轻简型桑园除草机的设计研究＊

□卢营蓬 程方平 易文裕 王攀 陈进 王春霞/四川省农业机械研究设计院

0 引言

蚕桑是四川的优势产业，也是四川农民经济收入的重要来源之一。2017年，全省桑园面积达13万hm2，居全国第二位。桑园大部分处于雨量充沛、阳光充足的地方，杂草种类繁多[1-2]，常见的杂草有几十种，除草作业是桑园管理的一项重要工作。

桑园除草的主要措施有农药除草、人工除草、机械除草、生态除草等[3-7]。农药除草残留的药剂会污染桑叶和桑园环境。人工除草的人力成本高，除草效率低。机械除草比人工除草效率高，无农药污染，还能疏松土壤、提高地温，具有蓄水保墒的功能[8-11]。此外，机械除草作业能切断杂草并埋入土中，同时，能翻出草根，除草增肥的效用体现了农机与农艺的有机结合[12]。

四川桑园主要分布在丘陵山区，园内坡度大，行间间距小，现有除草机械入园困难，转移不便。为此，本文设计了一种适宜丘陵山地桑园除草作业的轻简型除草机。

1 整机结构及工作原理

如图1所示，桑园除草机结构主要包括动力系统、传动机构、车架、行走轮、除草轮等。动力系统由电池、电机、控制器组成，传动机构由传动轴和减速箱组成。电机安装在车架下方，电机一侧安装有锂电池和电机控制器，车架前端的把手布置有操控按钮，控制除草机前进和作业，行走轮具有中部支撑功能，扳动车把可使除草机左右摆动，不仅作业和转移灵活，还可以有效消除漏除，提高除草率。

根据桑园农艺条件和作业要求，设计桑园除草机主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计

2.1 动力系统选配

动力系统选配主要是为电机匹配合适的功率和型式，为电池匹配合理的参数和型式。电机输出的功率应满足除草机在工作过程中所消耗的总功耗，包括整机行走功耗、除草轮作业功耗、传递损失等。

参照比阻法经验公式计算旋耕机功耗的要求，优先满足功率要求，按式（1）计算桑园除草机总功耗[8,13]，其中，动力系统传递损失主要由蜗轮蜗杆减速器产生，传动效率取值为0.6[14]。

式中：Kλ—旋耕比阻，N/cm2；

d—除草深度，cm；

vm—前进速度，m/s；

B—除草宽度，m；

η—阻力修正系数；

f—行走轮滚动摩擦因数；

m—整机质量，kg；

ηw—传动效率。

图1 除草机结构

表1 除草机主要技术参数

除草机总功耗计算部分参数取值如表2。为计算最大功耗，作业速度取上限值，计算得到桑园除草机总功耗为1.22 kW，留一定余量，选用额定功率为1.50 kW的电机，电机额定转速为1 420 r/min。为满足轻简机型要求，选择额定电压48 V、容量30 Ah的锂电池为电机提供动力。

2.2 除草轮优化设计

除草轮的设计参数主要包括直径、宽度、刀片数量和刀片排列型式。

除草轮的直径与除草效率成正向关系，在作业速度相同时，直径更大的除草轮与地面的接触面积更大，除草效率更高，但作业面积的增大提升了切土阻力，对动力系统要求更高，综合考虑以上因素，除草轮的直径取250 mm。

除草轮的宽度由整机除草宽度决定，采用双除草轮并排的型式，取单个除草轮的宽度为200 mm。

刀片数量是除草效率的主要影响因素，参照《农业机械设计手册》，根据除草轮直径，取同时切土的刀片数为2，参考旋耕机作业时约一半刀片同时切土，考虑到除草机耕深比旋耕机浅，按1/3刀片数同时切土计算，则除草轮刀片数为6。

除草轮刀片需要布置合理的入土角度，使除草轮作业时刀片入土连续和受力均匀，参考《农业机械设计手册》，选取65°和75°两种刀片偏角进行优化比对，两种偏角的刀片布置展开图如图2。

用除草机作业时除草轮刀片入土占空比来衡量刀片入土连续性，其定义为除草轮旋转一周，无刀片入土的周向长度占整个除草轮外周长的比值，按式（2）计算[8]。

式中：y—占空比，%；

Z—单个除草轮刀片数；

c—相邻两刀片间无刀片入土的展开长度，mm；

L—除草轮展开外周长，mm。

计算参数如表3，除草轮A刀片偏角65°，除草轮B刀片偏角75°，取刀片宽度a为40 mm，计算得到刀片偏角65°时入土占空比为13.1%，刀片偏角75°时入土占空比为45.5%，因此选择刀片偏角为75°。

除草轮刀片采用螺旋均布的形式安装在除草轮外圆柱面上，左右两侧除草轮刀片旋向相反，对称地安装在减速器两侧，除草轮安装布置如图3。

2.3 传动机构优化设计

除草机的动力消耗包括行走部件和作业部件，为满足轻简化设计要求，采用除草轮作业兼行走的方式，简化传动机构。电机输出的动力经由传动轴、减速器全部传递至除草轮，仅依靠除草轮的驱动力牵引除草机前进，动力不经过行走轮，单路的动力传递路线使传动机构结构大大简化，整机较轻便，满足丘陵山地桑园灵活作业的要求。

蜗轮蜗杆减速器具有结构紧凑、冲击振动小的优点，因此，选取蜗轮蜗杆减速器将动力由传动轴传递至除草轮。蜗轮蜗杆减速器的速比需根据电机额定转速和除草机作业速度确定，参照《农业机械设计手册》，根据作业条件相近的灭茬刀辊约300 r/min的转速[13]，选取蜗轮蜗杆减速器传动比为5，则除草轮额定工作转速为284 r/min。

3 结论

1）除草机由电机提供动力，采用单路动力传动方式，动力经电机由传动轴、蜗轮蜗杆减速器直接传递至除草轮，除草轮兼具行走和作业功能，整机结构紧凑，操作轻便，符合轻简型桑园除草机设计要求。

2）采用中部行走轮支撑结构，整机质量分配均衡，借助中部支撑，扳动车把灵活，还可以有效消除两个除草轮之间空隙造成的漏除，提高除草率。

表2 功耗计算参数

表3 刀片入土占空比计算参数

图2 65°偏角和75°偏角的刀片布置展开图

图3 除草轮刀片布置型式

3）采用75°刀片偏角除草轮，有利于提高作业效率，相比65°刀片偏角的除草轮有更大的占空比，对土壤的铲击力增强，杂草更容易被切除。

4）本文对桑园除草机进行了设计和分析，有待在桑园中针对设计的桑园除草机进行验证并测试其除草率等相关指标，再根据实验结果进一步优化设计。