王金武 閆東偉 王 奇 唐 漢 王金峰 周文琪

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水田雜草是農(nóng)業(yè)水田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，但據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)數(shù)據(jù)顯示，近5年中國因草害引起的水稻產(chǎn)量損失率達13%左右[1]。隨著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，常用的化學(xué)除草所造成的農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染問題日趨嚴重，綠色高效的機械除草方式成為提高糧食品質(zhì)和保證水稻安全的主要途徑，行間除草技術(shù)和裝備經(jīng)過多年的研究和推廣已較為成熟[2-6]，株間除草技術(shù)和裝備的研制成為完善水田機械化除草的技術(shù)難點。

日本對株間除草的研究處于領(lǐng)先水平，日本美善公司和洋馬公司研制的株間傘狀除草盤，以旋轉(zhuǎn)方式除去株間雜草，作業(yè)效率較高，但傷苗率也較高[7-8]。久保田和井關(guān)公司研制的擺動梳齒式株間除草部件，作業(yè)時除草部件隨機具前進方向左右搖擺，對株間雜草進行去除，作業(yè)效率較高，但除草率較低，平均除草率僅40%[9]。國內(nèi)專家學(xué)者在水稻株間除草方面也作了相關(guān)研究。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)利用除草爪齒余擺運動原理研制的水田株間機械除草裝置[10]，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的主動式螺旋彈齒株間除草盤[11-12]和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的主動擺動除草刀齒[13]，分別通過引導(dǎo)換軌旋轉(zhuǎn)、彈齒盤的主動旋轉(zhuǎn)和關(guān)鍵部件主動往復(fù)擺動實現(xiàn)株間除草，但上述裝置均存在傷苗現(xiàn)象。為降低機械除草的傷苗率，將圖像識別和自動控制等技術(shù)應(yīng)用于水田除草裝備中，由于水田雜草、秧苗交錯生長和水面反光環(huán)境等干擾因素，株間除草避苗準確度一直未得到有效解決，且剛性的機械除草部件易造成秧苗損傷[10,14-16]。

針對水田株間除草作業(yè)勞動強度大、株間除草率低、易損傷秧苗等問題，本文設(shè)計一種射流式水田株間除草裝置。根據(jù)中耕期水稻植株和雜草物理特性確定射流傾角和噴嘴開口直徑，運用動量守恒定律、粘性流體力學(xué)和土力學(xué)原理建立噴嘴破土臨界壓力模型，通過臺架多因素試驗獲得裝置最優(yōu)參數(shù)組合，并驗證其工作性能。

1 水田株間除草作業(yè)環(huán)境

黑龍江省6月上旬后氣溫升高，光照足，雜草生長迅速，為雜草的危害高峰期，最佳除草作業(yè)時間為水稻移栽后7～14 d。水田除草環(huán)境包括稗草、稻苗、土壤、水等，土壤可細分為3層，即泥漿層、泥土層和犁底層，其中泥漿層較為稀軟，根據(jù)文獻[2,5]實際測定的數(shù)據(jù)可知，泥漿層深度h1為0.02～0.05 m；泥土層深度h2為0.18～0.20 m。黑龍江省水稻種植行距H1為0.3 m，株距H2為0.01～0.15 m，插秧深度h3為0.015～0.02 m，水稻扎根深度h4為0.08～0.10 m；此時稗草多為單根，根部多生長于泥漿層，扎根深度l為0.008～0.03 m。水田株間除草作業(yè)環(huán)境如圖1所示。

2 射流式除草裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

射流式水田除草裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由水箱、柱塞泵、供水管路、射流架、噴嘴安裝塊等部分組成。柱塞泵與水箱通過吸水管進行連接，壓力表安裝于柱塞泵出水口處，后接輸水總管與三通閥，三通閥通過輸水支管與裝在噴嘴安裝塊上的噴嘴連接。射流架固定于安裝架上，噴嘴安裝塊對稱分布于射流架左右兩側(cè)。

工作時，噴嘴以一定傾斜角安裝于射流架上，對稱置于苗株兩側(cè)并臨近水層下泥面。柱塞泵在動力源驅(qū)動下吸取水箱內(nèi)水，并進行增壓增速，然后經(jīng)輸水管路傳遞至安裝于射流架左右兩側(cè)的噴嘴，噴射向株間雜草依附生長的土壤層，土壤層被沖蝕破碎成更小的土塊顆粒或直接溶于表層水中，株間雜草根系因依附土壤的消失而失去支撐力，隨周邊破碎的土壤顆粒沿射流沖蝕方向被水流卷走。之后雜草根系因脫離與水田土壤的連接，在浮力作用下漂浮于水層表面，完成除草作業(yè)。由于水田土壤的分層現(xiàn)象以及水稻根系與雜草根系扎根深度的差異，在一定打擊力和射流傾角下，射流沖蝕實現(xiàn)對土壤特定深度和寬度的挖掘，即可完成除草作業(yè)，又不會影響和破壞水稻苗根系的穩(wěn)固性。

