稻田株間除草機構(gòu)除草過程中傷秧影響的試驗研究

牛春亮，王金武，安相華，唐繼武,馬莉莎

(1.大連海洋大學(xué) a.機械與動力工程學(xué)院；b.應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連　116300;2東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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稻田株間除草機構(gòu)除草過程中傷秧影響的試驗研究

牛春亮1a，王金武2，安相華1a，唐繼武1b,馬莉莎1a

(1.大連海洋大學(xué) a.機械與動力工程學(xué)院；b.應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116300;2東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：稻田雜草是影響大米產(chǎn)量和質(zhì)量的一個重要因素。鑒于化學(xué)除草的負(fù)面影響，機械除草技術(shù)一直是國內(nèi)外科研攻關(guān)的重點，但如何降低除草過程中工作裝置對秧苗的損傷和影響成為研究的難點。為此，對稻田機械式株間除草機構(gòu)的主要因素的秧苗損傷情況進行了試驗研究。試驗在機插稻田進行，稻苗行間距28~31cm，株間距14~15cm。試驗在秧苗移栽后7天左右進行，該時間為稻田第一個出草高峰期，試驗采用二次旋轉(zhuǎn)正交試驗方法，應(yīng)用Design-Expert進行試驗分析，獲得了株間除草主要工作因素機器前進速度、除草盤轉(zhuǎn)速、除草深度之間單因子及交互作用對傷秧率的影響。移栽7天時，田間試驗在保證除草率的前提下確定了低傷秧率株間除草機構(gòu)的工作參數(shù)為機器前進速度為0.38m/s，除草盤轉(zhuǎn)速162.75r/min，除草深度為43.9mm，此時除草率為80.5%、傷秧率為3.8%。

關(guān)鍵詞：稻田除草；株間；軟軸驅(qū)動；傷秧率

0引言

雜草是影響水稻秧苗生長的重要因素[1-2]。綜觀國內(nèi)外的稻田除草方式，其主要分為3大類：第1類為人工去除雜草。人力除草技術(shù)要求不高、除草效果較好，具有經(jīng)濟、環(huán)保、疏松土壤等優(yōu)點；但除草不易徹底，效率低，效果差。第2類是化學(xué)除草。長期使用除草劑，不利于保護土壤環(huán)境，還會引起稻田草種的變化。除草劑的殘留毒性還會給作物和土壤造成化學(xué)污染和環(huán)境污染。第3類是機械除草。消滅雜草同時調(diào)節(jié)土壤水分，保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和通透性，使土壤疏松，提高水分入滲率，加速土壤營養(yǎng)物質(zhì)分解，提高土壤肥力；但除草過程中可能存在傷秧情況。鑒于人工除草低效率、化學(xué)除草負(fù)面影響大的前提，采用機械的除草方式，可在滿足綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的同時大大提高勞動效率。事實表明，采用機械式除草不僅順應(yīng)了綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，同時也可以獲得更大的經(jīng)濟效益[3-4]。

1稻田株間除草機構(gòu)原理及驅(qū)動方式

1.1　稻田株間除草關(guān)鍵部件彈齒的除草原理

目前，稻田除草機械行間雜草去除效果較好，株間雜草的去除成為研究的難點?，F(xiàn)有的除草機械從傳動方式上主要采用剛性傳動，工作可調(diào)性較差，而本研究的株間除草工作部件利用軟軸驅(qū)動，使傳動結(jié)構(gòu)簡化，在保證可調(diào)性好的基礎(chǔ)上還提高了工作效率[5-8]。

株間除草機構(gòu)除草原理：換向器帶動軟軸轉(zhuǎn)動，軟軸另一端驅(qū)動除草部件彈齒盤轉(zhuǎn)動，彈齒盤在轉(zhuǎn)動過程中其上面的彈齒進入土壤，通過彈齒把株間雜草從根部挑出，同時依靠旋轉(zhuǎn)帶起的泥漿把挑出的雜草覆蓋，從而完成除草作業(yè)。除草時機選擇在稻苗移栽7天后，稻苗根系比雜草發(fā)達，調(diào)節(jié)好除草深度即可除草又疏松田塊，但除草工作結(jié)束后秧苗會出現(xiàn)稍許傷苗現(xiàn)象。為此，針對秧苗損傷情況進行試驗分析，以求得到更好的綜合除草效果。

