牛春亮，王金武，馬莉莎，姜忠愛,安相華

(1.大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連　116023；2.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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雙弧形水稻株間除草部件設計及切土軌跡研究

牛春亮1，王金武2，馬莉莎1，姜忠愛1,安相華1

(1.大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連116023；2.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：稻田機械除草技術是影響稻米質(zhì)量的一項關鍵性生產(chǎn)技術，利用除草機械在播種不同時期對稻田進行除草，既能殺除田中的雜草，又減少了對環(huán)境的污染。目前，國內(nèi)的稻田除草機械主要針對行間雜草去除，而株間除草技術成為科研人員研究的重點。為此，設計了一種雙弧形的株間除草部件，并對部件切土軌跡進行室內(nèi)土槽試驗分析，得到了較好的分析效果。

關鍵詞：水稻；株間除草；雙弧形；切土軌跡

0引言

當前，國內(nèi)外比較成熟的水田雜草防除機械主要是使用各種形式的中耕除草機，在中耕的時候完成除草作業(yè)[1-2]。國內(nèi)現(xiàn)有的水稻中耕機大多主要針對行間雜草的去除，而作物和雜草共存的株間與株旁的雜草則不容易除去[3]。本研究針對這種狀況，根據(jù)秧苗與雜草根系扎根切土的程度不同，設計了一種彈齒式株間除草執(zhí)行部件—彈齒除草盤，并對彈齒式除草盤進行了結(jié)構(gòu)設計和軌跡分析研究[4-5]。彈齒式除草盤采用旋轉(zhuǎn)工作方式，在扭矩輸出裝置的帶動下轉(zhuǎn)動及前進。

1除草原理與時機

本文所設計的株間除草部件以稻田中分布最廣、危害最大的水田稗草為對象，同時兼顧其它雜草。稗草屬于禾本科一年生草本植物，與稻苗爭水、爭光照，極大地影響水稻的正常生長。依據(jù)水稻生長過程中水稻根部入土深度明顯大于雜草根深的特點，結(jié)合水稻與稗草的根部特點及生理特征的差異性，建立除草理論進行株間除草部件設計與研究。

移栽稻苗后，在稻苗進行返青、扎根、活棵、分蘗期這段時間，雜草大量萌生，發(fā)生量大。據(jù)定點觀察，在水稻拋栽的同時，雜草既已發(fā)生，拋栽后9天內(nèi)出草量占總草量的70%以上，高出移栽稻田同期出草量的10倍，稗草出草高峰在拋后9天。

稻根生長規(guī)律：插秧后回青期間，根的生長較慢，以后增快，進到分蘗期橫向擴展最大，使20cm范圍內(nèi)的根群分布呈扁橢圓形，一般約在200條左右，高可達千條，根長則可達到40～60cm。同時，由于在插秧中每穴插多株秧苗，使得根系聚團、合力大。圖1為水稻插秧后根系。

圖1　水稻插秧后根系

與水稻發(fā)達的根系相比，稗草的根系纖細、稀少，再生力很強，但其在生長初期只有一條主根且單株生長“勢單力薄”，相對于秧苗的多株生長，不能形成合力[6]。圖2為稗草根系情況。

綜合分析比較秧苗與稗草根系情況，針對稗草的生理特點可知：在水田環(huán)境下，稗草萌發(fā)及生長速度快，生長至三葉期后，抗藥性增強，稗草日趨健壯，使除草變得困難。因此，只要合理控制機器的各試驗參數(shù)和除草時機，進行機械式除草是可行的。

圖2　稗草根系

2關鍵部件彈齒式除草盤設計

2.1　彈齒齒型的選擇

作為彈齒式除草裝置的關鍵部件，彈齒除草盤的選擇尤為重要。為了了解彈齒式除草裝置彈齒刀安裝形式及彈齒形狀與除草效果的關系，試制了幾種不同的彈齒除草盤。選擇在未插秧及未播灑稗草種子的土槽內(nèi)進行不同除草盤的預備性試驗研究[7-9]。將影響因子設定在同一條件下(相同的除草盤轉(zhuǎn)度、相同的前進速度及切土深度)，觀察各試驗除草盤的彈齒在土壤中所劃過剖切面的面積大小。從除草性能角度考慮，將面積大者視為本研究的最適宜除草盤。

