3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

齊 龍，趙柳霖，馬 旭※，崔宏偉，鄭文漢，蘆玉龍

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3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

齊 龍1,2，趙柳霖1，馬 旭1,2※，崔宏偉1，鄭文漢1，蘆玉龍1

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

為了提高機(jī)械除草的作業(yè)效率、降低地頭頻繁調(diào)頭引起的傷苗率，該文研制了3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)。該機(jī)由12 kW水田拖拉機(jī)提供動力，工作幅寬為5.7 m，一次作業(yè)可覆蓋6行插秧機(jī)3個行程的作業(yè)寬度，并配備了4個雙作用液壓缸，控制整個機(jī)架的展開閉合與除草輪位置的橫向調(diào)節(jié)。該文結(jié)合水田土壤特性和現(xiàn)有除草部件的特點(diǎn)，通過對除草輪的運(yùn)動學(xué)與顯式動力學(xué)仿真分析，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了螺旋刀齒式樣除草輪，該除草輪通過與土壤及雜草的剪切、翻耕作用實(shí)現(xiàn)中耕除草作業(yè)。田間除草試驗(yàn)結(jié)果表明：在機(jī)具不同前進(jìn)速度（0.3、0.6、0.9 m/s）和除草輪入土深度（3、6、9 cm）條件下，該機(jī)平均除草率為82%，傷苗率為4.8%；根據(jù)機(jī)具作業(yè)速度和幅寬可知該機(jī)作業(yè)效率為0.6～1.8 hm2/h；整機(jī)工作性能和作業(yè)效率滿足水稻田機(jī)械中耕除草作業(yè)的技術(shù)要求。機(jī)械除草與化學(xué)除草產(chǎn)量對比試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，機(jī)械除草產(chǎn)量高于化學(xué)除草，該研究可為中耕除草對水稻田產(chǎn)量的影響提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；試驗(yàn)；設(shè)計(jì)；水稻；機(jī)械除草；寬幅除草機(jī)；螺旋刀齒

0 引 言

稻田雜草是影響水稻產(chǎn)量的主要因素之一[1-2]。據(jù)報(bào)道，每年由草害引起的水稻損失率約為15%左右[3]。因此，有效地防控稻田雜草對提高水稻產(chǎn)量具有重要意義。

稻田除草一般以化學(xué)藥劑除草為主，然而大量、高頻率的施藥會造成雜草抗藥性、作物藥害、環(huán)境污染等問題[4-5]。近年來，隨著有機(jī)稻生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，亟需一種有效的物理除草方式控制稻田雜草[6-7]。機(jī)械除草是一種無化學(xué)污染、環(huán)境友好型的除草方式，在機(jī)械除草過程中，機(jī)械除草部件不僅能夠有效除去雜草，還能對水田土壤進(jìn)行疏松，從而增加土壤的氧氣含量，促進(jìn)作物的生長[8-9]。

歐美等國家水稻種植多采用飛機(jī)撒播技術(shù)，稻苗無序生長，植保機(jī)具難以下田，田間雜草防治多以化學(xué)防治為主，但其先進(jìn)的旱地作物機(jī)械除草技術(shù)的研究值得借鑒[10-12]。亞洲國家的水稻種植方式通常以機(jī)械移栽為主，秧苗有序生長，可采用機(jī)械除草方式防控雜草?，F(xiàn)有的水田除草機(jī)具按行走方式主要分為步進(jìn)式和乘坐式2種。步進(jìn)式除草機(jī)主要有日本和同產(chǎn)業(yè)MSJ型[13]以及美善SMW[14]等機(jī)型，國內(nèi)有王金武等[15]研制的有機(jī)水稻中耕除草機(jī)、齊龍等[16]研制的步進(jìn)式水田中耕除草機(jī)等。步進(jìn)式除草機(jī)一般每次可作業(yè)2～3行，較為輕簡，有些機(jī)型工作時在地頭可提起換行避免壓苗[17]，但其工作效率較低、勞動強(qiáng)度大。乘坐式除草機(jī)通常每次作業(yè)7行左右，工作效率相對較高。主要有日本洋馬SJVP系列[18]，三菱農(nóng)機(jī)LVW-8型[19]，和實(shí)產(chǎn)業(yè)RW50型[20]等機(jī)型，國內(nèi)則主要有南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的2BYS-6型水田中耕除草機(jī)[21]。在中國水稻生產(chǎn)中插秧機(jī)通常會在地頭橫插一排秧苗[22]，受幅寬限制現(xiàn)有的乘坐式除草機(jī)工作時需在地頭頻繁轉(zhuǎn)彎換向，不僅會影響工作效率，而且壓苗較多造成產(chǎn)量損失。

