复合式水稻田除草机的设计与试验

赵柳霖，齐 龙，马 旭，郑文汉，林少敏，王 聪，陈 彬

(华南农业大学 工程学院，广州 510642)

0 引言

水稻是我国最主要的粮食作物，而稻田草害则是导致水稻产量下降和品质降低的主要原因之一[1-2]。为实现水稻的高产优质，必须有效地防控草害，目前世界范围内水田除草方式主要有化学除草与机械除草两种。

欧美等国家水稻种植多采用飞机撒播技术，稻苗无序生长，植保机具难以下田，因此田间杂草防治以飞机喷撒化学除草剂为主，效率高但污染与浪费严重[3]。亚洲国家的水稻种植方式通常以机械移栽为主，秧苗生长有序，杂草防治多采用除草机机械除草与喷杆式喷雾机喷施除草剂除草。喷雾机以井关JKB18C为代表机型[4]，此外还有小型背负式喷雾器、小型无人机喷药，以及撒施芽前封闭性除草剂等。化学药剂除草方便高效，但普遍存在着较大的浪费与污染。机械除草机代表机型有日本美善SMW型[5]、王金武等研制的有机水稻中耕除草机[6]等步进式水田机械除草机，以及洋马SJVP系列[7]、南京农业机械化研究所研制的2BYS-6型水田中耕除草机[8]等乘坐式水田机械除草机。但由于水田土壤特点、杂草的生长及分布规律及水稻机械化种植的农艺要求等，导致机械除草多应用于水田行间作业，株间作业则存在着伤苗多、效率低等诸多难以解决的问题。

综上所述，施用化学除草剂是应用较广泛的一种除草方式，具有快速、高效、经济等优点，其主要有撒施芽前封闭性除草剂与喷施选择性除草剂两种方法，但均会带来药剂残留、环境污染等问题。针对此情况，应加强局部对靶低量均匀喷施除草剂技术的研究，有效减少除草剂施用量并提高其利用率。而机械除草则是一种无污染的除草方式，是农业可持续发展的一项关键技术，具有增加氧气、促进作物对养分的吸收等优点[9]；但现有除草机械多应用于稻田行间作业，株间杂草难以有效除去。

因此，为有效灭除行株间杂草、减少伤苗率及降低化学除草剂的投入量，笔者根据水田土壤的特点、杂草生长及分布规律等提出了一种行间机械、株间喷药(除草剂)相结合的联合除草技术，并研制了复合式水稻田除草机，以解决稻田杂草控制的难题。

1 整机结构设计

1.1 整机结构与工作原理

本文研制的复合式水稻田除草机主要由乘坐式插秧机底盘(水田拖拉机)、药液储存箱、后悬挂机架、株间喷雾器及行间除草轮等部件组成，如图1所示。工作前，根据稻苗生长高度调节除草轮的安装高度，防止机架压苗；同时，调节液压升降系统使机具满足不同机械除草深度以及喷雾效果要求。工作时，机具以一定的速度前进，株间喷雾器对株间杂草进行对靶低量均匀喷施；螺旋刀齿除草轮被动旋转，向下入土剪切杂草并搅动土壤，出土时刀齿带动杂草与泥土翻转，对杂草形成剪切、翻耕、埋压等作用；两者配合完成中耕除草作业。

1.水田拖拉机 2.流量调节器 3.药液存储箱 4.除草剂输送管道 5.平衡调节结构 6.后悬挂机架 7.株间喷雾器 8.螺旋刀齿除草轮 图1 复合式水稻田除草机结构简图Fig.1 Sketch map of combined type paddy weeder

1.2 机架设计

乘坐式插秧机工作时每次插6行秧。为配套插秧机工作，本机设计的复合式水稻田除草机机架长2.1m，配置7个除草轮，可保证接行时不漏除。机架与拖拉机后悬挂采用轴承套嵌连接并增加限位装置，使其在承重的同时两端可上下浮动从而具有一定的仿形能力，避免因田间地势起伏造成机架壅土；同时，通过平衡调节装置(开体花兰螺丝配合张紧弹簧组成)将机架与后悬挂连接，保持机架两端的平衡稳定，保证除草作业质量；机架背部安装卡扣固定喷雾管道，并在底端安装定型管，用以固定雾喷头及调节喷雾方向等。