1.2　稻田除草株間機構(gòu)的驅(qū)動方式

除草機結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，株間除草機構(gòu)安裝在支撐架上，機構(gòu)整體通過三點懸掛方式與配套插秧機底盤掛接，靠插秧機液壓缸驅(qū)動高度調(diào)節(jié)。作業(yè)時，底盤動力經(jīng)動力輸出軸傳出，依靠萬向聯(lián)軸器把底盤輸出軸動力傳給換向器輸入軸，由T型換向器把動力垂直換向左輸出軸輸出；主動鏈輪與左輸出軸固連，動力經(jīng)鏈傳動到從動鏈輪，從動鏈輪軸通過動球鉸聯(lián)軸器驅(qū)動彎管內(nèi)的鋼絲軟軸組件；鋼絲軟軸與株間除草彈齒盤固連并驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，成對使用的彈齒盤在垂直于底盤行走方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，每對除草彈齒盤都由一個反旋左彈齒盤和正旋右彈齒盤組成。

(a)　機構(gòu)左視圖　　　　　　　　　　　　　　(b)　機構(gòu)主視圖

2機構(gòu)稻田除草試驗準(zhǔn)備

2.1　田間試驗條件及設(shè)備選取

田間試驗在哈爾濱市幸福鄉(xiāng)機插水稻田進行，地塊環(huán)境：泥腳深度為330~380mm，稻田長75m、寬10m，地塊面積為750m2。試驗時，機選在移栽后第7天稻田雜草發(fā)生第一個高峰期時進行，雜草以水稗草、異型莎草和千金子等為主，雜草數(shù)多，嚴(yán)重影響秧苗生長[9-12]。稻苗秧齡30~32天，長勢葉齡3葉1新至4葉，平均株高110mm。田地移栽后未進行人工除草和化學(xué)除草，試驗田正常進行田間管理，除草作業(yè)時保證土壤濕軟，灌水深度符合試驗要求。

設(shè)備條件：包括久保田S1-600插秧機底盤1臺，光電式轉(zhuǎn)速測量儀1部，計時秒表1塊，50m纖維卷尺1把。

2.2　田間試驗因子及目標(biāo)函數(shù)的選定

2.2.1目標(biāo)函數(shù)的選定

株間除草機構(gòu)的性能主要根據(jù)秧苗損傷情況和除草綜合效果來衡量。本試驗的目的就是為了尋找影響除草綜合效果的因素，分析諸因素和目標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，探求合理的除草方案。因此，選定傷秧率和除草率為本試驗研究的目標(biāo)函數(shù)[13-15]。

2.2.2試驗因子的選取

經(jīng)過預(yù)備試驗，結(jié)合農(nóng)藝上水稻生長情況，在保證除草效果的前提下，從以下因素對傷秧情況進行研究。

1)機器前進速度會影響傷秧情況和除草效果。底盤前進速度提高，除草和傷秧在一定程度上低；機器前進速度慢，在一定程度上，除草效率高但傷秧率大。

2)除草盤轉(zhuǎn)速對除草和傷秧也有影響。除草盤轉(zhuǎn)速快，在同一速度下，翻土的次數(shù)多；刀盤轉(zhuǎn)速慢，在同一速度下，翻土的次數(shù)少。

在考慮田間試驗實際情況和試驗中關(guān)鍵影響因子情況下，本試驗選擇除草盤轉(zhuǎn)速、機器前進速度和除草深度3個因子作為定量試驗因子[16-18]。

2.2.3 試驗參數(shù)的選取

室內(nèi)預(yù)備試驗證明，除草盤轉(zhuǎn)速在150~246r/min之間比較適合除草作業(yè)。

室內(nèi)預(yù)備試驗測得，前進速度在0.36~0.6m/s除草效果較好。

機構(gòu)除草深度h是指除草彈齒在旋轉(zhuǎn)入土的過程中，彈齒在經(jīng)過稻苗位置與泥面的距離。除草作業(yè)時稻苗移栽7天后，雜草根系長度在15~35mm，因此除草深度選擇在15~55mm。此深度可保證將株間雜草和靠近稻苗附近的雜草去除。除草深度如圖2所示。