為了提高機(jī)械除草作業(yè)效率、降低地頭頻繁調(diào)頭引起的傷苗率，本研究結(jié)合水稻生產(chǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)了3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)，該機(jī)配置19個除草輪，每工作一次幅寬可覆蓋插秧機(jī)3組平行作業(yè)（每組6行），以期降低勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(chǎn)率，減少換向次數(shù)，進(jìn)而降低傷苗率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

本文研制的3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水田拖拉機(jī)（插秧機(jī)底盤）、組合寬幅可調(diào)支架（包括左、右翼架、連接架、中架）、液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括電磁換向閥、油路塊、液壓缸、油管）、平衡仿形機(jī)構(gòu)（包括開體花籃螺絲、平衡張緊彈簧、除草輪仿形機(jī)構(gòu)）和螺旋刀齒除草輪等組成。

1）動力部分：除草機(jī)動力由水田拖拉機(jī)（井關(guān)PZ60-HGR，日本）提供，功率約為12 kW（額定功率）。2）控制部分：本機(jī)通過控制電磁閥的開閉控制液壓缸伸縮，控制方式有手動與機(jī)器視覺控制2種。3）機(jī)架部分：整機(jī)機(jī)架主要由橫截面長×寬×厚40 mm×40 mm×3 mm矩形管焊接而成，與插秧機(jī)底盤后懸掛系統(tǒng)為軸承套接，使機(jī)架整體具有繞連接軸的轉(zhuǎn)動自由度，同時安裝了相應(yīng)的限位裝置、彈簧拉緊裝置等，可保證機(jī)具在運(yùn)輸中與田間工作時保持平衡狀態(tài)，并且具有一定的仿形能力，避免工作時因左右地勢起伏不同造成機(jī)架壅土。

工作前根據(jù)秧苗生長高度調(diào)節(jié)除草輪的安裝高度，防止機(jī)架壓苗；調(diào)節(jié)液壓升降系統(tǒng)使機(jī)具滿足不同田塊除草深度的要求。工作時，機(jī)具以一定的速度前進(jìn)，視覺相機(jī)實(shí)時采集作物行信息，控制系統(tǒng)根據(jù)作物行信息驅(qū)動電磁閥閉合，控制左右翼架的橫向調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮來控制內(nèi)滑梁的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)左右兩翼除草輪對行；螺旋刀齒除草輪受仿形彈簧拉力、泥土阻力以及機(jī)具向前的牽引力，隨拖拉機(jī)地輪在行間作被動旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，螺旋刀齒首先向下入土，對雜草形成剪切與埋壓并攪動刀齒附近土壤，隨后出土，帶動雜草根部與泥土翻轉(zhuǎn)，對雜草和泥土形成剪切、翻耕、埋壓等作用，完成中耕除草作業(yè)。

1.2 液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究以水田拖拉機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了整機(jī)液壓控制系統(tǒng)，包括油箱、過濾器、油泵、溢流閥、電磁換向閥、液壓缸、節(jié)流閥等部件。其液壓原理圖如圖2所示。

