韓 豹 郭 暢 高英玲 劉 俏 孫 碩,2 董小偉

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江省煙草公司牡丹江市公司， 牡丹江 157010)

0 引言

東北大豆多采用壟上雙苗帶種植模式[1]。田間雜草是大豆出苗后的主要災(zāi)害之一，株間雜草對(duì)秧苗危害更為嚴(yán)重[2-3]。目前，田間雜草防控仍然高度依賴化學(xué)除草劑，其大量施用所造成的環(huán)境污染、糧食與食品安全以及雜草抗藥性等問題已引起全世界廣泛關(guān)注[3-4]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極探索研究非化學(xué)雜草防控措施，以降低化學(xué)防除帶來的一系列負(fù)面影響[5-8]。機(jī)械除草是作物生長(zhǎng)初期應(yīng)用最廣泛的一種非化學(xué)除草方法，不僅能夠高效破除大豆苗前土壤板結(jié)、保證出苗整齊，而且可對(duì)苗后株間土壤進(jìn)行疏松，消滅幼草，從而減少除草劑的施用量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)除草劑的依賴性，其難點(diǎn)在于株間雜草的防除[9-10]。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)智能與非智能株間機(jī)械除草機(jī)進(jìn)行了大量研究[11]。在智能株間除草機(jī)方面，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，現(xiàn)階段主要以研究部分關(guān)鍵技術(shù)為主[11-18]，國(guó)外研究多見于歐洲，一些研究成果已投入使用[19-20]，但受限于圖像采集、傳輸、處理和控制的速度，與非智能除草機(jī)相比作業(yè)效率過低[21]，并且這些研究均針對(duì)200 mm以上大株距、單行種植作物的株間除草。

近年來，國(guó)內(nèi)研制出一些具有一定實(shí)用性的非智能除草作業(yè)裝備[22-26]，在整地條件好的情況下，株間除草作業(yè)過程中雖然存在一些不足，但這些裝備基本能夠滿足某些作物株間松土除草的農(nóng)藝要求。然而，在東北保護(hù)性耕作種植大豆株間機(jī)械除草過程中，由于大豆出苗后前茬作物還田秸稈、根茬均尚未腐爛，尤其是米-豆輪作種植田塊，玉米秸稈殘茬較多、分布不勻，機(jī)械除草作業(yè)部件極易纏草堵塞，導(dǎo)致拖土埋苗，造成傷苗率大幅度升高。

為了解決株間機(jī)械除草作業(yè)單體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適應(yīng)性差、前后梳齒驅(qū)動(dòng)盤橫向間距不能調(diào)整等問題，本文在已有研究基礎(chǔ)上，對(duì)作業(yè)單體進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。針對(duì)株間除草作業(yè)部件易纏草、堵塞和入土能力弱等問題，設(shè)計(jì)行星輪梳齒式株間機(jī)械除草機(jī)構(gòu)。通過單因素試驗(yàn)獲得影響其作業(yè)性能的主要因素及各因素的取值范圍，在此基礎(chǔ)上，以傷苗率和除草率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行田間試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)，以期獲得一組適合當(dāng)前壟上雙行種植大豆株間松土除草要求的理想?yún)?shù)，改善除草機(jī)構(gòu)作業(yè)性能，提高其適應(yīng)性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 單體結(jié)構(gòu)

針對(duì)3ZCF-7700型多功能除草機(jī)作業(yè)單體存在的問題，改進(jìn)后作業(yè)單體如圖1所示。單體通過兩根U形螺栓與機(jī)架主梁連接，以方便行距的調(diào)整。主要由單體限深驅(qū)動(dòng)輪總成、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、小橫梁、壟側(cè)松土機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)相同的左、右株間松土除草機(jī)構(gòu)組成。

圖1 株間機(jī)械除草單體機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of intra-row weeding monomer mechanism1.驅(qū)動(dòng)輪總成 2.小橫梁 3.右株間松土除草機(jī)構(gòu) 4.壟側(cè)松土機(jī)構(gòu) 5.左株間松土除草機(jī)構(gòu) 6.U形螺栓 7.平行四桿仿行機(jī)構(gòu) 8.單體傳動(dòng)系統(tǒng)