3 射流式水田株間除草裝置設(shè)計

3.1 射流傾角

射流傾角直接影響射流對土壤沖蝕破壞的區(qū)域范圍，從而影響除草效果。水田行間的除草作業(yè)，受限于水稻根系生長寬度，為避免行間除草輪對水稻根系造成損傷，除草部件的設(shè)計寬度在0.2 m以內(nèi)，剩余0.1 m寬區(qū)域即為株間除草范圍。插秧兩周后，雜草根系為單根，扎根深度l為0.008～0.03 m，根系主要生長于稀軟的泥漿層；水稻扎根深度0.08～0.10 m，根系已深入結(jié)構(gòu)更為致密的泥土層。射流式水田除草裝置的除草作業(yè)過程如圖3所示，射流傾角的選擇既要滿足株間除草作業(yè)寬度要求，也要滿足除草深度要求。

以O(shè)為原點，以泥漿層上表面水平方向為x軸，以地面垂直方向為y軸，建立坐標(biāo)系，如圖3所示。以雜草扎根深度為目標(biāo)除草深度，射流傾角、除草寬度和除草深度(等于雜草扎根深度)之間的關(guān)系為

(1)

式中a——株間除草寬度，m

θ——射流與x軸方向夾角，(°)

已知a=0.1 m，l為0.008～0.03 m，易得

0.04≤tanθ≤0.6

(2)

求解可得射流傾角取值范圍為10°≤θ≤31°。雜草扎根深度在0.008～0.03 m之間，為滿足除草作業(yè)需求，l取最大值0.03 m，此時射流傾角為31°。

3.2 噴嘴直徑

射流式水田株間除草裝置的射流工作環(huán)境為淹沒水環(huán)境，噴嘴開口直徑影響淹沒水射流有效靶距范圍，選擇合適噴嘴直徑和靶距范圍可大幅提高射流工作效率并減少能耗。

在其他條件相同的工況下，圓形噴嘴比其他異形出口噴嘴噴射的射流速度和湍動能更高，其沖擊靶板瞬間產(chǎn)生的隆起區(qū)域最廣，由此誘導(dǎo)產(chǎn)生的中心沖擊壓力和打擊沖蝕能力更強[17-18]。根據(jù)文獻[19]，對于圓形噴嘴，在有效靶距范圍內(nèi)，淹沒水射流的沖蝕性能隨靶距的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，有效靶距L的范圍與噴嘴直徑存在關(guān)系

5d≤L≤20d

(3)

式中d——噴嘴直徑，m

為充分發(fā)揮除草裝置淹沒水射流對雜草根系所在土壤層的沖蝕性能，且本著流量最小原則，淹沒水射流沖蝕路徑長度應(yīng)小于淹沒水射流有效靶距長度，由圖3可知

(4)

c≤15d

(5)

式中c——淹沒水射流沖蝕土壤長度，m

將已知參數(shù)a=0.1 m，l=0.03 m代入式(3)～(5)可得d≥0.004 mm，噴嘴直徑d=0.004 m，有效靶距L≈0.058 m。

3.3 噴嘴出口壓力

射流式株間除草裝置的水下除草性能取決于淹沒水射流的打擊力是否大于雜草根系生長土壤層的土壤臨界破壞壓力。為探究射流式株間除草裝置淹沒水射流破土所需噴嘴出口壓力p0，對淹沒水射流除草作業(yè)過程進行受力分析。

如圖4所示，除草作業(yè)過程中，淹沒水射流以一定傾斜角度打擊土體表面，之后射流方向改變，并損失一部分動量，此部分能量以作用力形式傳遞到被破壞土壤表面上。水射流對株間生長雜草區(qū)域內(nèi)土壤的沖蝕打擊作用，將雜草剝離其生長依附的土壤環(huán)境，之后雜草和被破碎的土壤沿著射流沖蝕方向被裹挾沖離，從而完成除草作業(yè)。除草作業(yè)前后動量的改變是由淹沒水射流與土壤間的相互作用力引起的，假設(shè)此過程中連續(xù)淹沒水射流對土壤表面的作用力為F，且此作用力穩(wěn)定。

根據(jù)動量守恒定理得

FΔt=mv-mv′

(6)

