锄铲式玉米中耕除草机设计与作业性能研究

牛萌萌，方会敏，荐世春

（250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院）

0 引言

杂草作为农作物强有力的竞争对手，其与作物争夺养分和水分，直接影响作物产量和质量[1]，同时也是病虫害的主要寄主，农田杂草滋生已成为农业生产不可忽视的一个重要问题。目前国内对杂草的控制一般采用化学法，化学除草具有高效、及时、省工、彻底等特点[2]。但其带来诸如杂草群落变迁[3]、抗药性增强且抗药谱扩大[4]，以及环境污染[5]、农药残留[6]等问题。自2016年以来，每年的中央1 号文件都提到农药化肥零增长，甚至2018 年以来强调农药化肥投入减量化、负增长。

在国家大力提倡减药增效和杂草绿色防控背景下，机械除草作为一种环境友好、针对性强、见效快且兼具农艺功能的非化学防除方法，对于应对抗性杂草繁衍、农业环境恶化和粮食安全挑战等具有重要意义[7]。本文从行间锄铲式中耕除草机的设计出发，首先对锄铲式除草机作用下土壤和秸秆的运动进行研究，进而分析了行间除草作业后土壤的破碎情况，为除草机械的设计与优化提供理论参考。

1 整机结构与关键部件设计

1.1 整机结构及工作原理

黄淮海地区的玉米种植模式一般为60 cm 等行距播种，少数农户以70 cm 等行距播种。因此本文设计的锄铲式除草机行间距为60±10 cm（可调）。该除草机由6 个（共3 组）锄铲式除草部件组成，每个作业行内有2 个锄铲安装在前后梁上，以保证玉米行间杂草的清除效果。

拖拉机在前进过程中，锄铲将土体破开，切开撕裂土壤的同时将行间杂草从土壤中拔出，并引导行间杂草运移至两侧。田间除草时，调整仿形轮使锄铲入土深度控制在10～15 cm。

1.2 锄铲设计

行间中耕除草铲主要由铲柄和锄铲组成，如图1 所示。其主要设计参数包括锄铲入土角α、切土角β、铲翼张角γ、锄铲作业幅宽B。

图1 行间锄铲式除草部件Fig.1 The weeding parts of inter-row hoe type weeder

锄铲入土角过小时，铲刃部强度较弱；而入土角过大，工作时土壤上移量增加、土层抬高、土壤扰动增强，造成中耕除草时整机工作阻力增加。本文锄铲的入土角α设计为16 °。

锄铲切土角过小时会影响铲面高度；切土角过大时，土壤易被推向两侧，使土壤外翻量增加，极易在除草过程对两旁植株造成压苗伤苗情况。本文切土角β设计为10 °。

铲翼张角的作用是引导杂草沿刃口滑切，使杂草顺利滑出锄铲表面，防止杂草缠绕在锄铲上。因此本文铲翼张角γ设计为80 °，既避免了过小张角造成铲翼切断草根的能力减弱，也避免了张角过大时发生缠草、黏土、拥堵。

考虑到设计的锄铲应对现有玉米播种行距具有普遍适用性，同时充分考虑没有自动驾驶辅助情况下农机操作者的操作误差，出于对两侧玉米植株的保护考虑，结合整机锄铲部件的布置结构，此处锄铲作业幅宽B 设计为265 mm。

2 试验参数与方法

2.1 试验地点

试验于2020 年7 月在山东省农业机械科学研究院试验基地山东省济南市章丘区枣园镇进行，该试验田已连续进行了多年小麦-玉米轮作试验。试验时正值玉米苗4～5 叶期，是机械除草的关键时期。经调查，田内杂草以麦草和裂叶牵牛占绝对优势。试验时，土壤密度为1.45 g/cm3，0～5 cm、5～10 cm 土层内土壤平均含水率分别为16.37%和16.41%，5 cm 和10 cm 处土壤紧实度分别为0.71，0.46 MPa。

2.2 试验小区布置

为了测量除草过程中土壤和杂草的运动，本研究采用示踪法[8-10]。使用不锈钢块模拟土壤。试验时，将不锈钢块嵌入土壤中模拟不同位置土块，将标牌系在杂草上标记不同位置杂草，通过追踪示踪器的运动来分析土壤和杂草的运动情况。其中，土壤示踪器按照不同深度和距离除草中心线不同位置进行布置，杂草示踪器则在自然生长位置处的杂草上进行标记。土壤示踪器和杂草示踪器布置如图2 所示。除草试验重复3 次，单次除草长度为30 m。

