田 亮，曹成茂，2，*，秦 寬，2，葛 俊，2，方梁菲

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，安徽 合肥 230036； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方農(nóng)業(yè)裝備科學觀測實驗站，安徽 合肥 230036)

機械除草是有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的技術措施之一，被廣泛應用于水田雜草防除。稻田雜草按照生長位置劃分，可分為行間雜草和株間雜草。株間雜草與水稻秧苗的生長位置更加接近，并且將株間分割成不連續(xù)的部分，作業(yè)時容易損傷秧苗；因此，株間除草作業(yè)工作難度大，精度要求高。

為實現(xiàn)高效、自動化、低傷苗率的田間除草作業(yè)，解決株間除草難題，許多研究人員都對信息化、智能化的新型除草裝備，尤其是株間除草設備進行了探索。Pérez-Ruíz等研發(fā)了一種株間自動除草機器人，通過傳感器探測植株位置，利用氣壓缸控制末端執(zhí)行器的軌跡進行避苗除草作業(yè)。Gobor等設計了一種電動株間除草裝置，該機器在向前行進的同時，位于機架上方的伺服電機帶動除草機構旋轉，通過匹配其旋轉速度與前進速度來實現(xiàn)株間除草作業(yè)的目的。Tillett等、O’Dogherty等研發(fā)的除草機，通過機器視覺系統(tǒng)采集并處理苗草信息，實時控制橫動機構以對準刀具位置，通過旋轉的末端除草器執(zhí)行除草作業(yè)。周福君等、王文明設計了一種凸輪搖桿式擺動型株間除草裝置，該裝置通過凸輪搖桿機構將電動機的旋轉運動轉化為除草刀的往復擺動，并在室內(nèi)土槽中進行正交試驗，得到各參數(shù)對除草性能影響的主次順序及其最優(yōu)參數(shù)組合。王奇等設計了一款弧齒往復式稻田株間自動避苗除草裝置，根據(jù)中耕期水稻植株和雜草的物理特性，結合機械結構設計與電控技術，進行理論分析和虛擬仿真試驗，并通過田間試驗驗證了株間除草裝置和自動避苗控制系統(tǒng)的作業(yè)性能。陳子文等、李南等提出了一種行星刷式株間鋤草機械手，將覆蓋率、入侵率和保護區(qū)范圍作為鋤草效果的評價指標，對鋤草刷盤運動軌跡進行仿真，并通過鋤草試驗驗證了該機械手的鋤草效果。但總的來看，上述株間除草設備結構復雜，過于依賴機器視覺智能平臺，作業(yè)效率有待提高。

為解決稻田株間除草裝置傷苗率高、除草率低等問題，本文設計了一種擺動型水田株間除草裝置。該裝置根據(jù)水田內(nèi)秧苗植株和雜草生長空間的位置差異性，利用激光傳感器探測水稻秧苗位置，通過偏心輪機構將伺服電機的轉動轉化為除草桿的往復開合，從而完成避苗除草作業(yè)。本文通過理論分析進行結構設計，采用機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件對除草裝置的運動軌跡進行仿真分析，并基于田間試驗驗證除草裝置的作業(yè)性能，以期為水田株間除草機械的研究提供參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

擺動型水田株間除草裝置的整體結構如圖1所示，主要由機架、主軸、偏心輪、連桿、推桿、擺動桿、除草彈齒、激光傳感器等組成。其中，主軸由伺服電機驅動，主軸帶動偏心輪轉動。除草桿與擺動桿連接，擺動桿與連桿分別固定安裝在推桿上。偏心輪帶動連桿轉動，從而帶動除草桿擺動。激光傳感器通過傳感器安裝架固定在機架上，位于除草彈齒前端，用于檢測水稻秧苗位置。