式中m——水質(zhì)量，kg

Δt——時間變化量，s

v——淹沒水射流沖擊土壤前的流速，m/s

v′——淹沒水射流沖擊土壤后的流速，m/s

假設(shè)淹沒水射流沖擊土壤前后前進方向改變角度為φ，前進速度大小不變，淹沒射流作用在土壤表面的力為

F=ρQv-mQv′cosφ=ρQv(1-cosφ)

(7)

式中ρ——水密度，kg/m3

Q——水射流流量，m3/s

根據(jù)射流的對稱性易得φ≈2θ。由動量定理可得，射流動量J=ρQv，代入公式(7)可得

F=J(1-cos(2θ))

(8)

已知射流式株間除草裝置對水田土壤的破壞作用主要取決于淹沒水射流對土壤作用斷面上單位面積的打擊力，故對除草裝置淹沒水射流沿程不同靶距打擊區(qū)域內(nèi)單位面積上的打擊力及其分布情況進行分析。裝置在水田環(huán)境作業(yè)，受淹沒水射流的擴散以及周圍液體阻力等因素影響，沿水射流方向射流半寬b隨靶距增加逐漸增大，軸心最大流速vx,max隨靶距增加逐漸減小，如圖5所示。

通過分析射流沿靶距方向上橫截面的動壓分布來分析單位面積淹沒水射流對水田雜草根系所在土壤層的打擊力。根據(jù)伯努利能量守恒定律可得淹沒水射流斷面軸心處的動壓分布為

(9)

式中pm——淹沒水射流截面上射流軸心動壓，MPa

由粘性流體力學(xué)理論[20]可得射流軸心最大速度

(10)

其中

式中α——常數(shù)

λ0——運動渦黏度，常數(shù)

x——靶距，m

聯(lián)立公式(9)、(10)可得

(11)

由式(11)可知，淹沒水射流軸向斷面上的軸心動壓pm隨靶距x的增大而減小。以射流打擊雜草所在土體表面時的截面作為研究對象，土壤被沖蝕的區(qū)域近似為圓盤形，如圖6所示。在打擊中心處，射流的軸心動壓為pm；而打擊范圍內(nèi)其他各點的壓力pr，隨著與中心徑向距離的增大逐漸減小，直至等于周圍環(huán)境壓力，通?？烧J為是零。

運用量綱分析法[21]表示淹沒水射流打擊范圍內(nèi)各點壓力，即

pr=pmf(η)

(12)

其中

η=r/b

式中η——無量綱參數(shù)

r——淹沒水射流打擊處與軸心距離，m

根據(jù)淹沒水射流沿軸心到射流邊界的動壓變化特點，函數(shù)f(η)應(yīng)滿足邊界條件

(13)

根據(jù)泰勒公式和公式(13)可得

f(η)=2η3-3η2+1

(14)

根據(jù)淹沒水射流的軸對稱型，設(shè)淹沒水射流打擊土壤的半徑為射流半寬b，如圖6所示，將式(11)、(14)代入式(12)，并積分可得

(15)

式中Fb——r=b時淹沒水射流斷面上對應(yīng)的作用力，N

依據(jù)里夏特經(jīng)驗常數(shù)[20]，將α=15.174代入式(15)，可得

(16)

在淹沒水射流流動過程中流速逐漸降低，作用面積逐漸增大，由于射流周圍環(huán)境流體中的壓強不變，因此在射流各斷面上的壓力均相等，等于周圍環(huán)境流體的壓力。在此條件下，總動量遵循動量守恒定理，即總動量J在沿程各個斷面上保持常量，即

(17)

式中A——淹沒水射流作用斷面的面積，m2

vx——淹沒水射流靶距x處流速，m/s

R0——噴嘴出口半徑，m

v0——噴嘴出口流速，m/s

對于連續(xù)射流，噴嘴出口壓力p0與射流速度v0存在關(guān)系

(18)

聯(lián)立式(17)、(18)，可得

(19)

聯(lián)立式(16)、(19)，可得

(20)

當(dāng)射流傾角為θ時，射流式株間除草裝置的淹沒水射流實際作用在土壤上的力為

F=Fb(1-cos(2θ))

(21)

(22)

式中Sb——r=b時淹沒水射流作用斷面面積，m2

淹沒水射流對雜草根系所在土壤層的破壞作用不僅與射流各項參數(shù)有關(guān)，而且與被打擊破壞土壤自身的物化性質(zhì)有著密切的關(guān)系，科研人員常借助試驗手段對土壤臨界破壞壓力進行研究，根據(jù)文獻[22]，單位面積土壤的臨界破壞壓力Fcr與土壤的抗剪強度、滲透性、土顆粒粒徑以及土體的密度等參數(shù)有關(guān)，即

