田立權(quán) 毛旭輝 姚秀奇

摘 要：為了實現(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行三維建模，建立了除草裝置運動學(xué)模型，對其運動軌跡進行分析，通過土槽臺架試驗對軌跡進行檢測。田間試驗表明，當除草裝置旋轉(zhuǎn)速度為72r/min，除草裝置前進速度為0.44m/s，除草齒入土深度為42mm時，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%，滿足水稻機械除草農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：水稻；株間除草；裝置；試驗

中圖分類號：S22 文獻標識碼：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，其與水稻爭奪生長空間、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。而水稻機械除草利用除草機械（如乘坐式、步進式、自走式）實現(xiàn)對稻田雜草拔除、切斷或壓埋等作用[1]。對比于化學(xué)藥劑除草，機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)者對水稻機械除草裝置進行了研究，如日本三菱公司研制的MRW-5型乘坐式水稻除草裝置，機具一次入田可實現(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械，操作人員可直接觀察到除草作業(yè)情況，方便及時調(diào)整機械作業(yè)參數(shù)，從而減少對稻苗的損傷，但增加了操作人員的勞動強度；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了乘坐式除草機具，通過螺旋鋼絲清除株間雜草、旋轉(zhuǎn)輥輪壓埋行間雜草，實現(xiàn)對水稻株間、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)計的耘耥式除草裝置，通過除草裝置實現(xiàn)行間除草作業(yè)，但這2種除草裝置未見田間作業(yè)的報道。相對而言，進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，控制除草裝置清除雜草且降低對稻苗損傷，需要對株間除草裝置進行研究。我國水稻株間除草裝置主要有水平圓盤式、往復(fù)擺動式、固定輕耙式、固定鏟式及對轉(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行三維建模，建立了除草裝置運動學(xué)模型，并對除草裝置形成的運動軌跡進行分析，探究除草裝置不同工作參數(shù)對運動軌跡影響規(guī)律，通過土槽臺架試驗對除草裝置運動軌跡進行驗證，得到水稻株間除草裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合，并進行田間試驗。該研究可為水稻機械除草裝置設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計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，通過安裝盤帶動除草齒整體旋轉(zhuǎn)。除草齒選用邊長為6mm，韌性較好方鋼加工，根據(jù)實際入土深度，設(shè)計其長度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（弧段長度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，同時除草齒增加與土壤接觸滑移面積，將雜草進行掩埋，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)整各個安裝盤作業(yè)間距；同時測量水田土質(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，除草機具通過鏈傳動將動力傳至除草裝置，帶動除草齒做旋轉(zhuǎn)運動，如圖2所示。

除草齒的運動隨除草機具前進直線運動及隨安裝盤旋轉(zhuǎn)運動復(fù)合而成，通過調(diào)整機具的前進速度與自身旋轉(zhuǎn)運動（除草速比），實現(xiàn)除草齒對水稻株間均勻除草，減少作業(yè)傷苗現(xiàn)象。每個除草齒在同一個旋轉(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，同時完成對雜草的切斷及壓埋。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)合運動作業(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 運動學(xué)分析

性能試驗中，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運動軌跡的要求。通過測量形成的軌跡線的寬度和長度，可以確定稻苗植株行與除草齒相對位置，即相鄰除草齒軌跡交點連線應(yīng)與稻苗植株行重合。經(jīng)臺架試驗可知，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)計的水稻株間除草裝置為研究對象，建立了除草齒運動學(xué)模型，利用室內(nèi)土槽試驗臺進行性能試驗，并經(jīng)過田間試驗表明，當除草裝置旋轉(zhuǎn)速度為72r/min，除草裝置前進速度為0.44m/s，除草齒入土深度為42mm時，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%，滿足水稻機械除草農(nóng)藝要求。

參考文獻

[1] 馬旭，齊龍，梁柏，等.水稻田間機械除草裝備與技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（6）：162-168.

[2] 陶桂香，王金武，周文琪，等.水田株間除草機械除草機理研究與關(guān)鍵部件設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46（11）：57-63.

[3] 吳崇友，張敏，金誠謙，等.2BYS-6型水田中耕除草機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40（7）：51-54.

[4] 胡煉，羅錫文，嚴乙桉，等.基于爪齒余擺運動的株間機械除草裝置研制與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（14）：10-16.

[5] 石井博和，佐藤正憲.水田中耕用除草機の性能と除草効果向上方策[J].日本作物學(xué)會関東支部會報，2006（21）：22-23.

[6]Mohammad Shekofteh， Hosein Shekofteh， Mohammad Razahojati. Modeling the soil cutting process in rotary tillers using finite element method [J]. International Journal of Agriculture： Research and Review， 2012， 2（5）： 595-607.

[7] 王金武，牛春亮，張春建，等.3ZS-150型水稻中耕除草機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42（2）：75-79.

[8] 馮金旭，高偉.輕型水田除草機[P].中國：201320635312.0，2014-04-02.

[9] 曹加龍.一種小型稻田耘耥除草機[P].中國：200520113356.2，2006-09-27.