2 除草部件设计

2.1 喷雾系统设计

喷雾作业过程中，约有20%～30%以上的细小雾滴会被气流携带向非标靶区域飘移[10]，造成环境污染、药害等问题，这也是农药利用效率低的重要原因之一。为解决此问题同时提高药液附着率，大型喷雾机械多采用风送喷雾或风幕定向等方法[11]；但此类机械结构较复杂，不适用于复合式水稻田除草机中。本机为简化设计，配合机械除草部件，选用防飘移反射式雾喷嘴，根据杂草与作物的高度差，合理降低喷头安装高度以减少雾滴飘移距离；同时，结合除草剂喷施要求(中、粗雾)，采用低压隔膜泵并加装溢流控制阀以控制其流量及雾化效果，增加雾滴附着率，达到20～40滴/cm2叶面有效雾滴数的要求[12]。喷管采用普通压力药物喷管，并配有自洁能力的多级过滤装置及回流搅拌装置；选用选择性除草剂氰氟草酯对株间杂草进行对靶均匀喷雾。喷雾系统原理如图2所示。

1.定压回吸装置 2.反射式雾喷头 3.溢流阀 4.液泵 5.过滤器 图2 喷雾系统原理图Fig.2 Schematic of spray system

药箱容量Δ采用经验公式计算[13]，即

Δ=0.0015GBLn

(1)

其中，G为单位面积施药量；B为机组有效作业宽幅；L为地块平均长度；n为每箱药往返作业单程次数。由式(1)可得药箱容量约为80L。

2.2 机械除草机构设计

为实现小功率水田拖拉机联合除草作业，要求除草轮工作阻力小，对土壤破坏能力强。本研究中除草轮为从动式，除草作业时除草轮与拖拉机驱动轮按照一定的轮径比转动，根据除草轮刀齿安装端点的运动轨迹(旋轮线)的特点，计算可得到最佳刀齿宽度。运动轨迹分析如图3所示。

图3 除草轮运动轨迹分析Fig.3 Motion trajectory analysis of weeding roll

经过原点的除草轮旋轮线曲线参数方程为[14]

x=r(θ-sinθ)
y=r(1-cosθ)

(2)

其中，r为除草轮半径；θ为除草轮转过的弧度。代入除草轮的入土深度h，计算每条刀齿与土壤表面两次作用(入土、出土)间隔的距离S1与h，则

(3)

两条相邻的刀齿分别与土壤表面作用的间距S2为

S2=L-S1

(4)

(5)

其中，L为两条相邻的刀齿安装在除草轮上距离(m)。

当S1≫S2或S1≪S2时，两间隙距离相差太大，只有足够宽的刀齿方可避免遗漏，而增大刀齿宽度会造成除草轮难以入土以及重复工作；当S1与S2接近或相等时合理宽度的刀齿可完全覆盖刀齿、刀齿之间与土壤表面作用时固有的间隙从而避免漏除，即S1=S2=L/2≈52mm，同时综合考虑刀齿宽度对其入土能力的影响，设计螺旋刀齿宽为30mm。由式(5)可求得此时理论不遗漏除入土深度h≈62.6mm。

为保证不出现遗漏，要求除草轮、径小、刀齿密，翻动土壤能力强；但直径太小的除草轮会出现缠草现象(2πr≥l，r为除草轮半径，l为杂草高度)，刀齿过密则会影响其入土能力。据调查，插秧后15天的除草期内杂草高度一般不超过250mm。综合以上因素设计轮盘直径为250mm；刀齿设计为螺旋刀齿，选用300mm×20mm×2mm的矩形钢片将齿缘磨刃绕轴向扭转720°，嵌装到刀盘内，每个除草轮配置6个刀齿。除草轮结构简图如图4所示。