1，機架；2，連桿；3，偏心輪；4，主軸；5，傳感器安裝架；6，激光傳感器；7，推桿；8，連接塊；9，擺動桿；10，底板；11，除草桿；12，除草彈齒。1， Frame； 2， Connecting rod； 3， Eccentric； 4， Main shaft； 5， Sensor mounting frame； 6， Laser sensor； 7， Push rod； 8， Connecting block； 9， Swinging rod； 10， Bottom plate； 11， Weeding rod； 12， Weeding spring tine.圖1 擺動型水田株間除草裝置結構圖Fig.1 Schematic diagram of swing intra-row weeding device for paddy field

1.2 工作原理

將除草裝置安裝于水田作業(yè)機械機架上，工作人員通過操縱掛接裝置改變作業(yè)機械機架與水田土壤表面之間的高度從而調節(jié)除草彈齒入土深度。工作前，根據(jù)田間作物生長情況，調節(jié)除草彈齒入土深度，并完成對行工作，使兩組除草彈齒分別位于水稻秧苗兩側。作業(yè)時，除草裝置隨機具前進方向運動，除草彈齒往復擺動進行株間除草作業(yè)。激光傳感器利用植株和雜草生長高度的差異檢測水稻植株位置。在車輪處安裝霍爾傳感器，實時測量機具前進速度。當除草彈齒接近水稻秧苗時，水稻秧苗阻擋激光傳感器接收信號，從而確定秧苗位置。激光傳感器將秧苗位置信息發(fā)送給控制器，霍爾傳感器將機具速度信息發(fā)送給控制器，控制器結合機具作業(yè)速度和秧苗位置信息控制伺服電機轉動。伺服電機帶動主軸轉動，驅使偏心輪轉動，偏心輪帶動連桿轉動，連桿帶動推桿前后運動，改變兩擺動桿之間的夾角，驅使除草桿左右往復擺動，帶動兩組除草彈齒的張開和閉合，從而實現(xiàn)除草狀態(tài)→避苗狀態(tài)→除草狀態(tài)之間的切換，完成株間避苗除草作業(yè)。

除草彈齒沿著機具前進方向運動，在水田株間土壤內(nèi)劃過。株間雜草被除草彈齒掃掠過后，根莖或被拉斷，或被彈齒帶動推出土壤，漂浮于水面，逐漸枯萎死亡。

2 關鍵部件設計

2.1 除草彈齒參數(shù)確定

研究表明，水稻秧苗一般在移栽后7、14 d分別進行第一次和第二次除草作業(yè)。依據(jù)水稻種植農(nóng)藝要求，行距一般為300 mm，株距為120～150 mm。

水田雜草以稗草和千金子為主，伴隨少量莎草科雜草和闊葉類雜草。水田雜草與水稻秧苗的生理特性具有很大的相似性，但其生長周期不同步。除草作業(yè)時，水稻秧苗返青期結束、進入分蘗期，水稻根系由一根主根和若干須根組成，根系長度在80～100 mm，在30 mm范圍內(nèi)呈橢圓形分布。此時，稗草等雜草剛剛萌發(fā)，其根系僅有一根纖弱的主根，根系長度在10～40 mm。

水田行距一般為300 mm左右，行間除草裝置的作業(yè)幅寬為220 mm。為防止漏除雜草，提高除草率，本研究將株間除草裝置的作業(yè)范圍設置為100 mm。本研究采用彈齒式除草執(zhí)行機構，除草彈齒安裝在50 mm×20 mm的矩形彈齒盤上，前排設有4根彈齒，后排設有5根彈齒，前后排彈齒交錯排列。

2.2 避苗軌跡分析

水田雜草與秧苗在田間的空間位置不同，根據(jù)空間避苗除草原理，株間除草裝置作業(yè)時需經(jīng)歷除草→避苗→除草階段。當除草裝置處于除草階段時，除草彈齒盤閉合，除草彈齒刺入水田土壤，掃過株間區(qū)域，將水田雜草帶出土壤或將雜草根莖劃斷。當除草裝置處于避苗階段時，除草彈齒盤張開，待越過秧苗植株后，彈齒盤閉合，進入除草階段。

