一种农作物超声波断根刀和系统的制作方法

本发明涉及一种农作物超声波断根刀和系统，是一种节水环保的农田管理措施，是一种提高农作物产量和水分利用效率的装置和系统。

背景技术：

在世界范围内，水资源的短缺日益受到人们的关注，农业水资源的高效利用已是世界农业研究的主要问题。因此，现代农业研究的目标不再仅仅满足于高产，还应侧重节约资源，提高水资源利用效率。植物个体间竞争最强烈的环境资源是土壤水分，而根系是竞争水分最主要的器官。根系生长发育状况与作物产量密切相关，合理调控根系生长可以促进作物地上部与地下部的协调发展，有利于作物产量和水分利用效率的提高。

在一些严重缺水的地区，如中国北方的黄土高原地区，农作物生长完全依靠降雨和农田灌溉，土壤深层次完全干枯无水，但农作物在遗传的作用下趋向于深扎根，同时扩张根系，以便寻找地下水源。这种根系的扩张在黄土高原之类的地区毫无用处，反而增加水源和土地肥力的负担，浪费了本可以增加农作物产量的资源。因此，有人提出了断根的方法，即在一定的农作物生长期，将过于发达的根系切断，以此在不影响农作物产量的前提下，提高水源和土地肥力利用率。经过试验证明，这一方式确实可以减少灌溉用水，并使被切除的根系在土壤中腐烂发酵，还原为土壤肥力。

然而该方法会造成断根部位“伤流”，从断根处流出的液体富含作物生长所需的养分，流失太多，会造成长势衰弱，断根后一段时间内作物长势受到影响，甚至会因为断根部位坏死造成作物减产甚至枯萎。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种农作物超声波断根刀和系统。所述的超声波断根刀和系统使用超声波进行断根作业，使农作物的根部被切断后，其切断点能够快速凝结，阻止伤流，减少农作物根系的伤害。

本发明的目的是这样实现的：一种农作物超声波断根刀，包括：断根刀和安装断根刀的刀架，所述的刀架上安装至少一个超声波换能器，所述的刀架通过柔性连接件与拖拉机的车架柔性连接，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源连接。

进一步的，所述的断根刀为镰刀形。

进一步的，所述的断根刀为圆盘形。

进一步的，所述的断根刀的外缘设有刀齿，所述的断根刀通过刀轴与刀架连接，所述的刀轴通过传动轴与拖拉机的动力轴连接。

进一步的，至少有一个所述的超声波换能器的震动方向与拖拉机的前行方向一致。

进一步的，至少有一个所述的超声波换能器的震动方向为竖直或接近竖直。

一种使用上述超声波断根刀的超声波断根系统，包括依次连接的：断根刀、刀轴、刀架、柔性连接件，所述的柔性连接件通过切深控制机构、切角控制机构、切位控制机构与拖拉机的车架连接，所述的刀架上设有超声波换能器，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源连接。

进一步的，所述的切位控制机构包括：安装在拖拉机车架上的固定架，所述的固定架上安装有水平移动架，所述的水平移动架与所述的电凝刀架连接。

进一步的，所述的切深控制机构包括：安装在拖拉机车架上或所述水平移动架上的上下移动架。

进一步的，所述的切角控制机构包括：安装在拖拉机车架与上下移动架之间，或水平移动架与上下移动架之间的铰链，以及铰链的旋转角度锁止机构。

本发明产生的有益效果是：本发明采用超声波断根刀，利用超声波震动切割和加热凝结的功能，阻止农作物根系被切断后从切断刀流出营养液体，尽量减少伤流，使断根后的农作物快速回到原有的长势，避免因为断根部位坏死造成作物减产甚至枯萎。所述的断根系统通过使用切位控制机构、切深控制机构、切角控制机构控制了断根切入的位置、深度和角度，有效的把握了断根位置和力度，提高了农作物生长过程中的水资源利用率，改善和保持了农田的土壤墒情和肥力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述超声波断根刀的结构示意图；

