双弧形水稻株间除草部件设计及切土轨迹研究

牛春亮，王金武，马莉莎，姜忠爱,安相华

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连　116023；2.东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



双弧形水稻株间除草部件设计及切土轨迹研究

牛春亮1，王金武2，马莉莎1，姜忠爱1,安相华1

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连116023；2.东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：稻田机械除草技术是影响稻米质量的一项关键性生产技术，利用除草机械在播种不同时期对稻田进行除草，既能杀除田中的杂草，又减少了对环境的污染。目前，国内的稻田除草机械主要针对行间杂草去除，而株间除草技术成为科研人员研究的重点。为此，设计了一种双弧形的株间除草部件，并对部件切土轨迹进行室内土槽试验分析，得到了较好的分析效果。

关键词：水稻；株间除草；双弧形；切土轨迹

0引言

当前，国内外比较成熟的水田杂草防除机械主要是使用各种形式的中耕除草机，在中耕的时候完成除草作业[1-2]。国内现有的水稻中耕机大多主要针对行间杂草的去除，而作物和杂草共存的株间与株旁的杂草则不容易除去[3]。本研究针对这种状况，根据秧苗与杂草根系扎根切土的程度不同，设计了一种弹齿式株间除草执行部件—弹齿除草盘，并对弹齿式除草盘进行了结构设计和轨迹分析研究[4-5]。弹齿式除草盘采用旋转工作方式，在扭矩输出装置的带动下转动及前进。

1除草原理与时机

本文所设计的株间除草部件以稻田中分布最广、危害最大的水田稗草为对象，同时兼顾其它杂草。稗草属于禾本科一年生草本植物，与稻苗争水、争光照，极大地影响水稻的正常生长。依据水稻生长过程中水稻根部入土深度明显大于杂草根深的特点，结合水稻与稗草的根部特点及生理特征的差异性，建立除草理论进行株间除草部件设计与研究。

移栽稻苗后，在稻苗进行返青、扎根、活棵、分蘖期这段时间，杂草大量萌生，发生量大。据定点观察，在水稻抛栽的同时，杂草既已发生，抛栽后9天内出草量占总草量的70%以上，高出移栽稻田同期出草量的10倍，稗草出草高峰在抛后9天。

稻根生长规律：插秧后回青期间，根的生长较慢，以后增快，进到分蘖期横向扩展最大，使20cm范围内的根群分布呈扁椭圆形，一般约在200条左右，高可达千条，根长则可达到40～60cm。同时，由于在插秧中每穴插多株秧苗，使得根系聚团、合力大。图1为水稻插秧后根系。

图1　水稻插秧后根系

与水稻发达的根系相比，稗草的根系纤细、稀少，再生力很强，但其在生长初期只有一条主根且单株生长“势单力薄”，相对于秧苗的多株生长，不能形成合力[6]。图2为稗草根系情况。

综合分析比较秧苗与稗草根系情况，针对稗草的生理特点可知：在水田环境下，稗草萌发及生长速度快，生长至三叶期后，抗药性增强，稗草日趋健壮，使除草变得困难。因此，只要合理控制机器的各试验参数和除草时机，进行机械式除草是可行的。

图2　稗草根系

2关键部件弹齿式除草盘设计

2.1　弹齿齿型的选择

作为弹齿式除草装置的关键部件，弹齿除草盘的选择尤为重要。为了了解弹齿式除草装置弹齿刀安装形式及弹齿形状与除草效果的关系，试制了几种不同的弹齿除草盘。选择在未插秧及未播洒稗草种子的土槽内进行不同除草盘的预备性试验研究[7-9]。将影响因子设定在同一条件下(相同的除草盘转度、相同的前进速度及切土深度)，观察各试验除草盘的弹齿在土壤中所划过剖切面的面积大小。从除草性能角度考虑，将面积大者视为本研究的最适宜除草盘。

第1种除草盘中，弹齿采用直线形状，如图3所示。这种形式除草盘切土轨迹均匀，但弹齿尖端切土，为点切土方式，线性力大，切土后所划过的剖面面积小，除草效果差，且线性力大容易造成伤苗。第2种除草盘中，弹齿采用弧形设计，弧度为直径500mm，如图4所示。这种形式除草盘切土轨迹均匀，但切土后所划过的面积小，除草率低，且当弹齿尖部碰到秧苗时，由于齿尖部线性力大，容易伤苗。

