大豆株間除草單體機構及關鍵部件設計與試驗

韓 豹 郭 暢 高英玲 劉 俏 孫 碩,2 董小偉

(1.東北農業大學工程學院， 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害之一，株間雜草對秧苗危害更為嚴重[2-3]。目前，田間雜草防控仍然高度依賴化學除草劑，其大量施用所造成的環境污染、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注[3-4]。為此，國內外學者積極探索研究非化學雜草防控措施，以降低化學防除帶來的一系列負面影響[5-8]。機械除草是作物生長初期應用最廣泛的一種非化學除草方法，不僅能夠高效破除大豆苗前土壤板結、保證出苗整齊，而且可對苗后株間土壤進行疏松，消滅幼草，從而減少除草劑的施用量，降低農業生產對除草劑的依賴性，其難點在于株間雜草的防除[9-10]。國內外研究者對智能與非智能株間機械除草機進行了大量研究[11]。在智能株間除草機方面，國內研究起步較晚，現階段主要以研究部分關鍵技術為主[11-18]，國外研究多見于歐洲，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，與非智能除草機相比作業效率過低[21]，并且這些研究均針對200 mm以上大株距、單行種植作物的株間除草。

近年來，國內研制出一些具有一定實用性的非智能除草作業裝備[22-26]，在整地條件好的情況下，株間除草作業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藝要求。然而，在東北保護性耕作種植大豆株間機械除草過程中，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，機械除草作業部件極易纏草堵塞，導致拖土埋苗，造成傷苗率大幅度升高。

為了解決株間機械除草作業單體結構復雜、適應性差、前后梳齒驅動盤橫向間距不能調整等問題，本文在已有研究基礎上，對作業單體進行改進設計。針對株間除草作業部件易纏草、堵塞和入土能力弱等問題，設計行星輪梳齒式株間機械除草機構。通過單因素試驗獲得影響其作業性能的主要因素及各因素的取值范圍，在此基礎上，以傷苗率和除草率為評價指標，采用正交試驗設計方法進行田間試驗和驗證試驗，以期獲得一組適合當前壟上雙行種植大豆株間松土除草要求的理想參數，改善除草機構作業性能，提高其適應性。

1 結構與工作原理

1.1 單體結構

針對3ZCF-7700型多功能除草機作業單體存在的問題，改進后作業單體如圖1所示。單體通過兩根U形螺栓與機架主梁連接，以方便行距的調整。主要由單體限深驅動輪總成、平行四桿仿形機構、小橫梁、壟側松土機構和結構相同的左、右株間松土除草機構組成。

圖1 株間機械除草單體機構結構簡圖Fig.1 Structure of intra-row weeding monomer mechanism1.驅動輪總成 2.小橫梁 3.右株間松土除草機構 4.壟側松土機構 5.左株間松土除草機構 6.U形螺栓 7.平行四桿仿行機構 8.單體傳動系統

平行四桿仿形機構使連接到小橫梁上的單體驅動輪總成、壟側松土機構和左、右株間松土除草機構在作業過程中始終處于上下平動；單體限深驅動輪通過對壟溝進行仿形，限制除草部件(梳齒)入土深度并為左、右株間松土除草機構提供動力；壟側松土機構位于左、右株間除草機構之前，其上兩套彈性梳齒分別位于苗帶兩側，可沿壟向將苗帶兩側土壤板結層破壞，避免板結塊過大擠壓、損傷秧苗；左、右株間松土除草機構位于苗帶兩側，通過改變二者間距，實現梳齒入土最深位置的調整，以適應壟上單、雙行種植作物株間松土除草需要。

