王业勤，杨林洪，邓怡国，陈沛民，燕 波

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091；2.广东农垦友好农场有限公司，广东 湛江 524131）

0 引言

天然橡胶是一种重要的战略物资和工业原料，在国计民生中有着广泛的应用[1]。我国橡胶树种植面积达到114.67 万hm2，开割面积86.67 万hm2，天然橡胶产业在推进热区农业结构调整、农民增收、乡村振兴、热带农业产业发展等方面发挥重要作用，占据独特位置[2]。

灌木、杂草等与橡胶树争肥、影响割胶作业，导致橡胶小苗生长缓慢。因此，在天然橡胶田间管理时，每年需要除3 次杂草[3]。由于天然橡胶主要种植在海南、广东、云南等热带丘陵山地地区，传统农机具无法进入现场作业，以人工使用砍刀除草为主。砍草作业成本高且需要大量劳动力。由于橡胶价格较低，胶工流失严重，导致一些胶园出现弃管现象[4]。

针对橡胶园机械除草难度和胶工劳动强度大、生产成本高等问题，开展防堵胶园除草机械研究，设计一种可以防堵的小型胶园除草机具。

1 除草装置结构组成与工作原理

1.1 结构组成

该除草机具由机架、传动机构、除草粉碎机构、防堵机构及后滚轮组成，如图1 所示。传动机构由链轮、链条、传动轴、齿轮等组成。除草粉碎机构由动刀辊、刀座、甩刀、定刀排等组成。防堵机构由防堵压块与硅胶组成，在动刀辊两端安装有防堵压块，防堵压块、动刀辊接触面为硅胶，通过螺栓锁紧防堵压块能将左盖板、右盖板与动刀辊中的间隙密封，防止灰尘与杂草碎屑进入轴承。后滚轮在整个作业中起调节机具的离地间隙和支撑作用。

图1 小型胶园除草机具结构图

1.2 工作原理

由履带拖拉机通过链传动将拖拉机的动力传送到链轮上，履带拖拉机功率为20.59 kW,链轮通过轴传动将动力传送到变速箱齿轮上，变速箱齿轮经齿轮传动将动力传送到动刀辊，动刀辊高速旋转带动安装在动刀辊刀座上的甩刀高速旋转切割杂草，甩刀同时将杂草甩上定刀排位置，定刀排上的定刀与甩刀共同将杂草二次切割，完成粉碎杂草作业即完成除草作业。

2 关键部件设计与参数

2.1 除草刀片设计与排列

粉碎杂草刀片主要有锤爪式甩刀、直刀式甩刀和Y 型甩刀。锤爪式甩刀锤击惯性力大，消耗功率大，适合硬质、灌木类杂草粉碎；直刀式甩刀粉碎效果好，但拣拾效果差；Y 型甩刀拣拾性和平衡性好，粉碎效率高[5]。本文设计的除草机根据橡胶林除草作业特点，采用2 把L 型甩刀构成1 组Y 型甩刀。该组合甩刀几何对称，能克服甩刀不平衡，降低机体振动；该组合甩刀拣拾效果好，如图2 所示，与定刀相互配合切割且不干涉，粉碎效果佳。因粉碎杂草刀片常与杂草、土块和石头等物体摩擦,工作环境恶劣，考虑粉碎杂草刀片使用寿命、成本和工作环境，要求选材具有较强的耐磨性和抗冲击韧性。本文设计的除草机具刀片采用65 Mn 钢材质，并进行热处理，使刀片表面硬度达到HRC48-56,刀片芯部硬度达到HRC33-40，并在刀片刃口处电焊耐磨焊层。

图2 防堵胶园除草机具动刀与定刀排配合图

合理安排甩刀数量和排列布局能够有效提高杂草粉碎的质量，降低整机功耗，从农业机械设计手册查询可知粉碎甩刀的数量由粉碎甩刀安装密度和机具作业幅宽决定，计算公式如下[6]

式中：

N——粉碎甩刀的数量，片；

C——粉碎甩刀安装密度，片/cm；

L——机具作业幅宽，cm。

对于Y 型甩刀的安装密度一般为0.23～0.40 片/cm，本文设计的除草幅宽为120 cm，由公式可知安装Y型甩刀数量应为14～24 组。本文设计的除草机具采取18 组，即36 片L 型甩刀。

合理的甩刀排列可以使除草机具平稳运转，提高粉碎质量，减小振动和降低作业能耗[7]。常用甩刀的排列方式有单螺旋线、双螺旋线和对称性排列[8]。本文设计的除草机具采用单螺旋线排列方式。经试验发现，采用单螺旋线排列，动刀辊的受力均匀、工作阻力小、能耗损失少。L 型组合甩刀在动刀辊上的排列如图3 所示。

