橡膠園單輥一座一刀臥式除草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王業(yè)勤，張 園，鄧怡國，韋麗嬌

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

橡膠是我國重要的戰(zhàn)略物資之一，在其生長過程中每年需要2～3次除草。橡膠園地域廣袤，傳統(tǒng)除草需要大量勞動(dòng)力。近年來，橡膠價(jià)格較低迷，膠工流失嚴(yán)重，青壯年膠工逐年減少，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與橡膠園田間管理成本不斷攀升，出現(xiàn)較多橡膠園棄管現(xiàn)象。一些不管理的、雜草叢生的有各類小石子的、枯枝的橡膠園，傳統(tǒng)的除草機(jī)具被損壞，無法正常的作業(yè)。茂盛的雜草與橡膠樹爭水爭肥，導(dǎo)致開割橡膠樹膠水少且質(zhì)量不佳、橡膠小苗生長緩慢?；瘜W(xué)除草會(huì)殘留農(nóng)藥，殺死微生物，破壞土壤，不利于橡膠樹生長。

20世紀(jì)50年代，我國便開始除草機(jī)械的研究，60年代開始苗間除草機(jī)械的研究。黑龍江省木材采運(yùn)研究所研制了2G-200 型果園除草機(jī)，主要方式為拖拉機(jī)前懸掛和圓鋸片割草。到20世紀(jì)80年代，相繼有10多種除草機(jī)械被研制出來，包括有旋轉(zhuǎn)式、水平圓盤、垂直圓盤、鏈?zhǔn)郊拜p耙式等；但工作方式均以割為主，未考慮粉碎及還田利用等農(nóng)藝。近年來，我國的除草機(jī)械技術(shù)水平有了很大的提高，主要有圓盤式和滾切式兩種[1-3]。但橡膠除草機(jī)械的研制還是空白，當(dāng)前的除草機(jī)械不能完全適用于膠園。針對(duì)橡膠園除草機(jī)械落后的情況，根據(jù)橡膠膠園除草作業(yè)實(shí)際需要，在現(xiàn)有除草方式的基礎(chǔ)上，研制了單輥一座一刀臥式除草機(jī)，能夠在完成粉碎雜草任務(wù)的同時(shí)起到還田培肥的作用，且結(jié)構(gòu)簡單、可靠。

1 膠園除草機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 膠園除草機(jī)設(shè)計(jì)原則

一是按照橡膠園雜草除草合格率在90%以上且殘留根莖短于40cm的農(nóng)藝技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；二是需要考慮橡膠園里有石子和枯枝，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)降低其對(duì)刀的損壞；三是除草系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要簡單，維護(hù)要方便。

1.2 膠園除草機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

膠園除草機(jī)主要由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及除草系統(tǒng)組成，如圖1所示。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出傳動(dòng)組成，由變速箱、傳動(dòng)軸、皮帶輪、皮帶組成，除草部分則由動(dòng)刀輥和定刀排組成。

1.三點(diǎn)懸掛 2.變速箱 3.法蘭盤 4.傳動(dòng)軸 5.皮帶輪 6.機(jī)架 7.皮帶 8.定刀排 9.定刀 10.動(dòng)刀 11.動(dòng)刀輥軸

1.3 膠園除草機(jī)的工作原理

拖拉機(jī)前進(jìn)過程中通過機(jī)架三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)拖動(dòng)機(jī)具前進(jìn)；拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)將動(dòng)力傳到變速箱；變速箱通過法蘭連接、傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳到皮帶輪；皮帶輪帶動(dòng)動(dòng)刀棍高速旋轉(zhuǎn)；動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)切草，同時(shí)把草甩上定刀粉碎，完成除草作業(yè)。

1.4 膠園除草機(jī)整體參數(shù)

