CN115316372B - 基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置及除草方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业机械技术领域，尤其涉及一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置及除草方法，包括：传动装置、供气装置、射流装置、辅助对行装置和横向调节装置。所述传动装置传递动力源的动力给除草装置；所述供气装置可压缩产生清洁高压气体；所述射流装置末端置于泥浆浅层，经其喷嘴的高速气体射流冲击泥浆层进行除草；所述辅助对行装置实时监测除草装置是否处于最佳位置；所述横向调节装置适时调整除草装置的横向位置。本发明提供的高速气体射流式水稻株间机械除草装置，其不仅具有除草效果好、除草率高、伤苗率低、无农药污染的优点，同时还具有对行准确、增加根际氧溶量、促进秧苗生长、无需停机补充射流介质等创新点。

Description

基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置及除草方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，尤其涉及基于高速气体射流的水稻机械除草方法和株间机械除草装置的设计。

背景技术

杂草是影响作物生长的一项主要制约因素。农田杂草与作物争夺营养和生存空间，妨碍行间通风透光，部分杂草作为病虫宿主，也增加了病虫害发生的风险。

目前水稻田除草主要措施的优缺点如下：首先是人工除草，除草率最高，基本不伤苗，但是劳动强度大、成本高、效率低，不适合大田生产；其次是化学除草，快速高效，应用最广，但是过度依靠农药除草，容易产生农药残留和环境污染，也易使杂草产生抗药性；最后是机械除草，效率高无污染，但传统的刚性机械除草部件容易损伤秧苗，且难以完成株间除草作业。

近年来，我国的农业发展道路围绕着“稳粮增收、提质增效、保护生态”，农业“三减”行动(减化肥、化学农药和化学除草剂)势在必行，迫切需要研发高效可靠的水田机械除草装置。现有的机械除草机虽然对行间杂草有较好的清除效果，但危害更大的株间杂草因为生长临近植株，一直是机械除草的难点。

专利号为201210593554.8的公开文献提出了一种弹性触觉水稻株间除草器，依靠扭簧的弹性和除草钢丝清除株间杂草，除草钢丝始终与苗行根系相接触，容易损伤根系。

专利号为202110197860.9的公开文献提出了一种基于水射流的水田秧苗株间除草装置，该种方式除草率高、伤苗率低，但是用水量较大，需要频繁向水箱补充干净的水。

发明内容

本发明创造的目的在于，针对上述现有技术的不足，结合水稻株间除草作业的实际工况和需求，设计了一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，并提供一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草方法。

一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其不仅具有除草效果好、除草率高、伤苗率低、无农药污染的优点，同时还具有对行准确、增加根际氧溶量、促进秧苗生长、无需停机补充射流介质等创新点。

本发明提供的一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草方法，其原理是利用水稻田杂草和秧苗根系分布深度的差异，针对水稻田杂草根系生长的泥浆层流动性较强的特点，利用高速气体射流对泥浆层产生冲击，使杂草根系生长的泥浆层被冲散，杂草因根系失去支撑而漂浮于水面，逐渐死亡；水稻秧苗的根系因扎根较深突破了泥浆层，已深入到质地较坚硬的泥土层，故可以抵御气流冲击而不受伤害。

本发明提供的一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其特征在于，包括：传动装置、供气装置、射流装置、辅助对行装置和横向调节装置。

所述传动装置由传动轴、带轮组成，负责把动力源的动力传输给除草装置。

所述供气装置由空气压缩机泵头、空气过滤器、高压气体管道、空气压缩机泵头固定架、左喷嘴稳压表、左喷嘴调压阀、左喷嘴气流开关阀、右喷嘴调压阀、右喷嘴气流开关阀、右喷嘴稳压表、储气罐固定架、储气罐、供气装置控制器、储气罐压力表。其中，空气压缩机泵头负责将空气压缩并干燥后输送给储气罐，空压机泵头上分布有散热片负责把工作部件产生热量传递到环境中，避免装置过热停机或造成危险；空气过滤器负责过滤掉空气中的杂质，避免损害供气装置；储气罐负责储存压缩机供给的高压气体；压力检测装置负责监控压强大小，当压强小于预设最小值时，空气压缩机启动，开始向储气罐输送高压气体，直到储气罐压强达到预设最大值；稳压阀可通过调节调压阀门调整输出气流射流的流量，使之按预设压强平稳输出，稳压阀压力表显示的即是输出气流压强；高压气体管道负责在各个部件之间输送高压气体。