平行四桿仿形機(jī)構(gòu)使連接到小橫梁上的單體驅(qū)動(dòng)輪總成、壟側(cè)松土機(jī)構(gòu)和左、右株間松土除草機(jī)構(gòu)在作業(yè)過程中始終處于上下平動(dòng)；單體限深驅(qū)動(dòng)輪通過對(duì)壟溝進(jìn)行仿形，限制除草部件(梳齒)入土深度并為左、右株間松土除草機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力；壟側(cè)松土機(jī)構(gòu)位于左、右株間除草機(jī)構(gòu)之前，其上兩套彈性梳齒分別位于苗帶兩側(cè)，可沿壟向?qū)⒚鐜蓚?cè)土壤板結(jié)層破壞，避免板結(jié)塊過大擠壓、損傷秧苗；左、右株間松土除草機(jī)構(gòu)位于苗帶兩側(cè)，通過改變二者間距，實(shí)現(xiàn)梳齒入土最深位置的調(diào)整，以適應(yīng)壟上單、雙行種植作物株間松土除草需要。

1.2 除草作業(yè)工作原理

作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)牽引連接到機(jī)架上的大豆株間除草單體機(jī)構(gòu)以5～8 km/h作業(yè)速度前進(jìn)，壟側(cè)松土機(jī)構(gòu)上的梳齒將作物苗帶兩側(cè)的土壤板結(jié)層破壞并疏松，單體驅(qū)動(dòng)輪總成結(jié)合平行四桿仿形機(jī)構(gòu)通過對(duì)壟溝的仿形控制松土除草部件(梳齒)入土深度，同時(shí)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)左、右松土除草機(jī)構(gòu)上的梳齒驅(qū)動(dòng)盤圍繞各自中心軸以相同轉(zhuǎn)速相對(duì)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，梳齒驅(qū)動(dòng)盤再帶動(dòng)始終保持一定姿態(tài)的梳齒像人工操作耙子一樣由壟兩側(cè)向苗帶交替梳刷，將秧苗附近(苗帶)深度20～40 mm范圍內(nèi)的表層土壤疏松的同時(shí)，幼草被掩埋或曬枯而死，達(dá)到疏松株間土壤并除掉幼草的目的。

1.3 單體機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)

作業(yè)時(shí)，單體機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輪采用5.0-12型人字花紋輪胎，通過一套鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給六方軸，然后再經(jīng)六方軸上的兩對(duì)傳動(dòng)比為1∶1的圓錐齒輪換向，最后再由兩套鏈傳動(dòng)分別帶動(dòng)左、右梳齒驅(qū)動(dòng)盤繞各自中心軸相對(duì)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。單體傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖見圖2。單體傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比為

(1)

式中Z1——主動(dòng)鏈輪齒數(shù)

Z2——六方軸從動(dòng)鏈輪齒數(shù)

Z3——圓錐齒輪箱主動(dòng)鏈輪齒數(shù)

Z4——除草機(jī)構(gòu)從動(dòng)鏈輪齒數(shù)

圖2 單體機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Monomer mechanism transmission system1.右株間松土除草機(jī)構(gòu) 2.小橫梁 3.左株間松土除草機(jī)構(gòu) 4.圓錐齒輪箱 5.鏈傳動(dòng)1 6.驅(qū)動(dòng)輪 7.六方軸 8.鏈傳動(dòng)2

2 除草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 偏心組合梳齒式除草機(jī)構(gòu)問題剖析

除草機(jī)構(gòu)是大豆株間除草機(jī)作業(yè)單體的關(guān)鍵部件。文獻(xiàn)[27-28]中株間除草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案為偏心組合梳齒式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。主要由圓柱齒輪箱、前后梳齒盤、梳齒軸、彈性梳齒、前后從動(dòng)盤和滑道等組成。

圖3 偏心組合梳齒式株間除草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure of assemble multi-finger intra-row weeding mechanism1.梳齒軸 2.彈性梳齒 3.前輸出軸 4.前滑道 5.前梳齒盤 6.前從動(dòng)盤 7.支撐架 8.鏈條傳動(dòng)系統(tǒng) 9.后滑道 10.后梳齒盤 11.后梳齒軸 12.后從動(dòng)盤 13.連接板 14.齒輪箱

由梳齒盤、從動(dòng)盤和連接板組成前、后各3組平行四連桿機(jī)構(gòu)控制梳齒軸上的彈性梳齒在作業(yè)過程中始終保持直立姿態(tài)。結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且從動(dòng)盤通過調(diào)整3個(gè)滾輪圍繞滑道同心轉(zhuǎn)動(dòng)，控制精度低，可靠性差，梳齒破土能力弱；另外田間除草試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)以下2個(gè)主要問題：①該機(jī)構(gòu)前后結(jié)構(gòu)尺寸較大，在當(dāng)前整地狀況下，難以穩(wěn)定控制前、后梳齒的入土深度基本一致，造成漏鋤、掘土和秧苗損傷，同時(shí)梳齒易被秸稈堵塞，導(dǎo)致拖土埋苗和傷苗。②前、后梳齒盤橫向間距固定，僅適應(yīng)單行種植作物株間機(jī)械除草，適應(yīng)性差。尤其是在東北免耕壟作雙行種植大豆株間除草作業(yè)過程中，本應(yīng)梳齒最深入土深度位于苗帶兩側(cè)，但因橫向間距不可調(diào)整，使梳齒最深入土深度處于比較接近幼苗根部，出現(xiàn)挖根、傷苗現(xiàn)象。