根據(jù)株間除草作業(yè)要求，將擺動型水田株間除草裝置的避苗作業(yè)運動軌跡設計為近似六邊形(圖2)。為保護秧苗植株，避免除草裝置對水稻秧苗造成損傷，根據(jù)秧苗植株根系范圍，將水稻秧苗50 mm范圍設為作物保護區(qū)。作業(yè)時，除草裝置不進入作物保護區(qū)范圍，作物保護區(qū)內(nèi)的水田雜草不清除。

根據(jù)上述分析，將除草裝置的避苗階段分解為3個階段：階段1，激光傳感器檢測到秧苗植株位置，除草彈齒盤從閉合狀態(tài)張開到最大位移處；階段2，除草彈齒盤保持在最大位移處，越過秧苗植株；階段3，除草彈齒越過秧苗植株后，除草彈齒盤從最大位移處并攏到閉合狀態(tài)。

激光傳感器識別到水稻秧苗后，將秧苗位置信息發(fā)送給除草裝置，除草裝置從除草狀態(tài)切換到避苗狀態(tài)，待除草彈齒繞過秧苗后，除草裝置從避苗狀態(tài)切換回除草狀態(tài)。考慮到除草彈齒劃過作物保護區(qū)域會損傷水稻秧苗根系，以及彈齒張開和并攏需要時間，避苗狀態(tài)下除草彈齒盤在作物保護區(qū)域前方一段距離處開始張開，越過水稻秧苗植株后一段距離處開始并攏，在作物保護區(qū)域后方一段距離處閉合。除草裝置的運動軌跡如圖2所示，除草彈齒盤從處開始張開，在處彈齒盤達到最大位移，保持最大位移到處，從處開始并攏，到處彈齒盤閉合。

1，除草彈齒運動軌跡；2，作物保護區(qū)域；L，水稻種植株距，mm；ABCD，避苗階段彈齒運動軌跡；A1B1C1D1，下一個除草周期避苗階段彈齒運動軌跡；L0，作物保護區(qū)域范圍，mm；L1，推程運動階段機具行駛距離，mm；L2，遠程休止階段機具行駛距離，mm；L3，回程運動階段機具行駛距離，mm；L4，近程休止階段機具行駛距離，mm；v0，機具前進速度，mm·s-1。1， Trajectory of weeding spring tine； 2， Crop protection area； L， Intra-row space of rice， mm； ABCD， Trajectory of spring tine in avoidance stage； A1B1C1D1， Trajectory of spring tine in avoidance stage of the next weeding period； L0， Range of crop protection area， mm； L1， Device driving distance in push stage， mm； L2， Device driving distance in remote standstill stage， mm； L3， Device driving distance in return stage， mm； L4， Device driving distance in proximity standstill stage， mm； v0， Device driving speed， mm·s-1.圖2 除草裝置運動軌跡示意圖Fig.2 Schematic diagram of movement trajectory of weeding device

依據(jù)除草彈齒的運動狀態(tài)，伺服電機的運動狀態(tài)可對應分為3個階段——推程運動階段、遠程休止階段、回程運動階段，分別對應于除草裝置避苗階段的3個階段。在除草階段，除草彈齒盤處于閉合狀態(tài)，伺服電機對應近程休止階段。同時，伺服電機的工作過程應遵循以下原則：(1)電機在推程運動階段應快速進入遠程休止階段，以保障彈齒盤快速張開，減小傷苗率；(2)電機在遠程休止階段應停止轉動，以保障此階段彈齒盤保持在最大位移處，越過秧苗植株；(3)電機在回程運動階段應快速進入近程休止階段，以保障彈齒盤迅速并攏，減少漏除雜草數(shù)量，增加除草率；(4)電機在近程休止階段應停止轉動，以保障此階段彈齒盤處于閉合狀態(tài)，除去株間雜草。

令：

(1)

+++=。

(2)

式(1)、(2)中：為推程運動階段電機轉動時間，s；為遠程休止階段電機轉動時間，s；為回程運動階段電機轉動時間，s；為近程休止階段電機轉動時間，s；為推程運動階段機具行駛距離，mm；為遠程休止階段機具行駛距離，mm；為回程運動階段機具行駛距離，mm；為近程休止階段機具行駛距離，mm；為水稻種植株距，mm；為機具前進速度，mm·s。