膠園除草機(jī)整體參數(shù)如表 1所示。

表1 除草機(jī)整體技術(shù)參數(shù)Table 1 Overall technical parameters of the lawn mower

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 動(dòng)刀結(jié)構(gòu)選擇

用于粉碎除草的刀片主要有高強(qiáng)度耐磨鑄鋼制成的錘爪式刀片、由幾個(gè)直刀片、 1個(gè)橫向刀片與套管組焊而成的直刀式刀片及高錳鋼制造的L型外型甩刀式刀片。錘爪式刀片主要利用旋轉(zhuǎn)的錘爪搗碎，其質(zhì)量較大且重心靠外，因而作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，消耗動(dòng)力比較大，要求刀本身使用壽命長、耐用，但接觸地面阻力大容易損壞機(jī)具。直刀式刀片主要利用旋轉(zhuǎn)的多把直刀切斷切碎，其制造工藝較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，容易磨損，使用壽命短。L型外型甩刀式刀片主要利用旋轉(zhuǎn)的L型滑切斷，再把草撿拾進(jìn)定刀粉碎，其入土比較省力，切草粉碎效果好，但切到石頭容易損壞[4]。為了減輕切到石頭容易損壞這一缺點(diǎn)，刀片末端改短，動(dòng)刀輥上1個(gè)刀座只裝1把刀。當(dāng)L型甩刀切到石頭時(shí)可以偏一邊去，避免了硬切石頭，有效緩解刀片崩壞，提高動(dòng)刀和整機(jī)的使用壽命。雖然刀片末端改短，刀的拾撿能力下降，但橡膠除草只需切斷草根且殘留根莖短于40cm就達(dá)到橡膠除草的農(nóng)藝要求。因此，本機(jī)設(shè)計(jì)選用L型外型甩刀式刀片，在刀片末端改短使其長為130mm的L型改進(jìn)甩刀。

2.1.2 動(dòng)刀在刀輥上的排列

動(dòng)刀刀輥在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，刀輥不平衡，機(jī)具將大幅振動(dòng)，粉碎質(zhì)量下降，機(jī)具能耗增加。因此，動(dòng)刀在刀輥上的排列的合理性將影響機(jī)具的粉碎效果和機(jī)具的平衡性能。動(dòng)刀的排列原則有3點(diǎn)：一是在不產(chǎn)生漏割的情況下動(dòng)刀軸向間距越大越好，相鄰兩動(dòng)刀徑向夾角盡量大，以避免干擾與阻塞；二是動(dòng)刀的排列，軸向分布均勻，徑向等角分布，使機(jī)具空載旋轉(zhuǎn)刀輥負(fù)荷均勻，動(dòng)刀產(chǎn)生的離心率為零；三是結(jié)構(gòu)簡單，制造加工方便，能耗小，成本低[5]。

目前，常見的動(dòng)刀排列方式有單螺旋線、雙螺旋線、多螺旋線、交錯(cuò)平衡、交錯(cuò)對(duì)稱及星型對(duì)稱等排列方式。綜合考慮，本機(jī)具采用單螺旋線排列方式。螺旋排列方式能夠確保刀輥在高速旋轉(zhuǎn)下動(dòng)刀與定刀作用下雜草不斷切碎的質(zhì)量和順序單刀切草規(guī)避小石子，減輕機(jī)具工作阻力，有效降低振動(dòng)，減輕刀輥軸承受力，提高軸承與動(dòng)刀使用壽命。動(dòng)刀在刀輥的刀座排列如圖2所示。

圖2 除草機(jī)動(dòng)刀輥刀座分布圖Fig.2 The distribution diagram of the cutter seat of the weeding maneuver tool

2.2 參數(shù)確定

2.2.1 機(jī)動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑確定

動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑大小直接影響機(jī)具的粉碎效果、機(jī)具的振動(dòng)大小和使用壽命。動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑增大，機(jī)具整體尺寸必然增大，機(jī)具的動(dòng)不平衡因素也增大，機(jī)具振動(dòng)更激烈[6-7]。確定動(dòng)刀長度為130mm，考慮常規(guī)鋼管的尺寸和當(dāng)前我國秸稈粉碎還田機(jī)動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑大多在240～300mm之間，本機(jī)具選擇鋼管外徑為150mm作為動(dòng)刀輥軸直徑，即動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑可確定為280mm。