2.2 改進(jìn)方案

圖4 行星輪株間除草機(jī)構(gòu)Fig.4 Planetary gears intra-row weeding mechanism1.梳齒軸 2.梳齒 3.殼體 4.鏈輪 5.中心軸 6.固定座 7.行星輪 8.惰輪 9.中心輪 10.行星輪輸出軸

首先，將原設(shè)計(jì)中前、后配置的組合梳齒式除草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案改為左右配置，即解決除草機(jī)構(gòu)前后結(jié)構(gòu)尺寸過大導(dǎo)致梳齒入土深度不一致和拖土埋苗問題，也便于兩個(gè)除草機(jī)構(gòu)橫向間距的調(diào)整，以適應(yīng)壟上單、雙行種植作物株間除草作業(yè)的要求。左、右株間除草機(jī)構(gòu)配置如圖4所示。

其次，將控制彈性梳齒姿態(tài)的3組原平行四桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為1套行星輪系，并且梳齒入土姿態(tài)(入土角)可調(diào)。改進(jìn)設(shè)計(jì)的行星輪株間除草機(jī)構(gòu)如圖4所示(左視圖為拆下梳齒盤殼體左側(cè)板)。

行星輪株間除草機(jī)構(gòu)包括：由梳齒和梳齒軸構(gòu)成的除草部件、由1組行星輪系與殼體構(gòu)成的行星輪驅(qū)動(dòng)盤以及固定座3部分。其中，1組行星輪系位于殼體內(nèi)，由模數(shù)和齒數(shù)均相同的中心齒輪、惰輪和行星齒輪組成。中心齒輪通過鍵與中心軸裝配，而中心軸則與固定座裝配，其安裝角度可調(diào)。3組除草部件與3根行星齒輪軸固連，只需改變中心軸安裝角度即可實(shí)現(xiàn)全部梳齒入土角度的調(diào)整，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，傳動(dòng)更加可靠。

3 除草機(jī)構(gòu)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 梳齒運(yùn)動(dòng)規(guī)律

作業(yè)時(shí)，配置在苗帶兩側(cè)的左、右除草機(jī)構(gòu)以一定速度vm沿壟向前進(jìn)，左、右驅(qū)動(dòng)盤使除草部件的梳齒圍繞各自中心軸以相同轉(zhuǎn)速和入土角由苗帶兩側(cè)相對(duì)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，梳齒上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均構(gòu)成一條螺旋線，見圖5a。其參數(shù)方程為

(2)

式中R——除草部件回轉(zhuǎn)半徑

ω——驅(qū)動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)角速度

t——時(shí)間

圖5 單根梳齒運(yùn)動(dòng)軌跡與齒跡示意圖Fig.5 Trajectory sketch of single comb tooth and the tooth traces

梳齒梳刷地表形成的齒跡為一組等間距平移曲線，其梳理苗帶寬度W與入土深度有關(guān)[27]，如圖5b所示。則該圓柱螺旋線在平行于xOy平面(地面)上投影方程為

(3)

其中

φ=2π/N

式中n——驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速

N——驅(qū)動(dòng)盤上梳齒總數(shù)

k——梳齒序號(hào)

φ——相鄰兩條齒跡線的相位差

機(jī)械除草作業(yè)通過這些間距相等且平行的齒跡使苗帶土壤疏松或翻轉(zhuǎn)，將扎根較淺的幼草根系破壞或拋至地表曬枯，實(shí)現(xiàn)株間既松土又除草的目的。

由式(3)可知，在梳齒入土深度一定條件下，影響機(jī)械除草作業(yè)性能的主要參數(shù)有除草部件在驅(qū)動(dòng)盤上回轉(zhuǎn)半徑R、驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n、驅(qū)動(dòng)盤上梳齒總數(shù)N和前進(jìn)速度vm。