2.2.4試驗因子水平選取

除草盤轉(zhuǎn)速根據(jù)幾次預(yù)備試驗得出。轉(zhuǎn)速太高，傷秧嚴(yán)重，打傷葉片；轉(zhuǎn)速太低，除草效果不好。因此，除草盤轉(zhuǎn)速取150(A1)、170(A2)、200(A3)、230(A4)、246(A5) r/min這5個水平。由于本除草裝置是配合插秧機使用，所以根據(jù)當(dāng)前插秧機工作參數(shù)，設(shè)計機器前進速度的5個水平為0.38(B1)、0.42(B2)、0.50(B3)、0.55(B4)、0.60(B5) m/s。根據(jù)預(yù)備試驗結(jié)果的分析，除草深度的5個水平為1.5(C1)、2.3(C2)、3.5(C3)、4.7(C4)、5.5(C5)cm。

試驗采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗，并對試驗結(jié)果的回歸方程用二次響應(yīng)曲面法分析[19]。

1.秧苗位置　2.彈齒轉(zhuǎn)動軌跡圓

2.3　除草機構(gòu)性能評價指標(biāo)

目前，稻田除草作業(yè)效果沒有專業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗以獲得最低秧苗損傷率和最高除草率為研究指標(biāo)。

1)機構(gòu)除草率：試驗區(qū)域內(nèi)稻苗株間及兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的除掉雜草數(shù)量和除前雜草數(shù)量比值，則有

式中C—機構(gòu)除草率(%)；

Q—除草前雜草棵數(shù)(株)；

P—除后雜草株數(shù)(株)。

2)機構(gòu)傷秧率：試驗內(nèi)損傷的稻苗數(shù)與試驗前稻苗數(shù)比值。其中，受損稻苗包括除掉的、折斷、掩埋的稻苗數(shù)量[20-21]，計算公式為

式中S—機構(gòu)傷秧率(%)；

M1—試驗區(qū)內(nèi)總稻苗數(shù)(株)；

M2—試驗區(qū)內(nèi)損傷的稻苗數(shù)(株)。

3株間除草機構(gòu)技術(shù)參數(shù)

除草機構(gòu)工作參數(shù)如下：

除草機構(gòu)外形尺寸(長×寬×高) /mm：1 800×1 500×1 100

行走方式：四輪驅(qū)動

配套動力/kW：4.56

工作行數(shù)/行：2

行距/cm：30

株距/cm：14～16

掛接方式：三點懸掛

4正交旋轉(zhuǎn)試驗研究與分析

科學(xué)的試驗設(shè)計與分析，可以大大節(jié)省試驗成本和時間，本試驗采用Design-Expert軟件進行設(shè)計與數(shù)據(jù)分析。該軟件是目前應(yīng)用較廣泛的實驗設(shè)計軟件之一，提供二維和三維視圖，可更清楚地分析試驗結(jié)果。采用二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計方法，選取除草盤轉(zhuǎn)速、機器前進速度和除草深度3個因子進行多因子試驗，以除草率和傷秧率為目標(biāo)函數(shù)。按三因子五水平安排試驗，制定的因子水平編碼表如表1所示。第1次除草試驗的時間選定在稻苗移栽后的第7~8天，此時稻苗相對于雜草，扎根更深，并且為雜草的一個高發(fā)期[22-23]。

表1　因素水平編碼表

根據(jù)因素水平編碼表，編制了二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計的試驗方案，將試驗的結(jié)果記錄，得到試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表2　二次正交旋轉(zhuǎn)試驗方案與試驗結(jié)果

續(xù)表2

4.1　試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

應(yīng)用Design-Expert軟件得出傷秧率的方差分析結(jié)果，如表3所示。同時，建立機器前進速度、除草盤轉(zhuǎn)速、除草深度對傷秧率的回歸方程模型。

表3　組合參數(shù)的因素水平對傷秧率影響的方差分析

續(xù)表3

1.06x1x2+0.86x1x3-0.64x2x3

通過分析可知：除草過程中對傷秧率影響顯著性的因子為除草深度、除草盤轉(zhuǎn)速和機構(gòu)前進速度。為了研究各因子對傷秧率的影響程度，在回歸模型中，將其中1個因子固定在0水平上，衡量其它兩個因子交互作用對目標(biāo)函數(shù)的影響。