所述射流装置由右喷嘴橡胶高压气体管、射流架右管道、右喷嘴、左喷嘴、射流架左管道、左喷嘴橡胶高压气体管、止流阀组成。射流架管道负责固定射流高压气体管道和喷嘴等；橡胶高压气体管负责在各个部件之间输送高压气体；喷嘴的出口处横截面积较小，高压气体管道的气流经过喷嘴的狭小出口形成高速气流喷射向目标物；止流阀安装于喷嘴上方，止流阀是一个单向阀，气流在此处只能从进气端向喷嘴流动，不能反向流动，其作用是防止田间的泥水回流损伤装置。

所述辅助对行装置是由光电传感器电池、光电传感器、光电传感器固定架组成。光电传感器和光电传感器电池安装在传感器固定架上，光电传感器电池主要作用是为光电传感器供能，每组光电传感器由1个发射端和1个接收端组成，发射端安装在高速气体射流喷嘴的上方，接收端与发射端处于同一横向水平线上，两者相距2cm。两组光电传感器随喷嘴安装位置，在纵向上前后错开安装。光电传感器固定架安装在射流架管道上。常规的测距对行方案多为依靠测距传感器测定距离后，根据测定到的距离进行调节，这种方法不适用于水稻苗行的非连续平面和复杂检测环境，故不能发挥效果。本发明创新的辅助对行装置，借助合理的结构设计，把距离检测转化为信号通断检测，可把喷嘴离苗距离有效控制在一定范围内，能够弥补常规测距方案的不足。

所述横向调节装置由电动推杆、电动推杆电池、横向调节控制装置、横向调节滑轨、横移装置组成。电动推杆的推杆伸长时，推杆推动横移装置向左移动，射流装置的执行机构整体向左移动；电动推杆的推杆收缩时，推杆推动横移装置向右移动，射流装置的执行机构整体向右移动。横向调节控制装置负责在接受到传感器信号时，控制电动推杆伸缩，带动射流装置的执行机构整体移动，以便使喷嘴始终与秧苗行列保持合适的横向距离，横向调节滑轨的作用在于，担任横向调节装置和射流装置的连接媒介，使二者可以在水平方向上相对运动，同时支撑整个横向调节装置。

本发明的基于高速气体射流的水稻除草方法及株间机械除草装置，具有以下有益效果：

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其作业的刚性部件不接触秧苗，在保证除草率高的前提下，兼具伤苗率低的优点，与水射流相比，采用高速气体射流除草不需要在作业过程中停机补充射流介质。

(2)本发明提供的一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，具有辅助对行装置，其能达到单个除草装置针对单列苗行的局部微调，使除草作业兼顾多列苗行，对行准确。本发明创新的辅助对行装置，借助合理的结构设计，把距离检测转化为信号通断检测，可把喷嘴离苗距离有效控制在一定范围内，能够弥补常规测距方案的不足。

(3)本发明提供的一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草方法，利用水稻田杂草和秧苗根系分布深度差异和其生长环境土壤强度差异，利用高速气体射流的冲击力完成除草，不需要施用农药即可清除杂草，具有环保理念。

(4)本发明提供的一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草方法，在除草的同时，能够有效增加水稻根际氧含量，有利于水稻秧苗生长。