3.2 梳齒長(zhǎng)度L與梳齒入土角β

梳齒是除草機(jī)構(gòu)入土作業(yè)部件，以一定間隔均布在梳齒軸上?？紤]到梳齒需要較高的疲勞強(qiáng)度和良好的韌性，既要保證在作業(yè)時(shí)不宜被折斷，也應(yīng)該防止除草作業(yè)時(shí)梳齒發(fā)生不可恢復(fù)的形變，根據(jù)文獻(xiàn)[27]，梳齒選用φ6 mm的65Mn彈簧鋼絲，梳齒軸為φ25 mm厚壁無縫鋼管，故梳齒中徑D=35 mm。梳齒長(zhǎng)度L的確定通?？紤]除草期秧苗的高度H和梳齒在秧苗位置的入土深度(松土深度)h。由于實(shí)際株間機(jī)械除草作業(yè)時(shí)，梳齒最深入土位置處在苗行兩側(cè)，為使松土深度h穩(wěn)定在20～40 mm范圍內(nèi)，梳齒最深入土深度hB≥h。根據(jù)前期的試驗(yàn)研究與調(diào)查，測(cè)得機(jī)械除草作業(yè)期大豆秧苗平均株高H<140 mm，同時(shí)考慮到驅(qū)動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)尺寸，取梳齒長(zhǎng)度L=230 mm，如圖6a所示。

圖6 梳齒結(jié)構(gòu)與相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.6 Structure of comb tine and related design parameters

另外，為進(jìn)一步提高除草效果，將梳齒入土端設(shè)計(jì)成同旋轉(zhuǎn)方向一致的彎弓結(jié)構(gòu)。田間初步試驗(yàn)表明，帶有彎弓的梳齒比直梳齒入土和對(duì)扎根偏深雜草的除草能力強(qiáng)，同時(shí)還具有較好的株間覆土(培土)效果。但彎弓角度過大，齒間易堵塞、傷苗。本設(shè)計(jì)可通過調(diào)整除草機(jī)構(gòu)中心軸的安裝角度，實(shí)現(xiàn)梳齒入土端與鉛垂方向夾角(梳齒入土角)β的調(diào)整，其范圍為10°～35°。圖6中d為梳齒直徑，LA為梳齒軸間距，LC為壟上秧苗小行距。

3.3 除草部件回轉(zhuǎn)半徑R

在驅(qū)動(dòng)盤上，半徑為R的圓上均布3套除草部件。如圖6b所示，則每?jī)商壮莶考g距LA與梳齒長(zhǎng)度L、梳齒中徑D應(yīng)滿足

(4)

將L=230 mm、D=35 mm、d=6 mm代入式(4)得：R>145 mm。

由于行星輪系中，除草部件回轉(zhuǎn)半徑等于齒輪分度圓直徑的2倍，同時(shí)考慮除草機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，齒輪模數(shù)取2.5 mm，齒數(shù)為33齒，則R為165 mm。

3.4 梳齒軸上均布梳齒個(gè)數(shù)j與間距δ

由圖4可見，每個(gè)驅(qū)動(dòng)盤上安裝3套除草部件，設(shè)在每套除草部件的梳齒軸上均布j根梳齒，其相鄰梳齒間距為δ，則每套除草部件沿壟向單幅作業(yè)距離均為jδ，如圖7。圖中vr為梳齒繞中心軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)線速度，v為梳齒絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

圖7 齒跡相關(guān)參數(shù)Fig.7 Correlation parameters of tooth trace

田間除草作業(yè)時(shí)，齒跡線與前進(jìn)方向的夾角(齒跡角)α一般不小于60°[27]，則齒跡間距Δs為

(5)

根據(jù)前期理論分析與試驗(yàn)研究[27]，梳齒間距過小易拖土或堵塞，間距過大又會(huì)使除草率降低。在松土深度h為20～40 mm作業(yè)條件下，單根梳齒松土寬度(松土范圍)為40～80 mm，取δ=50 mm，α=60°，由式(5)可得齒跡間距Δs=43 mm。

在梳齒間距δ一定情況下，梳齒數(shù)目j越多，每套除草部件單幅作業(yè)距離J越長(zhǎng)，同一梳齒軸上的梳齒入土深度一致性越難保證，而且過多的梳齒同時(shí)入土所受阻力大，產(chǎn)生的沖擊力也越大，除草作業(yè)工作穩(wěn)定性越差。但是，除草部件上均布梳齒個(gè)數(shù)若過少，在同等作業(yè)速度條件下，則必須提高驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，使梳齒運(yùn)動(dòng)線速度增加，造成梳齒傷苗。經(jīng)前期試驗(yàn)，取j=4，即單幅作業(yè)距離J為200 mm，能夠獲得較好作業(yè)效果。

3.5 驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n

按齒跡間隔均等且不重不漏的設(shè)計(jì)原則，除草機(jī)構(gòu)以作業(yè)速度vm前進(jìn)，在作業(yè)時(shí)間t內(nèi)，其作業(yè)距離與驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速關(guān)系為

