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摘 要：为了实现水稻株间除草作业，本文研制了立式水稻株间除草装置并进行三维建模，建立了除草装置运动学模型，对其运动轨迹进行分析，通过土槽台架试验对轨迹进行检测。田间试验表明，当除草装置旋转速度为72r/min，除草装置前进速度为0.44m/s，除草齿入土深度为42mm时，水田株间除草装置性能最优，除草率为84.5%，伤苗率为4.2%，满足水稻机械除草农艺要求。
关键词：水稻；株间除草；装置；试验
中图分类号：S22 文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530018
稻田杂草是水田生态系统的重要组成部分，其与水稻争夺生长空间、肥料养分及热量等资源，造成水稻产量下降、品质降低。而水稻机械除草利用除草机械（如乘坐式、步进式、自走式）实现对稻田杂草拔除、切断或压埋等作用[1]。对比于化学药剂除草，机械除草是一种无化学污染、环境友好型的除草形式 [2，3]。
目前，水稻机械式除草可分为行间除草和株间除草[4]。国内外学许多学者对水稻机械除草装置进行了研究，如日本三菱公司研制的MRW-5型乘坐式水稻除草装置，机具一次入田可实现除草、施肥同步作业，具有较高的工作效率[5]；Mametora[6]研制了一种乘坐式水稻除草机械，操作人员可直接观察到除草作业情况，方便及时调整机械作业参数，从而减少对稻苗的损伤，但增加了操作人员的劳动强度；东北农业大学研制了乘坐式除草机具，通过螺旋钢丝清除株间杂草、旋转辊轮压埋行间杂草，实现对水稻株间、行间杂草的清除[7]；冯金旭等[8]研制了水稻除草部件，主要为驱动式除草轮和开沟铧犁，可完成行间除草作业；曹加龙等[9]设计的耘耥式除草装置，通过除草装置实现行间除草作业，但这2种除草装置未见田间作业的报道。相对而言，进行水稻株间除草比较困难，株间距离与行间距离存在差异，而杂草常伴随稻苗生长，控制除草装置清除杂草且降低对稻苗损伤，需要对株间除草装置进行研究。我国水稻株间除草装置主要有水平圆盘式、往复摆动式、固定轻耙式、固定铲式及对转式等，而现有的株间除草装置存在作业效率低，清除率低等不足。
为了解决上述问题，本文研制了立式水稻株间除草装置并进行三维建模，建立了除草装置运动学模型，并对除草装置形成的运动轨迹进行分析，探究除草装置不同工作参数对运动轨迹影响规律，通过土槽台架试验对除草装置运动轨迹进行验证，得到水稻株间除草装置最优工作参数组合，并进行田间试验。该研究可为水稻机械除草装置设计提供参考。
1 结构设计
本文设计的立式水稻株间除草装置主要由安装盘和除草齿构成，如图 1所示。其中除草齿是水稻株间除草装置的核心部件，作业过程中除草齿与土壤及杂草接触，其结构形状与尺寸参数直接影响除草装置的作业质量。安装盘上设置不同圆周直径R1（60～110mm）和角度σ1（步长为30°）的螺孔，将一定数量的除草齿与安装盘固结组合成整体，通过安装盘带动除草齿整体旋转。除草齿选用边长为6mm，韧性较好方钢加工，根据实际入土深度，设计其长度L为290mm；为提高除草作业质量，除草齿末端采用外弧线形设计（弧段长度l为30mm，弧段圆角α为 44°，弧段半径 r为52mm），在水田土壤中除草齿以圆弧线形式与杂草根系接触，将杂草根系打断，最大程度降低伤苗现象，同时除草齿增加与土壤接触滑移面积，将杂草进行掩埋，提高除草效果。
2 工作原理
水田田间除草作业前，根据不同地域水稻行间距离与株间距离种植农艺要求，调整各个安装盘作业间距；同时测量水田土质松软程度及泥脚深度，调整除草齿的入土深度。除草齿入土过深，增加土壤对除草齿作用力，降低了除草作业效率；除草齿入土过浅，容易导致除草装置作业质量下降。作业过程中，除草机具通过链传动将动力传至除草装置，带动除草齿做旋转运动，如图2所示。
除草齿的运动随除草机具前进直线运动及随安装盘旋转运动复合而成，通过调整机具的前进速度与自身旋转运动（除草速比），实现除草齿对水稻株间均匀除草，减少作业伤苗现象。每个除草齿在同一个旋转周期内与除草装置2侧稻株行各接触1次，可有效防止除草后稻株单侧倒伏，同时完成对杂草的切断及压埋。作业过程中，除草齿有效工作部位主要为没入土壤中弯曲弧段，从而得到除草齿复合运动作业轨迹，如图2b所示，两轨迹所形成区域即为除草区域，通过改变除草齿数量及角度，即可适应不同水田株距和行距除草作业需求。