附图说明

图1为高速气体射流除草的原理示意图；

图2为本发明高速气体射流式水稻株间机械除草装置的一实施例的结构示意图；

图3为本发明高速气体射流式水稻株间机械除草装置和水稻苗行的相对位置示意图；

图4为图2所示的高速气体射流式水稻株间机械除草装置和水稻苗行在另一角度的相对位置示意图；

图5为本发明高速气体射流式水稻株间机械除草装置的传动装置和供气装置示意图；

图6为图5所示的传动装置和供气装置另一角度的结构示意图；

图7为本发明高速气体射流式水稻株间机械除草装置的射流装置、辅助对行装置、横向调节装置示意图；

图8为基于高速气体射流的水稻株间除草装置工作流程图；

图9为除草装置的横向调节原理图。

【附图标记说明】

图中：1-传动装置，101-传动轴，102-带轮，2-供气装置，201-空气压缩机泵头，202-散热片，203-空气过滤器，204-高压气体管道，205-空气压缩机泵头固定架，206-左喷嘴稳压表，207-左喷嘴调压阀，208-左喷嘴气流开关阀，209-右喷嘴调压阀，210-右喷嘴气流开关阀，211右喷嘴稳压表，212-储气罐固定架，213-储气罐，214-供气装置控制器，215-储气罐压力表215，3-射流装置，301-右喷嘴橡胶高压气体管，302-射流架右管道，303-右喷嘴，304-左喷嘴，305-射流架左管道，306-左喷嘴橡胶高压气体管，4-辅助对行装置，401-右侧光电传感器电池，402-右侧光电传感器固定架，403-右侧光电传感器发射端，404-右侧光电传感器接收端，405-左侧光电传感器接收端，406-左侧光电传感器发射端，407-左侧光电传感器固定架，408-左侧光电传感器电池，5-横向调节装置，501-电动推杆，502-电动推杆电池，503-横移装置，504-横向调节滑轨。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，高速气体射流除草的原理示意图所示，在最佳除草期(水稻秧苗插秧后7-14天)水稻秧苗的所在的环境由上到下可以分为水层、泥浆层、泥土层，水层较浅约0.03～0.06m，泥浆层为稀软的泥水混合物，深度为约为水面以下0.2～0.5m，较容易被气流冲散，泥土层含水量较泥浆层少，对气流的抵抗性较好，不易被气流破坏。除草期杂草较矮小，只有一条主根，其根系主要分布于泥浆层；水稻秧苗除主根外，有较为发达的次生根，其根系大部分布于泥土层。一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草方法，其原理主要是利用水稻田杂草和秧苗根系分布深度及其根系生长环境的差异，针对水稻田杂草根系生长的泥浆层流动性较强的特点，利用喷嘴产生的高速气体射流所携带的能量，对泥浆层产生冲击，使杂草根系生长的泥浆层被冲散，杂草因根系失去支撑而漂浮于水面，逐渐死亡；而水稻秧苗的根系因扎根较深突破了泥浆层，可以抵御气流冲击不受伤害。

本发明提供一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，可以安装在水田行走底盘或者移动的车体上工作，本发明以安装在水田行走底盘上为例，但不对此进行限定。如图2所示，高速气体射流式水稻株间机械除草装置，包括传动装置1、供气装置2、射流装置3、辅助对行装置4、横向调节装置5。

如图3和图4所示，作业时，高速气体射流喷嘴位于苗行侧边。

请参照图5和图6，在本发明一实施例中，传动装置1由传动轴101和带轮102组成，负责把动力源的动力传输给除草装置。水田行走底盘动力输出轴的动力经过调整传递给带轮102，驱动除草装置的供气装置2压缩空气。供气装置由空气压缩机泵头201(泵头上布置有散热片202)、空气过滤器203、高压气体管道204、空气压缩机泵头固定架205、左喷嘴稳压表206、左喷嘴调压阀207、左喷嘴气流开关阀208、右喷嘴调压阀209、右喷嘴气流开关阀210、右喷嘴稳压表211、储气罐固定架212、储气罐213、供气装置控制器214、储气罐压力表215。