S=vmt=3jδnt/60 000=jδnt/20 000

(6)

由式(6)可知，在單幅作業(yè)距離J一定條件下，驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n與除草作業(yè)速度vm成正比。

此外，梳齒線速度vr是梳齒驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的主要依據(jù)[27]。梳齒線速度vr越大，其破土壤板結(jié)和碎土能力越強(qiáng)，單根梳齒松土范圍相應(yīng)變大，但梳齒入土沖擊力也越大，而且易造成秧苗損傷，一般vr不大于3.2 m/s。所以驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n還應(yīng)滿足

(7)

綜上所述，驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速需要滿足齒跡間隔均等且不重不漏的條件，同時(shí)R一定時(shí)，驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n存在最大極限值。大豆株間機(jī)械除草作業(yè)速度vm一般為1.35～2.0 m/s，將R=165 mm、J=200 mm代入式(6)和式(7)得n=100vm，且n≤185 r/min。即驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速范圍為135～185 r/min。所設(shè)計(jì)的大豆株間機(jī)械除草機(jī)構(gòu)在不同作業(yè)速度下對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速如表1。

表1 不同作業(yè)速度下驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速Tab.1 Driving turntable velocity at different forward speeds

3.6 松土深度h

松土深度一般指秧苗位置(苗帶)的松土深度，其對(duì)苗間機(jī)械除草裝置的作業(yè)性能有較大影響[26-29]，過淺則達(dá)不到除草效果，反之則易損傷秧苗根部。因此，在機(jī)械除草作業(yè)過程中，為避免除草部件損傷秧苗根部，梳齒最深入土點(diǎn)應(yīng)位于苗行兩側(cè)，設(shè)最深入土點(diǎn)與苗行距離(最深入土位置)為P。由圖6b可見，最深入土位置P、最深入土深度hB和松土深度h關(guān)系為

(8)

由式(8)可知，在梳齒回轉(zhuǎn)半徑R一定的情況下，其最深入土位置P和最深入土深度hB是影響松土深度h的2個(gè)重要因素。增大最深入土位置P或減小最深入土深度hB均可減小松土深度h。

3.7 梳齒最深入土位置P

東北大豆壟作株間除草作業(yè)時(shí)，因壟形壟貌等極不規(guī)范，樣機(jī)采用相對(duì)壟溝溝底仿形控深方法，梳齒最深入土位置P和最深入土深度hB變化幅度均比較大，P越小，梳齒對(duì)秧苗根莖造成損傷的可能性就越大。由圖6b可知，梳齒最深入土位置P應(yīng)滿足

(9)

東北大豆壟上雙行種植平均小行距LC=110 mm，根據(jù)前期大豆株間除草試驗(yàn)研究，平均最深入土深度hB=50 mm，代入式(9)得：63 mm

4 除草性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^室內(nèi)臺(tái)架首先進(jìn)行單因素試驗(yàn)，明確除草機(jī)構(gòu)各工作參數(shù)對(duì)株間除草性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律；再通過正交試驗(yàn)確定各主要影響因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，尋找出一組最優(yōu)的因素參數(shù)組合，從而使試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值；最后按所優(yōu)化工作參數(shù)組合通過田間實(shí)際除草作業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

單因素與正交試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)具實(shí)驗(yàn)室自制試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行[27-28]。該試驗(yàn)臺(tái)架主要由水平臺(tái)架、移動(dòng)土槽、除草機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)頻控制臺(tái)等構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)盤由額定功率為1.1 kW變頻調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)。

移動(dòng)土槽長(zhǎng)6 m，寬1.2 m，移動(dòng)速度范圍為0～3 m/s。槽內(nèi)起壟高度為120 mm，臺(tái)寬220 mm，土壤含水率為15.8%～19.7%，土塊最大尺寸為30 mm；試驗(yàn)用大豆秧苗和雜草均來自試驗(yàn)田，并按大豆壟上雙行種植農(nóng)藝要求，壟上人工移栽雙行平均小行距110 mm，株距80 mm，栽植根深50 mm，地上株高平均126 mm；雜草為稗草，根系長(zhǎng)度小于20 mm，栽植深度小于20 mm，地上高度平均32 mm，隨機(jī)分布?jí)派稀?/p>