图2 土壤和杂草示踪器布置图Fig2 Schematic view of tracer placements in field

除草试验中，在除草铲除草路径中心线垂直方向上布置土壤示踪器，编号1 的示踪器布置在相邻2 行玉米的中心线上，之后分别以5 cm 间隔布置编号2～6 的土壤示踪器。按此相对位置，在地表、地下5 cm 处及地下10 cm 处分别布置示踪器，即合计18 个示踪器。单次试验布置3 组，合计54 个土壤示踪器。

杂草按实际生长位置进行标记，其中距离除草路径中心线垂直距离小于5 cm 范围内的杂草定义为第一范围内杂草；距离除草路径中心线垂直距离5～15 cm 范围内的杂草定义为第2 范围内杂草；距离除草路径中心线垂直距离15～25 cm范围内的杂草定义为第3 范围内杂草。

2.3 试验测定内容

2.3.1 除草效果

每个试验小区选择3 个样点（宽为玉米行距0.7 m，长为0.45 m），将此范围内的杂草全部拔出，记录杂草的株数并称其鲜重。

利用式（1）、式（2）计算株防效Ep和鲜重防效Ef：

式中：Ep——株防效；Nb——空白对照区杂草株数；Nt——处理区杂草株数。

式中：Ef——鲜重防效；Wb——空白对照区杂草鲜重；Wt——处理区杂草鲜重。

单次除草试验后，统计30 m 试验区内被土块压住或被除草部件刮伤的玉米植株株数，利用式（3）计算伤苗埋苗率Rs：

式中：Rs——伤苗埋苗率；NI——被伤被埋玉米株数；NP——玉米总株数。

2.3.2 土壤和杂草的运动

土壤和杂草的运动情况通过测量各示踪器在除草作业前后的位置之差来表达，通过不同位置示踪器的运动位移结合除草部件结构分析土壤和杂草在除草机作用下的运动特性。

2.3.3 土壤的破碎特征

采用数码摄像机（SONY SR11E）对除草过程进行跟踪拍摄，分析每帧图像中土壤的破碎行为，归纳总结土壤结构在不同除草机构作用下的破坏规律。

每次试验后，在除草试验路径过程中框选出3 处（长×宽=60 cm×60 cm）进行除草后土壤尺寸的测量，每个取样框中随机选取10 个破碎后的土壤块进行最大直径的测量。

3 结果与讨论

土壤和秸秆在锄铲式玉米中耕除草机作用下有破碎、运移等情况，杂草在除草机作用下的运移及土壤的运动和破碎情况直接反映工作部件的作用效果。通过对其作用下土壤和杂草的运动情况进行分析，可以归纳总结除草机的作用方式及范围。土壤在除草机作用下的破碎情况能够反映除草机作用过程对土壤的扰动。杂草的清除效果则是除草机械工作效果的最直接反映，是衡量除草机械作业效果的首要因素。

3.1 杂草的清除效果

锄铲式除草机单行内的作业幅宽较大（36.5 cm），因此土壤受扰动面积大，导致杂草清除面积大，除草率高。在此次试验中，锄铲式玉米中耕除草机的除草株防效为83.4%，鲜重防效为82.6%。而且，锄铲式除草部件入土较深，作业时的最大土壤扰动宽度可达 62 cm 以上，更进一步提高了杂草清除效果。

然而，锄铲式除草机作业时土壤扰动大，也常出现将部分土块抛至玉米苗上，造成其伤苗压苗比率达3.6%。

3.2 土壤的运动

锄铲式玉米中耕除草机作用下土壤的运动情况如图3 所示。在锄铲式除草机作用下，表层各位置土壤的水平位移显著大于其纵向位移，主要原因在于锄铲式除草部件的作业方式是水平前进式。1～3 号位置的土壤示踪器运动位移较大，因其处于锄铲直接作用范围内，受锄铲运动的影响大；4～6 号位置的示踪器距离锄铲的有效运动范围较远，故运动位移较小，尤其6 号示踪器的运动仅仅是因铲翼对其周边土壤的扰动。