在进行除草作业时，如前所述，水田行走底盘动力输出轴的动力经过调整传递给带轮102，带动传动轴101转动，动力传递给供气装置的空气压缩机泵头201。空气经过空气过滤器203滤除杂质后经过空气压缩机泵头203压缩，机械能转化为气体压力，空气压缩机泵头201外侧布置有散热片202，散热片202传导空气压缩机泵头201工作产生的热量到环境中，避免装置过热停机或造成危险。高压气体管道204负责把空气压缩机泵头压缩得到的高压气体输送进储气罐213中，空气压缩机泵头固定架205焊接在储气罐213上，作用是为空气压缩机泵头201提供一个平稳的、可固定在其上的平面。因储气罐213中的气体压强会随着气体流出变化，所以供给给喷嘴的气流需要经过稳压装置调节，沿实际作业时机具前进方向向前看，区分左喷嘴304和右喷嘴303。左喷嘴稳压表206和左喷嘴调压阀207组成供给左喷嘴气流的稳压调节装置，通过开关左喷嘴气流开关阀208可以对左喷嘴304实施供气或切断供给，通过旋转左喷嘴调压阀207阀门开合，可以调节输出气流压强使之稳定输出，左喷嘴稳压表206显示的数值为经过稳压调节的气流压强；右喷嘴稳压表211和右喷嘴调压阀209组成供给右喷嘴气流的稳压调节装置，通过开关右喷嘴气流开关阀210可以对右喷嘴303实施供气或切断供给，通过旋转右喷嘴调压阀209阀门开合，可以调节输出气流压强使之稳定输出，右喷嘴稳压表211显示的数值为经过稳压调节的气流压强。

储气罐213内储存空气压缩机泵头201压缩后的高压气体，储气罐固定架212有两个，左右对称布置，主要作用是固定支撑储气罐213。供气装置控制器214和储气罐压力表215组合构成储气罐压强控制调节装置，储气罐压力表215安装在储气罐213上，其作用是显示监测储气罐内气体压强，当储气罐压力表215监测到罐内压强低于预设最低压强时，供气装置控制器214接收到低压强信号反馈给行走底盘启动动力输出装置，动力传递给传动轴101，空气压缩机泵头201开始压缩空气；当储气罐压力表215监测到罐内压强低于预设最高压强时，供气装置控制器214接收到高压强信号反馈给行走底盘的动力输出装置停止输出，空气压缩机泵头201停止压缩空气。

如图7所示，射流装置3由右喷嘴橡胶高压气体管301、射流架右管道302、右喷嘴303、左喷嘴304、射流架左管道305、左喷嘴橡胶高压气体管306组成。射流架右管道302为一中空的钢管，其上部焊接在横移装置503底部，下端有一定倾斜角度安装了右喷嘴303。右喷嘴橡胶高压气体管301连接右喷嘴稳压表211气流出口和右喷嘴303,右喷嘴橡胶高压气体管301从射流架右管道302的管道中穿过。同样的，射流架左管道305为一中空的钢管，其上部焊接在横移装置503底部，下端有一定倾斜角度安装了左喷嘴304。左喷嘴橡胶高压气体管306连接左喷嘴稳压表206气流出口和左喷嘴304,左喷嘴橡胶高压气体管306从射流架左管道305的管道中穿过。射流架右管道302和射流架左管道305并非布置在同一竖直平面内，而是前后错开布置，目的是避免左喷嘴304和右喷嘴303的气流相遇，能量抵消。

如图7所示，辅助对行装置4由右侧光电传感器电池401、右侧光电传感器固定架402、右侧光电传感器发射端403、右侧光电传感器接收端404、左侧光电传感器接收端405、左侧光电传感器发射端406、左侧光电传感器固定架407、左侧光电传感器电池408组成。在实际作业时，建议喷嘴距离苗行距离2～4cm。在图7视角下，左喷嘴304出气口和左侧光电传感器发射端406位于同一竖直线上，左侧光电传感器发射端406和左侧光电传感器接收端405水平相距2cm，右喷嘴303出气口和右侧光电传感器发射端403位于同一竖直线上，右侧光电传感器发射端403和右侧光电传感器接收端404的水平距离比苗行宽度增加2cm，左侧光电传感器接收端405和右侧光电传感器接收端404水平相距2cm但不在同一水平线上而是前后错开布置。

