王金武，多天宇，唐　漢，陶桂香，楊松梅，劉永軍（.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　50030；.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江　大慶　6339）

水田株間立式除草裝置除草機(jī)理與試驗(yàn)研究

王金武1，多天宇1，唐漢1，陶桂香2，楊松梅1，劉永軍1
（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江大慶163319）

為提高水田機(jī)械除草作業(yè)質(zhì)量，以株間立式除草裝置為研究載體，闡述主要結(jié)構(gòu)及工作原理，分析壓埋式除草機(jī)理，建立除草運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型。為提高除草部件作業(yè)性能，確定最佳工作參數(shù)，以除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土深度為試驗(yàn)因素，株間除草率及傷苗率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分析不同工作參數(shù)下除草性能規(guī)律，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立因素與指標(biāo)間數(shù)學(xué)模型以進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)果表明，除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度69.3 r·min-1，機(jī)具前進(jìn)速度0.44m·s-1，彈齒入土深度38mm時(shí)，機(jī)具除草性能質(zhì)量最優(yōu)，除草率81.5%，傷苗率4.6%，滿足機(jī)械除草農(nóng)藝要求。

水田；立式除草；除草機(jī)理；力學(xué)；彈齒；試驗(yàn)

王金武,多天宇,唐漢,等.水田株間立式除草裝置除草機(jī)理與試驗(yàn)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(4):86-94.

Wang Jinwu,Duo Tianyu,Tang Han,et al.Weedmechanism andmechanics experiment of vertical weed control device between seedlings in paddy field[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(4):86-94.(in Chinese with English abstract)

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2016-4-22 10:01:14[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160422.1001.014.html

水田機(jī)械除草是在水田作物生長(zhǎng)適宜時(shí)期，利用機(jī)械工程手段實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件與稻田泥土、雜草相互作用，完成雜草拔出、拉斷或壓埋等除草過程的環(huán)境友好型技術(shù)[1-3]。相對(duì)于化學(xué)除草，具有改善土壤物理環(huán)境、減少環(huán)境污染、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。機(jī)械除草按作業(yè)形式分為行間除草和株間除草[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水田行間機(jī)械除草技術(shù)研究較早，相關(guān)機(jī)型成熟，如日本三菱公司研制MRW-5型乘坐式水田除草機(jī)[8]和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制3ZS-150型中耕除草機(jī)[9]，主要通過除草鋼絲及除草輥清除行間雜草，可滿足我國(guó)農(nóng)藝除草要求。

相對(duì)而言，株間機(jī)械除草技術(shù)根據(jù)雜草與稻株根系深淺差異，控制除草部件工作深度，除去雜草而不損傷稻苗。我國(guó)20世紀(jì)60年代開始對(duì)株間除草機(jī)械及其關(guān)鍵部件開展研究，主要有水平圓盤式、擺動(dòng)式、輕耙式、固定式及對(duì)轉(zhuǎn)式等[10-13]。由于水田株間除草系統(tǒng)涉及水田植物、土壤及作業(yè)機(jī)械等單元體，單元體間相互作用、動(dòng)態(tài)變化，及水田植物苗體纖弱、根須錯(cuò)落、形狀不規(guī)則，株間除草存在工作效率低，傷苗率高等問題[14]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)株間除草機(jī)械及其關(guān)鍵部件研究以結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新為主，對(duì)除草機(jī)理理論分析及影響因素研究較少，無(wú)法從本質(zhì)上提高除草部件作業(yè)質(zhì)量。

為解決上述問題，本文以本課題組設(shè)計(jì)株間立式除草裝置為研究載體[15]，分析壓埋式除草機(jī)理，建立除草運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型。以除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土深度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，分析不同工作參數(shù)下除草性能規(guī)律，得出機(jī)具最佳工作組合參數(shù)，為水田機(jī)械除草部件設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