(23)

式中ζ——修正系數(shù)，取1.8×1010[22]

τf——土壤抗剪強度，kPa

d60——土壤顆粒限定粒徑，mm

γd——土壤干容重，kN/m3

k——土壤滲透系數(shù)，m/s

(24)

根據(jù)文獻[23-24]，取東北典型地區(qū)黏黑土壤參數(shù)(τf=25 kPa，d60=0.05 mm，γd=1.43×107kN/m3，k=1.17×10-6m/s)代入。已知噴嘴直徑為0.004 m，x=L=0.058 m，得噴嘴臨界破土壓力pe≥0.53 MPa。根據(jù)噴嘴臨界破土壓力選取歐森OS-80型柱塞泵，額定流量65～85 L/min，額定壓力0～6 MPa可調(diào)，額定功率4～5.5 kW。

4 臺架試驗

4.1 試驗條件

試驗于2021年5月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)牧機械實驗室進行，試驗裝置為射流式株間除草裝置，土壤類型為東北典型黏黑土，土槽寬度0.6 m，長度4 m，泥腳深度0.16～0.18 m，水層深度0.02～0.03 m。為保證稗草根系周圍土壤結(jié)構(gòu)強度與田間實況接近，移栽雜草均帶育苗土壤基質(zhì)，雜草隨機扦插于土槽內(nèi)除草區(qū)域，扦插密度36株/m2，扦插深度0.008～0.03 m。

4.2 試驗設(shè)計

4.2.1水稻根系抗沖斷極限水壓試驗

為探究水稻根系抗沖斷壓力上限，為后續(xù)試驗因素水平選取提供依據(jù)，進行單因素試驗。因流體管路存在壓力損失，試驗前，通過在噴嘴出口上端安裝壓力表與柱塞泵出口處壓力對比，進行壓力標(biāo)定。試驗情況如圖7所示。

試驗分別選取插秧后7 d和14 d的秧苗，進行水稻根系抗沖斷極限水壓試驗。因土壤溶于水會造成水體混濁，不便于試驗觀察，故水稻根系抗沖斷極限水壓試驗在根系脫離附著土壤情況下進行。試驗時，將水稻根系淹沒于透明玻璃箱水體內(nèi)，固定水稻植株莖稈端，射流源對稱分布于水稻根系兩側(cè)，間距0.1 m，射流傾角θ為31°，噴嘴定點靜止噴射。根據(jù)以往研究經(jīng)驗，裝置前進速度選定0.26～0.54 m/s，測量水稻根系水中自然垂落寬度小于等于0.02 m，根據(jù)根系垂落寬度和裝置前進速度可算出沖蝕最大時間為0.07 s，試驗設(shè)定為1 s。

4.2.2多因素試驗

為探索射流式株間除草裝置噴嘴出口壓力、前進速度對除草率的影響規(guī)律，得到其最佳工作參數(shù)，進行臺架試驗。根據(jù)理論分析結(jié)果和單因素試驗，合理制定前進速度x1和噴嘴出口壓力x2取值范圍。試驗采用二因素五水平二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Coding of factors

裝置工作深度可調(diào)，調(diào)節(jié)射流噴嘴貼近泥面，行走電機和動力電機速度均由變頻柜控制。行走電機控制試驗臺車在土槽導(dǎo)軌上往復(fù)運動，動力電機通過帶傳動控制柱塞泵吸取水箱內(nèi)水并進行增速增壓，經(jīng)管路流通至射流機構(gòu)，噴向土槽內(nèi)作業(yè)區(qū)域內(nèi)雜草。當(dāng)行走電機和動力電機同步進行工作時，即可完成射流式株間除草裝置的除草動作。臺架試驗情況如圖8所示。

4.3 試驗指標(biāo)

水射流沖蝕作用位置位于水層下部，直接作用對象為根土復(fù)合體，未直接接觸上端秧苗，傷苗率作為工作性能考核指標(biāo)并不準確。目前國內(nèi)外有評價除草率的統(tǒng)一標(biāo)準，但尚無評價水田除草傷根率的統(tǒng)一標(biāo)準。通過查閱相關(guān)文獻及水田除草作技術(shù)要求[25-26]，選定傷根數(shù)和除草率作為試驗的評價指標(biāo)。

(1)傷根數(shù)

水射流沖擊水稻根系1 s后，對玻璃水槽內(nèi)水稻斷根數(shù)量進行統(tǒng)計，每組試驗重復(fù)進行5次并求平均值，出現(xiàn)斷根即判定為傷根。

