水稻是作为我国三大主粮之一,播种植面积常年稳居第一,其产量对保障国家粮食安全意义重大。水田杂草严重影响水稻产量和质量,在中耕期进行有效的除草作业是水稻种植过程中至关重要的一个环节。机械除草作为一项具有避免化学污染、改善土壤物理环境、促进作物生长发育等优点的有效技术措施,已被广泛应用。水田机械除草装置是机械除草技术实施的核心,其性能的优劣直接影响除草作业质量和效率。因此研制高效的机械除草装置,对实现水稻生产全程机械化具有重要意义。现有的机械除草装置大多数机型缺少研发和配置株间除草装置,现有株间除草装置关键部件多通过旋转、摆动、拖拽等复合运动将稻苗与杂草一并处理,除草部件刚性结构对秧苗根系及茎秆损伤较大。行间除草装置多以对现有鼠笼式和耙齿式除草轮进行结构优化为主,未见明显创新,除草轮普遍存在土壤扰动不足、易黏附土壤、易打滑和阻力大等问题,且刚性除草部件易造成秧苗根系损伤。整机难以一次性完成行间和株间全幅除草作业,且由于水田复杂环境致使装置除草率低、伤苗率高,难以保证作业质量。针对上述问题,本文采用理论分析、机械结构设计、仿生技术、有限元数值模拟分析和试验研究等方法和手段,结合水田实际田间状况,开展射流式水田仿生中耕除草装置研究。重点突破射流式株间除草装置、仿生柔性行间除草装置等核心工作部件的设计研发与机理研究,进行射流式水田仿生中耕除草装置的集成与田间性能试验。本研究为水田机械除草装置的创新设计提供理论支撑与参考。研究内容与方法如下:（1）水田植物和土壤物理参数测定研究影响水稻生长的杂草主要为稗草,故选取黑龙江省阿城区团结村水稻植株和稗草作为测试对象,测得获得了水稻植株和稗草几何尺寸及其单根系屈服应力数值;以田间土壤为研究对象,测定其物料特性,获得了土壤容重、土壤含水率、土壤密度、土壤限定粒径和土壤渗透系数、土壤坚实度、土壤抗剪切强度、内聚力、内摩擦角、土壤体积模量和剪切模量等物理参数与力学参数。本章研究可为水田除草装置关键部件结构设计与参数确定提供数据支撑,同时为水田除草装置理论分析与仿真试验提供理论依据。（2）射流式株间除草装置关键部件机理分析与设计创新提出了一种水射流除草方法,结合机械结构设计,研制了一种射流式株间除草装置;根据水稻除草时期农艺要求以及水稻和杂草生长特性,阐述了射流除草作业机理,通过理论分析确定了该装置射流倾角和喷嘴开口直径主要结构参数范围;运用动量守恒定理、粘性流体力学和土力学原理进行分析,建立了喷嘴临界破土压力模型,获取了土壤临界破坏压力,完成了射流式株间除草装置动力系统的选型配套。（3）仿生柔性行间除草装置设计与分析为解决因除草轮易黏附土壤、挂草而导致的除草轮打滑、除草率低的问题,运用仿生技术设计了一款仿生柔性行间除草装置。通过研究水稻行间除草装置除草作业特性,以麻雀羽鸭鸭脚掌为仿生原型,利用高速摄像技术观察分析鸭脚掌的游水运动学特性,获取了鸭脚掌宏观形态数据和各关键部位结构参数。通过理论分析,结合水田除草农艺要求确定了影响仿生柔性行间除草轮除草性能的主要结构参数;仿生鸭脚掌柔性蹼板在蹼板安装轮盘上的轴向倾角为170°,仿生鸭脚掌柔性蹼板与蹼板安装板的侧向偏角为15°。为提高仿生柔性行间除草装置作业稳定性,设计单铰链结构仿形机构,并确定了该机构主要结构参数。（4）射流式株间除草装置作业性能数值模拟研究基于显示动力学LS-DYNA仿真软件建立了射流式株间除草装置的喷嘴-水-土壤模型,并进行了单因素虚拟仿真试验,运用Design-Expert 8.0.6软件对射流式株间除草装置单因素虚拟仿真试验结果进行分析,阐述了射流倾角和喷嘴开口直径对土壤挖掘深度和土壤扰动率的影响规律,获取了装置最优结构参数,当射流倾角为31°,喷嘴开口直径为4mm时,土壤挖掘深度为31.88mm,土壤扰动率为11.69%。（5）株间与行间水田除草装置台架性能试验研究借助东北农业大学农牧机械实验室,搭建了水田株间和行间除草装置土槽试验台。开展了水稻根系抗冲断极限水压冲击试验,获取了水稻根系极限抗冲断压力为1.50MPa,为射流式株间除草装置台架试验因素选取提供参考依据;进行了射流式株间除草装置和仿生柔性行间除草装置参数优化试验,通过单因素试验和多因素旋转正交旋转组合试验设计,阐述分析了各试验因素对株间和行间除草装置除草性能评价指标的影响规律,建立了除草性能指标与试验因素间回归数学模型,获得了装置最优工作参数组合。当射流式株间除草装置工作参数组合为前进速度0.30m/s、喷嘴出口压力1.50MPa时,除草率为92.78%;当仿生柔性行间除草装置最优工作参数组合为:前进速度0.67m/s、入土深度47.07mm时,除草率为92.79%,伤苗率为1.53%。（6）射流式水田仿生中耕除草装置集成设计与田间验证试验集成配置了射流式水田仿生中耕除草装置,以装置前进速度为试验因素,除草率和伤苗率为评价指标,进行了田间作业性能验证试验。结果表明,该装置在前进速度0.4m/s时,平均除草率为91.88%、平均伤苗率为1.32%,可一次性完成行间和株间除草,除草率高,伤苗率低,作业质量满足水田中耕除草农艺和技术要求。