3 运动学分析
性能试验中，相邻除草齿所形成的轨迹两两相切，大小均匀如图4所示，符合水稻株间除草对运动轨迹的要求。通过测量形成的轨迹线的宽度和长度，可以确定稻苗植株行与除草齿相对位置，即相邻除草齿轨迹交点连线应与稻苗植株行重合。经台架试验可知，安装盘的旋转中心应布置在稻苗植株行一侧50mm处。
5 结论
本文以设计的水稻株间除草装置为研究对象，建立了除草齿运动学模型，利用室内土槽试验台进行性能试验，并经过田间试验表明，当除草装置旋转速度为72r/min，除草装置前进速度为0.44m/s，除草齿入土深度为42mm时，水田株间除草装置性能最优，除草率为84.5%，伤苗率为4.2%，满足水稻机械除草农艺要求。
参考文献
[1] 马旭，齐龙，梁柏，等.水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势[J]. 农业工程学报，2011，27（6）：162-168.
[2] 陶桂香，王金武，周文琪，等.水田株間除草机械除草机理研究与关键部件设计[J].农业机械学报，2015，46（11）：57-63.
[3] 吴崇友，张敏，金诚谦，等.2BYS-6型水田中耕除草机设计与试验[J].农业机械学报，2009，40（7）：51-54.
[4] 胡炼，罗锡文，严乙桉，等.基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验[J].农业工程学报，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].日本作物学会関東支部会報，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，张春建，等.3ZS-150型水稻中耕除草机设计与试验[J].农业机械学报，2011，42（2）：75-79.
[8] 冯金旭，高伟.轻型水田除草机[P].中国：201320635312.0，2014-04-02.
[9] 曹加龙.一种小型稻田耘耥除草机[P].中国：200520113356.2，2006-09-27.
关键词：水稻；株间除草；装置；试验
中图分类号：S22 文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530018
稻田杂草是水田生态系统的重要组成部分，其与水稻争夺生长空间、肥料养分及热量等资源，造成水稻产量下降、品质降低。而水稻机械除草利用除草机械（如乘坐式、步进式、自走式）实现对稻田杂草拔除、切断或压埋等作用[1]。对比于化学药剂除草，机械除草是一种无化学污染、环境友好型的除草形式 [2，3]。
目前，水稻机械式除草可分为行间除草和株间除草[4]。国内外学许多学者对水稻机械除草装置进行了研究，如日本三菱公司研制的MRW-5型乘坐式水稻除草装置，机具一次入田可实现除草、施肥同步作业，具有较高的工作效率[5]；Mametora[6]研制了一种乘坐式水稻除草机械，操作人员可直接观察到除草作业情况，方便及时调整机械作业参数，从而减少对稻苗的损伤，但增加了操作人员的劳动强度；东北农业大学研制了乘坐式除草机具，通过螺旋钢丝清除株间杂草、旋转辊轮压埋行间杂草，实现对水稻株间、行间杂草的清除[7]；冯金旭等[8]研制了水稻除草部件，主要为驱动式除草轮和开沟铧犁，可完成行间除草作业；曹加龙等[9]设计的耘耥式除草装置，通过除草装置实现行间除草作业，但这2种除草装置未见田间作业的报道。相对而言，进行水稻株间除草比较困难，株间距离与行间距离存在差异，而杂草常伴随稻苗生长，控制除草装置清除杂草且降低对稻苗损伤，需要对株间除草装置进行研究。我国水稻株间除草装置主要有水平圆盘式、往复摆动式、固定轻耙式、固定铲式及对转式等，而现有的株间除草装置存在作业效率低，清除率低等不足。