1)除草盤轉(zhuǎn)速、機構(gòu)前進速度對傷秧率的影響。固定除草深度為0水平，得到其它兩個因子對傷秧率的回歸模型變?yōu)?/p>

應(yīng)用Design-Expert軟件得到除草盤轉(zhuǎn)速與機構(gòu)前進速度兩者之間交互作用對傷秧率影響的等高線圖及響應(yīng)曲面圖，如圖3所示。

由圖3的等高線圖可知：除草盤轉(zhuǎn)速與機器前進速度對傷秧率影響呈相反趨勢；除草盤轉(zhuǎn)速增加、機器前進速度減小，傷秧率增大；除草盤轉(zhuǎn)速減小、機器前進速度增加，傷秧率減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速很小，在150~200r/min范圍時，隨著機器前進速度的增加，傷秧率先增大后減小。傷秧率出現(xiàn)先大后小，說明在轉(zhuǎn)速處在中低速時，機器的前進速度對傷秧率的影響大。由響應(yīng)曲面圖分析可知，除草盤轉(zhuǎn)速與傷秧率函數(shù)變化較大，分析得到在除草盤的轉(zhuǎn)速與機構(gòu)的前進速度交互作用下，除草盤轉(zhuǎn)速對傷秧率影響較大。

2)除草盤轉(zhuǎn)速、除草深度對傷秧率的影響。固定前進速度為0水平，得到其它兩個因子與傷秧率的回歸模型為

利用Design-Expert軟件得到出機構(gòu)除草深度與除草盤的轉(zhuǎn)速二者之間交互作用對傷秧率影響的等高線圖及響應(yīng)曲面圖，如圖4所示。

(a)　等高線圖　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　響應(yīng)曲面圖

(a)　等高線圖　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　響應(yīng)曲面圖

由圖4可知：除草盤轉(zhuǎn)速、除草深度增加，傷秧率增加；除草除草盤轉(zhuǎn)速的增加，傷秧率先小后大，最小值出現(xiàn)在除草盤轉(zhuǎn)速185r/min附近，說明在除草盤轉(zhuǎn)速小于185r/min水平時，除草深度對傷秧率的影響較大。當(dāng)除草盤轉(zhuǎn)速大于185r/min、除草深度在3.5cm水平附近時，隨著除草盤轉(zhuǎn)速的增加，傷秧率增加，說明在深度較淺的情況下，除草盤轉(zhuǎn)速對傷秧率有較大的影響。

3)前進速度、除草深度對傷秧率的影響。固定轉(zhuǎn)速為0水平，得到其它兩個因子與傷秧率的回歸模型為

y2=3.78-1.15x2+1.73x3-0.64x2x3

通過Design-Expert軟件得出機構(gòu)除草深度與機構(gòu)前進速度兩者之間交互作用對傷秧率影響的等高線圖及響應(yīng)曲面圖，如圖5所示。

由圖5可知：當(dāng)前進速度一定的時候，隨著除草深度的增加，傷秧增加；當(dāng)深度一定時，隨著前進速度的增加，傷秧率減小。機器前進速度函數(shù)為二次函數(shù)，從響應(yīng)曲面上看，其變化較緩和。所以，除草深度對傷秧率的影響大于機器前進速度對傷秧率的影響。

4.2　各項參數(shù)的優(yōu)化方案

試驗研究的目標(biāo)是選取合理的工作參數(shù)來減少秧苗的損傷，獲取較好的除草效果。試驗優(yōu)化就是為了探求除草機構(gòu)的主要因素，即機構(gòu)前進速度、機構(gòu)除草深度和彈齒盤轉(zhuǎn)速在滿足作業(yè)要求下的較優(yōu)參數(shù)組合。研究采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，采用主目標(biāo)函數(shù)法，根據(jù)除草的綜合性能要求，利用Design-Expert試驗軟件對模型進行優(yōu)化分析與處理。

4.2.1設(shè)計變量

4.2.2目標(biāo)函數(shù)建立

在除草作業(yè)的考察指標(biāo)里，傷秧率(%)、除草率(%)是最重要的指標(biāo)，根據(jù)除草性能的要求，指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為