根據(jù)除草彈齒運動狀態(tài)，結合偏心輪結構特點，除草裝置在設計時，偏心輪的轉動規(guī)律為：偏心輪在推程運動階段轉動90°，隨后進入遠程休止階段，在回程運動階段再次轉動90°，隨后進入近程休止階段。

即：

(3)

=2π。

(4)

式(3)、(4)中，為偏心輪角速度，rad·s；為偏心輪轉速，r·s。

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

聯(lián)立式(1)、式(2)與式(5)，可得

(6)

由式(6)可知，除草彈齒的運動軌跡由偏心輪轉速、機具前進速度、近程休止階段機具行駛距離和秧苗株距決定。除草作業(yè)時，可調節(jié)偏心輪轉速和機具前進速度，以適應不同株距和作物保護區(qū)域。

2.3 偏心輪機構設計

除草裝置作業(yè)時，偏心輪轉動并帶動連桿運動，連桿帶動推桿前后運動，實現(xiàn)彈齒盤的張開與并攏。偏心輪機構的結構簡圖如圖3所示。

由圖3中的幾何關系，可得

(7)

式(7)中：為擺動桿長度，mm；為彈齒盤閉合時擺動桿縱向長度，mm；為彈齒盤閉合時擺動桿橫向長度，mm；為偏心輪偏置距離，mm；為連桿長度，mm；為作物保護區(qū)域范圍，mm。

伺服電機在近程休止階段，彈齒盤并攏除草；在遠程休止階段，彈齒盤保持在最大位移處，越過植株。結合作物保護區(qū)域范圍和彈齒盤尺寸，在彈齒盤閉合時，除草桿之間的距離為50 mm，待彈齒盤張開至最大位移處，除草桿之間距離為100 mm。設計時，考慮結構緊湊性和方便制造，將連桿長度定為101 mm，偏心輪偏置距離設為20 mm。將上述取值代入式(7)，求得彈齒盤閉合時擺桿橫向長度為81 mm，擺動桿長度為105 mm。

1，兩除草桿之間距離，mm；2，擺動桿；3，推桿；4，連桿；5，偏心輪；l，擺動桿長度，mm；h，彈齒盤閉合時擺動桿縱向長度，mm；s，彈齒盤閉合時擺動桿橫向長度，mm；e，偏心輪偏置距離，mm；l0，連桿長度，mm。實線部分，初始狀態(tài)時偏心輪機構位置；虛線部分，遠程休止狀態(tài)時偏心輪機構位置。1， Distance between weeding rods， mm； 2， Swinging rod； 3， Push rod； 4， Connecting rod； 5， Eccentric； l， Length of swinging rod， mm； h， Vertical length of swinging rod when weeding spring tine disc is closed， mm； s， Horizontal length of swinging rod when weeding spring tine disc is closed， mm； e， Offset radius of eccentric， mm； l0， Length of connecting rod， mm. Solid line parts， Position of eccentric mechanism in initial state； Broken line parts， Position of eccentric mechanism in remote standstill stage.圖3 偏心輪機構結構示意圖Fig.3 Structure diagram of eccentric mechanism

2.4 避苗系統(tǒng)設計

除草作業(yè)時，激光傳感器檢測水稻秧苗位置并將位置信息傳送給控制器，控制器結合秧苗位置和機具前進速度，控制電機轉動，驅動彈齒盤開合，完成避苗過程。除草裝置、激光傳感器和水稻秧苗的位置關系如圖4所示。

激光傳感器安裝在除草彈齒前端，用于檢測田間水稻秧苗位置。作業(yè)過程中，當傳感器沒有檢測到水稻秧苗時，彈齒盤閉合除去株間雜草；當傳感器檢測到水稻秧苗時，控制器發(fā)送延時信號給伺服電機，控制電機轉動，驅動彈齒盤張開，進行避苗作業(yè)，避苗階段結束后，除草彈齒到達閉合位置，進入下一個周期的避苗除草作業(yè)。

