人工锄草器的设计研究

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摘要： 本文针对农田杂草去除问题，结合传统除草机的运动方式，设计出了一种节省人力、对环境无污染、锄草效率高、伤苗率低的人工锄草器。该锄草器以剪齿为主要工作部件，利用上下剪齿在土壤中的相对运动，剪断草根，从而达到除草的目的。在设计中选用了双轮滚动式人力驱动，利用滚轮与地面的滚动摩擦减小除草过程中的阻力，从而节省人力，提高工作效率。关键词： 人工锄草器；上下剪齿；双轮滚动式

中图分类号：S22 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0033-020 引言

农田杂草是农业生态系统中的一个组成部分，它直接或间接影响农作物产量和品质，因此除草技术对农业生产起到十分重要的作用。传统的锄头需要大量的劳动力，而效率不高。早期研制的锄草机在锄草过程中对农苗的损伤较大，减少了农作物的产量。而人工合成除草剂中的化学物品，很大一部分不能降解，对周围的环境造成了很大的影响[1]。针对这一系列的问题，我们建立了专项课题，展开研究，并设计出了一种节省人力、对环境无污染、锄草效率高、伤苗率低的人工锄草器。该锄草器以剪齿为主要工作部件，利用上下剪齿在土壤中的相对运动，剪断草根，从而达到除草的目的。

1 影响除草的因素

根据作物根系与杂草根系发育的差异性，要定期锄草。经过反复试验得知，影响锄草效果的因素主要取决于以下几方面：

锄草时期：在禾本科杂草三叶期前和阔叶草根系扩展前，杂草萌芽时锄草效果最好。锄草一般进行1～3次。第1次在作物出苗前，锄掉播后发生的杂草及幼芽；第2次在第1遍中耕后；第3次在第2遍中耕后。根据不同作物要求，也可对作物锄草4次，且第4次锄草应在作物生长到200mm之前结束。

剪齿的入土深度：入土过深，伤苗严重；入土过浅，达不到除草的目的。第1次锄草对剪齿入土深度以10～15mm为宜，不宜过深，因为此事作物受机械损伤后极易造成保苗不足；第2次锄草时剪齿入土深度以15～20mm为宜，此时作物根系不发达，如果入土过深，易使其损伤；第3次锄草入土深度很关键，此时作物根系生长发达，同时残留杂草根系也开始扩展，入土深度偏浅，不能达到锄草的目的，入土以深度20～25mm为宜。

人推锄草器的速度过快，锄草不净；作业过慢，效率太低。最合适的作业速度为1～1.5km/h。

因此设计参数设为：外形尺寸/mm：7503001000；

工作垄数/行：1；

剪齿入土深度/cm：1—4；

作业速度/kmh-1：1～1.5。

2 人工锄草器的设计思路

2.1 基本设计思路 结合传统除草机的运动方式，我们选用了双轮滚动式人力驱动，利用滚轮与地面的滚动摩擦减小除草过程中的阻力，从而节省人力，提高工作效率。

2.2 总体结构 该机前端工作部件是一排剪齿，在工作的时候先把上下剪齿合到一起，手推锄草器的扶手使锄草器往前运动，利用剪齿的尖端进入土壤，尖端进入土壤的深度可根据需要，工作人员自己控制，一般为1—4cm，然后左右移动剪齿，上下剪齿相对运动剪断草根，从而达到除草的目的。其整体结构如图1所示。

3 工作部件的设计

3.1 剪齿的工作原理 剪齿分为上剪齿和下剪齿，下面的剪齿固定在支撑杆上不动。工作时，先将上下剪齿重合，人推动锄草器往前运动，使剪齿进入土壤。在剪齿进入土壤的过程中，一部分草被剪齿的尖部剪断，进入土壤后，移动上剪齿左右运动，与下剪齿间有一个相对运动，从而剪断草根。

3.2 剪齿的设计 由于人的力量的毕竟有限，因此在设计人工锄草器的时候，我们始终把节省人力放在第一位。而在锄草器工作过程中，能量（人的体力）主要消耗在剪齿进入土壤和剪齿在土壤中的相对运动，所以合理设计剪齿的重量是节省人力的一个重要方面。

结合早期研制锄草机的经验，此次设计的人工锄草器，中间为空心，以减小剪齿的重量，剪齿的前、左、右均为刀刃，减小剪齿在进入土壤过程和在土壤里相对运动时的阻力。根据经验，剪齿的尖部为60°时，在进入土壤的过程中，受的阻力最小[2]，其结构如图2。

4 传动系统设计

由于此次从设计的锄草器的动力全部靠人力，因此它的动力源是很有限的，所以传动系统的设计要围绕简单、省力而进行。从省力的角度来看，一方面我们通过减轻锄草器整体的重量来达到目的；另一方面可以利用杠杆原理，来节省人力。杠杆原理在此次的设计中得到了的充分的利用。由于连接剪齿和扶手的斜杆是靠支撑杆支撑的，因此我们在设计的时候把支撑杆到剪齿的水平距离d1小于支撑杆到扶手的距离d2，从而达到省力的目的。如图3所示。

5 除草器零部件选择设计及装配实体造型

5.1 除草器零部件选择设计 本次设计中除草器零部件选择设计包括轴的设计、轴承的选用、支撑杆的设计等。由于此次设计的人工锄草器的整体受力都不是很大，我们选用了Q235A钢作为轴的材料，选择铸铁HT150作为此次深沟球轴承6004GB/T276的材料，支撑杆的下端通过螺纹与轴相连接，上端有圆锥孔，上下斜杆套在支撑杆上端，通过长圆锥销将斜杆固定。而具体设计过程与机械设计相同，在此不做详细说明。

5.2 除草器零部件装配与实体造型 根据此次设计的要求，我们用UG软件构造了人工锄草器的三维实体图，使此次设计的农用机器更形象的展现它的功能，其结构如图4所示。根据装配和运动分析没有发现干涉情况。

6 结束语

此次设计的人工锄草器，与传统的人工锄草工具相比，节省了人力，提高了工作效率，而且除草质量也很可观（85%-95%），适合小面积分垄农作物的田间除草。其优点是结构接单紧凑、调节方便；一机多用，集除草、松土与一体；人工操作，对农苗的伤害较小，而且不需燃料，对环境无污染；该机适应性强，可对大豆、玉米、甜菜及马铃薯等中耕作物定期锄草。其缺点为：对于不分垄的农作物难以达到除草的目的；对于分垄农作物同一行相邻两棵作物间的草也难以除净。因此，本次设计有待进一步的改进。

参考文献：

[1]李江国，刘占良，张晋国等.国内外相同机械除草技术研究现状[J].农机化研究，2006,(10)；12-14.

[2]桑正中.农用机械学（第二版上册）[M].北京：机械工业出版社，1987.

[3]《机械设计手册》联合编写组编.机械设计手册上册（第2分册），标准规范.化学工业出版社出版发行，1987年12月第2版.

[4]邓昭铭，张莹.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社，2000.

[5]刘在华，曹金海.UG实用教程[M].大连:大连理工大学出版社，2005.