第1種除草盤中，彈齒采用直線形狀，如圖3所示。這種形式除草盤切土軌跡均勻，但彈齒尖端切土，為點切土方式，線性力大，切土后所劃過的剖面面積小，除草效果差，且線性力大容易造成傷苗。第2種除草盤中，彈齒采用弧形設計，弧度為直徑500mm，如圖4所示。這種形式除草盤切土軌跡均勻，但切土后所劃過的面積小，除草率低，且當彈齒尖部碰到秧苗時，由于齒尖部線性力大，容易傷苗。

圖3　直線型彈齒

圖4　弧形彈齒

第3種除草盤中，彈齒也采用弧形設計，弧度為直徑500mm，如圖5所示。與第2種除草盤不同，此除草盤雖然在彈齒形式上一致，但彈齒安裝方向不同，弧型張開向前。這種形式除草盤切土軌跡均勻，且切土后軌跡呈扇面狀，軌跡面積大，可以增大除草面積；但在機器前進時，在苗的下部，有一定的摟苗作用，容易造成苗傾倒，影響秧苗的正常生長。

圖5　弧形彈齒

第4種雙弧形除草盤中，彈齒采用彎型設計，弧度為直徑500mm，如圖6所示。這種形式除草盤相對于第3種形式，在焊接彈齒時彈齒既扭過一定角度，又與前進速度相反方向向后傾斜一定弧度，如圖6(a)所示。彈齒在切土時，彈齒以線切土；彈齒切土后軌跡呈扇面狀，相對于第3種形式所掃過的剖面面積小，切土時間短，減少了阻力，降低了功耗，且切土容易。同時，在除草前進時，在苗中上部摟苗，依靠秧苗的韌性，減少秧苗損傷?；⌒锡X的曲率半徑R與焊接角β是影響除草效果的重要參數(shù)。曲率半徑小，則壓草能力強；曲率半徑大，則切土容易，對泥土的攪拌作用強。β角大，滑移力增加；反之，滑移力減少。

彈齒采用與前進速度相反方向的后傾角度β°設計，展示了除草盤工作時相對秧苗位置，如圖6(b)所示。該設計的目的是彈齒不能與整個秧苗完全接觸，從而可以減少對秧苗的損傷，同時還增大了除草面積，提高了除草效果。

經(jīng)多次土槽試驗，確定選用第4種彈齒除草盤作為試驗分析的除草部件。圓弧傾斜方向與旋轉(zhuǎn)反方相反，后傾斜角度為30°。本研究的彈齒刀切土角在40°左右，可以保證彈齒在剛切土時比較順利[10]。

圖6　雙弧形彈齒

2.2　彈齒式除草盤主要參數(shù)

2.2.1除草盤參數(shù)選取與設計

1)除草盤旋轉(zhuǎn)直徑的確定。除草盤旋轉(zhuǎn)直徑是指執(zhí)行機構(gòu)在作業(yè)過程中旋轉(zhuǎn)的最大直徑，如圖7所示。

圖7　除草盤直徑的確定

除草盤直徑的計算公式為

D≥2(Hmin+hmax)

式中Hmin—軸心距離地面的最小距離，Hmin≥(80～100)mm；

hmax—根據(jù)要求設定的最大耕深，hmax=(15～30)mm。

按照上式，當Hmin=100mm、hmax=30mm時，得D≥260mm 。直徑過大時，轉(zhuǎn)速增加勢必會產(chǎn)生振動，平穩(wěn)性差，直徑過小時，彈齒頂端的切向速度小，影響切土及切向力的大小。因此，本除草部件中取D=280mm。

2)輪轂的直徑d的確定。為保證部件在工作時不纏苗，輪轂的周長要大于苗與草高度，且除草盤輪轂中心距離地面應有一定高度。根據(jù)試驗時秧苗高度，選取輪轂直徑d=100mm。

3)輪轂厚度的確定。彈齒是焊接在盤形輪轂上的，輪轂的厚度太大，浪費材料，同時部件笨重；厚度太小，在焊接彈齒時，容易發(fā)生變形，影響作業(yè)。本設計厚度L=4mm。

4)除草盤的離地間隙Hmin。除草盤的離地間隙是指地表與除草盤中心之間的距離，決定了除草作業(yè)深度。離地間隙太大，則作業(yè)深度淺，除草率低；太小，作業(yè)深度深，除草率高，但傷苗率大。本設計Hmin=(85～100)mm。

