少耕除草机除草铲的分析与设计

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1、2007年11月农机化研究第11期少耕除草机除草铲的分析与设计1112张国，王晓燕，李洪文，冯爱莲（1.中国农业大学工学院/农业部保护性耕作研究中心，北京100083；2.内蒙古自治区农牧业机械技术推广站，呼和浩特010010）摘要：针对我国华北农牧交错带一年一熟保护性耕作地区，普通播前除草耕作部件容易抛翻土壤使水分大量流失的问题，设计了一种除草铲。设计时，针对农牧交错带地区的土壤特性，对除草铲的工作方式、受力方式、缠草问题等进行了分析。实验表明，当拖拉机速度小于等于1.43m/s时除草铲能够实现不翻土作业，除草率达到96%，碎土质量达到9

2、6.5%，满足设计要求。关键词：农业工程；除草铲；设计；缠草分析；滑切；工作阻力中图分类号：S224.1文献标识码：A文章编号：1003─188X(2007)11─0090─042γ—除草铲张角；0引言ϕ—铲刃法线偏离角；保护性耕作体系发展初期主要采用除草剂管S0—茎秆偏离距离。理农田杂草，然而随着杂草抗药性的出现以及保护[1]性耕作农田杂草治理难度的加大，使得杂草治理工作变得越来越难。Kurstjens等研究表明，掩埋[2]深度有限是限制除草效果的主要原因。保护性耕作的前提使在机械除草中掩埋除草的方法不可行，只有通过提高除草铲的除草性能才

3、能满足保护性耕作地除草的需求。CO11除草铲工作方式和受力分析ϕ在除草作业时，土壤被切割变形，而土壤介质O2γ本身具有的质量和强度，就会对除草铲的作用产生阻力。除草铲的受力特性主要取决于除草铲的外载情况，除草铲的外载指在除草过程中土壤或土壤中的杂物施加于除草铲上的阻力。图1除草铲切草运动分析1.1工作方式当C0和ϕ不变，S0值随着γ角的变小而减小。当除草铲碰到杂草O（如图1所示），铲刃挤压因此，为了全部切断杂草，在没有必要时不应减小其根部，使杂草弯曲并沿着OO1线与铲刃法线偏离2γ值。为了减小重叠量，在不缠草的前提下，应采[3]ϕ角。如果杂

4、草O1离开铲翼瞬间尚未被切断，那取最大的除草铲张角2γ。么其茎秆偏离的距离为动态缠草分析如图2所示。当除草铲在土壤中C0从Ⅰ移动到Ⅱ，处于ABCD面内的所有杂草将在原S0=(1)cos(ϕ+γ)地被铲断并与除草铲一起移动，同时沿着铲刃滑动，式中C0—除草铲间重叠量；堆积在铲刃的CD段。在该段铲刃上的杂草数量为n=iL∆h（2）收稿日期：2007-03-01式中n—杂草数量；基金项目：农业部948项目（2004-Q1）作者简介：张国（1981-）,男，北京人，硕士研究生，(E-mail)i—田间单位面积的杂草数量；zhangguo8899@1

5、26.com。L—梯形中线长度；通讯作者：王晓燕（1973-），女，北京人，副教授，(E-mail)xywang@cau.edu.cn。∆h—梯形ABCD的高度。-90-2007年11月农机化研究第11期间的摩擦力F（F=Rtgϕsinγ）时，则土粒或草根在刃口上将产生“滑动”。滑切对土粒或草根兼有正应力和剪应力。但是滑切不一定有明显的滑动。产生Ⅱ滑动的条件为lS＞F(5)C由图3可知：S=Rcosγ，F=Rtgηsinγ。其中，ηD为摩擦角。L∆h代入式（5）得taγ<90−η(6)即在刀具的安装角γ小于90°-η时，土粒或草B根在刀刃上

6、滑动。经验表明，η约为45°，则有γ<45a。SNI2γmR2γFTF3mR图2除草铲缠草分析从图2中可以求出SNlL=(3)cos(γ+t)图3除草铲滑切条件分析如上所述，通常A的运动轨迹是与铲刃法线成杂草阻力R值取决于土壤类型及物理性质状t角的直线AD。将L值代入式（2）中，并假设∆h=l态，不同土壤耕作应采用不同的γ角。粘湿土壤的ϕ可得角增大，γ角要取小值；在砂土中，γ角则可取大[4]il值（如表1所示）。为了保证较好的滑切性能，翼n=(4)cos(γ+t)张角2γ通常取值范围为60°～70°，由于本除草铲设由式(4)可知，当i，γ，

7、t为常数，在铲刃上的计的目标土壤是内蒙古沙化比较厉害的砂土，且为杂草数量与除草铲的幅宽成正比。因此，除草铲幅了保证草根被彻底切断，结合上面的讨论，本设计宽愈大，地里的杂草愈多，挂在入口上的杂草在铲翼张角取2γ=72°。翼端部形成的“草堆”愈快，这与铲刃静态缠草所表1不同土壤浅松铲翼张角产生的“草堆”在外形上很相似。土壤类型翼张角2γ在第二行除草铲翼端的杂草，它所受到正面阻粘土50°～58°力的切线方向分力（平行于铲刃），除了克服杂草在铲刃上的摩擦力外，还要克服移动土层时产生的阻中壤土60°～78°力。因此，除草铲的碎土角β=12°～18°，

8、除草铲厚沙土70°～80°度δ≤0.03b（b为除草铲宽幅）。本设计中，β角取1.2.2铲刃受力分析15°，δ取6mm。切刀受力分析图，如图4所示。图4(a)为常见1.2受力分析