1.2 除草作業工作原理

作業時，拖拉機牽引連接到機架上的大豆株間除草單體機構以5～8 km/h作業速度前進，壟側松土機構上的梳齒將作物苗帶兩側的土壤板結層破壞并疏松，單體驅動輪總成結合平行四桿仿形機構通過對壟溝的仿形控制松土除草部件(梳齒)入土深度，同時通過傳動系統驅動左、右松土除草機構上的梳齒驅動盤圍繞各自中心軸以相同轉速相對向內旋轉，梳齒驅動盤再帶動始終保持一定姿態的梳齒像人工操作耙子一樣由壟兩側向苗帶交替梳刷，將秧苗附近(苗帶)深度20～40 mm范圍內的表層土壤疏松的同時，幼草被掩埋或曬枯而死，達到疏松株間土壤并除掉幼草的目的。

1.3 單體機構傳動系統

作業時，單體機構傳動系統的驅動輪采用5.0-12型人字花紋輪胎，通過一套鏈傳動將動力傳遞給六方軸，然后再經六方軸上的兩對傳動比為1∶1的圓錐齒輪換向，最后再由兩套鏈傳動分別帶動左、右梳齒驅動盤繞各自中心軸相對向內旋轉。單體傳動系統示意圖見圖2。單體傳動系統傳動比為

(1)

式中Z1——主動鏈輪齒數

Z2——六方軸從動鏈輪齒數

Z3——圓錐齒輪箱主動鏈輪齒數

Z4——除草機構從動鏈輪齒數

圖2 單體機構傳動系統示意圖Fig.2 Monomer mechanism transmission system1.右株間松土除草機構 2.小橫梁 3.左株間松土除草機構 4.圓錐齒輪箱 5.鏈傳動1 6.驅動輪 7.六方軸 8.鏈傳動2

2 除草機構設計方案

2.1 偏心組合梳齒式除草機構問題剖析

除草機構是大豆株間除草機作業單體的關鍵部件。文獻[27-28]中株間除草機構的設計方案為偏心組合梳齒式結構，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、前后從動盤和滑道等組成。

圖3 偏心組合梳齒式株間除草機構結構簡圖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.前從動盤 7.支撐架 8.鏈條傳動系統 9.后滑道 10.后梳齒盤 11.后梳齒軸 12.后從動盤 13.連接板 14.齒輪箱

由梳齒盤、從動盤和連接板組成前、后各3組平行四連桿機構控制梳齒軸上的彈性梳齒在作業過程中始終保持直立姿態。結構相對復雜，而且從動盤通過調整3個滾輪圍繞滑道同心轉動，控制精度低，可靠性差，梳齒破土能力弱；另外田間除草試驗還發現以下2個主要問題：①該機構前后結構尺寸較大，在當前整地狀況下，難以穩定控制前、后梳齒的入土深度基本一致，造成漏鋤、掘土和秧苗損傷，同時梳齒易被秸稈堵塞，導致拖土埋苗和傷苗。②前、后梳齒盤橫向間距固定，僅適應單行種植作物株間機械除草，適應性差。尤其是在東北免耕壟作雙行種植大豆株間除草作業過程中，本應梳齒最深入土深度位于苗帶兩側，但因橫向間距不可調整，使梳齒最深入土深度處于比較接近幼苗根部，出現挖根、傷苗現象。

2.2 改進方案

圖4 行星輪株間除草機構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，將原設計中前、后配置的組合梳齒式除草機構設計方案改為左右配置，即解決除草機構前后結構尺寸過大導致梳齒入土深度不一致和拖土埋苗問題，也便于兩個除草機構橫向間距的調整，以適應壟上單、雙行種植作物株間除草作業的要求。左、右株間除草機構配置如圖4所示。

其次，將控制彈性梳齒姿態的3組原平行四桿結構設計為1套行星輪系，并且梳齒入土姿態(入土角)可調。改進設計的行星輪株間除草機構如圖4所示(左視圖為拆下梳齒盤殼體左側板)。

行星輪株間除草機構包括：由梳齒和梳齒軸構成的除草部件、由1組行星輪系與殼體構成的行星輪驅動盤以及固定座3部分。其中，1組行星輪系位于殼體內，由模數和齒數均相同的中心齒輪、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。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現全部梳齒入土角度的調整，結構簡單，調整方便，傳動更加可靠。