5)彈齒數(shù)Z的確定。為了除草盤工作時不纏苗，Z值越小越好，盡量減小刀齒密度；但彈齒數(shù)量少，在除草盤旋轉(zhuǎn)1周，工作齒減小，這樣會降低除草率。經(jīng)預備試驗，彈齒的數(shù)量為3～6時，可以保證不纏草、不纏苗，且能達到良好的除草效果。因此，本文選擇彈齒數(shù)Z=5進行設計研究。

6)切土角與出土角的研究。切土角是指彈齒即將要入土時彈齒與地面之間所形成的夾角；出土角是指彈齒即將要出土時彈齒與地面之間形成的夾角。切土角的設計應保證彈齒在切土時土壤阻力較小，且在彈齒運動到最低位置過程中，彈齒可以達到一個較大的深度。本文的切土角是在確定了除草盤中心距秧苗的距離以及除草深度后，通過作圖得出。同時，可以通過調(diào)節(jié)除草盤的離地間隙，調(diào)整切土角及出土角[11]。圖8為切土角和出土角關系圖。其中，圖8(a)為當除草盤離地間隙85mm時的切土角及出土角示意圖，圖8(b)為除草盤離地間隙100mm時的切土角及出土角示意圖。

設切土角為γ，出土角為α，從切土到出土擺動的角度為θ。由分析可知：α=γ+θ，當除草盤半徑和離地間隙確定后，θ角便為定值，隨著離地間隙的增大而隨著減小。本研究中，切土角為37°～46°，出土角為134°～143°。據(jù)有關資料表明，當出土角超過100°時，會影響脫泥、脫草性能。本設計的出土角大于100°，但是在室內(nèi)試驗中，由于土槽中灌水，在彈齒將出土時，土槽水對彈齒的沖刷，減弱了這種影響。通過試驗證明：在無水的情況下，脫泥、脫草現(xiàn)象嚴重；在有水的情況下，脫泥、脫水現(xiàn)象能夠得到較大的緩解。

圖8　切土角及出土角分析

2.2.2動力來源和調(diào)節(jié)方法

本研究使用三相異步電機作為扭矩輸出裝置，型號為Y90S-4型，額定功率為1.1kW，額定轉(zhuǎn)速為1 400r/min，最大轉(zhuǎn)矩為2.3N·m。電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用變頻器控制。

2.3　彈齒式除草裝置彈齒材料的選擇

彈齒材料的選擇以經(jīng)濟實用為原則，本研究彈齒材料的從以下3種材料中擇優(yōu)選取。

第1種材料為鍍鋅鋁合金，此材料為日常常見的自行車輻條，柔軟、易彎折、質(zhì)量小，在除草盤進行工作旋轉(zhuǎn)時，質(zhì)量多集中于除草盤輪轂處，所以在彈齒尖處力量小，可以降低傷苗率。但此種材料在土壤中遇到泥土阻力時容易發(fā)生變形，所以排除。

第2種材料為Q235，此種材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，價格便宜，適用于一般結(jié)構(gòu)鋼和工程用熱軋鋼板、鋼帶、型鋼，用途廣泛；但其雜質(zhì)多，且在除草盤旋轉(zhuǎn)工作時與輪轂焊接處易斷裂。

第3種材料為65Mn彈簧鋼，此種材料多用于制造彈簧零件，具有較高的抗拉強度、屈強比和疲勞強度，且具有足夠的塑性和韌性，同時彈簧鋼較硬，在碰到硬質(zhì)物體不易變形。彈簧鋼綜合性能良好。

經(jīng)過多次預備實驗對比研究，綜合考慮，彈齒材料選擇第3種65Mn彈簧鋼。

3彈齒除草盤的軌跡分析

3.1　除草盤旋轉(zhuǎn)軌跡

除草盤上的彈齒，無論為何種形狀，其工作時的絕對運動均為兩種運動的合成：一種是除草盤轉(zhuǎn)動時繞軸心旋轉(zhuǎn)所形成的圓周運動；另一種運動是機器前進時所具有的直線運動。在工作時，這兩種運動同時在彈齒上產(chǎn)生，彈齒的絕對運動是這兩種運動合成的結(jié)果。圖9為彈齒的運動軌跡[12-13]。