1. 溢流閥 2. 過濾器 3. 液壓泵 4. 二位四通電磁閥 5. 手動換向閥 6. 節(jié)流閥 7. 三位四通電磁閥 8. 雙作用液壓缸

工作時發(fā)動水田拖拉機(jī)，液壓油經(jīng)過濾器過濾后進(jìn)入油泵，經(jīng)油泵加壓后進(jìn)入二位四通電磁換向閥（DSG- 02-2B2-DC12V-DL，saintfon，中國），機(jī)手控制其切換到水田拖拉機(jī)自身油路，調(diào)控手動換向閥控制后懸掛系統(tǒng)升降，使機(jī)具處于合適的作業(yè)高度；然后切換回油缸控制回路，人為或自動避苗控制系統(tǒng)PLC（programmable logic controller）控制端分別通過2個三位四通電磁閥（DSG-02-3C2-DC12V-DL，saintfon，中國），控制液壓缸活塞桿的運(yùn)動，帶動兩翼架上除草輪橫向移動。機(jī)具在田間行走的同時，根據(jù)左右2組苗帶偏移的信息，實(shí)時調(diào)控除草部件避開秧苗。同時安裝溢流閥與節(jié)流閥控制整機(jī)工作油壓與油缸活塞桿的行駛速度。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 寬幅機(jī)架設(shè)計(jì)

為提高工作效率，減少地頭轉(zhuǎn)彎對秧苗的碾壓次數(shù)，設(shè)計(jì)3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)，與乘坐式高速水田插秧機(jī)進(jìn)行配套作業(yè)。插秧機(jī)每次工作插6行秧苗，行距為0.3 m；本研究設(shè)計(jì)整機(jī)配置19個除草輪，除草輪之間距離為0.3 m，機(jī)架長度為5.7 m。由于插秧機(jī)3次作業(yè)行駛軌跡有所不同，為使除草機(jī)可一次對插秧機(jī)3次作業(yè)的秧苗進(jìn)行中耕除草，將機(jī)架分為中架，左、右翼架3部分；中架安裝7個除草輪，長2.1 m，兩翼架分別安裝6個除草輪，長1.8 m。工作時中架隨水田拖拉機(jī)行駛在插秧機(jī)的軌跡上，兩翼架分別行駛在相鄰組間的軌跡上，可隨軌跡線的變化實(shí)時調(diào)整除草輪的位置，寬幅機(jī)架除草輪軌跡示意圖如圖3所示。水田拉機(jī)后懸掛系統(tǒng)最低點(diǎn)距地面約0.45 m，水田土壤軟硬有所不同，拖拉機(jī)工作時平均下陷約0.35 m，為方便除草機(jī)運(yùn)輸與作業(yè)，設(shè)計(jì)機(jī)架整體高度為0.5 m。

1. 左翼架 2. 左翼架苗帶軌跡 3. 中架4. 中架苗帶軌跡5. 右翼架苗帶軌跡 6. 右翼架

為方便運(yùn)輸，用液壓缸連接中架與翼架，通過液壓缸活塞桿的伸、縮使翼架可繞中架展開、閉合切換工作、運(yùn)輸狀態(tài)。同時機(jī)具在田間作業(yè)時，翼架由于力臂較長，除草輪在受到泥土阻力作用后會對翼架與中架的套筒連接點(diǎn)形成較大的力矩。為保護(hù)套筒連接點(diǎn)，同時減小液壓缸功耗，需在液壓缸規(guī)格允許范圍內(nèi)，增大安裝點(diǎn)與套筒連接點(diǎn)的距離。水田拖拉機(jī)的工作油壓為9 MPa，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15622-1995，其適用油缸內(nèi)徑選擇 40 mm，活塞桿直徑選擇20 mm。該型號油缸以行程400、300 mm應(yīng)用較為廣泛，本文選擇行程為400 mm的MOBRD- 40′20′400LB-Y型液壓缸，將安裝點(diǎn)選在翼架上距套筒連接點(diǎn)0.6 m處。此時液壓缸行程可滿足翼架繞中架展開、閉合的需要，同時一定程度上平衡除草輪阻力帶來的力矩。寬幅機(jī)架如圖4所示。

寬幅噴霧機(jī)機(jī)架的穩(wěn)定性對其噴霧質(zhì)量影響較大，需特殊設(shè)計(jì)[23]，本文研制的寬幅水田中耕除草機(jī)的懸掛部件在工作時接觸土壤，同時配備了平衡仿形機(jī)構(gòu)（機(jī)架與后懸掛系統(tǒng)采用軸承套接并配備開體花籃螺絲與平衡張緊彈簧）與除草輪單體仿形機(jī)構(gòu)，整機(jī)可時刻保持平穩(wěn)狀態(tài)，故不再對機(jī)架的穩(wěn)定性進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