4.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

行星輪株間除草機(jī)構(gòu)研制的主要目的是提高株間除草率的同時(shí)，解決原設(shè)計(jì)樣機(jī)梳齒入土深度不一致、適應(yīng)性差和傷苗率偏高問題，因此將除草率和傷苗率作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)參照J(rèn)B/T 7864—1999《旱田中耕追肥機(jī)試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定，記錄測(cè)區(qū)內(nèi)每次試驗(yàn)前、后的雜草株數(shù)、秧苗總數(shù)與傷苗株數(shù)。試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式為[31-33]

(10)

(11)

式中c——除草率，%

Qz——測(cè)區(qū)內(nèi)除草前雜草株數(shù)

Hz——測(cè)區(qū)內(nèi)除草后雜草株數(shù)

s——傷苗率，%

Ms——測(cè)區(qū)內(nèi)除草后傷苗株數(shù)

Mz——測(cè)區(qū)內(nèi)除草前秧苗數(shù)

4.3 單因素試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述的理論分析，結(jié)合課題組前期研究以及田間試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在大豆株間除草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下，總結(jié)出梳齒入土角、梳齒最深入土位置、梳齒最深入土深度和驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速為影響除草機(jī)構(gòu)除草性能的4個(gè)主要工作參數(shù)。為明確各工作參數(shù)對(duì)除草作業(yè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，對(duì)其分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)梳齒入土角β

根據(jù)前期試驗(yàn)研究，設(shè)定梳齒最深入土位置P=75 mm、最深入土深度hB=50 mm和驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n=165 r/min (土槽移動(dòng)速度為1.65 m/s)。根據(jù)梳齒入土角β范圍為10°～35°，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定β為10°、15°、20°、25°、30°和35°共6個(gè)水平。各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與梳齒入土角的關(guān)系如圖8a所示。

圖8 試驗(yàn)指標(biāo)與各因素之間的關(guān)系Fig.8 Relationships between experimental indexes and experiment factors

由圖8a可知，隨著梳齒入土角β的增大，除草率緩慢小幅上升，基本趨于平穩(wěn)。除草率的范圍為83.9%～91.6%；傷苗率先緩升后急劇上升，當(dāng)β<30°時(shí)，傷苗率均在4%以下。適宜的β范圍為10°～30°，雖然在β=15°時(shí)除草率與傷苗率均略低于β=20°時(shí)，綜合考慮田間機(jī)械除草過程中梳齒入土能力、對(duì)扎根偏深雜草的除草能力以及株間培土效果，取β=20°為較優(yōu)值。

(2)梳齒最深入土位置P

設(shè)定最深入土深度hB=50 mm，梳齒入土角β=20°，驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n=165 r/min(土槽移動(dòng)速度為1.65 m/s)。根據(jù)梳齒最深入土位置P范圍為63～118 mm，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定65、75、85、95、105、115 mm共6個(gè)水平。各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與梳齒最深入土位置的關(guān)系如圖8b所示。

由圖8b可知，隨著梳齒最深入土位置P的增大，除草率先平緩下降后急劇下降，傷苗率先急劇下降后緩降。當(dāng)梳齒最深入土位置P小于95 mm時(shí)，除草率隨著最深入土位置P的增大，由91.3%緩降到88.1%；當(dāng)梳齒最深入土位置P大于95 mm時(shí)，隨著最深入土位置P的增大，除草率由88.1%急劇下降；而傷苗率隨著最深入土位置P的增大，由3.6%先急劇降低到2.7%，然后開始緩慢下降并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)镻越大，梳齒在最深入土位置時(shí)距秧苗根部越遠(yuǎn)，越不易對(duì)秧苗根部造成損傷，也不會(huì)造成拖土埋苗。根據(jù)東北壟作雙行大豆株間機(jī)械除草作業(yè)農(nóng)藝要求，適宜的最深入土位置為65～95 mm，其除草率均達(dá)到88.1%以上，傷苗率均小于4%。較佳最深入土位置為95 mm，除草率為88.1%，傷苗率為2.7%。

(3)梳齒最深入土深度hB

設(shè)定最深入土位置P=95 mm，梳齒入土角β=20°，驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n=165 r/min(土槽移動(dòng)速度為1.65 m/s)。根據(jù)前期試驗(yàn)研究，設(shè)定最深入土深度hB為35、40、45、50、55、60 mm共6個(gè)水平。各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與梳齒最深入土深度的關(guān)系如圖8c所示。