圖9　彈齒運動軌跡

圖9中，R為除草盤的旋轉(zhuǎn)直徑；ω為除草盤轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)角速度；ν為機器的前進速度(m/s)；c為切土距離(與除草盤轉(zhuǎn)速有關)(mm)。設以中心軸軸心在某一時刻的位置O點為坐標原點，機器前進方向為Z軸方向，旋轉(zhuǎn)平面為XY平面。取彈齒端部一點為觀察點，在機器的前進方向上做余弦運動，在旋轉(zhuǎn)平面上做圓周運動。

3.2　彈齒的切土研究

彈齒在工作時，從切土到出土的這段時間稱為切土時間。兩個相鄰彈齒的工作時間所走過的距離稱為切土近距，記做S。圖10為彈齒切土軌跡圖,曲線為彈齒切土的軌跡。

圖10　彈齒切土理論軌跡

圖11為實際土槽試驗得到除草盤運動軌跡。

圖11　土槽試驗彈齒切土實際軌跡

由圖11分析可知：切土近距S為除草盤轉(zhuǎn)過1圈，相鄰兩個彈齒的切土點距離。與除草盤轉(zhuǎn)速有關，每個彈齒的切土近距為c。假設除草盤安裝了Z個彈齒，則除草盤旋轉(zhuǎn)1周時，彈齒相繼切土的時間間隔為t=2π/zω，在此時間內(nèi)彈齒的切土距離S計算公式為

S=vt=2πv/zω

其中，S與除草盤的轉(zhuǎn)速、前進速度有關。S的大小直接影響除草的質(zhì)量。由上式可知：降低前進速度、增大除草盤轉(zhuǎn)速、增加彈齒齒數(shù)，都能減小切土近距，但前進速度過低，時間增加，作業(yè)效率低；除草盤轉(zhuǎn)速增加，勢必會增加秧苗損傷；彈齒齒數(shù)的增加，彈齒間空隙度小，容易造成纏苗。切土近距減小時，切土軌跡接近為一條直線，切土面積減小，除草率降低。提高工作前進速度、降低除草盤轉(zhuǎn)速、減小彈齒齒數(shù)時，都能增大切土近距，但前進速度過快，走過田間的時間短，除草率低；除草盤轉(zhuǎn)速降低，傷苗率減小，但除草盤旋轉(zhuǎn)力小，除草效果差；減少彈齒齒數(shù)，彈齒的密度減小，除草率降低。此時，切土軌跡為弧線，切土面積大，除草率高。S的確定需要綜合考慮除草盤的轉(zhuǎn)速及工作前進速度，盡可能地增大S值，以提高除草率。

4 結(jié)論

1)設計了一種適用于稻田株間除草的雙弧形彈齒除草盤，對其主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式在室內(nèi)土槽試驗進行了相關分析。研究得到了工作效果較好的雙弧形除草盤結(jié)構(gòu)形式及相關參數(shù)值。

2)建立了除草盤的運動模型，運用運動學的基本原理，對除草盤在水田環(huán)境下土壤中的運動軌跡和運動規(guī)律進行了研究，闡述了彈齒式除草部件的除草原理、除草時機。對彈齒式除草盤在軌跡分析時得出一些相應的試驗現(xiàn)象及出現(xiàn)的問題，為稻田機械除草技術提供了技術參考。

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Double Curved Rice Strains Between Analysis and Design of Key Components Weeding Setsudo Track

Niu Chunliang1, Wang Jinwu2, Ma Lisha1, Jiang Zhongai1, An Xianghua1

(1.Mechanical and Power Engineering College，Dalian Oceang University,Dalian 116023, China；2.Engineering College,Northeast Agricultural University，Harbin 150030, China)

Abstract：Paddy mechanical weed control technology is a key influence quality rice production technology, the use of mechanical weeding in different periods of sowing paddy weeding, both in addition to killing weeds Tanaka,but also reduce environmental pollution. At present,the domestic rice fields weeding machinery mainly for inter-row weed removal, while weeding between plants become the focus of the study researchers, this study was designed between a double curved lines herbicidal components, and parts setsudo indoor track soil groove experimental analysis, get a better analysis results.

Key words：rice; between strains; double arc; setsudo trajectory

中圖分類號：S224.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0122-05

作者簡介：牛春亮(1983-),男，黑龍江牡丹江人，講師， (E-mail)clniu@qq.com。通訊作者：安相華(1982-)，男，遼寧大連人，講師，博士， (E-mail) anxianghua1982@126.com。

基金項目：遼寧省自然科學基金項目(2015020134)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2014274)；黑龍江省科技廳重大攻關項目(GB07B106)

收稿日期：2015-11-10