摘 要：针对玉米田间机械除杂草问题，研究设计了一种新型的指轮式玉米除草装置，同时去除玉米行间和株间杂草。该装 置配置有株间及行间杂草分离组件，能对株间和行间杂草及土壤进行同步剪切和翻耕操作，协同除草部件完成除草作业，确 保了作业的高效性。田间试验结果表明，当机具作业速度控制在 1 .8m/s时除草效果最好，除草率平均在 90%左右，且伤苗率 仅为3 .8%。

　　关键词：玉米,机械除草,除草装置,松土

　　1. 引 言

　　玉米田间杂草是影响其产量的一个重要因素，农 田杂草防控是玉米种植管理中重要的环节 [1.2] 。常见 的农田杂草控制主要采用化学或机械方法。长期、高 频化学施药会造成杂草的抗药性，更不符合绿色有机 农业的种植要求。玉米机械除草是目前绿色环保的一 种除草方式。在玉米生长过程中，松土与除草是重要 的管理作业环节，这一作业每年要消耗大量的人力物 力 [3] 。农作物在苗期需要对苗间与行间的地表进行翻 动，消除或抑制杂草的生长。玉米机械除草不仅能够 消除土壤的板结层，提高地表温度，加速有机肥料分 解，还能够蓄水保墒，为农作物的生长提供良好的土 壤条件 [4.5] 。黑龙江省作为重要产粮区，当前田间除 草多以农药和机械防治为主，但其防治效果并不理想。 由于化学除草存在着药害、残毒等问题，对农作物及 土壤会造成较大的化学污染，对生态环境也有一定的 不良影响 [6] 。近年来，有机农业的发展导致了对非化 学除草技术的研究和重视。机械除草作为一种有效的 替代方法，不仅除草效率高，而且无化学药剂的残留， 符合绿色农业的发展要求。因此，机械除草方法成为 当前国内外学者关注的热点 [7]。通过有效的机械除草， 可以减少化学药剂的使用，降低对环境的污染，保护 土壤的健康和农作物的生长。机械除草还可以提高作 物的产量和质量，为农业的可持续发展作出贡献。因 此，进一步研究和推广机械除草技术对于提高农田管理水平、保护环境和增加粮食产量具有重要意义 [8] 。 我国的玉米除草机械，行间除草机械和株间除草机械 发展较为不平衡，传统的行间除草机起步较早且应用 较广泛，但玉米株间除草机械的研究仍处于理论和试 验阶段，且少有行间与株间除草机构相结合的除草装 置 [9] 。目前，随着玉米机械化除草水平的不断提高， 机械式玉米除草作业变得尤为重要。生产实践证明， 在农作物幼苗发育早期，采用机械除草技术对刚刚发 芽和根系浅的农田杂草进行清除，是一种十分经济和 有效的非化学除草方法 [10]。

　　针对现有的机械式玉米除草机工作过程中存在土 壤破碎性不强、末端执行器损伤作物根系、伤苗埋苗 等问题 [11.12] ，在现有机械式玉米除草机的基础上，设 计一种旋转指轮与异形铲刀相结合的玉米除草装置。 研究的除草装置提高了除草工作性能，实现了玉米除 草标准化生产以及提高玉米种植效率，对促进玉米全 程机械化的发展具有重要意义。

　　2. 整机结构及工作原理

　　指轮式玉米除草装置是一种专门设计用于大垄双 行种植模式下的除草工具。它主要包括株间除草部件 和行间除草部件，旨在去除玉米株间和行间的杂草。 株间除草部件由 8 指指盘和 16 指橡胶手指组成，这 些指盘和手指能够有效地穿过玉米株间的空隙，将杂 草连根拔起。指盘和手指的数量足够多，可以覆盖较大的作业面积，提高除草效率。行间除草部件是由一 组异形铲刀组合而成， 这组铲刀包括一个 A 型铲刀和 两个 L 型铲刀，它们可以方便地穿过玉米行间的土壤， 将杂草割除。不同形状的铲刀各自拥有不同的作业效 果，能够更全面地清除行间的杂草。在使用除草装置 之前，需要将除草铲放置在垄台的正中央，并调整手 指轮的位置，使其与苗带对齐，这样可以有效地防止 装置对玉米秧苗造成伤害。根据实际情况，可以进行 微调，确保除草装置的使用安全和高效。这款指轮式 玉米除草装置的设计考虑了大垄双行种植模式下的实 际情况和操作需求。同时，合理的摆放和调整方式保 证了装置的安全性和作业效果。如图 1 所示，除草作 业时，除草装置以一定的速度前进，除草指轮触及土 壤后开始从动(被动)旋转，深入土壤表面下约 1 ～ 5cm，从而去除作物株间的杂草。行间除草装置 主要通过切割和掩埋的方式，铲除行间的杂草。这种 装置在除草过程中沿着水平方向对路径上的杂草进行 切割，并将其掩埋在土壤中，可以有效地清除行间的 杂草，使农田保持整洁。株间除草轮和行间除草铲都 是常用的除草工具，通过不同的方式清除作物株间和 行间的杂草。它们的组合使用可以提高除草效率，减 少对作物的损害，为农田的健康管理提供有力的支持。

　　指轮式玉米除草装置本身无动力，工作方式是通 过机车的牵引带动前进，属于被动的工作方式，机车 牵引速度越快，手指轮旋转扰动土壤速度与除草铲行 进速度越快。整个装置各个部件均可调节、可拆卸，以适应不同地域条件下的作业需求。同时方便机具零 件的维修与更换。