根據(jù)上述分析，結合水稻種植株距和所選用激光傳感器參數(shù)，伺服電機延時運行時間應滿足如下關系：

(8)

式(8)中：Δ為伺服電機延時運行時間，s；為除草彈齒和激光傳感器安裝距離，mm。

為了方便控制，結合株間除草裝置避苗除草作業(yè)過程，將避苗除草系統(tǒng)中除草彈齒和激光傳感器的安裝距離設定為

(9)

聯(lián)立式(2)、(8)、(9)，可得

(10)

3 除草裝置仿真試驗

為了獲得株間除草裝置的最佳除草效果，采用機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)對除草裝置的工作過程進行虛擬仿真，分析除草彈齒的運動軌跡。

3.1 試驗指標選取

除草率和傷苗率為常用的除草裝置評價指標，但是，目前關于雜草和作物生長狀況的仿真研究尚未展開，難以獲取仿真區(qū)域內(nèi)的雜草數(shù)目和損傷的秧苗數(shù)目；因此，本研究僅對除草裝置的工作過程進行仿真。為分析除草彈齒的運動軌跡，特選取覆蓋率和入侵率作為試驗的評價指標，代替除草率和傷苗率來評價除草裝置的作業(yè)效果。覆蓋率和入侵率直接影響除草率和傷苗率：覆蓋率越大，除草范圍越廣，除草率越大；入侵率越小，秧苗受傷概率越低，傷苗率越小。圖5為除草裝置在株間區(qū)域除草的示意圖。

將除草作業(yè)時除草范圍內(nèi)除草彈齒覆蓋區(qū)域的面積與作業(yè)區(qū)域面積的比例計為覆蓋率，將除草彈齒覆蓋區(qū)域與作物保護區(qū)重疊部分的面積占作物保護區(qū)面積的比例計為入侵率，即：

1，作物保護區(qū)域；2，除草彈齒；3，水稻秧苗；4，激光傳感器；L5，除草彈齒和激光傳感器安裝距離，mm。1， Crop protection area； 2， Weeding spring tine； 3， Rice seedling； 4， Laser sensor； L5， Mounting distance between weeding spring tine and laser sensor， mm.圖4 傳感器安裝位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of laser sensor installation position

1，作物保護區(qū)域；2，除草彈齒覆蓋區(qū)域與作物保護區(qū)重疊部分；3，除草彈齒覆蓋區(qū)域；4，除草彈齒未覆蓋區(qū)域。1， Crop protection area； 2， Overlapping part of weeding spring tine coverage area and crop protection area； 3， Coverage area of weeding spring tine； 4， Uncovered area of weeding spring tine.圖5 株間區(qū)域除草示意圖Fig.5 Schematic diagram of weeding in intra-row area

(11)

式(11)中：為覆蓋率，%；為入侵率，%；為作業(yè)區(qū)域面積，mm；為除草彈齒覆蓋區(qū)域面積，mm；為除草彈齒覆蓋區(qū)域與作物保護區(qū)重疊部分的面積，mm；為作物保護區(qū)面積，mm。

3.2 試驗設計

為使株間除草裝置獲得更好的除草效果，本研究采用ADAMS軟件，以機具前進速度和偏心輪轉速為試驗因素，覆蓋率()和入侵率()為試驗評價指標，采用2因素5水平二次回歸正交旋轉組合試驗方法進行虛擬仿真試驗。

仿真試驗中，設定作物保護區(qū)直徑為50 mm，秧苗株距為150 mm，提取仿真后的除草彈齒運動軌跡(圖6)，計算覆蓋率和入侵率。將試驗因素水平編碼與結果分別整理于表1、表2。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 回歸模型建立

運用Design-Expert 8.0.6軟件對表2的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，分別得到覆蓋率()、入侵率()與機具前進速度()、偏心輪轉速()的回歸方程：

(12)