1. 軸承座 2. 懸掛機(jī)構(gòu) 3. 中架 4. 平衡張緊彈簧 5. 連接架 6. 開體花籃螺絲 7. 套筒 8. 折疊調(diào)節(jié)液壓缸 9. 右翼架 10. 橫向調(diào)節(jié)液壓缸 11. 除草輪安裝孔

2.2 橫向調(diào)節(jié)機(jī)架設(shè)計(jì)

由于本研究設(shè)計(jì)的中耕除草機(jī)每工作1次可處理插秧機(jī)3組作業(yè)，為防止組間秧苗位置的變化造成除草輪傷苗，在兩翼架上設(shè)計(jì)橫向調(diào)節(jié)裝置，在工作過程中實(shí)時調(diào)整除草輪位置。調(diào)控方式可采用手動或機(jī)器視覺判斷等方式。機(jī)器視覺調(diào)節(jié)是由機(jī)載圖像采集系統(tǒng)獲取機(jī)具前進(jìn)方向的目標(biāo)行稻株圖像；對圖像進(jìn)行二值化處理然后對目標(biāo)稻株進(jìn)行邊緣檢測得到邊緣離散點(diǎn)；將離散點(diǎn)擬合成邊緣[24-25]，以擬合邊緣的中線作為視覺系統(tǒng)定位稻株行信息，以此信息來控制橫向調(diào)節(jié)裝置，使兩翼架除草輪對行，從而實(shí)現(xiàn)除草輪的自動對行功能。

每個除草輪寬200 mm，秧苗行間距為300 mm，因此除草輪在行間實(shí)際可調(diào)節(jié)距離不大于100 mm。選用 橫截面長×寬×厚30 mm×30 mm×3 mm、長度為1 800 mm的方管插入翼架下支撐梁內(nèi)作為滑動梁，在翼架下支梁壁面上每間隔180 mm開長×寬120 mm×40 mm的矩形槽用于除草輪安裝與滑動，橫向調(diào)節(jié)液壓缸兩端分別連接下支撐梁與滑動梁，調(diào)控液壓缸的伸縮控制滑動梁橫向滑移從而實(shí)現(xiàn)除草輪的橫向位置調(diào)節(jié)，如圖5所示。

為使滑動梁可在支撐梁中正?；瑒有柽x取符合要求的液壓缸。查得鋼-鋼靜摩擦因數(shù)為0.15，除草輪及滑動桿的質(zhì)量為21.3 kg，水田拖拉機(jī)工作油壓為9 MPa；通過推拉力計(jì)傳感器（SH-10K，SUNDOO，中國）測得在水田土壤中推動單個除草輪橫向移動所用的力約為100 N，該機(jī)翼架配備6個除草輪，為使滑動梁可正?；瑒樱簤焊滋峁┹d荷需滿足

（2）

有桿腔進(jìn)油時計(jì)算液壓缸內(nèi)徑為

式中F為滑動梁與支撐梁之間的最大靜摩擦力，N；1為進(jìn)油壓力，Pa ，2為回油壓力，Pa；為活塞桿直徑，m。

選取回油背壓2=0時，由式（3）得出滿足要求的液壓缸應(yīng)大于1.3 cm。結(jié)合液壓缸國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/ T15622-1995）選取液壓缸內(nèi)徑為2.4 cm，外徑為3.2 cm，活塞桿直徑為1.6 cm（工作壓力＞7 MPa，選擇為0.7）。除草輪調(diào)節(jié)范圍一般不超過100 mm(行距300 mm，輪寬 200 mm)，故選取行程為100 mm的小型雙作用液壓缸，其型號為MOBRD-32×16×100 LB-Y。

2.3 除草輪的設(shè)計(jì)與仿真分析

2.3.1 除草輪設(shè)計(jì)

