往复摆动式水田机械除草机的设计

金佳俊，谢东升，邵圣乐，奚小波

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引 言

水稻是我国最主要的粮食作物，占粮食总产量的35%以上[1]，杂草是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一[2]，目前稻田除草方式主要以化学除草为主，占90%以上，长期、大量、高频的施药除草引发杂草的抗药性提高、生态环境遭到破坏、食品安全面临挑战[3]。随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始追求绿色无公害有机食品，尤其是有机大米，受到越来越多人的青睐。因此，化学除草剂的弊端逐渐显现出来，更高效环保的机械除草开始被提倡并推广。

机械除草技术是一种环保型除草技术，利用各种耕、翻、耙、中耕松土等措施实现除草，减免化学除草剂的使用，对农田生态环境保护有着重要意义。在除草过程中，不仅去除杂草，还能翻转土壤，增加土壤的氧气含量和促进作物对养分的吸收[4]。然而，机械除草技术的难点在于保证去除行间和株间杂草的同时，避免除草部件对稻苗的机械损伤。为此，本文设计了一种往复摆动式水田机械除草机，能够保证较高的除草率和较低的伤苗率。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

本文设计的往复摆动式机械除草机主要由往复摆动式株间除草机构、压草支撑滑板、行间除草机构和机架等组成，其总体结构如图1 所示。

图1 往复摆动式水田机械除草机总体结构

1.2 工作原理

机具前进方向如图2 所示（各部件从右至左依次作业），在机具前进时，行走装置通过悬挂支架将机具降下，压草滑板下端贴合地面，在行走装置的带动下往前滑动。悬挂机构可使机具绕前进方向在一定范围内旋转，避免由于机具的左右倾斜影响除草效果。进行株间除草时，除草弹爪在伺服电机的驱动下在株间分别向左右两侧摆动，可将杂草拔起或推倒。之后由压草滑板向上翘起的一端压至泥浆下，同时连接在斩草轴上的斩草轮转动，将压在压草滑板下的株间杂草斩断。安装有除草铲的传动轴在传动箱的驱动下旋转，除草铲尖端部分将被斩断的株间杂草向上翻离地面，并铲起行间杂草，使草根翻离地面，无法附着在泥浆当中，避免杂草再次生长，提高除草效果，实现株间与行间除草。

图2 机具行进方向上的工作顺序

2 关键部件设计

2.1 往复摆动式株间除草机构

往复式株间除草机构安装在机架的最前端，在除草机前进的过程中，通过除草弹爪的往复摆动将生长在株间的杂草拔起或向两侧推倒。往复摆动式株间除草机构由除草弹爪、曲柄连杆机构、伺服电机、左右拉杆等组成，结构如图3 所示。

图3 往复摆动式株间除草机构

在实际工作过程中，伺服电机开始工作，经输出轴，带动偏心轴承转动，两组曲柄连杆机构将偏心轴承的转动转化为拉杆在左右方向上的往复运动，进而使安装在机架上的除草弹爪形成往复摆动，进行除草作业。两组曲柄连杆机构能够分别带动伺服电机左右两侧的各3 组除草弹爪，两侧的除草弹爪同一时刻运动方向相反，以便于抵消除草作业带来的惯量，并且可通过控制伺服电机的转速，使除草弹爪只在株间往复摆动，按需除草，防止伤苗。

为保证除草效果和防止伤苗，除草弹爪应该有足够的除草深度和宽度，同时其摆角不宜过大，否则容易伤苗，增加系统功耗。图4 为除草弹爪的工作示意图。除草弹爪总长度为：

图4 除草弹爪工作示意图

式（1）中：l1为除草弹爪拉杆端长度，单位为mm；l2为工作端长度，单位为mm；h 为除草弹爪工作深度，单位为mm；k 为工作宽度，单位为mm。

除草弹爪工作摆角α 为：

水稻行距一般为300 mm，在不伤苗的前提下，为保证较好的除杂草效果，取k 为320 mm，取h 为25 mm，l1设计为30 mm，则除草弹爪的总长度l 为524.5 mm，工作摆角为35.5°。

2.2 压草支撑滑板

压草支撑滑板安装于往复摆动式株间除草机构后方，与除草弹爪交错排列。压草支撑滑板由压草滑板、斩草轴、斩草轮和支撑支架四部分组成，其结构如图5 所示。压草滑板向上倾斜，其后半部分贴合于地面。往复摆动式株间除草机构将株间杂草向行间推倒至压草滑板所在区域，压草滑板前半部分向上翘起一端将株间杂草压至泥浆内。斩草轮自身没有动力来源，依靠机具工作时泥土的阻力转动，并将压草滑板下侧的株间杂草斩断，后边的除草铲将斩断的杂草翻离地面，达到除株间草的目的。

图5 压草支撑滑板

2.3 行间除草机构

行间草与被压草支撑滑板压入土中的株间草通过行间除草机构进行铲除和埋压，行间除草机构结构如图6 所示，传动箱与除草铲传动轴通过链传动机构相连。除草铲由两个相对于连接杆左右方向对称设置的除草部组成，两个除草部的下缘向上倾斜，使底部相连接处形成尖端，除草部朝向连接杆的一端形成压草面，当传动箱带动除草铲传动轴转动时，除草铲下缘切断并铲起行间草及被压草支撑滑板压入土中的株间草，经压草面使草根翻离地面，提高除草效果。

图6 行间除草机构

3 结 语

研制了一种往复摆动式水田机械除草机，该机具由水田拖拉机提供动力，通过除草弹爪、斩草轮与除草铲进行复合除草作业，达到较好的除草效果。除草弹爪采用往复摆动的方式除去株间杂草；斩草轮采用被动除草方式进行斩草和松土；除草铲由传动箱传递动力，将杂草翻离地面。本机具通过除草弹爪—斩草轮—除草铲的除草方式来降低漏除率，保证行间除草和株间除草同时进行。

随着时代的发展，人们对于粮食作物的要求越来越高，所以有效解决除草难题是我们刻不容缓的任务。本次设计的往复摆动式水田机械除草机能够很大程度上解决除草难题。它凭借着除草弹爪、斩草轮和除草铲的结合，有效发挥了机械除草的优势，在今后的水稻种植过程中能够得到广泛的应用。