3 除草機構主要參數設計

3.1 梳齒運動規律

作業時，配置在苗帶兩側的左、右除草機構以一定速度vm沿壟向前進，左、右驅動盤使除草部件的梳齒圍繞各自中心軸以相同轉速和入土角由苗帶兩側相對向內旋轉，梳齒上任意一點的運動軌跡均構成一條螺旋線，見圖5a。其參數方程為

(2)

式中R——除草部件回轉半徑

ω——驅動盤旋轉角速度

t——時間

圖5 單根梳齒運動軌跡與齒跡示意圖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[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——驅動盤轉速

N——驅動盤上梳齒總數

k——梳齒序號

φ——相鄰兩條齒跡線的相位差

機械除草作業通過這些間距相等且平行的齒跡使苗帶土壤疏松或翻轉，將扎根較淺的幼草根系破壞或拋至地表曬枯，實現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，影響機械除草作業性能的主要參數有除草部件在驅動盤上回轉半徑R、驅動盤轉速n、驅動盤上梳齒總數N和前進速度vm。

3.2 梳齒長度L與梳齒入土角β

梳齒是除草機構入土作業部件，以一定間隔均布在梳齒軸上。考慮到梳齒需要較高的疲勞強度和良好的韌性，既要保證在作業時不宜被折斷，也應該防止除草作業時梳齒發生不可恢復的形變，根據文獻[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。由于實際株間機械除草作業時，梳齒最深入土位置處在苗行兩側，為使松土深度h穩定在20～40 mm范圍內，梳齒最深入土深度hB≥h。根據前期的試驗研究與調查，測得機械除草作業期大豆秧苗平均株高H<140 mm，同時考慮到驅動盤的結構尺寸，取梳齒長度L=230 mm，如圖6a所示。

圖6 梳齒結構與相關設計參數Fig.6 Structure of comb tine and related design parameters

另外，為進一步提高除草效果，將梳齒入土端設計成同旋轉方向一致的彎弓結構。田間初步試驗表明，帶有彎弓的梳齒比直梳齒入土和對扎根偏深雜草的除草能力強，同時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。本設計可通過調整除草機構中心軸的安裝角度，實現梳齒入土端與鉛垂方向夾角(梳齒入土角)β的調整，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 除草部件回轉半徑R

在驅動盤上，半徑為R的圓上均布3套除草部件。如圖6b所示，則每兩套除草部件間距LA與梳齒長度L、梳齒中徑D應滿足

(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，除草部件回轉半徑等于齒輪分度圓直徑的2倍，同時考慮除草機構的結構尺寸，齒輪模數取2.5 mm，齒數為33齒，則R為165 mm。

3.4 梳齒軸上均布梳齒個數j與間距δ

由圖4可見，每個驅動盤上安裝3套除草部件，設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距離均為jδ，如圖7。圖中vr為梳齒繞中心軸旋轉運動線速度，v為梳齒絕對運動速度。

圖7 齒跡相關參數Fig.7 Correlation parameters of tooth trace

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

(5)

根據前期理論分析與試驗研究[27]，梳齒間距過小易拖土或堵塞，間距過大又會使除草率降低。在松土深度h為20～40 mm作業條件下，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，梳齒數目j越多，每套除草部件單幅作業距離J越長，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入土所受阻力大，產生的沖擊力也越大，除草作業工作穩定性越差。但是，除草部件上均布梳齒個數若過少，在同等作業速度條件下，則必須提高驅動盤轉速，使梳齒運動線速度增加，造成梳齒傷苗。經前期試驗，取j=4，即單幅作業距離J為200 mm，能夠獲得較好作業效果。

3.5 驅動盤轉速n

按齒跡間隔均等且不重不漏的設計原則，除草機構以作業速度vm前進，在作業時間t內，其作業距離與驅動盤轉速關系為

S=vmt=3jδnt/60 000=jδnt/20 000

(6)