2.2.2 機(jī)前進(jìn)速度確定

機(jī)具的前進(jìn)速度影響動(dòng)刀的切草速度，動(dòng)刀的切草速度則影響雜草切割粉碎效果。機(jī)具前進(jìn)速度太快，會(huì)出現(xiàn)漏切雜草，達(dá)不到機(jī)具除草的工作要求；機(jī)具前進(jìn)速度太慢，則出現(xiàn)重切雜草，降低機(jī)具工作效率，增加機(jī)具能耗，提高除草成本。為了合理切草，不漏切也不重切，必須是后一把動(dòng)刀刀尖與前一把刀根的運(yùn)動(dòng)軌跡重合，因此確定機(jī)具的前進(jìn)速度為0.5～1.2m/s[8]。

2.2.3 機(jī)刀輥轉(zhuǎn)速確定

機(jī)具動(dòng)刀輥旋轉(zhuǎn)速度的大小決定動(dòng)刀切草的速度和生產(chǎn)阻力的大小，是影響雜草粉碎效果的主要因素。刀輥的轉(zhuǎn)速高，生產(chǎn)的切力和阻力也大。雖然雜草容易切碎，但振動(dòng)也大，碰到石子不容易避開和降低動(dòng)刀的使用壽命。據(jù)相關(guān)研究可知，秸稈粉碎的切割速度約為30～48m/s[7，9-10]。李明等人通過試驗(yàn)得出：刀端的速度48m/s時(shí)，甘蔗葉粉碎效果最好[11]。因此，本機(jī)具設(shè)計(jì)選擇的動(dòng)刀切割速度初步為30～48m/s。

動(dòng)刀切割速度是由機(jī)具不前進(jìn)只是旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)刀刀端的線速度和機(jī)具前進(jìn)速度按照速度合成原理合成，即

(1)

刀輥旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)刀做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，依據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知

(2)

其中，R為動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑；ω為動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)角速度；n為刀輥旋轉(zhuǎn)速度。

由式(1)和式(2)可得

(3)

(4)

確定動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑為280mm，機(jī)具的前進(jìn)速度為0.5～1.2m/s，動(dòng)刀切割速度為30～48m/s，可計(jì)算出刀輥?zhàn)钚〉男D(zhuǎn)速度為983r/min，刀輥?zhàn)畲蟮男D(zhuǎn)速度為1 620r/min。根據(jù)計(jì)算出的數(shù)值，綜合考慮拖拉機(jī)輸出動(dòng)力轉(zhuǎn)速、變速箱和參考國內(nèi)秸稈粉碎機(jī)的參數(shù)，本機(jī)具選擇刀輥旋轉(zhuǎn)速度為1 520r/min。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)場地在徐聞曲界友好農(nóng)場橡膠園里，配套東方紅904拖拉機(jī)，拖拉機(jī)的前進(jìn)速度為0.8m/s。試驗(yàn)地友好農(nóng)場橡膠園連續(xù)3年不割膠也沒有管理，雜草長得比較茂盛，基本有950mm高，橡膠園里還有一些小石子。試驗(yàn)地膠園面積為4.91hm2。

3.2 試驗(yàn)方法

拖拉機(jī)行走速度調(diào)整到正常作業(yè)速度即機(jī)具的前進(jìn)速度為0.8m/s，刀輥旋轉(zhuǎn)速度為1 520r/min。以拖拉機(jī)前進(jìn)方向?yàn)殚L度方向，選取長度50m、寬度1.5m的面積作為試驗(yàn)檢測的取樣單位，隨機(jī)選取6個(gè)取樣單位，分別測得相應(yīng)數(shù)據(jù)，求得試驗(yàn)指標(biāo)，并在作業(yè)過程中對(duì)機(jī)具振動(dòng)、噪音、動(dòng)刀輥軸承發(fā)熱及動(dòng)刀磨損等情況進(jìn)行考查。根據(jù)作業(yè)后除草的效果，對(duì)機(jī)具的各性能指標(biāo)進(jìn)行了以下方法的測定。