1.75x1x2+1.75x1x3-1.75x2x3

1.06x1x2+0.86x1x3-0.64x2x3

4.2.3約束條件的選取

本研究選項取試驗因子變量的區(qū)間為約束條件。得到的約束條件為

4.2.4優(yōu)化研究結(jié)果

運用Design-Expert軟件進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，由表4和圖6分析得到滿足響應(yīng)變量區(qū)間的因子最佳的參數(shù)組合方案。在確定最優(yōu)方案時，充分考慮除草率和傷秧率數(shù)值。

表4　最優(yōu)參數(shù)組合方案

由表4中可以看出：第6號方案結(jié)果為最優(yōu)組合；在第6號方案中，除草盤轉(zhuǎn)速為162.75r/min，即除草盤的轉(zhuǎn)速為170r/min；機器前進速度為0.38m/s,除草深度為4.39cm。得出最優(yōu)方案圖，如圖6及表5所示，圖6中條形區(qū)域是所求得較優(yōu)組合方案區(qū)域。

圖6　最優(yōu)方案圖

除草盤轉(zhuǎn)速/r·min-1機構(gòu)前進速度/m·s-1機構(gòu)除草深度/cm除草率/%傷秧率/%數(shù)值162.750.384.3980.53.8

4.2.5驗證試驗

通過Design-Expert試驗軟件得出的優(yōu)化結(jié)果：除草盤轉(zhuǎn)速162.75r/min、機器前進速度0.38m/s、除草深度4.39cm，進行8組驗證試驗，結(jié)果如表6所示。

表6　驗證試驗方案

由試驗結(jié)果得出數(shù)據(jù)與通過軟件分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。說明本研究選擇的優(yōu)化參數(shù)組合是可行的。

5結(jié)論

1)除草過程中，對秧苗損傷影響顯著性的因子順序依次為機構(gòu)除草深度、除草盤的轉(zhuǎn)速及機構(gòu)前進速度。

2)采用田間試驗?zāi)芸陀^反映出株間除草裝置的工作效果。除草作業(yè)后，水稻秧苗生長情況良好，在作業(yè)時損傷的秧苗莖桿及葉片，經(jīng)過一段時間生長后可以逐漸恢復(fù)。

3)試驗驗證，機構(gòu)工作參數(shù)較優(yōu)組合為：除草盤轉(zhuǎn)速162.75r/min、機器前進速度0.38m/s、除草深度4.39cm。在此組合下，除草裝置傷秧率為3.8%、除草率為80.5%，機構(gòu)傷秧率低、除草效果好，有實際應(yīng)用前景。

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Experimental Study on Inter-agency Paddy Strains Weeding Weeding Process Slander Affected Seedlings

Niu Chunliang1a, Wang Jinwu2, An Xianghua1a, Tang Jiwu1b, Ma Lisha1a

(1.a.Mechanical and Power Engineering College；b.Applied Technology College，Dalian Oceang University,Dalian 116300， China；2.Engineerin College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030, China)

Abstract：Paddy weeds is an important factor affecting the yield and quality of rice, in view of the negative impact of chemical weed control and mechanical weed control technology has been the focus of scientific research at home and abroad, but how to reduce the damage and influence the course of work means weeding seedlings become research difficulty. In this paper, the main factors of mechanical strain between paddy weed seedlings damage mechanism experimental study. Test the machine plugged paddy carried rice seedlings line spacing 28-31cm, spacing plants 14-15 cm. Test after transplanting seedlings about 7 days, the first time the grass paddy peak, test uses orthogonal rotation test method, the test application design-expert analysis, obtained strains between main factors weeding machine forward speed, Mower speed, between herbicidal depth interaction on a single factor and seedling injury rate.Transplanting 7 day field trial except under the premise of sloppy work parameters determined seedling injury rate among low strain weeding mechanism to ensure the machine forward speed of 0.38m/s, mower speed 162.75rpm, weeding a depth of 43.9mm, this time weeding was 80.5%, 3.8% seedling injury, research provides a reference for the paddy mechanical weed control techniques.

Key words：paddy field weeding; between strains; drive shaft; seedling injury rate

中圖分類號：S224.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0190-08

作者簡介：牛春亮(1983-)，男，黑龍江牡丹江人，講師，(E-mail)clniu@qq.com。

基金項目：遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2014274)；遼寧省自然科學(xué)基金項目(2015020134)；黑龍江省科技廳重大攻關(guān)項目(GB07B106)

收稿日期：2015-11-03