中耕是我国精耕细作农业传统的重要组成部分,主要从除去田间杂草开始的。杂草既能在作物苗行之间(行间)生长,也能在作物行内(株间)生长,它与作物争夺水分、养分和阳光,若不加以控制就会严重影响作物的产量和品质。而除草又是田间管理的一项重要而且繁重的工作,季节性较强、实时除草期短、用工量较大。机械除草一直被视为有机农业生产中重要的组成部分,尤其是近年来,人们对环境恶化的担忧和对有机食品需求的增加,机械式株间除草装置备受关注。机械除草较易除掉行间杂草,技术比较成熟,而且比较经济。但是,对于作物株间杂草,由于其极为贴近作物植株,在被除掉过程中极易损伤秧苗,铲除相对困难,这也是机械除草技术发展缓慢的重要原因之一。因此开展机械式株间除草关键部件的研究与整机设计意义重大。本文在分析国内外机械除草技术、株间除草机理研究现状的基础上,针对株间除草过程中,存在的技术难点与关键问题,创新研制出适合东北垄作玉米和大豆作物株间作业的组合梳齿式除草机构与作业单体,并通过集成创新,研发出3ZCF-7700型多功能中耕除草施肥机。同时,本文对东北垄作株间机械除草机理、关键部件与整机结构进行了理论分析与试验研究,研究工作被列入国家“十一五”科技支撑项目(项目编号：2006BAD11A05-06)。主要研究成果如下：1、农作物除草季节性强、实时除草期短,为缩短试验研究周期,研制了多参数可调节的机械除草试验台。三年来,通过理论和试验分析,探索了株间机械除草机理、改进完善了株间除草机关键部件的结构及配置、分析了相关运动参数和部件结构对株间除草性能的影响。2、为获得理想的株间机械除草效果,在建立了机械除草齿运动轨迹数学模型的基础上,结合农艺对机械除草参数的限定及要求,建立了多目标优化模型,并利用Matlab7.0优化工具箱得到了最优解。然后以机组前进速度、锄齿数目、锄齿在圆盘上均布半径和圆盘转速四个主要参数的最优组合为设计基础,利用Pro/E软件进行实体建模与仿真,为株间机械除草装置的设计提供理论依据。3、为进一步优化水平圆盘式株间除草部件的设计及确定其关键参数的最优组合,以株间除草部件为研究对象,进行了4因素4水平正交试验,通过方差、极差分析,确定了除草部件作业速度、齿盘转速、锄齿数目及其安装半径4个因素对苗间除草性能的影响,优化出最佳工作参数组合。试验结果表明,锄齿数目和作业速度对苗间除草部件的性能影响显著。最佳优化方案是：锄齿数目12、锄齿安装半径160 mm、齿盘转速170r/min和作业速度2.1m/s,该条件下苗间除草装置的伤苗率为4.41%、苗间除草率可达73.1%、埋苗率小于3%,满足旱田作物株间除草作业的农艺要求4、深入研究了水平圆盘式株间除草部件除草原理及造成秧苗损伤的机理,分析了除草过程中除草齿的运动规律,采用PRO/E建立了除草部件三维模型.并通过二次回归正交旋转组合设计试验,利用Matlab与Excel软件,分析了各因素对除草率和伤苗率的影响关系,并分别建立了影响因素与除草率和伤苗率关系的数学模型,为株间除草机构的性能分析、数值模拟提供手段,也为株间机械除草关键部件和单体的设计提供了可靠依据。5、创新研制出一种组合梳齿式株间除草部件与作业单体,进行了系统的理论分析、计算机仿真和试验研究。并于2010年9月获得国家实用新型专利授权和发明专利公开。6、针对长期以来农业机械产品的研制存在生产周期长、成本高、零部件之间相互干涉无法装配等不足,应用Solidworks软件进行除草部件和单体虚拟制造与运动仿真,提高了除草部件与单体设计的准确性和效率,降低了成本。7、建立了以板壳为基础单元的株间除草机机架的有限元模型,利用ANSYS有限元计算软件对机架进行了计算分析,计算结果对除草机的设计和应用提供理论支持。8、在上述研究基础上,研制出与大功率(118.4KW以上)拖拉机配套的3ZCF—7700型多功能中耕除草施肥机,该机在玉米、大豆等作物的中耕作业过程中能完成侧深施肥、株间松土除草、起垄、培土和深松等工序的作业。田间试验结果表明：用于玉米苗间杂草除净率为76%,行间杂草除净率95.7%,伤苗率小于4.4%,其它各项技术性能指标均符合设计要求。该机可满足旱田作物中耕管理作业的农艺要求。9、研究表明：除草齿入土深度对除草性能影响较大.目前,现有除草机采用机械仿形机构,精度低、控制除草深度的能力差,这也是机械除草伤苗率高的重要原因之一。为此,研制出一种电液控制自动仿形系统,并将其应用在两个株间除草单体上进行了室内外试验。试验结果表明,该仿形系统基本克服了机械仿形时动作提前或滞后所造成的仿形失真问题,能够灵敏的感应地面起伏的变化,提高了除草齿入土深度的控制精度,同时也降低了单体的重量。