1　除草農(nóng)藝要求與方式

1.1除草農(nóng)藝要求

水田除草環(huán)境由秧苗、雜草（以稗草為主）、土壤、水組成混合整體[16]，其中水田土壤環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由土壤泥漿層和泥土層組成，泥漿層深度30～50mm，泥土層深度160～180mm。在除草期內(nèi)，秧苗根系分布深度80～100mm，雜草根系分布深度30～50mm。水稻秧苗株間距離100～120mm，行間距離300mm。

東北水稻種植地區(qū)，從6月上旬開始?xì)鉁刂饾u升高，光照充足，經(jīng)過稻苗返青、扎根、活棵及分蘗各個(gè)時(shí)期過渡，雜草迅速生長(zhǎng)。根據(jù)田間實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，移栽稻田和直播稻田最佳除草作業(yè)時(shí)間分別為第7～21天和第20～30天[17]。根據(jù)農(nóng)藝除草要求，水田株間除草率應(yīng)大于75%，傷苗率小于5%。

1.2除草作業(yè)方式

水田機(jī)械除草作業(yè)方式主要有兩類：壓埋式和彈出式。壓埋式除草主要通過除草部件對(duì)雜草施加傾斜向下作用力，且此作用力大于雜草自身恢復(fù)形狀彈力，將雜草壓入土壤，使其無(wú)法正常光合作用。彈打式除草主要通過除草部件擊打雜草而產(chǎn)生作用力，此作用力持續(xù)作用于雜草根系且大于土壤對(duì)根系粘附阻力，將雜草彈打出土壤，使其根部暴露于地表。

本文以株間立式除草裝置為研究載體，分析壓埋式除草機(jī)理，建立除草動(dòng)力學(xué)模型，為力學(xué)測(cè)定試驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。

2　除草裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，株間立式除草裝置主要由安裝圓盤和除草彈齒組成。其中除草彈齒是除草裝置核心部件，直接與土壤及雜草相互作用，其結(jié)構(gòu)形狀與尺寸參數(shù)合理性直接影響到機(jī)具作業(yè)質(zhì)量。安裝圓盤上配有不同安裝直徑R（50～100mm）及角度σ（30°～90°）螺紋孔，將一定數(shù)量彈齒（4～12根）以螺栓連接方式組合成統(tǒng)一整體，驅(qū)動(dòng)彈齒整體旋轉(zhuǎn)作業(yè)。除草彈齒選用直徑為5mm，韌性較好45號(hào)鋼加工制造，根據(jù)實(shí)際彈齒入土深度，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L為300mm。為提高除草作業(yè)質(zhì)量，彈齒末端采用弧線形設(shè)計(jì)（弧段長(zhǎng)度l為40mm，弧段圓角α為43°，弧段半徑r為72mm），在水田土壤中彈齒以點(diǎn)接觸形式與稻苗及雜草根系接觸，可減少與稻苗接觸面積，降低傷苗現(xiàn)象，同時(shí)增加與土壤間接觸滑移面積，提高除草效果。

圖1　株間立式除草裝置Fig.1　Vertical weeding device between seedlings

2.2工作原理

田間除草作業(yè)前，根據(jù)不同地域水稻行距與株距環(huán)境特征，調(diào)整除草圓盤作業(yè)間距，測(cè)量土質(zhì)松軟程度及水田土壤泥腳深度，調(diào)整機(jī)具及除草圓盤初始入土深度。避免深度過大導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)效率降低，傷苗率過高；深度過淺導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)質(zhì)量下降。在機(jī)具作業(yè)過程中，當(dāng)行走機(jī)具發(fā)動(dòng)機(jī)通過鏈條和錐齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳至除草旋轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)立式除草裝置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

除草圓盤運(yùn)動(dòng)由隨機(jī)具前進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)及自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，通過調(diào)整前進(jìn)速度與自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比例關(guān)系（除草速比），實(shí)現(xiàn)除草彈齒株間均勻除草，減少作業(yè)傷苗現(xiàn)象。每個(gè)除草彈齒在同一旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)與苗行接觸2次，可有效防止除草后稻苗單側(cè)倒伏，完成雜草推拉及壓埋作業(yè)。其中除草彈齒有效工作部位為沒入土壤中彎曲弧段，將彎曲弧段兩端點(diǎn)標(biāo)記，即P1點(diǎn)和P2點(diǎn)，得到兩端點(diǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)作業(yè)軌跡，兩軌跡所形成區(qū)域即為除草區(qū)域（圖中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)域），通過調(diào)節(jié)彈齒數(shù)量及安裝角度可適應(yīng)不同株距和行距除草作業(yè)。