由式(6)可知，在單幅作業距離J一定條件下，驅動盤轉速n與除草作業速度vm成正比。

此外，梳齒線速度vr是梳齒驅動盤轉速設計的主要依據[27]。梳齒線速度vr越大，其破土壤板結和碎土能力越強，單根梳齒松土范圍相應變大，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。所以驅動盤轉速n還應滿足

(7)

綜上所述，驅動盤轉速需要滿足齒跡間隔均等且不重不漏的條件，同時R一定時，驅動盤轉速n存在最大極限值。大豆株間機械除草作業速度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。即驅動盤轉速范圍為135～185 r/min。所設計的大豆株間機械除草機構在不同作業速度下對應的驅動盤轉速如表1。

表1 不同作業速度下驅動盤轉速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，其對苗間機械除草裝置的作業性能有較大影響[26-29]，過淺則達不到除草效果，反之則易損傷秧苗根部。因此，在機械除草作業過程中，為避免除草部件損傷秧苗根部，梳齒最深入土點應位于苗行兩側，設最深入土點與苗行距離(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關系為

(8)

由式(8)可知，在梳齒回轉半徑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時，因壟形壟貌等極不規范，樣機采用相對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應滿足

(9)

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

4 除草性能試驗與結果分析

試驗目的：通過室內臺架首先進行單因素試驗，明確除草機構各工作參數對株間除草性能評價指標的影響規律；再通過正交試驗確定各主要影響因素對試驗指標的影響程度，尋找出一組最優的因素參數組合，從而使試驗指標達到最優值；最后按所優化工作參數組合通過田間實際除草作業進行試驗驗證。

4.1 試驗設備與條件

單因素與正交試驗在東北農業大學農具實驗室自制試驗臺架進行[27-28]。該試驗臺架主要由水平臺架、移動土槽、除草機構、傳動系統和調頻控制臺等構成。驅動盤由額定功率為1.1 kW變頻調速電機帶動。

移動土槽長6 m，寬1.2 m，移動速度范圍為0～3 m/s。槽內起壟高度為120 mm，臺寬220 mm，土壤含水率為15.8%～19.7%，土塊最大尺寸為30 mm；試驗用大豆秧苗和雜草均來自試驗田，并按大豆壟上雙行種植農藝要求，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，根系長度小于20 mm，栽植深度小于20 mm，地上高度平均32 mm，隨機分布壟上。

4.2 試驗評價指標

行星輪株間除草機構研制的主要目的是提高株間除草率的同時，解決原設計樣機梳齒入土深度不一致、適應性差和傷苗率偏高問題，因此將除草率和傷苗率作為試驗評價指標。試驗參照JB/T 7864—1999《旱田中耕追肥機試驗方法》中相關規定，記錄測區內每次試驗前、后的雜草株數、秧苗總數與傷苗株數。試驗指標的計算公式為[31-33]

(10)

(11)

式中c——除草率，%

Qz——測區內除草前雜草株數

Hz——測區內除草后雜草株數

s——傷苗率，%

Ms——測區內除草后傷苗株數

Mz——測區內除草前秧苗數

4.3 單因素試驗

4.3.1試驗設計

根據前述的理論分析，結合課題組前期研究以及田間試驗經驗，在大豆株間除草機構結構參數確定的前提下，總結出梳齒入土角、梳齒最深入土位置、梳齒最深入土深度和驅動盤轉速為影響除草機構除草性能的4個主要工作參數。為明確各工作參數對除草作業性能評價指標的影響規律，對其分別進行單因素試驗。

4.3.2試驗結果與分析

(1)梳齒入土角β

根據前期試驗研究，設定梳齒最深入土位置P=75 mm、最深入土深度hB=50 mm和驅動盤轉速n=165 r/min (土槽移動速度為1.65 m/s)。根據梳齒入土角β范圍為10°～35°，試驗時設定β為10°、15°、20°、25°、30°和35°共6個水平。各性能評價指標與梳齒入土角的關系如圖8a所示。