图2是本发明的实施例二所述镰刀形断根刀的示意图，是图1中A-A方向的放大图；

图3是本发明的实施例二所述多把镰刀形断根刀的示意图，是图1中A-A方向的放大图；

图4是本发明的实施例三所述圆盘形断根刀的示意图，是图1中A-A方向的放大图；

图5是本发明的实施例四中所述带有刀齿的圆盘形断根刀的示意图，是图6中B-B方向的放大图；

图6是本发明的实施例四中所述圆盘形断根刀的传动结构示意图；

图7是本发明的实施例七所述系统的结构示意图；

图8本发明的实施例八中所述系统的切位控制机构的结构示意图；

图9是本发明的实施例九中所述系统的切深控制机构的结构示意图；

图10是本发明的实施例十中所述系统的切角控制机构的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种农作物超声波断根刀，如图1所示。本实施例包括：断根刀1和安装断根刀的刀架2，所述的刀架上安装有超声波换能器3，所述的刀架通过柔性连接件4与拖拉机的车架5柔性连接，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源6连接。

本实施例主要以超声波作为动力源，进行农作物的断根作用，更为重要的是以超声波所产生的快速振动，产生摩擦热效应，对农作物根系边被切断的位置瞬间加热并凝结，阻止农作物根系的营养成分流失，从而避免断根部位“伤流”，减轻甚至消除断根后作物长势受到影响的情况发生，有效提升断根效益和效果。

本实施例的断根作业可以有两种方式，一种是完全使用超声波进行断根和加热凝结。这种方式机械结构比较简单，但超声波电源的功率较大，在拖拉机必须使用单独的发电系统，或者更新拖拉机的发动机，增强发动机的功率，以适应大功率的发电输出。另一种是利用拖拉机的动力轴输出动力带动带有轮齿的盘形刀，对农作物的根系进行机械切割，同时在使用超声波对根系断点进行加热凝结。这种方式的超声波电源的功率较小，可以直接使用拖拉机原有的电池组供电，或者更新原拖拉机的电池组，加强蓄电能力。

单纯使用超声波进行断根和加热凝结作业的断根刀形状可以是镰刀型或圆盘形等各种形状，切断根系的过程中刀体本身相对拖拉机的车架固定不动，只是在断根作业时有拖拉机拖动前行。

当使用机械方式进行断根作业时，为作业的连续性，可以使用盘形，也可以使用多个镰刀型的刀体，等分圆周分布，形成轮流切入土壤的断根过程。盘形的断根刀通过刀轴与拖拉机的动力轴连接，形成断根刀旋转的动力，以此对农作物的根系进行机械切割。

为增强超声波的动能效应，可以在刀架上安装多个超声波换能器。由于超声波换能器具有一定的振动方向，当使用超声波同时进行断根切割和加热凝结的过程时，可以将换能器的振动方向与拖拉机的行进方向一致。当超声波单纯作为加热凝结作业时时，可以将超声波换能器的振动方向设置为竖直方向。当然也可以同时竖直和水平两个以上的换能器，使断根刀同时向两个方向振动，形成组合运动，以提高效率。

超声波振动在机械设备中是一种十分特殊而难以应付的物理现象，特别是对于螺栓、螺丝、铆钉等紧固件，因此限制超声波振动波的传播十分重要。为避免超声波的振动从刀架传递到拖拉机的车架上，进而传递到整个拖拉机上，本实施例在拖拉机车架与刀架之间设置了柔性连接件。所述的柔性支连接件，可以直接使用汽车上连接发动机和车架的柔性连接件。这种连接件是由弹性体夹在两个刚性件之间构成。弹性体可以是由橡胶等具有柔韧性的材料构成，或者是由约束良好的多方向金属弹簧构成，在有些情况下还安装阻尼器，使其更加有效的阻止振动的通过。总之，柔性连接件是能够多方向有限运动，并可以阻止超声波振动传递的元件。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于断根刀的细化。本实施例所述的断根刀为镰刀形，如图2、3所示。