圖2　除草裝置運(yùn)動(dòng)軌跡及除草區(qū)域Fig.2　Trajectory and area of weeding device

3　株間立式除草機(jī)理研究

3.1除草運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為研究影響立式除草裝置作業(yè)質(zhì)量主要因素，分析除草機(jī)理，對(duì)立式除草彈齒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。工作時(shí)除草彈齒隨機(jī)具前進(jìn)，自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為兩種運(yùn)動(dòng)合成，運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線[18]。以除草裝置旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閄軸，與雜草作物行垂直方向?yàn)閅軸，建立直角坐標(biāo)系XOY，如圖3所示。

則除草彈齒端點(diǎn)P（x，y）運(yùn)動(dòng)方程為：

式中，R-彈齒安裝半徑（mm）；vm-機(jī)具前進(jìn)速度（m·s-1）；ω-彈齒旋轉(zhuǎn)角速度（rad·s-1）；t-運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）。

圖3　除草運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.3　Weeding kinematics analysis

對(duì)式（1）求導(dǎo)，即可得彈齒端點(diǎn)沿X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)分速度，將兩方向分速度合成，絕對(duì)速度為：

分析可知，除草彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡由彈齒安裝半徑、旋轉(zhuǎn)角速度及機(jī)具前進(jìn)速度決定。為分析各因素對(duì)除草軌跡及除草區(qū)域范圍影響，本文引入除草速比λ概念，即除草彈齒旋轉(zhuǎn)角速度與機(jī)具前：

工作時(shí)合理控制機(jī)具作業(yè)參數(shù)，調(diào)節(jié)除草速比，增加株間除草覆蓋面積，使得除草彈齒壓埋效果滿足農(nóng)藝除草要求。當(dāng)除草速比λ<1時(shí)，彈齒運(yùn)動(dòng)至任何位置，其水平分速度vx皆大于零，即彈齒端點(diǎn)水平分速度與機(jī)具前進(jìn)方向一致，其運(yùn)動(dòng)軌跡為短幅擺線，如圖3中軌跡Ⅲ所示，此時(shí)彈齒對(duì)土壤作用力較大，作業(yè)區(qū)域較分散。當(dāng)除草速比λ>1時(shí)，彈齒運(yùn)動(dòng)至任何位置，其水平分速度vx皆小于零，即彈齒端點(diǎn)水平分速度與機(jī)具前進(jìn)方向相反，其運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，此時(shí)除草區(qū)域較均勻，可有效進(jìn)行壓埋作業(yè)，如圖3中軌跡Ⅰ所示。

3.2除草動(dòng)力學(xué)分析

為研究立式除草彈齒壓埋機(jī)理，分析彈齒作用力對(duì)除草作業(yè)性能影響，運(yùn)用材料力學(xué)理論建立雜草撓曲線方程，進(jìn)行除草壓埋動(dòng)力學(xué)分析。如圖4所示，為彎曲雜草莖稈簡(jiǎn)化模型，以雜草根系為坐標(biāo)原點(diǎn)o，彎曲變形前雜草莖稈軸線為y軸，水平土壤界面為x軸，建立直角坐標(biāo)系xoy，其中xoy平面為莖稈縱對(duì)稱面。

圖4　雜草彎曲撓曲線模型Fig.4　Diagram of flexuralmodel of weeds

根據(jù)材料力學(xué)原理，將彎曲變形后雜草莖稈軸線簡(jiǎn)化為撓曲線，其上任意點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y），則撓曲線方程為：