圖8 試驗指標與各因素之間的關系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。除草率的范圍為83.9%～91.6%；傷苗率先緩升后急劇上升，當β<30°時，傷苗率均在4%以下。適宜的β范圍為10°～30°，雖然在β=15°時除草率與傷苗率均略低于β=20°時，綜合考慮田間機械除草過程中梳齒入土能力、對扎根偏深雜草的除草能力以及株間培土效果，取β=20°為較優值。

(2)梳齒最深入土位置P

設定最深入土深度hB=50 mm，梳齒入土角β=20°，驅動盤轉速n=165 r/min(土槽移動速度為1.65 m/s)。根據梳齒最深入土位置P范圍為63～118 mm，試驗時設定65、75、85、95、105、115 mm共6個水平。各性能評價指標與梳齒最深入土位置的關系如圖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。當梳齒最深入土位置P小于95 mm時，除草率隨著最深入土位置P的增大，由91.3%緩降到88.1%；當梳齒最深入土位置P大于95 mm時，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定。這是因為P越大，梳齒在最深入土位置時距秧苗根部越遠，越不易對秧苗根部造成損傷，也不會造成拖土埋苗。根據東北壟作雙行大豆株間機械除草作業農藝要求，適宜的最深入土位置為65～95 mm，其除草率均達到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

設定最深入土位置P=95 mm，梳齒入土角β=20°，驅動盤轉速n=165 r/min(土槽移動速度為1.65 m/s)。根據前期試驗研究，設定最深入土深度hB為35、40、45、50、55、60 mm共6個水平。各性能評價指標與梳齒最深入土深度的關系如圖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，梳齒攪動土壤層(土壤帶動層)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，出現埋苗現象，從而使除草率與傷苗率均相應上升。當最深入土深度hB為35～40 mm時，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，隨著hB的增大，除草率升幅較小，趨于平穩，傷苗率均小于4%。當hB大于55 mm后，由于苗帶區域松土深度過深，試驗過程中出現梳齒將整株大豆秧苗挑出和埋苗現象，導致傷苗率急劇上升。

在傷苗率許可范圍內，同時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%，趨于穩定。

(4)驅動盤轉速n

設定梳齒入土角β=20°，梳齒最深入土深度hB=50 mm，梳齒最深入土位置P=95 mm，根據驅動盤轉速n范圍135～185 r/min，試驗時設定驅動盤轉速n為135、145、155、165、175、185 r/min共6個水平。各性能評價指標與驅動盤轉速的關系如圖8d所示。

由圖8d可知，隨著驅動盤轉速n的增大，除草率和傷苗率均小幅緩慢升高。除草率均能達到85%以上，傷苗率低于3.4%，各性能指標趨于穩定的實際效果說明在驅動盤轉速的試驗參數范圍內，驅動盤轉速對除草機構作業性能影響非常小。

4.4 正交試驗

考慮到田間試驗條件與室內試驗臺試驗條件存在較大差異與不確定影響因素，故正交試驗在田間大豆除草作業期進行。

4.4.1試驗條件與設備

試驗條件：2018年6月11—12日在黑河市孫吳縣賀豐種業大豆種子試驗田進行田間機械除草試驗，該地區為黑壤土，前茬作物為玉米，壟距650 mm，平均壟高116 mm，0～100 mm深度內平均含水率17.1%，壟臺土壤堅實度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,秸稈長度小于100 mm。

試驗主要儀器設備：新加工行星輪梳齒式株間除草作業單體、奔野BY480型拖拉機、SC900型土壤緊實度測量儀、SM-2型土壤水分測量儀、30 cm鋼板尺和50 m卷尺。