横向调节装置5由电动推杆501、电动推杆电池502、横移装置503、横向调节滑轨504组成。电动推杆501推杆伸长时，推杆推动横移装置503向左移动，射流装置3的执行机构整体向左移动；电动推杆501推杆收缩时，推杆推动横移装置503向右移动，射流装置3的执行机构整体向右移动。当射流装置3处于对苗行的最佳作业位置时，左喷嘴304和右喷嘴303与苗行距离相等。由于田间实际上水稻秧苗行存在一定的弯曲度，机具行进也不能保证其行进轨迹完全为直线，可能会存在喷嘴与苗行距离偏离最佳作业范围的情况。光电传感器为常开模式，当除草装置和苗行出现较大相对横向偏移，常开状态的光电传感器接收端和发射端不再位于苗行一侧，而是两者之间被部分秧苗茎杆遮挡，此时该侧光电传感器发出预警信号，横向调节机构接收到该侧的预警信号，电动推杆调节伸缩量，带动射流部分进行横向调节，起到辅助对行作用。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其特征在于，包括：传动装置、供气装置、射流装置、辅助对行装置和横向调节装置；所述传动装置位于除草装置前端，与供气装置相连，用于把动力源的动力传输给除草装置；所述供气装置与传动装置和横向调节装置相连，用于压缩产生清洁的高压气体；所述射流装置与横向调节装置相连，射流装置末端置于泥浆浅层，高压气体经由射流装置的喷嘴形成高速气体射流冲击泥浆层，起到除草作用；所述辅助对行装置实时监测除草装置是否处于最佳除草位置；所述横向调节装置与射流装置相连，接收辅助对行装置信号，适时调整除草装置的横向位置；

所述的基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其特征在于，所述供气装置包括空气压缩机泵头、空气过滤器、高压气体管道、空气压缩机泵头固定架、左喷嘴稳压表、左喷嘴调压阀、左喷嘴气流开关阀、右喷嘴调压阀、右喷嘴气流开关阀、右喷嘴稳压表、储气罐固定架、储气罐、供气装置控制器、储气罐压力表，所述供气装置与传动装置和横向调节装置相连，可压缩产生清洁的高压气体；

所述的基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其特征在于，所述射流装置由右喷嘴橡胶高压气体管、射流架右管道、右喷嘴、左喷嘴、射流架左管道、左喷嘴橡胶高压气体管、止流阀组成；所述射流装置与横向调节装置相连，随横向调节装置左右横移；所述射流架左管道和射流架右管道，其安装后所在的竖直平面前后相距一段距离；

所述的基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其特征在于，所述横向调节装置由电动推杆、电动推杆电池、横向调节控制装置、横向调节滑轨、横移装置组成；所述横向调节滑轨与供气装置相对固定安装，所述横移装置底部与射流装置相固定，所述横向调节滑轨和横移装置相对左右移动；所述电动推杆和横移装置一端固定，当横向调节控制装置接收到所述辅助对行装置的信号时，控制电动推杆收缩或伸长，带动射流装置完成左右横移。

2.根据权利要求1所述的基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其特征在于，所述传动装置位于除草装置前端且与供气装置相连，所述传动装置由传动轴、带轮组成，负责把动力源的动力传输给除草装置。

3.根据权利要求1所述的基于高速气体射流的水稻株间机械除草装置，其特征在于，所述辅助对行装置由光电传感器电池、光电传感器、光电传感器固定架组成；所述光电传感器有2组，分别固定安装在射流架左管道和射流架右管道上；所述的2组光电传感器，两者间水平距离比苗行平均宽度长2cm。

4.一种基于高速气体射流的水稻株间机械除草方法，其特征在于，利用水稻田杂草和秧苗根系分布深度的差异，针对水稻田杂草根系生长的泥浆层流动性较强的特点，利用如权利要求1-3所述的水稻株间机械除草装置，所述射流装置末端置于泥浆浅层，通过辅助对行装置实时监测除草装置是否处于最佳除草位置后，再通过供气装置和射流装置所形成的高速气体射流对泥浆层产生冲击，所述横向调节装置适时调整除草装置的横向位置，使杂草根系生长的泥浆层被冲散，杂草因根系失去支撑而漂浮于水面，逐渐死亡，以此达到除草目的。