3.2.1 除草合格率

從取樣單位中隨機(jī)選取6個(gè)測試區(qū)面積A(2m×1.5 m )，在測試區(qū)中測取所有未切到雜草面積a和雜草殘留根莖高于40cm的面積為b。根據(jù)式(5)計(jì)算出每個(gè)測量區(qū)中除草合格率λ( % )，最后取6個(gè)測量區(qū)中λ的平均值，即為所求值，則

(5)

3.2.2 殘留根莖高度

測量取樣單位經(jīng)機(jī)具作業(yè)后所有雜草殘留根莖高度，然后取最大值與最小值，即為雜草殘留根莖高度范圍。

3.2.3 工作效率與1h燃油消耗量

拖拉機(jī)勻速作業(yè)1h，記錄1次作業(yè)長度L和所消耗的燃油量Q(Q為1h燃油消耗量)，隨機(jī)記錄6次。按公式(6)計(jì)算出機(jī)器的工作效率，即

(6)

其中，η為機(jī)器工作效率；S為取樣作業(yè)面積；L為取樣作業(yè)長度；I為作業(yè)幅寬；t為時(shí)間。

3.2.4 除草機(jī)的穩(wěn)定性

除草機(jī)的穩(wěn)定性是指除草機(jī)在不同時(shí)間、不同工況下作業(yè)時(shí)仍能保持正常工作，由多次試驗(yàn)后各項(xiàng)檢測指標(biāo)(即除草合格率、工作效率及1h燃油消耗量的波動(dòng)性)來體現(xiàn)除草機(jī)的穩(wěn)定性。各指標(biāo)波動(dòng)性越小，機(jī)具工作穩(wěn)定性越好。本文根據(jù)數(shù)學(xué)模型的形式，經(jīng)過一定的計(jì)算就能夠得出除草機(jī)的穩(wěn)定性，即

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，ε為機(jī)器穩(wěn)定性系數(shù)；μ1、μ2、μ3為各指標(biāo)波動(dòng)系數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在作業(yè)試驗(yàn)過程中，只有少量雜草沒有粉碎，動(dòng)刀雖有磨損，但沒有崩壞的，機(jī)具沒有出現(xiàn)堵塞等現(xiàn)象，基本能夠很好地完成除草任務(wù)，且穩(wěn)定性系數(shù)為97.4%。依據(jù)上述試驗(yàn)方法測得除草機(jī)性能參數(shù)，如表 2 所示。

表2 除草機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Field test results of weeding machine

試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具正常作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性好，平均除草合格率為96.23%，且殘留根莖高度范圍在5～33cm，平均工作效率在0.423hm2/h，平均燃油消耗量為 4.633kg/h。以上指標(biāo)優(yōu)于橡膠園雜草除草合格率在90%以上且殘留根莖短于40cm的農(nóng)藝要求。

機(jī)具在作業(yè)過程中，機(jī)具噪音比較大，動(dòng)刀輥軸承輕微發(fā)熱，有少量含水量較低的藤類雜草纏繞。因此，在后續(xù)研究中還需對(duì)機(jī)具進(jìn)行改進(jìn)，提高樣機(jī)的工作性能。

4 結(jié)論

1)采用臥式秸稈粉碎機(jī)的原理成功研制了橡膠園橡膠園單輥一座一刀臥式除草機(jī)，滿足了橡膠園除草農(nóng)藝要求。機(jī)具采用單刀螺旋線排列，在刀輥轉(zhuǎn)速為1 520r/min、前進(jìn)速度0.8m/s時(shí)，能有效緩解除草機(jī)刀具碰到石子容易崩壞等問題。

2)該除草機(jī)的成功研制填補(bǔ)了橡膠除草機(jī)械的空白，解決了橡膠園除草時(shí)勞動(dòng)力不足的問題，且雜草還田有效地增加了綠肥還田，有助于橡膠種植經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展和生態(tài)效益的提高。