(2)除草率

選取試驗矩形水槽區(qū)域為測試區(qū)，本文對未除去雜草的定義為根系完整，雜草莖葉折斷損傷不嚴重，能夠繼續(xù)成活的雜草。除草率計算公式為

(25)

式中y——除草率，%

Q1——除草前測試區(qū)雜草總數(shù)，棵

Q2——除草后測試區(qū)雜草總數(shù)，棵

4.4 試驗結(jié)果

4.4.1水稻根系抗沖斷極限水壓試驗

水稻根系抗沖斷極限水壓試驗結(jié)果如圖9所示。插秧7 d后水稻根系出現(xiàn)斷根時壓力為1.5 MPa，插秧14 d后水稻根系出現(xiàn)斷根時壓力為2 MPa，之后水稻斷根數(shù)量皆隨著壓力的增加而增加。根據(jù)文獻[27-28]，水稻根系的根土共生結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固，根系抗剪抗拉強度小于根土共生結(jié)構(gòu)下的抗剪抗拉強度。試驗所獲水稻根系脫離附著土壤下抗沖斷極限水壓小于水稻根系在根土共生狀態(tài)下抗沖斷極限水壓，故選定噴嘴出口壓力上限為1.5 MPa即可滿足不傷根要求。

4.4.2多因素試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果如表2所示。除草前后效果如圖10所示。

表2 臺架試驗結(jié)果Tab.2 Results of bed test

借助Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行分析，進而得到相應(yīng)的回歸方程

(26)

為了直觀地分析各試驗因素與除草率指標(biāo)間的關(guān)系，運用Design-Expert 8.0.6軟件得各因素對性能指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

根據(jù)二次回歸模型(式(26))和圖11可知，前進速度和噴嘴出口壓力對除草率的影響極顯著，前進速度和噴嘴出口壓力存在交互作用。當(dāng)前進速度一定時，除草率隨著噴嘴出口壓力的減小而降低。當(dāng)噴嘴出口壓力一定且處于低位時，隨著前進速度的增加除草率先降低后升高，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是：前進速度在0.3～0.4 m/s范圍內(nèi)變化時，單位面積土壤受沖蝕時間下降，除草率隨之降低；當(dāng)前進速度在0.4～0.5 m/s范圍內(nèi)變化時，由于前進速度增大，臺架振動增大，導(dǎo)致株間除草裝置的橫向和縱向振幅增大，射流受振幅變化影響出現(xiàn)橫向和縱向脈沖性噴射，沖蝕運移性能增強，故而除草率升高。當(dāng)噴嘴出口壓力一定且處于高位時，射流沖蝕能力強，隨著臺架前進速度的升高，除草區(qū)域內(nèi)單位面積土壤受射流沖蝕的時間較少，對雜草根系生長土壤層剝離程度降低，除草率隨之降低。

4.5 優(yōu)化及驗證

為得到試驗因素最優(yōu)組合，結(jié)合各因素邊界條件建立數(shù)學(xué)模型。對式(26)進行分析，其數(shù)學(xué)模型為

(27)

運用Design-Expert 8.0.6軟件中數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊對回歸方程模型進行優(yōu)化求解，得到裝置最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為：前進速度0.3 m/s和噴嘴出口壓力1.5 MPa，此參數(shù)組合下除草率為92.78%。根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)化獲得的參數(shù)進行臺架試驗驗證。試驗結(jié)果表明，除草率平均值為90.62%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

(1)提出了一種水射流除草方法，基于此種方法設(shè)計了一種射流式水田株間除草裝置，能有效清除水田株間雜草，該裝置除草率高，傷苗率低，工作性能穩(wěn)定，作業(yè)質(zhì)量滿足水田中耕除草作業(yè)要求。

(2)通過對水稻秧苗和雜草根系以及淹沒水射流結(jié)構(gòu)特點分析，結(jié)合動量守恒定理、粘性流體力學(xué)和土力學(xué)原理，獲得射流傾角為31°、噴嘴直徑為0.004 m，噴嘴臨界破土壓力為0.7 MPa。

(3)進行水稻根系抗沖斷極限水壓試驗，由試驗結(jié)果可知噴嘴出口壓力上限為1.5 MPa。進行了臺架試驗，采用二因素五水平二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方案進行試驗設(shè)計，運用Design-Expert 8.0.6軟件對回歸模型進行優(yōu)化、驗證，在前進速度0.3 m/s、噴嘴出口壓力1.5 MPa時得到最優(yōu)組合，除草率為92.78%。臺架驗證試驗除草率為90.62%，試驗值與理論值基本一致，除草作業(yè)指標(biāo)均達到國家和行業(yè)標(biāo)準要求。