图2中的镰刀型的断根刀直接插入地下，并有拖拉机拖动进行断根作业，类似于一把刀面十分宽厚的手持的镰刀。由于超声加热主要依赖于超声震动刀面与被切断根系的断口处的振动摩擦生热。宽厚的刀面延长与断根处的接触时间。具体工作时，先将断根刀插入指定位置的指定深度，然后用拖拉机拖动断根刀沿植株行方向运动，超声波振动的刀锋首先隔断根系，根系的断口处在紧跟在刀锋后面的刀面上快速摩擦生热，产生凝结作用。

图3中的多把镰刀型的断根刀安装在一个轮盘上，拖拉机动力轴的带动下，轮流切入土壤中，进行断根作业，对深入地下较深的根系断根更加有效。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于断根刀的细化。本实施例所述的断根刀为圆盘形，如图4所示。

本实施例所述的断根刀为圆盘形，圆盘的边缘可以是光滑的，也可以设置刀齿。当超声波同时完成断根和加热凝结时，圆盘形的断根刀的边缘可以不设置刀齿，只需设置锋口，而且为了安全，其锋口也可以不十分锋利，通过超声波的振动，可以十分顺畅的将作物的根系切断。但对于一些根系比较粗大并坚韧的作物，可以是带有刀齿的圆盘形断根刀，通过机械传动，使刀盘转动，切断农作物根系。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于断根刀的细化。本实施例所述的断根刀的外缘设有刀齿，如图5所示。所述的断根刀通过刀轴7与刀架连接，所述的刀轴通过传动轴8与拖拉机的动力轴9连接，如图6所示。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于超声波换能器的细化。本实施例至少有一个所述的超声波换能器的震动方向与拖拉机的前行方向一致。

本实施例中超声波换能器的震动方向与拖拉机前行方向一致，即：使刀盘前后震动，这样震动可以有效的切刀作物根系，同时也产生加热凝结的作用。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于超声波换能器的细化。本实施例至少有一个所述的超声波换能器的震动方向为竖直或接近竖直。

本实施例中超声波换能器的震动方向为竖直或接近竖直，即：使刀盘上下震动，这样震动同样可以有效的切刀作物根系，同时也产生加热凝结的作用。

可以同时安装横向和竖向震动的超声波换能器，利用调整几个超声波换能器震动的相位差，产生叠加、换向、联动等联合震动效果。

实施例七：

本实施例是一种使用上述实施例所述超声波断根刀的超声波断根系统，包括依次连接的：断根刀、刀轴、刀架、柔性连接件，所述的柔性连接件通过切深控制机构10、切角控制机构11、切位控制机构12与拖拉机的车架连接，所述的刀架上设有超声波换能器，所述的超声波换能器与安装在拖拉机上的超声波电源连接，如图7所示。

本实施例是将超声波断根刀安装在耕作用的拖拉机上，拖拉机前行时，断根刀也随拖拉机前行。拖拉机与农作物的植株行保持一定距离，断根刀同样与植株行保持一定的距离并切入地下，切断该行农作物的根系，完成断根作业。本实施例所述的系统可以安装在拖拉机车架的两个车轮之间，也可以安装在车架的外侧。断根刀的刀面与拖拉机的车轮平行安装，随拖拉机的前行而向前运动。断根刀不论在拖拉机的外侧，还是在两个轮子之间，只要拖拉机沿农作物的植株行前进，其前进方向保持与植株行平行，断根刀也就与植株行保持相等的距离，因此，断根刀与车轮之间的轴向距离十分重要。

本实施例设置了切位控制机构，其作用是控制断根刀与车轮之间的轴距离，使断根刀可以沿轴向水平移动。调整断根刀与车轮之间的轴向距离l（见图7），也就是调整断根刀切入地下后，农作物根系切断点（线）与植株之间的距离。在工作前或工作过程中暂停进行调整，在切断作业中这个机构要固定锁死，以保持断根刀与车轮的距离l。

距离l十分重要，决定了切断根系是否有效，切多了可能造成作物死亡，切少了不能有效的起到节水和提高效率的功能。不同农作物的断根距离不同，换切不同的作物也需要调整车轮与断根刀之间的轴向距离，因此，调整断根刀与车轮之间的距离十分必要。