为了解决上述问题，本文研制了立式水稻株间除草装置并进行三维建模，建立了除草装置运动学模型，并对除草装置形成的运动轨迹进行分析，探究除草装置不同工作参数对运动轨迹影响规律，通过土槽台架试验对除草装置运动轨迹进行验证，得到水稻株间除草装置最优工作参数组合，并进行田间试验。该研究可为水稻机械除草装置设计提供参考。
1 结构设计
本文设计的立式水稻株间除草装置主要由安装盘和除草齿构成，如图 1所示。其中除草齿是水稻株间除草装置的核心部件，作业过程中除草齿与土壤及杂草接触，其结构形状与尺寸参数直接影响除草装置的作业质量。安装盘上设置不同圆周直径R1（60～110mm）和角度σ1（步长为30°）的螺孔，将一定数量的除草齿与安装盘固结组合成整体，通过安装盘带动除草齿整体旋转。除草齿选用边长为6mm，韧性较好方钢加工，根据实际入土深度，设计其长度L为290mm；为提高除草作业质量，除草齿末端采用外弧线形设计（弧段长度l为30mm，弧段圆角α为 44°，弧段半径 r为52mm），在水田土壤中除草齿以圆弧线形式与杂草根系接触，将杂草根系打断，最大程度降低伤苗现象，同时除草齿增加与土壤接触滑移面积，将杂草进行掩埋，提高除草效果。
2 工作原理
水田田间除草作业前，根据不同地域水稻行间距离与株间距离种植农艺要求，调整各个安装盘作业间距；同时测量水田土质松软程度及泥脚深度，调整除草齿的入土深度。除草齿入土过深，增加土壤对除草齿作用力，降低了除草作业效率；除草齿入土过浅，容易导致除草装置作业质量下降。作业过程中，除草机具通过链传动将动力传至除草装置，带动除草齿做旋转运动，如图2所示。
除草齿的运动随除草机具前进直线运动及随安装盘旋转运动复合而成，通过调整机具的前进速度与自身旋转运动（除草速比），实现除草齿对水稻株间均匀除草，减少作业伤苗现象。每个除草齿在同一个旋转周期内与除草装置2侧稻株行各接触1次，可有效防止除草后稻株单侧倒伏，同时完成对杂草的切断及压埋。作业过程中，除草齿有效工作部位主要为没入土壤中弯曲弧段，从而得到除草齿复合运动作业轨迹，如图2b所示，两轨迹所形成区域即为除草区域，通过改变除草齿数量及角度，即可适应不同水田株距和行距除草作业需求。
3 运动学分析
性能试验中，相邻除草齿所形成的轨迹两两相切，大小均匀如图4所示，符合水稻株间除草对运动轨迹的要求。通过测量形成的轨迹线的宽度和长度，可以确定稻苗植株行与除草齿相对位置，即相邻除草齿轨迹交点连线应与稻苗植株行重合。经台架试验可知，安装盘的旋转中心应布置在稻苗植株行一侧50mm处。
5 结论
本文以设计的水稻株间除草装置为研究对象，建立了除草齿运动学模型，利用室内土槽试验台进行性能试验，并经过田间试验表明，当除草装置旋转速度为72r/min，除草装置前进速度为0.44m/s，除草齿入土深度为42mm时，水田株间除草装置性能最优，除草率为84.5%，伤苗率为4.2%，满足水稻机械除草农艺要求。
参考文献
[1] 马旭，齐龙，梁柏，等.水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势[J]. 农业工程学报，2011，27（6）：162-168.
[2] 陶桂香，王金武，周文琪，等.水田株間除草机械除草机理研究与关键部件设计[J].农业机械学报，2015，46（11）：57-63.
[3] 吴崇友，张敏，金诚谦，等.2BYS-6型水田中耕除草机设计与试验[J].农业机械学报，2009，40（7）：51-54.
[4] 胡炼，罗锡文，严乙桉，等.基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验[J].农业工程学报，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].日本作物学会関東支部会報，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，张春建，等.3ZS-150型水稻中耕除草机设计与试验[J].农业机械学报，2011，42（2）：75-79.
[8] 冯金旭，高伟.轻型水田除草机[P].中国：201320635312.0，2014-04-02.
[9] 曹加龙.一种小型稻田耘耥除草机[P].中国：200520113356.2，2006-09-27.