图3　直线型弹齿

图4　弧形弹齿

第3种除草盘中，弹齿也采用弧形设计，弧度为直径500mm，如图5所示。与第2种除草盘不同，此除草盘虽然在弹齿形式上一致，但弹齿安装方向不同，弧型张开向前。这种形式除草盘切土轨迹均匀，且切土后轨迹呈扇面状，轨迹面积大，可以增大除草面积；但在机器前进时，在苗的下部，有一定的搂苗作用，容易造成苗倾倒，影响秧苗的正常生长。

图5　弧形弹齿

第4种双弧形除草盘中，弹齿采用弯型设计，弧度为直径500mm，如图6所示。这种形式除草盘相对于第3种形式，在焊接弹齿时弹齿既扭过一定角度，又与前进速度相反方向向后倾斜一定弧度，如图6(a)所示。弹齿在切土时，弹齿以线切土；弹齿切土后轨迹呈扇面状，相对于第3种形式所扫过的剖面面积小，切土时间短，减少了阻力，降低了功耗，且切土容易。同时，在除草前进时，在苗中上部搂苗，依靠秧苗的韧性，减少秧苗损伤。弧形齿的曲率半径R与焊接角β是影响除草效果的重要参数。曲率半径小，则压草能力强；曲率半径大，则切土容易，对泥土的搅拌作用强。β角大，滑移力增加；反之，滑移力减少。

弹齿采用与前进速度相反方向的后倾角度β°设计，展示了除草盘工作时相对秧苗位置，如图6(b)所示。该设计的目的是弹齿不能与整个秧苗完全接触，从而可以减少对秧苗的损伤，同时还增大了除草面积，提高了除草效果。

经多次土槽试验，确定选用第4种弹齿除草盘作为试验分析的除草部件。圆弧倾斜方向与旋转反方相反，后倾斜角度为30°。本研究的弹齿刀切土角在40°左右，可以保证弹齿在刚切土时比较顺利[10]。

图6　双弧形弹齿

2.2　弹齿式除草盘主要参数

2.2.1除草盘参数选取与设计

1)除草盘旋转直径的确定。除草盘旋转直径是指执行机构在作业过程中旋转的最大直径，如图7所示。

图7　除草盘直径的确定

除草盘直径的计算公式为

D≥2(Hmin+hmax)

式中Hmin—轴心距离地面的最小距离，Hmin≥(80～100)mm；

hmax—根据要求设定的最大耕深，hmax=(15～30)mm。

按照上式，当Hmin=100mm、hmax=30mm时，得D≥260mm 。直径过大时，转速增加势必会产生振动，平稳性差，直径过小时，弹齿顶端的切向速度小，影响切土及切向力的大小。因此，本除草部件中取D=280mm。

2)轮毂的直径d的确定。为保证部件在工作时不缠苗，轮毂的周长要大于苗与草高度，且除草盘轮毂中心距离地面应有一定高度。根据试验时秧苗高度，选取轮毂直径d=100mm。

3)轮毂厚度的确定。弹齿是焊接在盘形轮毂上的，轮毂的厚度太大，浪费材料，同时部件笨重；厚度太小，在焊接弹齿时，容易发生变形，影响作业。本设计厚度L=4mm。

4)除草盘的离地间隙Hmin。除草盘的离地间隙是指地表与除草盘中心之间的距离，决定了除草作业深度。离地间隙太大，则作业深度浅，除草率低；太小，作业深度深，除草率高，但伤苗率大。本设计Hmin=(85～100)mm。

5)弹齿数Z的确定。为了除草盘工作时不缠苗，Z值越小越好，尽量减小刀齿密度；但弹齿数量少，在除草盘旋转1周，工作齿减小，这样会降低除草率。经预备试验，弹齿的数量为3～6时，可以保证不缠草、不缠苗，且能达到良好的除草效果。因此，本文选择弹齿数Z=5进行设计研究。