本实施例还设置了切深控制机构。断根的切割深度h（见图7，h为土壤表面到断根刀下边缘的距离）也是一个十分重要的指标，其控制的方法主要是控制断根刀进入土壤的深度，在断根作业之前或中间间断时进行调整，在作业时固定锁死，以保证在作业中切入深度。不同作物根系深入土壤中的深度也是不同的，因此，切深控制十分必要。在实际中，切深控制实际控制的是切刀下边缘与车辆下边缘之间的距离H（见图7），只要车轮通过的路面大致平整，切割深度h就可以得到有效的控制。

本实施例设置的第三个机构是切角控制机构，这个机构用来控制断根刀切入土壤的角度α，图6中显示α的角度是90度。对一些作物，断根刀垂直的切入土壤中，有时不能充分的起到断根的作用，或者由于断根系统本身的体积问题，不能过于靠近作物的植株，因此可以采用倾斜断根刀的方式，也就是使用α小于90度的切入角，其实际应用是将断根刀倾斜，α角以小于90度切入土壤中，实现更加有效的断根作业。

当使用机械方法切断根系的时候，为使断根刀能够带有动力的自主旋转，还可以设置传动轴，利用拖拉机本身的动力，通过传动轴带动断根刀旋转，利用刀盘边缘的刀齿切断作物的根系。

传动轴应当是柔性的，一方面在轴向能够伸缩，另一方面在径向也要有一定的自由度。本实施例使用的传动轴要有伸缩节和至少两个万向节，或者使用柔性传动轴。

超声波电源可以是安装在拖拉机上的电源。如果直接用超声波断根和加热凝结，超声波换能器需要较大功率的电源功率，应当使用单独的汽油或柴油发电机组，并经过逆变使电源的电压、电流等参数符合超声波换能器的要求。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于切位控制机构的细化。本实施例所述的切位控制机构包括：安装在拖拉机车架上的固定架1201，所述的固定架上安装有水平移动架1202，所述的水平移动架与所述的电凝刀架连接，如图8。

本实施例所述的切位控制机构包括两部分，一部分是固定部分，与拖拉机的车架固定连接，另一部分是能够平移的移动架，当移动架移动到适当位置时，通过螺栓等方式将其固定，在断根作业中不能移动。移动架只有一个自由度，其他方向均需约束，图7中箭头F表示水平移动架的移动方向。

由于锁止机构与水平移动部分在实际设计中是融合的，因此，本实施例没有单独描述锁止机构。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于切深控制机构的细化。本实施例所述的切深控制机构包括：安装在拖拉机车架上或所述水平移动架上的上下移动架1001，如图9所示。

在实际设计中，上下移动也应当有两部分，固定部分和上下移动部分，但固定部分可以与车架或水平移动架融合成为一个部分，因此，本实施例中只描述了上下移动架。上下移动架也是一种调整措施，在断根作业之前或作业暂停时调整断根切入土壤的深度，通过调整上下移动架的位置而实现，图9中箭头G表示上下移动架的移动方向，调整完毕后，通过螺柱等设施将上下移动架固定锁死，在断根作业中不能发生移动。

由于锁止机构与上下移动部分在实际设计中是融合的，因此，本实施例没有单独描述锁止机构。

实施例十：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于切角控制机构的细化。本实施例所述的切角控制机构包括：安装在拖拉机车架与上下移动架之间，或水平移动架与上下移动架之间的铰链1101，以及铰链的旋转角度锁止机构1102，如图10所示。

本实施例中的铰链连接着横向部分（水平部分）和电凝刀的竖向部分，使竖向部分与横向部分的夹角在90度左右的范围内可以自由的变化。铰链实际只有这样一个自由度，即绕水平轴旋转，见图10中箭头K表示链旋转的方向。通过改变这个角度，可以使电凝刀切入土壤的角度变化。

所述的旋转角度锁止机构可以与铰链融合，也可以单独设置锁止机构。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如断根刀的形式、系统各要素之间的连接方式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。