根據(jù)平面假設(shè)可知，彎曲變形前垂直于軸線橫截面，變形后仍垂直于撓曲線，因此其截面夾角θ為y軸與撓曲線法線夾角，即x軸與撓曲線切線夾角為：

在純彎曲情況下，彎矩與曲率間關(guān)系為：

式中，M-雜草莖稈橫截面彎矩（N·m）；E-雜草莖稈彈性模量（MPa），I-雜草莖稈截面慣性矩（mm4）。

將式（5）轉(zhuǎn)換為：

其中，ds-兩端法線焦點(diǎn)即曲率中心，確定其曲率半徑為ρ。

將式（7）和式（8）合并整理得：

式（9）為雜草莖稈變形后非線性撓曲線方程。為簡(jiǎn)化其求解過程，將式（9）進(jìn)行線性化變換，當(dāng)雜草莖稈被壓埋入土壤層后，其彎曲角度θ較小，即：

式（11）為雜草莖稈被壓入土壤后撓曲線近似微分方程。在此基礎(chǔ)上，對(duì)水平彈齒進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分析影響壓埋效果主要因素，如圖5所示。將雜草稻苗簡(jiǎn)化為下端固定，上端自由均質(zhì)懸臂梁，受到土壤層對(duì)其作用力及彎矩作用。

圖5　除草動(dòng)力學(xué)模型Fig.5　Diagram of weeding dynamicmodel

當(dāng)除草彈齒以點(diǎn)接觸形式（作用點(diǎn)o）與雜草發(fā)生碰撞，將其壓埋入土壤中時(shí)，對(duì)雜草根莖任意橫截面P皆產(chǎn)生一定力矩，：

式中，F(xiàn)-雜草莖稈所受集中作用力（N）；h-受力點(diǎn)高度（mm）；θ-雜草彎曲角度（°）。

將式（11）與式（12）整理合并得：

對(duì)式（13）進(jìn)行二次積分得：

式中，C、D為積分常數(shù)項(xiàng)。當(dāng)作用點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)（x=y=0），得常數(shù)項(xiàng)C=D=0。

綜上分析，雜草莖稈被壓埋入土壤撓曲線方程為：

分析式（15）可知，對(duì)于特定雜草類型，其彈性模量E及截面慣性矩I恒定不變，當(dāng)除草彈齒入土深度一定時(shí)，其受力點(diǎn)高度h不變，雜草彎曲角θ隨彈齒作用力F增大而減小，即作用力越大其壓埋除草效果越好。當(dāng)彈齒對(duì)雜草作用力F一定時(shí)，雜草彎曲角θ隨受力點(diǎn)高度h增大而增大，即受力點(diǎn)高度越大其壓埋除草效果越差。

通過株間立式除草裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析，其除草性能質(zhì)量與機(jī)具前進(jìn)速度、除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度及彈齒入土深度等因素有關(guān)。因此本文選取除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土深度為試驗(yàn)因素，以回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)分析不同工作參數(shù)下除草性能規(guī)律，計(jì)算機(jī)具最佳工作組合參數(shù)，提高機(jī)具作業(yè)質(zhì)量。

4　除草性能試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)間為2015年6月，地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)具實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)水稻品種為龍陽(yáng)12號(hào)。為模擬實(shí)際水田中耕除草作業(yè)環(huán)境，將哈爾濱市幸福鄉(xiāng)水稻田地第一除草時(shí)段（移栽后10～13 d）內(nèi)水稻秧苗及雜草轉(zhuǎn)移至土槽試驗(yàn)臺(tái)，轉(zhuǎn)移過程中始終保持足夠多的泥土裹覆水稻秧苗根系周圍，保證根系生長(zhǎng)環(huán)境與田間一致。測(cè)定水稻秧苗平均高度226.5mm，平均莖粗2.1mm，將水稻及雜草移至臺(tái)架前進(jìn)方向彈齒切向位置，控制臺(tái)架前進(jìn)速度及彈齒轉(zhuǎn)速使其正常作業(yè)，臺(tái)架如圖6所示。