6)切土角与出土角的研究。切土角是指弹齿即将要入土时弹齿与地面之间所形成的夹角；出土角是指弹齿即将要出土时弹齿与地面之间形成的夹角。切土角的设计应保证弹齿在切土时土壤阻力较小，且在弹齿运动到最低位置过程中，弹齿可以达到一个较大的深度。本文的切土角是在确定了除草盘中心距秧苗的距离以及除草深度后，通过作图得出。同时，可以通过调节除草盘的离地间隙，调整切土角及出土角[11]。图8为切土角和出土角关系图。其中，图8(a)为当除草盘离地间隙85mm时的切土角及出土角示意图，图8(b)为除草盘离地间隙100mm时的切土角及出土角示意图。

设切土角为γ，出土角为α，从切土到出土摆动的角度为θ。由分析可知：α=γ+θ，当除草盘半径和离地间隙确定后，θ角便为定值，随着离地间隙的增大而随着减小。本研究中，切土角为37°～46°，出土角为134°～143°。据有关资料表明，当出土角超过100°时，会影响脱泥、脱草性能。本设计的出土角大于100°，但是在室内试验中，由于土槽中灌水，在弹齿将出土时，土槽水对弹齿的冲刷，减弱了这种影响。通过试验证明：在无水的情况下，脱泥、脱草现象严重；在有水的情况下，脱泥、脱水现象能够得到较大的缓解。

图8　切土角及出土角分析

2.2.2动力来源和调节方法

本研究使用三相异步电机作为扭矩输出装置，型号为Y90S-4型，额定功率为1.1kW，额定转速为1 400r/min，最大转矩为2.3N·m。电机转速的调节采用变频器控制。

2.3　弹齿式除草装置弹齿材料的选择

弹齿材料的选择以经济实用为原则，本研究弹齿材料的从以下3种材料中择优选取。

第1种材料为镀锌铝合金，此材料为日常常见的自行车辐条，柔软、易弯折、质量小，在除草盘进行工作旋转时，质量多集中于除草盘轮毂处，所以在弹齿尖处力量小，可以降低伤苗率。但此种材料在土壤中遇到泥土阻力时容易发生变形，所以排除。

第2种材料为Q235，此种材料为碳素结构钢，价格便宜，适用于一般结构钢和工程用热轧钢板、钢带、型钢，用途广泛；但其杂质多，且在除草盘旋转工作时与轮毂焊接处易断裂。

第3种材料为65Mn弹簧钢，此种材料多用于制造弹簧零件，具有较高的抗拉强度、屈强比和疲劳强度，且具有足够的塑性和韧性，同时弹簧钢较硬，在碰到硬质物体不易变形。弹簧钢综合性能良好。

经过多次预备实验对比研究，综合考虑，弹齿材料选择第3种65Mn弹簧钢。

3弹齿除草盘的轨迹分析

3.1　除草盘旋转轨迹

除草盘上的弹齿，无论为何种形状，其工作时的绝对运动均为两种运动的合成：一种是除草盘转动时绕轴心旋转所形成的圆周运动；另一种运动是机器前进时所具有的直线运动。在工作时，这两种运动同时在弹齿上产生，弹齿的绝对运动是这两种运动合成的结果。图9为弹齿的运动轨迹[12-13]。

图9　弹齿运动轨迹

图9中，R为除草盘的旋转直径；ω为除草盘转动的旋转角速度；ν为机器的前进速度(m/s)；c为切土距离(与除草盘转速有关)(mm)。设以中心轴轴心在某一时刻的位置O点为坐标原点，机器前进方向为Z轴方向，旋转平面为XY平面。取弹齿端部一点为观察点，在机器的前进方向上做余弦运动，在旋转平面上做圆周运动。

3.2　弹齿的切土研究

弹齿在工作时，从切土到出土的这段时间称为切土时间。两个相邻弹齿的工作时间所走过的距离称为切土近距，记做S。图10为弹齿切土轨迹图,曲线为弹齿切土的轨迹。

图10　弹齿切土理论轨迹

图11为实际土槽试验得到除草盘运动轨迹。

图11　土槽试验弹齿切土实际轨迹

由图11分析可知：切土近距S为除草盘转过1圈，相邻两个弹齿的切土点距离。与除草盘转速有关，每个弹齿的切土近距为c。假设除草盘安装了Z个弹齿，则除草盘旋转1周时，弹齿相继切土的时间间隔为t=2π/zω，在此时间内弹齿的切土距离S计算公式为

