水稻株間除草裝置設計

田立權 毛旭輝 姚秀奇

摘 要：為了實現水稻株間除草作業，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，除草率為84.5%，傷苗率為4.2%，滿足水稻機械除草農藝要求。

關鍵詞：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系統的重要組成部分，其與水稻爭奪生長空間、肥料養分及熱量等資源，造成水稻產量下降、品質降低。而水稻機械除草利用除草機械（如乘坐式、步進式、自走式）實現對稻田雜草拔除、切斷或壓埋等作用[1]。對比于化學藥劑除草，機械除草是一種無化學污染、環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]。國內外學許多學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除草、施肥同步作業，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情況，方便及時調整機械作業參數，從而減少對稻苗的損傷，但增加了操作人員的勞動強度；東北農業大學研制了乘坐式除草機具，通過螺旋鋼絲清除株間雜草、旋轉輥輪壓埋行間雜草，實現對水稻株間、行間雜草的清除[7]；馮金旭等[8]研制了水稻除草部件，主要為驅動式除草輪和開溝鏵犁，可完成行間除草作業；曹加龍等[9]設計的耘耥式除草裝置，通過除草裝置實現行間除草作業，但這2種除草裝置未見田間作業的報道。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、往復擺動式、固定輕耙式、固定鏟式及對轉式等，而現有的株間除草裝置存在作業效率低，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對運動軌跡影響規律，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工作參數組合，并進行田間試驗。該研究可為水稻機械除草裝置設計提供參考。

1 結構設計

本文設計的立式水稻株間除草裝置主要由安裝盤和除草齒構成，如圖 1所示。其中除草齒是水稻株間除草裝置的核心部件，作業過程中除草齒與土壤及雜草接觸，其結構形狀與尺寸參數直接影響除草裝置的作業質量。安裝盤上設置不同圓周直徑R1（60～110mm）和角度σ1（步長為30°）的螺孔，將一定數量的除草齒與安裝盤固結組合成整體，通過安裝盤帶動除草齒整體旋轉。除草齒選用邊長為6mm，韌性較好方鋼加工，根據實際入土深度，設計其長度L為290mm；為提高除草作業質量，除草齒末端采用外弧線形設計（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

水田田間除草作業前，根據不同地域水稻行間距離與株間距離種植農藝要求，調整各個安裝盤作業間距；同時測量水田土質松軟程度及泥腳深度，調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，降低了除草作業效率；除草齒入土過淺，容易導致除草裝置作業質量下降。作業過程中，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運動復合而成，通過調整機具的前進速度與自身旋轉運動（除草速比），實現除草齒對水稻株間均勻除草，減少作業傷苗現象。每個除草齒在同一個旋轉周期內與除草裝置2側稻株行各接觸1次，可有效防止除草后稻株單側倒伏，同時完成對雜草的切斷及壓埋。作業過程中，除草齒有效工作部位主要為沒入土壤中彎曲弧段，從而得到除草齒復合運動作業軌跡，如圖2b所示，兩軌跡所形成區域即為除草區域，通過改變除草齒數量及角度，即可適應不同水田株距和行距除草作業需求。

3 運動學分析

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與稻苗植株行重合。經臺架試驗可知，安裝盤的旋轉中心應布置在稻苗植株行一側50mm處。

5 結論

本文以設計的水稻株間除草裝置為研究對象，建立了除草齒運動學模型，利用室內土槽試驗臺進行性能試驗，并經過田間試驗表明，當除草裝置旋轉速度為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，除草率為84.5%，傷苗率為4.2%，滿足水稻機械除草農藝要求。

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研究現狀及發展趨勢[J]. 農業工程學報，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鍵部件設計[J].農業機械學報，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計與試驗[J].農業機械學報，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].農業工程學報，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計與試驗[J].農業機械學報，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.