，研制了单辊一座一刀卧式除草机，能够在完成粉碎杂草任务的同时起到还田培肥的作用，且结构简单、可靠。

1 胶园除草机整机设计

1.1 胶园除草机设计原则

一是按照橡胶园杂草除草合格率在90%以上且残留根茎短于40cm的农艺技术要求进行设计；二是需要考虑橡胶园里有石子和枯枝，设计结构降低其对刀的损坏；三是除草系统结构要简单，维护要方便。

1.2 胶园除草机的基本结构

胶园除草机主要由动力传动系统及除草系统组成，如图1所示。动力传动系统主要由拖拉机动力输出传动组成，由变速箱、传动轴、皮带轮、皮带组成，除草部分则由动刀辊和定刀排组成。

1.三点悬挂 2.变速箱 3.法兰盘 4.传动轴 5.皮带轮 6.机架 7.皮带 8.定刀排 9.定刀 10.动刀 11.动刀辊轴

1.3 胶园除草机的工作原理

拖拉机前进过程中通过机架三点悬挂机构拖动机具前进；拖拉机动力输出轴通过万向节将动力传到变速箱；变速箱通过法兰连接、传动轴将动力传到皮带轮；皮带轮带动动刀棍高速旋转；动刀旋转切草，同时把草甩上定刀粉碎，完成除草作业。

1.4 胶园除草机整体参数

胶园除草机整体参数如表 1所示。

表1 除草机整体技术参数Table 1 Overall technical parameters of the lawn mower

2 关键结构设计与参数确定

2.1 关键结构设计

2.1.1 动刀结构选择

用于粉碎除草的刀片主要有高强度耐磨铸钢制成的锤爪式刀片、由几个直刀片、 1个横向刀片与套管组焊而成的直刀式刀片及高锰钢制造的L型外型甩刀式刀片。锤爪式刀片主要利用旋转的锤爪捣碎，其质量较大且重心靠外，因而作业时转动惯量较大，消耗动力比较大，要求刀本身使用寿命长、耐用，但接触地面阻力大容易损坏机具。直刀式刀片主要利用旋转的多把直刀切断切碎，其制造工艺较复杂，价格昂贵，容易磨损，使用寿命短。L型外型甩刀式刀片主要利用旋转的L型滑切断，再把草捡拾进定刀粉碎，其入土比较省力，切草粉碎效果好，但切到石头容易损坏[4]。为了减轻切到石头容易损坏这一缺点，刀片末端改短，动刀辊上1个刀座只装1把刀。当L型甩刀切到石头时可以偏一边去，避免了硬切石头，有效缓解刀片崩坏，提高动刀和整机的使用寿命。虽然刀片末端改短，刀的拾捡能力下降，但橡胶除草只需切断草根且残留根茎短于40cm就达到橡胶除草的农艺要求。因此，本机设计选用L型外型甩刀式刀片，在刀片末端改短使其长为130mm的L型改进甩刀。

2.1.2 动刀在刀辊上的排列

动刀刀辊在工作时会产生较大的离心力，刀辊不平衡，机具将大幅振动，粉碎质量下降，机具能耗增加。因此，动刀在刀辊上的排列的合理性将影响机具的粉碎效果和机具的平衡性能。动刀的排列原则有3点：一是在不产生漏割的情况下动刀轴向间距越大越好，相邻两动刀径向夹角尽量大，以避免干扰与阻塞；二是动刀的排列，轴向分布均匀，径向等角分布，使机具空载旋转刀辊负荷均匀，动刀产生的离心率为零；三是结构简单，制造加工方便，能耗小，成本低[5]。

目前，常见的动刀排列方式有单螺旋线、双螺旋线、多螺旋线、交错平衡、交错对称及星型对称等排列方式。综合考虑，本机具采用单螺旋线排列方式。螺旋排列方式能够确保刀辊在高速旋转下动刀与定刀作用下杂草不断切碎的质量和顺序单刀切草规避小石子，减轻机具工作阻力，有效降低振动，减轻刀辊轴承受力，提高轴承与动刀使用寿命。动刀在刀辊的刀座排列如图2所示。

图2 除草机动刀辊刀座分布图Fig.2 The distribution diagram of the cutter seat of the weeding maneuver tool

2.2 参数确定

2.2.1 机动刀回转半径确定

动刀回转半径大小直接影响机具的粉碎效果、机具的振动大小和使用寿命。动刀回转半径增大，机具整体尺寸必然增大，机具的动不平衡因素也增大，机具振动更激烈[6-7]。确定动刀长度为130mm，考虑常规钢管的尺寸和当前我国秸秆粉碎还田机动刀回转半径大多在240～300mm之间，本机具选择钢管外径为150mm作为动刀辊轴直径，即动刀回转半径可确定为280mm。

2.2.2 机前进速度确定

机具的前进速度影响动刀的切草速度，动刀的切草速度则影响杂草切割粉碎效果。机具前进速度太快，会出现漏切杂草，达不到机具除草的工作要求；机具前进速度太慢，则出现重切杂草，降低机具工作效率，增加机具能耗，提高除草成本。为了合理切草，不漏切也不重切，必须是后一把动刀刀尖与前一把刀根的运动轨迹重合，因此确定机具的前进速度为0.5～1.2m/s[8]。