图3 锄铲式除草机作用下土壤的运动位移Fig.3 The soil displacements under the condition of mechanical weeding with hoe-type weeder

在所有示踪器中，2 号位置的土壤示踪器既靠近右侧锄铲的铲尖（水平距离约82.5 mm），同时又位于左侧锄铲的铲翼运动范围内（与铲翼的垂直坐标相同），因此在双铲作用下的位移最大；而3 号位置的示踪器虽距离右侧锄铲的铲尖最近，但缺乏左侧铲尖的二次作用，其运动位移对比2 号位置的示踪器运动位移要小得多。同理，1 号位置的示踪器虽距离左右侧的铲尖都较远，但是在双铲作用下的运动位移还是大于3 号而小于2 号示踪器的运动位移。

对于土下5 cm 处的土壤运动而言，仅1～3号位置的土壤有小范围运动，其不同位置的运动位移与表层土壤的运动位移具有类似趋势。但对于土下10 cm 处的土壤而言，其运动位移极小，可能是地表不平或秸秆等的存在影响了除草机的作业深度。对于深度方向的运动而言，几乎表层和土下5 cm 位置的所有土壤示踪器都往表层运动，这与铲面非水平面有关，说明锄铲式除草机有破土及小幅翻土的效果，作业时土壤扰动较大。

3.3 杂草的运动

对除草作业而言，在3 个范围内共布置了杂草示踪器27 株。在第1 范围内有运动位移的杂草比例占88.9%；第2、3 范围内则分别是83.3%和58.3%，而第3 范围之外的杂草皆没有运动。

若以3 号土壤示踪器的位置为基准，向内考查此范围（即对应土壤示踪器1～3 位置的范围）内杂草的运动比例，发现此范围内高达80%的杂草有运动，此与前述分析土壤运动的趋势一致，主要因为此范围为锄铲的高效运动范围。

纵观所有杂草的运动，发现运动杂草的平均水平位移为20.8 cm，纵向位移为38.1 cm；而锄铲高效运动范围内的杂草平均水平位移为30.3 cm，纵向位移为38.1 cm；非锄铲高效运动范围内的杂草平均水平位移和纵向位移为1.7 cm 和38.0 cm。

由此可见，在锄铲式除草机作用下，不同位置杂草纵向运动位移相差不大，都在锄草部件前进过程中因破土被侧向移位；而不同位置的杂草其跟随锄铲前进的距离不同，越靠近锄铲的中心位置，其越容易跟随锄铲前进至一定程度被抛出。

3.4 土壤的破碎

锄铲式玉米中耕除草机作用下的土壤结构变化如图4 所示。锄铲式除草机工作时,呈垂直安装的铲柄最下端的锄铲向前上方挤压土壤，被挤压的土壤向铲柄和锄铲的两侧移位同时产生裂纹。锄铲的持续向前运动，使得裂纹进一步扩大（见图4（b）），进而在铲柄和锄铲通过时土壤发生破碎（见图4（c））。

图4 锄铲式除草机作用下土壤的破碎过程Fig.4 The crushing process of the complex under the action of hoe-type weeder

锄铲式除草机作业后土壤结构典型直径为10.4 cm。同时其除草后的土壤体积较大，处于幼苗期的杂草根系较完整地包含在该土壤中。锄铲式除草机作业后5 cm 处的土壤紧实度约254.0 kPa，较未除草前降低了64.4%。

4 结语

针对玉米田杂草的机械防除需求，本文设计了一种行间锄铲式玉米中耕除草机。并从土壤和杂草运动、土壤破碎、除草效果等角度对其作业性能进行了研究。

研究表明，锄铲式除草机作用下，表层各位置土壤的水平位移显著大于其纵向位移，且位于锄铲高效运动范围内的土壤运动位移显著大于非高效运动范围内的土壤运移。处于锄铲高效运动范围内的杂草运动比例高达80%，此范围内杂草平均水平位移为30.3 cm，纵向位移为38.1 cm；锄铲式除草机主要靠挤压作用让土壤破碎，破碎后土壤结构的典型直径为10.4 cm，5 cm 深度处土壤紧实度降低了64.4%。