田立權(quán) 毛旭輝 姚秀奇

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)水稻株間除草作業(yè)，本文研制了立式水稻株間除草裝置并進(jìn)行三維建模，建立了除草裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，通過土槽臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)軌跡進(jìn)行檢測(cè)。田間試驗(yàn)表明，當(dāng)除草裝置旋轉(zhuǎn)速度為72r/min，除草裝置前進(jìn)速度為0.44m/s，除草齒入土深度為42mm時(shí)，水田株間除草裝置性能最優(yōu)，除草率為84.5%，傷苗率為4.2%，滿足水稻機(jī)械除草農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：水稻；株間除草；裝置；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530018

稻田雜草是水田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其與水稻爭(zhēng)奪生長(zhǎng)空間、肥料養(yǎng)分及熱量等資源，造成水稻產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低。而水稻機(jī)械除草利用除草機(jī)械（如乘坐式、步進(jìn)式、自走式）實(shí)現(xiàn)對(duì)稻田雜草拔除、切斷或壓埋等作用[1]。對(duì)比于化學(xué)藥劑除草，機(jī)械除草是一種無化學(xué)污染、環(huán)境友好型的除草形式 [2，3]。

目前，水稻機(jī)械式除草可分為行間除草和株間除草[4]。國內(nèi)外學(xué)許多學(xué)者對(duì)水稻機(jī)械除草裝置進(jìn)行了研究，如日本三菱公司研制的MRW-5型乘坐式水稻除草裝置，機(jī)具一次入田可實(shí)現(xiàn)除草、施肥同步作業(yè)，具有較高的工作效率[5]；Mametora[6]研制了一種乘坐式水稻除草機(jī)械，操作人員可直接觀察到除草作業(yè)情況，方便及時(shí)調(diào)整機(jī)械作業(yè)參數(shù)，從而減少對(duì)稻苗的損傷，但增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了乘坐式除草機(jī)具，通過螺旋鋼絲清除株間雜草、旋轉(zhuǎn)輥輪壓埋行間雜草，實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻株間、行間雜草的清除[7]；馮金旭等[8]研制了水稻除草部件，主要為驅(qū)動(dòng)式除草輪和開溝鏵犁，可完成行間除草作業(yè)；曹加龍等[9]設(shè)計(jì)的耘耥式除草裝置，通過除草裝置實(shí)現(xiàn)行間除草作業(yè)，但這2種除草裝置未見田間作業(yè)的報(bào)道。相對(duì)而言，進(jìn)行水稻株間除草比較困難，株間距離與行間距離存在差異，而雜草常伴隨稻苗生長(zhǎng)，控制除草裝置清除雜草且降低對(duì)稻苗損傷，需要對(duì)株間除草裝置進(jìn)行研究。我國水稻株間除草裝置主要有水平圓盤式、往復(fù)擺動(dòng)式、固定輕耙式、固定鏟式及對(duì)轉(zhuǎn)式等，而現(xiàn)有的株間除草裝置存在作業(yè)效率低，清除率低等不足。

為了解決上述問題，本文研制了立式水稻株間除草裝置并進(jìn)行三維建模，建立了除草裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)除草裝置形成的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，探究除草裝置不同工作參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡影響規(guī)律，通過土槽臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)除草裝置運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，得到水稻株間除草裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合，并進(jìn)行田間試驗(yàn)。該研究可為水稻機(jī)械除草裝置設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的立式水稻株間除草裝置主要由安裝盤和除草齒構(gòu)成，如圖 1所示。其中除草齒是水稻株間除草裝置的核心部件，作業(yè)過程中除草齒與土壤及雜草接觸，其結(jié)構(gòu)形狀與尺寸參數(shù)直接影響除草裝置的作業(yè)質(zhì)量。安裝盤上設(shè)置不同圓周直徑R1（60～110mm）和角度σ1（步長(zhǎng)為30°）的螺孔，將一定數(shù)量的除草齒與安裝盤固結(jié)組合成整體，通過安裝盤帶動(dòng)除草齒整體旋轉(zhuǎn)。除草齒選用邊長(zhǎng)為6mm，韌性較好方鋼加工，根據(jù)實(shí)際入土深度，設(shè)計(jì)其長(zhǎng)度L為290mm；為提高除草作業(yè)質(zhì)量，除草齒末端采用外弧線形設(shè)計(jì)（弧段長(zhǎng)度l為30mm，弧段圓角α為 44°，弧段半徑 r為52mm），在水田土壤中除草齒以圓弧線形式與雜草根系接觸，將雜草根系打斷，最大程度降低傷苗現(xiàn)象，同時(shí)除草齒增加與土壤接觸滑移面積，將雜草進(jìn)行掩埋，提高除草效果。

2 工作原理

水田田間除草作業(yè)前，根據(jù)不同地域水稻行間距離與株間距離種植農(nóng)藝要求，調(diào)整各個(gè)安裝盤作業(yè)間距；同時(shí)測(cè)量水田土質(zhì)松軟程度及泥腳深度，調(diào)整除草齒的入土深度。除草齒入土過深，增加土壤對(duì)除草齒作用力，降低了除草作業(yè)效率；除草齒入土過淺，容易導(dǎo)致除草裝置作業(yè)質(zhì)量下降。作業(yè)過程中，除草機(jī)具通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳至除草裝置，帶動(dòng)除草齒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

除草齒的運(yùn)動(dòng)隨除草機(jī)具前進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)及隨安裝盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，通過調(diào)整機(jī)具的前進(jìn)速度與自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（除草速比），實(shí)現(xiàn)除草齒對(duì)水稻株間均勻除草，減少作業(yè)傷苗現(xiàn)象。每個(gè)除草齒在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)與除草裝置2側(cè)稻株行各接觸1次，可有效防止除草后稻株單側(cè)倒伏，同時(shí)完成對(duì)雜草的切斷及壓埋。作業(yè)過程中，除草齒有效工作部位主要為沒入土壤中彎曲弧段，從而得到除草齒復(fù)合運(yùn)動(dòng)作業(yè)軌跡，如圖2b所示，兩軌跡所形成區(qū)域即為除草區(qū)域，通過改變除草齒數(shù)量及角度，即可適應(yīng)不同水田株距和行距除草作業(yè)需求。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

性能試驗(yàn)中，相鄰除草齒所形成的軌跡兩兩相切，大小均勻如圖4所示，符合水稻株間除草對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的要求。通過測(cè)量形成的軌跡線的寬度和長(zhǎng)度，可以確定稻苗植株行與除草齒相對(duì)位置，即相鄰除草齒軌跡交點(diǎn)連線應(yīng)與稻苗植株行重合。經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)可知，安裝盤的旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)布置在稻苗植株行一側(cè)50mm處。

5 結(jié)論

本文以設(shè)計(jì)的水稻株間除草裝置為研究對(duì)象，建立了除草齒運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用室內(nèi)土槽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)，并經(jīng)過田間試驗(yàn)表明，當(dāng)除草裝置旋轉(zhuǎn)速度為72r/min，除草裝置前進(jìn)速度為0.44m/s，除草齒入土深度為42mm時(shí)，水田株間除草裝置性能最優(yōu)，除草率為84.5%，傷苗率為4.2%，滿足水稻機(jī)械除草農(nóng)藝要求。

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