2.2.3 机刀辊转速确定

机具动刀辊旋转速度的大小决定动刀切草的速度和生产阻力的大小，是影响杂草粉碎效果的主要因素。刀辊的转速高，生产的切力和阻力也大。虽然杂草容易切碎，但振动也大，碰到石子不容易避开和降低动刀的使用寿命。据相关研究可知，秸秆粉碎的切割速度约为30～48m/s[7，9-10]。李明等人通过试验得出：刀端的速度48m/s时，甘蔗叶粉碎效果最好[11]。因此，本机具设计选择的动刀切割速度初步为30～48m/s。

动刀切割速度是由机具不前进只是旋转时动刀刀端的线速度和机具前进速度按照速度合成原理合成，即

(1)

刀辊旋转时，动刀做匀速圆周运动，依据匀速圆周运动规律可知

(2)

其中，R为动刀回转半径；ω为动刀旋转角速度；n为刀辊旋转速度。

由式(1)和式(2)可得

(3)

(4)

确定动刀回转半径为280mm，机具的前进速度为0.5～1.2m/s，动刀切割速度为30～48m/s，可计算出刀辊最小的旋转速度为983r/min，刀辊最大的旋转速度为1 620r/min。根据计算出的数值，综合考虑拖拉机输出动力转速、变速箱和参考国内秸秆粉碎机的参数，本机具选择刀辊旋转速度为1 520r/min。

3 田间试验与结果分析

3.1 试验条件

试验场地在徐闻曲界友好农场橡胶园里，配套东方红904拖拉机，拖拉机的前进速度为0.8m/s。试验地友好农场橡胶园连续3年不割胶也没有管理，杂草长得比较茂盛，基本有950mm高，橡胶园里还有一些小石子。试验地胶园面积为4.91hm2。

3.2 试验方法

拖拉机行走速度调整到正常作业速度即机具的前进速度为0.8m/s，刀辊旋转速度为1 520r/min。以拖拉机前进方向为长度方向，选取长度50m、宽度1.5m的面积作为试验检测的取样单位，随机选取6个取样单位，分别测得相应数据，求得试验指标，并在作业过程中对机具振动、噪音、动刀辊轴承发热及动刀磨损等情况进行考查。根据作业后除草的效果，对机具的各性能指标进行了以下方法的测定。

3.2.1 除草合格率

从取样单位中随机选取6个测试区面积A(2m×1.5 m )，在测试区中测取所有未切到杂草面积a和杂草残留根茎高于40cm的面积为b。根据式(5)计算出每个测量区中除草合格率λ( % )，最后取6个测量区中λ的平均值，即为所求值，则

(5)

3.2.2 残留根茎高度

测量取样单位经机具作业后所有杂草残留根茎高度，然后取最大值与最小值，即为杂草残留根茎高度范围。

3.2.3 工作效率与1h燃油消耗量

拖拉机匀速作业1h，记录1次作业长度L和所消耗的燃油量Q(Q为1h燃油消耗量)，随机记录6次。按公式(6)计算出机器的工作效率，即

(6)

其中，η为机器工作效率；S为取样作业面积；L为取样作业长度；I为作业幅宽；t为时间。

3.2.4 除草机的稳定性

除草机的稳定性是指除草机在不同时间、不同工况下作业时仍能保持正常工作，由多次试验后各项检测指标(即除草合格率、工作效率及1h燃油消耗量的波动性)来体现除草机的稳定性。各指标波动性越小，机具工作稳定性越好。本文根据数学模型的形式，经过一定的计算就能够得出除草机的稳定性，即

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，ε为机器稳定性系数；μ1、μ2、μ3为各指标波动系数。

3.3 试验结果与分析

在作业试验过程中，只有少量杂草没有粉碎，动刀虽有磨损，但没有崩坏的，机具没有出现堵塞等现象，基本能够很好地完成除草任务，且稳定性系数为97.4%。依据上述试验方法测得除草机性能参数，如表 2 所示。

表2 除草机田间试验结果Table 2 Field test results of weeding machine

试验结果表明：机具正常作业时稳定性好，平均除草合格率为96.23%，且残留根茎高度范围在5～33cm，平均工作效率在0.423hm2/h，平均燃油消耗量为 4.633kg/h。以上指标优于橡胶园杂草除草合格率在90%以上且残留根茎短于40cm的农艺要求。

机具在作业过程中，机具噪音比较大，动刀辊轴承轻微发热，有少量含水量较低的藤类杂草缠绕。因此，在后续研究中还需对机具进行改进，提高样机的工作性能。

4 结论

1)采用卧式秸秆粉碎机的原理成功研制了橡胶园橡胶园单辊一座一刀卧式除草机，满足了橡胶园除草农艺要求。机具采用单刀螺旋线排列，在刀辊转速为1 520r/min、前进速度0.8m/s时，能有效缓解除草机刀具碰到石子容易崩坏等问题。

2)该除草机的成功研制填补了橡胶除草机械的空白，解决了橡胶园除草时劳动力不足的问题，且杂草还田有效地增加了绿肥还田，有助于橡胶种植经济效益的发展和生态效益的提高。