图4 螺旋刀齿除草轮Fig.4 Spiral cutter weeding roll

3 性能试验

3.1 试验条件

为测试复合式水稻田除草机工作性能，于2015年4月25日在广东省肇庆市农业机械化研究所综合试验站进行该机的田间试验。试验田块面积约1hm2，试验地点田间概况如图5所示。试验水稻品种为超级稻永丰优9802，平均高20cm，每穴苗数平均4株，长势良好，未见明显病虫害，移栽后未进行人工除草或喷洒除草剂。杂草主要为稗草及千金子等，平均高度为8cm。

图5 试验地点田间概况Fig.5 General situation of the test field

3.2 试验方法

选取除草率Cr和雾滴沉积数目Pr作为除草机作业质量的评定指标。雾滴沉积数Pr为

(6)

其中，N为所取杂草叶片上的雾滴总数(滴)；S为选取的杂草叶片的总面积(cm2)。除草率定义为

(7)

其中，Z为试验区域内水稻行间杂草总株数；S为除草作业后试验区域内水稻行间剩余杂草总数，包括行间未除去的杂草(未被压折、连根拔起或倒伏)与株间除草剂未生效的杂草(喷雾后两天未见死亡)。

为测试复合式水稻田除草机工作性能是否满足中耕除草要求，机具前进速度选取0.3，0.6、0.9m/s 3个水平，除草轮入土深度选取3、6、9cm 3个水平。对除草机进行全因素试验，按照试验因素不同水平组合，共进行9次试验。统计除草率时，选取9块20m长的地块作为试验区域，每个试验区域前后各5m长的区域作为加速和减速的缓冲区，以保证机器能以稳定的状态通过试验区域；在每次试验区域内随机选取两个10m×2行的范围进行统计，将测得的试验数据记录如表1所示。

试验结果表明：随着机具前进速度增加，除草率先上升后下降，单位面积雾滴沉积数逐渐减少。在速度较低时(0.3m/s)，雾滴沉积效果高于最高标准，株间杂草可完全除去，但同时造成一定程度的污染浪费；而行间除草轮由于转速与机具前进速度成正比，此时转速过低，难以完全发挥除草功能。速度适中时(0.6m/s)，雾喷头在株间作业效果较好，雾滴沉积效果满足要求；行间除草率随着机具速度增加而上升，整机作业效果较好。速度较高时(0.9m/s)，雾喷头难以形成有效雾滴沉积，故株间除草效果不佳；行间除草轮作业效果较好，但存在打滑、入土不充分等现象，一定程度上影响了整机除草作业效率。

表1 田间试验数据Table 1 Date of the field test

随着除草轮入土深度的增加，除草率先上升后下降，单位面积雾滴沉积数先增多后减少。在除草轮入土较少时，翻动土壤能力较差，此时行间除草率不高；而入土过多则会出现壅土现象，同样影响除草率；在入土深度为6cm时除草轮工作稳定切除草率较高，与运动轨迹计算结果大致相符。雾滴沉积情况和喷嘴与杂草之间的高度差有直接关系：除草轮入土少时，两者之间的高度差较大，会出现一定程度的飘移，雾滴不能与叶片形成有效接触；除草轮入土较多时，两者之间高度差过小，雾滴以较大的速度直击叶片造成反弹，不利于附着；在入土深度为6cm时，高度差适中，雾滴附着效果最好。

4 结论

1)根据我国水稻生产实际情况及行、株间除草要求，设计制造了一款复合式水稻田除草机。该机由水田拖拉机提供动力，分别配备了行间机械除草部件与株间化学喷雾除草部件。该机结构简单轻便，可有效除去水田行、株间杂草，减少了除草剂施用量并提高其利用率。

2)选取机具前进速度和除草轮入土深度作为试验因素对复合式水稻田除草机进行了全因素试验，测试了该机的工作性能。结果表明：随着机具前进速度增加了除草率先上升后下降，雾滴沉积数相应减少；随着除草轮入土深度的增加，除草率先上升后下降，单位面积雾滴沉积数先增多后减少。除草效果最佳组合为机具前进速度为0.6m/s，除草轮入土深度为6cm，此时除草率为89.7%，单位面积雾滴沉积数为35。由综合试验结果可知：该机平均除草率为86.7%，单位面积雾滴沉积数为35.1滴/cm2，符合机械除草与喷雾除草的作业质量要求。

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