由圖8c可知，隨著梳齒最深入土深度hB的增大，除草率先急劇上升后緩升，傷苗率則先緩升后急劇上升。其原因是隨著梳齒最深入土深度增大，梳齒攪動(dòng)土壤層(土壤帶動(dòng)層)厚度與面積也隨之增大，扎根偏深的雜草被掩埋和除掉的同時(shí)，出現(xiàn)埋苗現(xiàn)象，從而使除草率與傷苗率均相應(yīng)上升。當(dāng)最深入土深度hB為35～40 mm時(shí)，除草率上升較快，其范圍為79%～86.6%。傷苗率由2.4%緩升到2.6%。最深入土深度在40～55 mm時(shí)，隨著hB的增大，除草率升幅較小，趨于平穩(wěn)，傷苗率均小于4%。當(dāng)hB大于55 mm后，由于苗帶區(qū)域松土深度過深，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)梳齒將整株大豆秧苗挑出和埋苗現(xiàn)象，導(dǎo)致傷苗率急劇上升。

在傷苗率許可范圍內(nèi)，同時(shí)為獲得較好的株間除草效果，比較適宜的最深入土深度為40～55 mm，除草率的范圍為86.6%～91.3%，趨于穩(wěn)定。

(4)驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n

設(shè)定梳齒入土角β=20°，梳齒最深入土深度hB=50 mm，梳齒最深入土位置P=95 mm，根據(jù)驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n范圍135～185 r/min，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n為135、145、155、165、175、185 r/min共6個(gè)水平。各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖8d所示。

由圖8d可知，隨著驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速n的增大，除草率和傷苗率均小幅緩慢升高。除草率均能達(dá)到85%以上，傷苗率低于3.4%，各性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定的實(shí)際效果說明在驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速對(duì)除草機(jī)構(gòu)作業(yè)性能影響非常小。

4.4 正交試驗(yàn)

考慮到田間試驗(yàn)條件與室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)條件存在較大差異與不確定影響因素，故正交試驗(yàn)在田間大豆除草作業(yè)期進(jìn)行。

4.4.1試驗(yàn)條件與設(shè)備

試驗(yàn)條件：2018年6月11—12日在黑河市孫吳縣賀豐種業(yè)大豆種子試驗(yàn)田進(jìn)行田間機(jī)械除草試驗(yàn)，該地區(qū)為黑壤土，前茬作物為玉米，壟距650 mm，平均壟高116 mm，0～100 mm深度內(nèi)平均含水率17.1%，壟臺(tái)土壤堅(jiān)實(shí)度862 kPa，免耕壟上雙行播種大豆，壟上大豆平均小行距116 mm，大豆平均株高126 mm，平均秸稈覆蓋量為0.78 kg/m2,秸稈長(zhǎng)度小于100 mm。

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備：新加工行星輪梳齒式株間除草作業(yè)單體、奔野BY480型拖拉機(jī)、SC900型土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x、SM-2型土壤水分測(cè)量?jī)x、30 cm鋼板尺和50 m卷尺。

4.4.2試驗(yàn)影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于前述理論分析與單因素試驗(yàn)，梳齒入土角、梳齒最深入土位置和梳齒最深入土深度對(duì)大豆株間除草作業(yè)性能有較大影響，而驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速則對(duì)大豆株間除草作業(yè)性能指標(biāo)的影響不顯著，故除草作業(yè)時(shí)，只需根據(jù)作業(yè)條件，由表1確定驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速即可。本次田間試驗(yàn)標(biāo)定作業(yè)速度為1.65 m/s(驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速165 r/min)。為探究梳齒入土角、梳齒最深入土位置和最深入土深度3個(gè)主要因素對(duì)大豆株間除草作業(yè)性能的影響程度及最佳參數(shù)組合，以壟上雙行種植大豆株間除草率和傷苗率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗(yàn)。根據(jù)單因素試驗(yàn)的分析結(jié)果確定正交試驗(yàn)的因素水平，見表2。

表2 因素水平Tab.2 Factors and levels

4.4.3試驗(yàn)方法

參照J(rèn)B/T 7864—1999《旱田中耕追肥機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

測(cè)區(qū)的確定:作業(yè)區(qū)域長(zhǎng)30 m、寬1.3 m，每組試驗(yàn)3次。將作業(yè)區(qū)域分為3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心，用規(guī)格為1 m×0.24 m矩形鋼絲框確定測(cè)試區(qū)，并測(cè)定每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)作業(yè)前、后株間(苗帶寬度240 mm)雜草與秧苗的株數(shù)以及秧苗被梳齒打折、除掉、掩埋不能正常生長(zhǎng)的秧苗株數(shù)。田間試驗(yàn)及作業(yè)效果如圖9所示。

圖9 田間試驗(yàn)及作業(yè)效果Fig.9 Photos of field experiment and its operation effect

4.4.4試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示(A、B、C為因素水平值)，試驗(yàn)結(jié)果極差分析與方差分析如表4、5。