對得到的回歸方程進行方差分析，結果顯示：針對、構建的回歸方程皆極顯著(<0.01)，失擬項不顯著(>0.05)，決定系數(shù)分別為0.98和0.97，表明在一定參數(shù)范圍內(nèi)，回歸模型的預測值與實際情況的擬合度較高，可用上述回歸模型對除草裝置的性能進行分析與預測。

a，仿真示意圖；b，彈齒軌跡示意圖。1，左側彈齒運動軌跡；2，右側彈齒運動軌跡。a， Schematic diagram of simulation； b， Schematic diagram of trajectory of weeding spring tine. 1， Trajectory of left weeding spring tine； 2， Trajectory of right weeding spring tine.圖6 彈齒運動軌跡示意圖Fig.6 Schematic diagram of weeding spring tine movement trajectory

表1 試驗因素水平編碼

表2 試驗方案與結果

3.3.2 各因素對指標的影響分析

為了更加直觀地分析試驗指標與試驗因素之間的關系，利用Design-Expert 8.0.6軟件就機具前進速度與偏心輪轉速對除草裝置覆蓋率和入侵率的影響做響應曲面分析(圖7)。

當偏心輪轉速一定時，覆蓋率隨著機具前進速度的增加而增加；當機具前進速度一定時，覆蓋率隨著偏心輪轉速增加而減小。在機具前進速度和偏心輪轉速的交互作用中，影響覆蓋率的主要因素是機具前進速度。

當偏心輪轉速一定時，入侵率隨著機具前進速度的增加而增加；當機具前進速度一定時，入侵率隨著偏心輪轉速增加而減小。在機具前進速度和偏心輪轉速的交互作用中，影響入侵率的主要因素是機具前進速度。

總的來看，機具前進速度對除草裝置的覆蓋率、入侵率均具有極顯著(<0.01)影響。從理論分析來看，除草彈齒運動軌跡由機具前進速度和偏心輪轉速決定。在同樣的偏心輪轉速條件下，隨著機具前進速度增加，彈齒并攏、張開時機具行駛的距離增加，在一個除草周期內(nèi)，除草彈齒劃過更多的作業(yè)區(qū)域，可作用于更多的水田土壤，因而覆蓋率增加。但彈齒覆蓋范圍增加，會導致與作物保護區(qū)域重疊的可能性增加，入侵率亦隨之增加。偏心輪轉速對除草裝置的覆蓋率、入侵率亦具有極顯著(<0.01)影響。在同樣的機具前進速度下，隨著偏心輪轉速的增加，彈齒并攏、張開時機具行駛的距離減小，在一個除草周期內(nèi)，除草彈齒劃過的作業(yè)區(qū)域減小，因而覆蓋率減小。但彈齒覆蓋范圍減少，會使得與作物保護區(qū)域重疊的可能性減少，入侵率隨之下降。要說明的是，本研究選取覆蓋率和入侵率為試驗評價指標，以代替除草率和傷苗率，但在上述仿真分析時，均假定水田雜草均勻分布在作業(yè)區(qū)域，這與實際情況并不完全相同，因而仿真結果可能與田間試驗有出入。

3.3.3 模型優(yōu)化分析

為確定除草裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)實際作業(yè)要求，建立除草性能優(yōu)化模型，選擇優(yōu)化的約束條件為

(13)

X1，機具前進速度；X2，偏心輪轉速；Y1，覆蓋率；Y2，入侵率。X1， Machine driving speed； X2， Eccentric rotation speed； Y1， Coverage rate； Y2， Intrusion rate.圖7 響應曲面分析圖Fig.7 Analysis of response surface

利用Design-Expert 8.0.6軟件進行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合：機具前進速度266.12 mm·s，偏心輪轉速3.97 r·s。在此條件下，覆蓋率為85.70%，入侵率為5.62%，除草裝置的作業(yè)性能最優(yōu)。

4 田間驗證試驗

為驗證擺動型水田株間除草裝置在田間作業(yè)時的工作性能，參考GB/T 36012—2018《鋤草機器人性能規(guī)范及其試驗方法》，于2020年7月2日在安徽省淮南市鳳臺縣鳳凰鎮(zhèn)試驗田進行田間試驗(圖8)。

