稻田生态系统中,杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、热等资源,是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一。有效地防控稻田草害对提高水稻产量和品质具有重要意义。施用化学除草剂是目前应用广泛的一种稻田杂草防治方式,然而大量、高频率的施药会造成杂草抗药性、作物药害、环境污染等问题。近年来,机械除草作为一种无化学污染、环境友好的除草方式得到了较大的发展。水田中耕除草机按行走方式可分为步进式与乘坐式两种。其中乘坐式水田中耕除草机比步进式水田中耕除草机作业效率高、劳动强度小,但同时存在着结构复杂,田间作业伤苗率高等问题。为此本文研制了结构简单、具有自动避苗功能的乘坐式水田中耕除草机,并分别对整机和关键除草部件进行了理论研究、结构设计和田间试验,其主要研究内容如下:(1)根据水稻机插秧的苗带分布特点和机械除草技术要求,设计了与高速插秧机配套作业的乘坐式水田中耕除草机的整机机构,并采用虚拟样机和液压传动技术研制了具有自动避苗功能的组合机架。根据机插秧苗带6行为一组的特点,设计了乘坐式水田中耕除草机的整机结构,该机由12kW水田拖拉机提供动力,主要包括避苗对行组合机架、仿形机构和关键除草部件。根据初始横向滑移机架的动力需求,设计了液力调节的初始横向滑移机架;根据实时角度纠偏调节实时性的要求,设计实时角度纠偏机架,研制出具有自动避苗与对行苗功能的组合机架,并分析了组合机架调节对液压系统的动力学需求,完成了乘坐式水田除草机液压系统的设计。(2)根据水田杂草的生长和力学特性以及水田土壤的力学特点,设计了螺旋刀齿式除草轮;采用有限元流固耦合仿真分析方法优化了刀齿结构,并进行了不同刀齿宽度除草轮的除草性能田间对比试验,优化得到刀齿的最佳参数。分析水稻田主要杂草的生长特性和力学特性,确定了中耕除草的最佳时期;根据水田土壤的力学特征,研制了与土壤作用能力较强的螺旋刀齿,确定了除草轮的结构和尺寸。进行了除草轮运动轨迹分析,得到了理论不漏除的刀齿宽度与除草轮入土深度。采用有限元流固耦合仿真分析方法对不同齿宽除草轮的作业过程进行了仿真分析,结果显示:除草轮作业时的阻力和对土壤的扰动能力均随齿宽增加而增大;当刀齿宽度≥30mm时,不同齿宽除草轮对土壤的扰动能力差异不显著。采用不同齿宽的除草轮进行田间除草性能试验,试验结果显示:除草率随齿宽的增加而上升,当刀齿宽度≥30mm时,除草率大于85%。综合除草轮的阻力与对土壤的扰动能力优化刀齿的尺寸为200mm×30mm。(3)系统地进行了乘坐式水田中耕除草机的田间工作性能试验,分析了影响其工作性能的影响因素,得到较优组合;对比了机械除草与化学除草的产量差异,试验表明,在试验区内机械除草平均产量高于化学除草。采用全因子试验法以机具行驶速度、除草轮入土深度为试验因素,以机具的除草率与伤苗率为试验指标,进行了乘坐式水田中耕除草机的田间除草性能试验。通过极差分析比较不同因素水平下的除草率和伤苗率得到了两组较优组合,分别为机具前进速度为0.6m/s,除草轮入土深度为6cm,此时除草率为87.2%,伤苗率为0%;机具前进速度为0.6m/s,除草轮入土深度为9cm,此时除草率为92.0%,伤苗率为4.3%。在机具不同行驶速度和除草深度条件下,整机平均除草率为82%,平均伤苗率为4.8%,同时测得该机作业效率为0.2hm2/h~0.6hm2/h,满足水稻田中耕除草作业质量与工作效率的要求。进行了不同杂草控制模式的产量对比试验,得到结论:在试验区域内机械除草平均产量高于化学除草。机械除草对稻苗有一定的损伤,但是机械除草具有中耕作用,可促进稻苗有效分蘖,进而提高产量。