除草部件是除草機(jī)的關(guān)鍵部分，為實(shí)現(xiàn)小功率拖拉機(jī)寬幅除草作業(yè)，要求除草輪工作阻力小，對土壤擾動能力強(qiáng)。根據(jù)水田土壤的力學(xué)特性分析可知[26]，水田土壤抗剪切能力較弱，剪切加載可在較短的行程將土壤破壞。故本研究設(shè)計(jì)除草輪齒為螺旋刀齒，在充分利用刀齒阻力小、易于剪切擾動土壤的基礎(chǔ)上，增加了與土壤的作用面積，增大土壤的受擾動范圍。選用矩形錳鋼片作為刀齒材料，將齒緣磨刃以增加剪切能力，并繞軸向旋轉(zhuǎn)720°以增加與土壤的有效作用面積，焊接嵌入到輪盤中。

粉條的感官評定參照Wei[12]等人的方法，略作修改。評分小組由 20名感官評價員組成，其中男性 8名，女性12名，年齡為22～30歲，感官評價員在評定前經(jīng)過市售粉條感官評定的培訓(xùn)，對感官評定方法有一定的認(rèn)識。根據(jù)色澤、適口性、彈韌性、粘性和風(fēng)味來評估粉條的消費(fèi)者可接受性，具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

在插秧后15 d的除草期內(nèi)雜草高度一般不超過 250 mm，而當(dāng)除草輪直徑較小時會出現(xiàn)除草輪整體纏草的現(xiàn)象，因此要求

2π≥（4）

式中為除草輪半徑，mm；為雜草高度，mm；

故設(shè)計(jì)除草輪輪盤直徑為200 mm。選用200 mm× 3 mm的圓形錳鋼片，將邊緣磨刃作為輪盤；機(jī)插秧秧苗行間距為300 mm，插秧后15 d秧苗根系成株直徑一般不超過30 mm，為避免除草輪傷苗，設(shè)計(jì)其寬度為200 mm（為使除草輪在接行行間也可正常工作，同時設(shè)計(jì)了寬度為140 mm的除草輪）；除草輪的作用對象為水田雜草與水、土混合物，對其磨損和腐蝕比較嚴(yán)重，故除草 輪的材料應(yīng)為抗氧化性、耐腐蝕性和耐磨性較強(qiáng)的 20 CrMnTi號鋼。同時為避免工作時輪盤上刀齒之間的間隙造成漏除，要求除草輪配備多個刀齒以減小間隙，但齒數(shù)過多會造成除草輪重量過大、阻力過大、入土能力下降等問題。同時由于水田土壤存在一定的流動性，為防止除草輪被機(jī)架重力壓入土壤而入土過深，輪盤設(shè)計(jì)直徑與刀齒相當(dāng)，起一定的限深作用。參考現(xiàn)有的除草輪尺寸與結(jié)構(gòu)[27]，設(shè)計(jì)刀齒數(shù)目為6，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1. 輪盤 2. 螺旋刀齒 3. 銷軸孔

對于齒寬的設(shè)計(jì)則需對螺旋刀齒除草輪的阻力、除草能力、入土能力等進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合其運(yùn)動軌跡與動力學(xué)仿真分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.2 除草輪運(yùn)動軌跡分析

一個圓在一條定直線上滾動時，圓周上一個定點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為旋輪線。分析螺旋刀齒除草輪的運(yùn)動軌跡可選取輪盤上相鄰的2個刀齒安裝孔，作為安裝孔分布圓圓周上的2個定點(diǎn)。則除草輪在田間工作時，它們的運(yùn)動軌跡可近似為2條相鄰的旋輪線，如圖7所示。

注：y1為過原點(diǎn)的刀齒安裝孔的旋輪線；y2為與之相鄰的刀齒安裝孔的旋輪線；v為除草輪前進(jìn)方向；h為除草輪入土深度，mm；L為y1和y2 2相鄰旋輪線在除草輪為同一入土深度h時的水平距離，等于旋輪線對應(yīng)的刀齒安裝孔在除草輪圓弧上的圓弧距離，mm；S1表示單個刀齒先后與土壤表面2次作用（入土、出土）作用點(diǎn)之間的間距，mm；S2表示兩條相鄰的刀齒先后與土壤表面作用點(diǎn)（出土、入土）作用點(diǎn)之間的間距，mm。