S=vt=2πv/zω

其中，S与除草盘的转速、前进速度有关。S的大小直接影响除草的质量。由上式可知：降低前进速度、增大除草盘转速、增加弹齿齿数，都能减小切土近距，但前进速度过低，时间增加，作业效率低；除草盘转速增加，势必会增加秧苗损伤；弹齿齿数的增加，弹齿间空隙度小，容易造成缠苗。切土近距减小时，切土轨迹接近为一条直线，切土面积减小，除草率降低。提高工作前进速度、降低除草盘转速、减小弹齿齿数时，都能增大切土近距，但前进速度过快，走过田间的时间短，除草率低；除草盘转速降低，伤苗率减小，但除草盘旋转力小，除草效果差；减少弹齿齿数，弹齿的密度减小，除草率降低。此时，切土轨迹为弧线，切土面积大，除草率高。S的确定需要综合考虑除草盘的转速及工作前进速度，尽可能地增大S值，以提高除草率。

4 结论

1)设计了一种适用于稻田株间除草的双弧形弹齿除草盘，对其主要参数和结构形式在室内土槽试验进行了相关分析。研究得到了工作效果较好的双弧形除草盘结构形式及相关参数值。

2)建立了除草盘的运动模型，运用运动学的基本原理，对除草盘在水田环境下土壤中的运动轨迹和运动规律进行了研究，阐述了弹齿式除草部件的除草原理、除草时机。对弹齿式除草盘在轨迹分析时得出一些相应的试验现象及出现的问题，为稻田机械除草技术提供了技术参考。

参考文献：

[1]袁兴华，吕作培，彭玉藻. 绿色大米生产技术要点[J].江西农业科技，2004(5)：17-18.

[2]马旭，齐龙，梁柏，等. 水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势[J].农业工程学报，2011，27(6)：162-168.

[3]李东升，张莲洁，盖志武,等. 国内外除草技术研究现状[J].森林工程，2002，18(1)：17-18.

[4]周良墉. 3ZS-1型稻田除草中耕机[J].南方农机，2006(4)：40.

[5]牛春亮，王金武.水稻苗间除草装置工作机理分析[J].农业工程学报，2010，26(S1)：51-55．

[6]金澈. 稻田杂草的危害及其防治[J].农机化研究，1983(5)：43-45.

[7]张朋举，张纹，陈树人,等.八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真[J].农业机械学报，2010，41(4)：56-59.

[8]陈振歆，王金武，牛春亮,等. 弹齿式株间除草装置关键部件设计与试验[J].农业机械学报，2010,41(6)：81-86.

[9]牛春亮，王金武.一种机械式水田除草机株间除草弹齿的驱动系统[J].农业机械，2013(8)：138．

[10]牛春亮，王金武.水田除草机株间除草装置设计[J]. 农业科技与装备，2013(6)：29-30．

[11]胡炼，罗锡文，严乙桉，等. 基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验[J].农业工程学报，2012，28(14)：10-16.

[12]吴崇友，张敏，金诚谦,等. 2BYS-6型稻田中耕除草机设计与试验[J]. 农业机械学报，2009，40(7)：51-54.

[13]王金武，牛春亮，张春建,等. 3ZS-150型水稻中耕除草机的设计与试验[J]. 农业机械学报，2011，42(2)：75-79.

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

中图分类号：S224.1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0122-05

作者简介：牛春亮(1983-),男，黑龙江牡丹江人，讲师， (E-mail)clniu@qq.com。通讯作者：安相华(1982-)，男，辽宁大连人，讲师，博士， (E-mail) anxianghua1982@126.com。

基金项目：辽宁省自然科学基金项目(2015020134)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014274)；黑龙江省科技厅重大攻关项目(GB07B106)

收稿日期：2015-11-10