圖6　除草測(cè)試系統(tǒng)Fig.6　Measuring system of weeding

4.2試驗(yàn)因素與指標(biāo)選取

由除草機(jī)理分析可知，除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土深度是影響機(jī)具除草質(zhì)量主要因素，因此選取此三項(xiàng)因素為試驗(yàn)指標(biāo)。同時(shí)選取除草率和傷苗率作為株間除草裝置工作性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

株間除草率計(jì)算公式為：

式中，η1為株間除草率（%）；M1為作業(yè)前測(cè)試區(qū)株間雜草數(shù)（株）；M2為作業(yè)后測(cè)試區(qū)株間雜草數(shù)（株）。

株間傷苗率計(jì)算公式為：

式中，η2為株間除草率（%）；K1為作業(yè)前測(cè)試區(qū)內(nèi)總稻苗數(shù)（株）；K2為作業(yè)后測(cè)試區(qū)傷苗及埋苗數(shù)（株）。

4.3試驗(yàn)內(nèi)容與方法

分別作除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土深度單因素預(yù)試驗(yàn)，以合理控制因素變化范圍。在此基礎(chǔ)上，采用3因素5水平2次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)以確定除草裝置最佳組合參數(shù)，試驗(yàn)因素水平編碼見表1。各組試驗(yàn)作3次重復(fù)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)處理數(shù)據(jù)取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表1　試驗(yàn)水平編碼Table 1　Coding of level of single factors

4.4試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)值與實(shí)際值誤差小于2.2%，可近似以除草裝置工作參數(shù)設(shè)計(jì)值分析結(jié)果。

通過Design-Expert 6.0.10軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，分析因素方差，篩選較為顯著影響因素，得出相應(yīng)的回歸方程，其中x1為彈齒轉(zhuǎn)速，x2為前進(jìn)速度，x3為入土深度，y1為除草率，y2為傷苗率。

表2　試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2　Results and design of tests

為直觀分析試驗(yàn)指標(biāo)與因素間關(guān)系，運(yùn)用De?sign-Expert 6.0.10軟件繪制響應(yīng)曲面，如圖7～8所示。

根據(jù)上述回歸方程和響應(yīng)曲面圖可知，除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土深度間存在交互作用。除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土深度對(duì)除草性能指標(biāo)（除草率及傷苗率）影響趨勢(shì)基本相同。

由圖7a可知，當(dāng)除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，除草率隨機(jī)具前進(jìn)速度增加而減??；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，除草率隨彈齒旋轉(zhuǎn)速度增加而增加；當(dāng)彈齒旋轉(zhuǎn)速度變化時(shí)，除草率變化區(qū)間較大，因此彈齒旋轉(zhuǎn)速度對(duì)除草率影響更顯著。由圖7b可知，當(dāng)除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，除草率隨彈齒入土深度增加而增加；當(dāng)彈齒入土深度一定時(shí)，除草率隨彈齒旋轉(zhuǎn)速度增加而增加；當(dāng)彈齒旋轉(zhuǎn)速度變化時(shí)，除草率變化區(qū)間較大，因此彈齒旋轉(zhuǎn)速度對(duì)除草率影響更為顯著。由圖7c可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，除草率隨彈齒入土深度增加而增加；當(dāng)彈齒入土深度一定時(shí)，除草率隨機(jī)具前進(jìn)速度增加而減?。划?dāng)機(jī)具前進(jìn)速度變化時(shí)，除草率變化區(qū)間較大，因此機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)除草率影響更顯著。綜上，對(duì)除草率影響顯著性依次為：彈齒旋轉(zhuǎn)速度>機(jī)具前進(jìn)速度>彈齒入土深度。