其中經(jīng)過原點(diǎn)的曲線1的參數(shù)方程[28]為

式中為除草輪半徑，mm；為除草輪轉(zhuǎn)過的弧度，rad；

當(dāng)除草輪入土深度為，即1=時（為任意值），代入式（5）中，可得到1與有以下關(guān)系

（7）

分析其運(yùn)動軌跡，隨著入土深度變化，當(dāng)1＞＞2或1＜＜2，即兩間距尺寸相差較大時，需安裝大寬度的刀齒覆蓋土壤線間距區(qū)域以避免漏除，然而大寬度的刀齒會造成除草輪入土困難以及重復(fù)作業(yè)；當(dāng)1與2接近或相等時，合理寬度的刀齒可完全覆蓋刀齒、刀齒之間與土壤表面作用時固有的間隙從而避免漏除，即刀齒寬度=1＝2＝/2≈52 mm。由于刀齒寬度綜合影響著除草輪的入土能力、除草效果、工作阻力等，因此采用有限元分析法對刀齒寬度進(jìn)行進(jìn)一步對比優(yōu)化。

由式（6）求得此時理論不漏除入土深度≈62.6 mm。可為后續(xù)田間試驗(yàn)除草輪入土深度的水平選擇提供參考。

2.3.3 除草輪的有限元法分析

水田雜草生長環(huán)境較為復(fù)雜，目前在仿真分析上缺少必要的理論模型[29]，難以就雜草、泥土、除草輪進(jìn)行綜合分析。因此本節(jié)通過探究除草輪與水田土壤的作用過程，來間接反應(yīng)除草輪的作業(yè)性能。

在2.3.2節(jié)分析得知理論不漏除的刀齒理論寬度約為52 mm，為了進(jìn)一步優(yōu)化刀齒寬度，本研究分別建立了不同齒寬（20、30、40、50、60 mm）的除草輪模型，由于寬度大于52mm的刀齒即可完全避免理論上的漏除，因此無需在仿真中繼續(xù)增大刀齒寬度（60mm）來驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，因此根據(jù)水田土壤存在一定流動性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)寬度較小的刀齒來進(jìn)行仿真計(jì)算，以期得到較優(yōu)參數(shù)。采用顯式動力學(xué)軟件ANSYS/LSDYNA對其作業(yè)過程進(jìn)行仿真分析。除草輪在工作過程中的阻力大小反映了其入土能力與整機(jī)的功耗，而對土壤破壞能力的大小則反映了其除草率的高低[17]。因此仿真結(jié)果以除草輪的阻力、土壤單元變形比例（土壤單元變形比例與土壤擾動率正相關(guān)[30]）作為評價除草輪性能的指標(biāo)。

水田機(jī)械除草前一般會對田塊進(jìn)行泡水處理，對泥漿層進(jìn)行軟化增強(qiáng)除草機(jī)作業(yè)效果。因此除草部件的仿真作用對象應(yīng)為水與土壤的耦合物質(zhì)，故在仿真時運(yùn)用多物質(zhì)耦合算法建立長方形實(shí)體作為水田土壤-水的復(fù)合模型，尺寸長′寬′高為1 000 mm′400 mm′150 mm；通過定義無反射邊界BOUNDARY_NON_REFLECTING模擬處于大田環(huán)境中的小塊區(qū)域；其網(wǎng)格單元采用任意拉格朗日-歐拉算法（ALE, arbitrary lagrangian-eulerian）；水層與土壤層材料分別選用9號（MAT_NULL）與147號（MAT_FHWA_SOIL）材料。除草輪網(wǎng)格采用拉格朗日算法，材料為20號（MAT_RIGID）剛體材料。