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal experiment

表4 極差分析Tab.4 Range analysis

表5 正交試驗(yàn)方差分析Tab.5 Variance analysis result of orthogonal test

注：F0.01(2,2)=99.01，F(xiàn)0.05(2,2)=19.00，F(xiàn)0.1(2,2)=9.00。F>F0.01(2,2)，為影響極顯著，記作** ，F(xiàn)0.05(2,2)

對(duì)于除草率性能指標(biāo)，由極差分析和方差分析的結(jié)果可得，梳齒最深入土深度和最深入土位置對(duì)除草率有極顯著影響，梳齒入土角對(duì)除草率影響顯著。對(duì)除草率影響因素的主次順序?yàn)镃、B、A，較優(yōu)方案為A2B1C2。即梳齒入土角為20°、梳齒最深入土位置為65 mm、梳齒最深入土深度為47.5 mm。

對(duì)于傷苗率性能指標(biāo)，由極差分析和方差分析的結(jié)果可得，梳齒入土角和最深入土深度對(duì)傷苗率有顯著影響，梳齒最深入土位置對(duì)傷苗率影響不顯著。對(duì)傷苗率影響因素的主次順序?yàn)锳、C、B，較優(yōu)方案為A1B2C2。即梳齒入土角為10°、梳齒最深入土位置為80 mm、梳齒最深入土深度為47.5 mm。

對(duì)獲得的A1B2C2和A2B1C2兩個(gè)較優(yōu)方案相比較，二者均達(dá)85%以上，前者比后者的除草率低2.2%。但前者傷苗率低于3%，后者較前者傷苗率高0.39%。

由于大豆株間除草的主要目的是疏松株間表土、消除株間幼草，給作物生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件，其前提是以保苗為原則。故比較理想的株間除草作業(yè)效果為不傷苗或少傷苗的情況下，盡可能提高株間除草率。因此應(yīng)優(yōu)先考慮傷苗率指標(biāo)。綜合考慮，株間除草作業(yè)最優(yōu)方案為A1B2C2，即梳齒入土角為10°、梳齒最深入土位置為80 mm、梳齒最深入土深度為47.5 mm。

4.5 田間驗(yàn)證

為進(jìn)一步考察優(yōu)選參數(shù)的作業(yè)效果以及作業(yè)穩(wěn)定性，試驗(yàn)時(shí)按照最優(yōu)參數(shù)組合確定梳齒入土角為10°、梳齒最深入土位置為80 mm、梳齒最深入土深度為47.5 mm進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)在同一試驗(yàn)田塊隔天進(jìn)行,作業(yè)速度為1.65 m/s，共重復(fù)5次，最終得到株間平均除草率為86.3%，平均傷苗率為2.66%。該結(jié)果與表3對(duì)比，優(yōu)于組合試驗(yàn)結(jié)果，作業(yè)性能比較穩(wěn)定。

另外，改進(jìn)后除草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作業(yè)過程中不堵塞不埋苗，株間除草率和傷苗率性能指標(biāo)均得到改善。能夠滿足東北壟作大豆雙行種植模式下株間除草農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

(1)基于東北保護(hù)性耕作壟作大豆株間松土除草的農(nóng)藝要求，在已有研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了左右梳齒盤橫向間距可調(diào)的大豆株間除草作業(yè)單體機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)當(dāng)前壟上雙行種植大豆寬苗帶株間松土除草作業(yè)需要。同時(shí)，對(duì)株間除草機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，解決了梳齒易纏草、堵塞和入土能力弱等問題。

(2)在自制株間機(jī)械除草試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)可能影響株間除草作業(yè)性能的因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)與分析，最終確定梳齒入土角、梳齒最深入土位置和梳齒最深入土深度3個(gè)因素為影響除草作業(yè)性能的主要因素，并確定了各因素的取值范圍。

(3)在田間壟臺(tái)0～100 mm深度內(nèi)平均含水率為17.1%、平均土壤堅(jiān)實(shí)度為862 kPa、壟上大豆平均小行距為116 mm、大豆平均株高126 mm、平均秸稈覆蓋量為0.78 kg/m2、秸稈長(zhǎng)度小于100 mm和作業(yè)速度1.65 m/s的條件下進(jìn)行正交試驗(yàn)，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：梳齒入土角10°、梳齒最深入土位置80 mm、梳齒最深入土深度為47.5 mm，此時(shí)株間除草率為85.6%，傷苗率為2.73%。

(4)田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在最佳參數(shù)組合下，株間平均除草率為86.3%，平均傷苗率為2.66%，滿足東北大豆株間除草農(nóng)藝要求，可為大豆株間除草機(jī)的設(shè)計(jì)與改制提供參考。