4.4.2試驗影響因素與評價指標

基于前述理論分析與單因素試驗，梳齒入土角、梳齒最深入土位置和梳齒最深入土深度對大豆株間除草作業性能有較大影響，而驅動盤轉速則對大豆株間除草作業性能指標的影響不顯著，故除草作業時，只需根據作業條件，由表1確定驅動盤轉速即可。本次田間試驗標定作業速度為1.65 m/s(驅動盤轉速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個主要因素對大豆株間除草作業性能的影響程度及最佳參數組合，以壟上雙行種植大豆株間除草率和傷苗率為性能評價指標，開展三因素三水平正交試驗。根據單因素試驗的分析結果確定正交試驗的因素水平，見表2。

表2 因素水平Tab.2 Factors and levels

4.4.3試驗方法

參照JB/T 7864—1999《旱田中耕追肥機試驗方法》進行試驗。

測區的確定:作業區域長30 m、寬1.3 m，每組試驗3次。將作業區域分為3個區，每個區域內隨機選取5個點，以該點為中心，用規格為1 m×0.24 m矩形鋼絲框確定測試區，并測定每個測區內作業前、后株間(苗帶寬度240 mm)雜草與秧苗的株數以及秧苗被梳齒打折、除掉、掩埋不能正常生長的秧苗株數。田間試驗及作業效果如圖9所示。

圖9 田間試驗及作業效果Fig.9 Photos of field experiment and its operation effect

4.4.4試驗結果與分析

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

表3 試驗方案和結果Tab.3 Results of orthogonal experiment

表4 極差分析Tab.4 Range analysis

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

注：F0.01(2,2)=99.01，F0.05(2,2)=19.00，F0.1(2,2)=9.00。F>F0.01(2,2)，為影響極顯著，記作** ，F0.05(2,2)

對于除草率性能指標，由極差分析和方差分析的結果可得，梳齒最深入土深度和最深入土位置對除草率有極顯著影響，梳齒入土角對除草率影響顯著。對除草率影響因素的主次順序為C、B、A，較優方案為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。

對于傷苗率性能指標，由極差分析和方差分析的結果可得，梳齒入土角和最深入土深度對傷苗率有顯著影響，梳齒最深入土位置對傷苗率影響不顯著。對傷苗率影響因素的主次順序為A、C、B，較優方案為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。

對獲得的A1B2C2和A2B1C2兩個較優方案相比較，二者均達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，給作物生長創造有利條件，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。因此應優先考慮傷苗率指標。綜合考慮，株間除草作業最優方案為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 田間驗證

為進一步考察優選參數的作業效果以及作業穩定性，試驗時按照最優參數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進行了田間驗證試驗。驗證試驗在同一試驗田塊隔天進行,作業速度為1.65 m/s，共重復5次，最終得到株間平均除草率為86.3%，平均傷苗率為2.66%。該結果與表3對比，優于組合試驗結果，作業性能比較穩定。

另外，改進后除草機構結構簡單，作業過程中不堵塞不埋苗，株間除草率和傷苗率性能指標均得到改善。能夠滿足東北壟作大豆雙行種植模式下株間除草農藝要求。

5 結論

(1)基于東北保護性耕作壟作大豆株間松土除草的農藝要求，在已有研究基礎上，設計了左右梳齒盤橫向間距可調的大豆株間除草作業單體機構，以適應當前壟上雙行種植大豆寬苗帶株間松土除草作業需要。同時，對株間除草機構進行改進設計，簡化結構，解決了梳齒易纏草、堵塞和入土能力弱等問題。

(2)在自制株間機械除草試驗臺上，對可能影響株間除草作業性能的因素進行了單因素試驗與分析，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個因素為影響除草作業性能的主要因素，并確定了各因素的取值范圍。

(3)在田間壟臺0～100 mm深度內平均含水率為17.1%、平均土壤堅實度為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、秸稈長度小于100 mm和作業速度1.65 m/s的條件下進行正交試驗，獲得最優參數組合為：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，此時株間除草率為85.6%，傷苗率為2.73%。

(4)田間驗證試驗表明，在最佳參數組合下，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藝要求，可為大豆株間除草機的設計與改制提供參考。