仿真過程采用機(jī)械與土壤－水作用的流固耦合算法，設(shè)定流固耦合關(guān)鍵字CONSTRAINED_LAGRANGE_ IN_SOLID，定義拉格朗日單元體（除草部件）為SLAVE，定義ALE單元體（土壤-水模型）為MASTER，采用懲罰函數(shù)方法進(jìn)行流固耦合仿真；定義除草輪運(yùn)動關(guān)鍵字BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID使除草輪以一定的轉(zhuǎn)速勻速通過仿真區(qū)域；同時設(shè)定求解控制關(guān)鍵字CONTROL_TEMINATIONCONTROL_TIMESTEP以及數(shù)據(jù)輸出關(guān)鍵字DATABASE_FSI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時輸出。

仿真結(jié)果如圖8所示，各除草輪在豎直方向?qū)ν寥?水模型的壓應(yīng)力隨著齒寬的增加而增大。

圖8 不同刀齒寬度除草輪作業(yè)過程仿真

除草輪的工作阻力在水平方向上表現(xiàn)為阻礙除草輪前進(jìn)，在豎直方向上表現(xiàn)為阻礙除草輪入土，因此導(dǎo)出仿真模型中2個方向的力，形成合力進(jìn)行對比分析。建立除草輪阻力-時間曲線圖。

同時選取除草輪在土壤-水復(fù)合模型上作用的區(qū)域作為統(tǒng)計(jì)區(qū)域，導(dǎo)出該區(qū)域內(nèi)單元變形所占比例。可得到5種不同齒寬除草輪與土壤-水復(fù)合模型作用時，復(fù)合模型的累計(jì)變形單元比例-時間曲線圖，如圖9。

由圖9可知，螺旋刀齒除草輪由空轉(zhuǎn)到入土，經(jīng)過約400 ms后進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。4種除草輪在穩(wěn)定工作狀態(tài)受到的阻力平均值分別為20 mm=13.8 N，30 mm= 16.8 N，40 mm=17.9 N，50 mm=20.1 N，60 mm=22.6 N，除草輪作業(yè)時阻力隨著刀齒寬度增加而增大；刀齒寬度為20 mm的除草輪由于刀齒寬度過小，難以有效擾動水田土壤；在刀齒寬度為30、40、50、60 mm的除草輪作用下，土壤單元變形比例較大；除草輪對土壤的擾動能力隨齒寬增加而增加，但當(dāng)?shù)洱X寬度超過30 mm時，差異不顯著。

綜上，雖然理論不漏除的刀齒寬度為52 mm，但經(jīng)過對不同齒寬的除草輪與水田土壤的仿真分析可知：由于水田土壤的流動性，除草輪在與水田土壤作用的過程中，除了除草輪作用的水田土壤的理論區(qū)域外，刀齒可同時帶動作用區(qū)域外的土壤產(chǎn)生變形，刀齒寬度為30、40、50、60 mm對土壤擾動能力相差不大（表現(xiàn)為土壤單元變形比例接近）。因此綜合除草輪的阻力與對土壤的擾動能力，選擇除草輪的刀齒寬度為30 mm，可在有效擾動土壤除去雜草的前提下，減小除草輪阻力，降低功耗。所優(yōu)化的刀齒結(jié)構(gòu)如圖10所示。

2.4 除草輪單體仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

田塊各區(qū)域土壤的軟硬程度有所不同。被動旋轉(zhuǎn)的除草部件若被緊固在機(jī)架上，在相對較堅(jiān)硬的土壤上可能會被折彎變形，而在相對較軟的土壤會造成壅土。因此，螺旋刀齒除草輪需要具備一定仿形能力以適應(yīng)不同的土壤環(huán)境，同時保持合適的作業(yè)深度。設(shè)計(jì)除草輪彈簧張緊仿形機(jī)構(gòu)如圖11所示。