由圖8a可知，當(dāng)除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，傷苗率隨機(jī)具前進(jìn)速度增加而減?。划?dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，傷苗率隨彈齒旋轉(zhuǎn)速度增加而增加；當(dāng)彈齒旋轉(zhuǎn)速度變化時(shí)，傷苗率變化區(qū)間較大，因此彈齒旋轉(zhuǎn)速度對(duì)傷苗率影響更為顯著。由圖8b可知，當(dāng)除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，傷苗率隨彈齒入土深度增加而增加；當(dāng)彈齒入土深度一定時(shí)，除草率隨彈齒旋轉(zhuǎn)速度增加而增加；當(dāng)彈齒入土深度變化時(shí)，傷苗率變化區(qū)間較大，因此彈齒入土深度對(duì)傷苗率影響更為顯著。由圖8c可知，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，傷苗率隨彈齒入土深度增加而增加；當(dāng)彈齒入土深度一定時(shí)，除草率隨機(jī)具前進(jìn)速度增加而減??；當(dāng)彈齒入土深度變化時(shí)，傷苗率變化區(qū)間較大，因此彈齒入土深度對(duì)傷苗率影響更顯著。綜合上述分析，對(duì)傷苗率影響顯著性依次為：彈齒入土深度>彈齒旋轉(zhuǎn)速度>機(jī)具前進(jìn)速度。

圖7　各因素對(duì)除草率響應(yīng)曲面Fig.7　Response surfaces of all factors on weeding rate

圖8　各因素對(duì)傷苗率響應(yīng)曲面Fig.8　Response surfaces of all factors on injury rate

4.5試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證

當(dāng)除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度為69.3 r·min-1，機(jī)具前進(jìn)速度為0.44m·s-1，彈齒入土深度為38mm時(shí)，株間立式除草裝置性能質(zhì)量最優(yōu)，除草率為84.1%，傷苗率為3.9%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)，除草率為81.5%，傷苗率為4.6%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)，滿足機(jī)械除草農(nóng)藝要求。

5　結(jié)論

a.以水田株間立式除草裝置為研究載體，分析壓埋式除草機(jī)理，建立除草運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型。分析可得，影響除草質(zhì)量主要因素為除草彈齒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度及彈齒入土高度。

b.采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立除草性能指標(biāo)與試驗(yàn)參數(shù)間數(shù)學(xué)模型，通過響應(yīng)曲面圖直觀得出試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)影響趨勢(shì)和交互作用關(guān)系，表明試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

c.運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件分析試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化回歸數(shù)學(xué)模型多因素，確定除草彈齒旋轉(zhuǎn)速度為69.3 r·min-1，機(jī)具前進(jìn)速度為0.44m·s-1，彈齒入土深度為38mm時(shí)，機(jī)具除草性能質(zhì)量最，除草率為81.5%，傷苗率為4.6%，可滿足機(jī)械除草農(nóng)藝要求。

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Weedmechanism andmechanics experiment of vertical weed control device between seedlings in paddy field

WANG Jinwu1,DUO Tianyu1,TANG Han1, TAO Guixiang2,YANG Songmei1,LIU Yongjun1(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing Heilongjiang 163319,China)

In order to improve the performance and quality of paddy weedingmechanical,with a kind of vertical weed control device between seedlings as the study carrier,themain structure and working principle of the vertical weed control device was discussed.The Pressure type weedingmechanism was analyzed,and then the kinematics and dynamical weedingmodel was established.On this basis,to improve the working performance of the vertical weed control device,obtain the best operation parameters,the quadratic general rotary unitized design was carried out with the rotational speed,themachine speed,and the depth of entering soil as the experiment factors,the weeding rate and injury rate as the experimental index.Based on experimental data,amathematicalmodel was built by using the Designexpert 6.0.10 software,and the experimental factors were optimized,the best combination was achieved. Test results showed that the rotational speed was 69.3 r·min-1,themachine speed was 0.44m·s-1,and the depth of entering soil was 38mm,and the weeding rate was 81.5%,the injury rate was 4.6%.This paper proved the vertical weed control device couldmeet the requirement of weedingmechanical.

paddy field;vertical weed control device;weedmechanism;mechanics;spring tooth; experiment

S224.1+3

A

1005-9369（2016）04-0086-09

2015-10-03

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014BAD06B04）

王金武（1970-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘镩g機(jī)械及機(jī)械可靠性。E-mail:jinwuw@163.com