　　3. 关键部件设计分析

　　3.1 株间除草指轮的设计

　　株间除草装置由多个组成部件构成，其中主要包 括对向转动的手指轮、指盘、轴承、套筒等。在进行 除草作业时，这些组件协同工作以实现高效的除草。 株间除草装置的核心部分是对向转动的手指轮，这个 手指轮在绕中心轴进行匀速圆周运动的同时，受到机 车牵引力的作用在水平方向(x方向)上进行匀速直 线运动。因此，手指轮的运动轨迹是匀速圆周运动和 匀速直线运动的合成。除草轮入土后从动(被动)旋 转，整体指轮机构与地面形成一定角度，角度太小会 受到土壤的阻力，角度太大会造成秧苗损伤，为探究 不同手指指数与指轮倾斜角度对除草效果的影响，进行EDEM仿真试验，仿真试验结果表明，指轮指数取 为 16 指，最佳角度选取 70°,机构倾斜的角度与手 指轮倾斜角度一致时对土壤扰动效果最好、除草效果 最好。

　　2.2 行间除草铲的设计

　　为了适应不同的地形，需要调整除草装置的安装 间距和位置。这样做可以确保除草的均匀性，并且土 壤能够被充分地翻动和松散。在设计行间除草装置时， 选择适当的材料对于工具的耐用性和可靠性至关重 要。设计的装置选用 S 型弹性铲柄，搭配 A 型碎土除 草铲、L 型刀，用于去除苗带行间杂草，可根据不同 地形，调节其安装间距及位置。除草铲采用 65Mn 弹 簧钢制成，这种材料具有良好的弹性和抗断裂性能。 为了提高材料的机械性能，通常会进行热处理。经过 处理后的材料硬度控制在 302HB 以下，以确保适当 的刚度和弹性。在需要进行行间除草的情况下，除草 铲可以通过安装在具有弹簧加载的止挡臂上的 S 型铲 柄来实现。这种设计可以使除草铲在除草操作中更加 稳定和灵活，从而更好地清理杂草。根据地形调整安 装间距和位置，使除草装置能够提高碎土效果，以利 于农作物的生长。通过将带有除草铲的 S 型铲柄安装 在具有弹簧加载的止挡臂上，实现行间除草操作。

　　2.3 机架设计

　　设计的玉米机械除草装置机架材料部分采用铝合 金型材管，具有重量比钢材轻、耐腐蚀不易氧化、焊 接性能好、能够很好地适应各种部件的组合。配合平 行四连杆仿形机构，搭配弹簧制成具有弹簧加载的止挡臂，以适应地势高低起伏的变化配合上下浮动，从 而确保除草轮作业过程中作业深度一致，配合仿形机 构保证行间、株间除草轮入土深度，提高除草效果。

　　2.4 仿形机构设计

　　苗间除草机构仿形单体采用的是平行四杆仿形机 构，能够根据地面起伏的变化上下移动。这种机构 中的连杆进行平动运动，可以保持除草铲入土的角 度和耕深基本不变。在这种机构中，上下连架杆的 长度会影响仿形角 的变化范 围。如果连架杆较长， 那么仿形角的变化范围就会较小。相反，如果连架 杆较短，那么仿形角的变化范围就会较大。仿形角 的变化范围越小，则机构的工作稳定性越高。然而， 较长的上下连接杆也会导致结构不够紧凑，同时单 个仿形单元的重心会向后移动，这对纵向稳定性不 利。通过调整上下连杆的长度，可以控制仿形角的变 化范围，从而提高机构的工作稳定性。根据田间作业 地形的特征，一般情况下，上下仿形量的取值范围是 80～120mm。这个范围的选择可以保证机构在不同地 形条件下的适应性。

　　4. 田间试验分析

　　试验条件为大田批量播种的玉米裸苗，各处理的 株高平均为 137mm，平均杂草高 42mm。试验中使用 的秧苗茎秆和叶片弹性良好，与田间松土除草作业期 间的秧苗状况基本一致。试验小区长度 300m，垄宽 距 900 mm， 垄窄距400mm， 苗区土壤坚实度 1 .08 × 104Pa，垄沟土壤坚实度 3 .43 × 104Pa，土壤绝对含水量 22 .5%。在地面上可以看到玉米的残茬和秸秆 覆盖。玉米秧苗三叶一芯，平均高度为 120mm，株 距为 235mm。垄表杂草中等且无规则分布，高度在 46 毫米以下。

　　通过田间试验，证明设计的除草装置具有结构简 单、功耗小，调节容易等优点。试验结果表明，耕层 深度到达 20mm 以上，行间杂草除净率≥ 92%，伤苗 率≤ 6%，行间碎土率≥ 86%。为了获得更好的除草 效果，在进行除草作业时要把握好时间，选取玉米秧 苗 3 ～ 5 叶期，土壤黏度越小，除草效率越高。拖拉 机牵引作业速度在 1.8m/s 以下，在同一播种深度和 直行条件下，除草效果最好。

　　5. 结论

　　通过田间试验结果分析，除草率与作业速度、除 草手指轮与除草铲刀的入土深度、除草手指轮的入土 角相关较大，当除草指轮转速一定时，机具作业速度 过大时，除草率会有所下降。在试验过程中发现机具 的作业速度是影响除草效果的重要因素，机具速度过 快时不仅除草率下降，伤苗率和埋苗率会大大提高。 机具作业速度过慢除草率则降低，很难将杂草从土壤 中挑拨出来。行间除草效果不受作业速度的影响。当 除草指轮与地面 70°倾角时除草效果最好且伤苗率最低。

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