試驗田水層深度為20～30 mm，泥腳深度為140～160 mm。試驗田栽種水稻品種為南粳9108，水稻秧苗平均高度為260 mm，長勢良好，未見明顯病蟲害。田間雜草以稗草和千金子等雜草為主，稻田株間雜草平均密度約為28株·m。

將試驗樣機安裝于后置乘坐式水田作業(yè)機械上，座椅位于除草裝置后端，方便駕駛人員觀察除草裝置作業(yè)效果。作業(yè)時駕駛人員根據(jù)樣機作業(yè)狀況，及時調整機具前進方向，保證除草裝置位于苗帶中央，實現(xiàn)除草裝置對行。

為驗證本文所設計的擺動型水田株間除草裝置的除草性能，以上文得到的最優(yōu)參數(shù)組合為工作參數(shù)，為方便實際操作，將機具前進速度設為270 mm·s，偏心輪輪轉速設為4 r·s，選取除草率、傷苗率為試驗指標，進行田間性能試驗。

a，除草前田塊；b，除草后田塊。a， Paddy field before weeding； b， Paddy field after weeding.圖8 除草裝置田間試驗照片F(xiàn)ig.8 Photos of field experiment of weeding device

其中，除草率為已除雜草占雜草總數(shù)的比例(若試驗區(qū)域內(nèi)雜草根莖被拉斷、翻埋、飄起，將其視為已除雜草；若雜草根與泥面連接，可以繼續(xù)生長，將其視為未除雜草)；傷苗率為損傷秧苗占秧苗總數(shù)的比例(若試驗區(qū)域內(nèi)秧苗被壓折、連根拔起、倒伏，將其視為損傷秧苗)。除草前統(tǒng)計各試驗區(qū)秧苗和雜草的數(shù)量，除草試驗完成后，用細繩將測試區(qū)圍住，統(tǒng)計已除雜草和未除雜草、損傷秧苗和未損傷秧苗數(shù)量，每組數(shù)據(jù)采集3次，取平均值。

通過試驗區(qū)域的試驗指標估計整體指標。為消除誤差，統(tǒng)計時選取5組數(shù)據(jù)，測算平均值(表3)。試驗中，除草率的最大值為83.4%，最小值為81.6%，平均值為82.5%；傷苗率最大值為5.7%，最小值為4.5%，平均值為5.1%。田間性能試驗證明，本研究設計的擺動型水田株間除草裝置能滿足設計要求。

表3 田間試驗結果

仿真試驗結果與田間試驗結果大體一致，但也略有差異。原因可能包括：(1)田間試驗作業(yè)環(huán)境復雜，會出現(xiàn)車輪打滑、機組振動等情況，導致機具前進速度無法始終保持一致；(2)水田雜草在田間隨機分布，而非平均分布，而仿真試驗默認雜草平均分布在作業(yè)區(qū)域，因此結果也會與田間試驗有所出入。

5 小結

本研究設計了一種擺動型水田株間除草裝置，運用ADAMS軟件對其工作過程進行仿真模擬，得到除草彈齒的運動軌跡。以機具前進速度和偏心輪轉速為試驗因素、覆蓋率和入侵率為評價指標，采用2因素5水平二次回歸正交旋轉組合試驗方法進行虛擬仿真試驗，運用Design-Expert 8.0.6軟件對仿真試驗的數(shù)據(jù)進行回歸分析與優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)當機具前進速度為266.12 mm·s、偏心輪轉速為3.97 r·s時，除草裝置作業(yè)性能最優(yōu)，覆蓋率為85.70%，入侵率為5.62%?；谏鲜龇抡娼Y果，將機具前進速度設為270 mm·s，偏心輪轉速設為4 r·s，進行田間驗證試驗，結果與仿真試驗大體一致。田間性能試驗證明，本研究所設計的擺動型水田株間除草裝置能滿足設計要求。