图3 动刀排列展开图

为验证甩刀排列的合理性和保证动刀辊作业时运行平稳，要进行动平衡校核，如图4 所示。

图4 动刀辊动平衡校核

2.2 防堵装置设计

随着胶园弃管现象的出现，灌木、杂草特别是藤类杂草越发茂盛，没有被打断的藤类杂草可能会缠绕在刀辊两端并通过缝隙进入轴承，严重时甚至憋停机器运转。

因此，为了避免藤类杂草通过缝隙进入刀辊轴承现象，设计了轴承防堵装置，如图5、图6 所示，防堵压块采用2 片对接式结构，2 片压块一端有弧形凸出延长部分，另外一端为凹形结构，且2 片的凸出与凹入位置能互相配合。上半片压块的凸出部分与下半片压块的凹入部分互相咬合，咬合位置位于2片压块连接平面的下端，有效避免工作过程中的杂草通过卡扣连接平面进入轴承。2 片卡扣通过上下螺栓进行连接固定，通过拧紧螺栓将2 片卡扣紧紧固定在旋转轴上。

图5 防堵压块

图6 防堵装置原理

2.3 传动系统设计

本文设计的除草机具传动系统由链轮、链条、传动轴、变速箱齿轮组成，如图7 所示。其粉碎除草作业传动原理为：机具作业时，动力从拖拉机变速箱通过安装在机架上的链轮链条准确传输到机架套筒的传动轴上，传动轴将动力传送到机具变速箱齿轮上，变速箱齿轮通过齿轮啮合将动力传送到动刀辊上，动刀辊高度旋转完成粉碎除草作业。拖拉机动力输出通过链传动传送到机具，传动结构可靠，损失小、效率高、能耗低。机具变速箱齿轮通过齿轮啮合将动力传送到动刀辊上，传动结构紧凑，工作可靠，寿命长。

图7 小型胶园除草机具传动系统

3 田间试验

3.1 试验条件

试验场地在海南省儋州市中国热带农业科学院试验场三队橡胶园里；试验地土壤为沙壤土，气候为热带季风气候。试验地天然橡胶的种植行距为6 m，株距为3 m。试验时间为2020 年7 月30 日—2020年10 月23 日，试验作业效果如图8 所示。

图8 小型胶园除草机具作业效果

3.2 试验方法

作业前记录杂草高度等内容。同时进行人工除草和机械除草作业，分别记录总的作业面积、作业时间和作业耗油量。

3.2.1 除草合格率

抽取试验作业6 行，每行选取3 个测试区面积a（1 m×1.2 m），在测试区中取留茬长度大于45 cm的面积为b[9]。根据式（2）计算每个样品中除草合格率。

式中：

λ——除草合格率，%；

a——测试区面积，m2；

b——留茬长度长于45 cm 的面积，m2。

3.2.2 粉碎率

抽取试验作业6 行，每行随机抽取3 点，每点以机器作业幅宽内长度距离不少于1 m 为区域范围，收集取样点内粉碎后的杂草，分别测定其总质量M和长度大于15 cm 的杂草质量m并记录[10]。并按公式（3）计算粉碎率。

式中：

β——机器粉碎率，%；

m——长度大于15 cm 的杂草质量，kg；

M——样本总质量，kg。

3.2.3 工作效率与单位燃油消耗量

除草机匀速作业一段时间，记录1 次作业的时间t、作业面积s和所消耗的燃油量Q，记录6 次。按公式（4）、（5）计算出除草机的单位燃油消耗量和工作效率。

式中：

q——单位燃油消耗量，L/h；

η——机器工作效率，hm2/h；

Q——取样燃油消耗量，L；

s——取样作业面积，hm2；

t——取样作业时间，h。

3.3 试验结果与分析

防堵胶园除草机主要性能测试结果如表1 所示。

表1 除草机田间试验结果

试验结果表明，进行防堵胶园除草机田间试验后发现，平均除草合格率为94.20%，平均粉碎率为92.29%，平均工作效率为0.214 hm2/h，平均燃油消耗量为0.61 L/h，满足胶园除草作业要求。

4 结语

1）本文设计一种可以防堵的小型胶园除草机具，并对整机的除草粉碎机构、防堵装置等主要部件进行了结构设计和参数确定，阐述了除草机具的工作原理及防堵原理，计算了除草机的主要性能参数。

2）田间试验结果表明，该除草机平均除草合格率和粉碎率均大于90%，平均工作效率为0.214 hm2/h，除草质量和机具性能比较稳定，满足除草作业要求。