上夾片上端通過螺栓與橫向調(diào)節(jié)機(jī)架的內(nèi)滑梁緊固，使除草輪與內(nèi)滑梁保持運(yùn)動同步；下端連接裝配著除草輪的輪架，使除草輪具有繞銷釘?shù)霓D(zhuǎn)動自由度，并在銷釘連接處增加限位裝置，防止輪架翻轉(zhuǎn)角度過大。輪架上端與上夾片通過張緊彈簧（根據(jù)不同地塊的硬度選用不同彈性模量的彈簧）連接，可為除草輪提供向下的預(yù)緊力。當(dāng)機(jī)具以一定的入土深度在田間工作時，在土壤較硬的區(qū)域，彈簧張緊，增加除草輪的入土能力；在土壤較軟的區(qū)域，彈簧收縮，防止除草輪壅土。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)設(shè)定

2015年8月17日在廣東省肇慶市鼎湖區(qū)坑口大旗山（肇慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田）進(jìn)行了田間除草與產(chǎn)量對比試驗(yàn)。試驗(yàn)水稻品種為超級稻永豐優(yōu)9 802，平均苗高20 cm，每穴苗數(shù)平均4株，雜草主要為稗草、千金子等，平均高度為8 cm。

除草試驗(yàn)選取試驗(yàn)指標(biāo)為除草率C（%）、傷苗率I（%）。其中

（10）

式中為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間雜草總株數(shù)，為除草作業(yè)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間剩余雜草總數(shù)，為除草作業(yè)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)被壓折、連根拔起和倒伏的損傷秧苗數(shù)，為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的總秧苗數(shù)。

產(chǎn)量對比試驗(yàn)選擇試驗(yàn)指標(biāo)為測區(qū)產(chǎn)量均值、穴數(shù)、有效穗數(shù)等[31]。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）除草試驗(yàn)方法

選取9塊20 m長的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，每個試驗(yàn)區(qū)域前后各預(yù)留5 m長的區(qū)域作為加速和減速的緩沖區(qū)（不計(jì)入試驗(yàn)區(qū)域），以保證機(jī)器能以穩(wěn)定的狀態(tài)通過試驗(yàn)區(qū)域。在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取2個兩行′10 m的范圍為2個測區(qū)，分別統(tǒng)計(jì)2測區(qū)內(nèi)機(jī)具的除草率與傷苗率。

采用全因子試驗(yàn)法選取除草機(jī)前進(jìn)速度和除草輪入土深度作為試驗(yàn)因素，對除草機(jī)的工作性能進(jìn)行田間試驗(yàn)。前進(jìn)速度選取了0.3、0.6和0.9 m/s 3個水平；除草輪入土深度選取了3、6和9 cm 3個水平。入土深度的選擇依據(jù)如下：除草輪半徑設(shè)計(jì)為100 mm，當(dāng)其入土深度超過其半徑時，泥土?xí)枞N軸影響除草輪轉(zhuǎn)動，因此試驗(yàn)時選擇除草輪最大入土深度為90 mm；由2.3.2節(jié)理論計(jì)算的不漏除入土深度≈62.6 mm，由于水田土壤具有一定流動性，除草輪刀齒工作時會帶動作用區(qū)域外的土壤，故選擇中間入土深度為60 mm；在初步性能測試中發(fā)現(xiàn)，刀齒能穩(wěn)定入土的最小試驗(yàn)入土深度為30 mm。

觀察2因素不同水平的組合對除草機(jī)作業(yè)質(zhì)量的影響。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖12所示。

2）產(chǎn)量對比試驗(yàn)

分別在機(jī)械除草（0.2 hm2）和化學(xué)除草（0.2 hm2）的田塊內(nèi)，沿對角線方向各隨機(jī)選取5個長勢良好的測產(chǎn)區(qū)域，共10測區(qū)，測區(qū)大小為3行×10穴的方形區(qū)域（約30穴）。每個測區(qū)分別測量面積，統(tǒng)計(jì)測區(qū)內(nèi)稻穴數(shù)、有效穗數(shù)、產(chǎn)量。

圖12 田間除草試驗(yàn)

3.3 結(jié)果及分析

1）除草試驗(yàn)結(jié)果分析

除草試驗(yàn)按因素不同水平的組合進(jìn)行，2名記數(shù)員分別統(tǒng)計(jì)各自測區(qū)內(nèi)雜草數(shù)和傷苗數(shù)，將測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值記錄如表1。

表1 整機(jī)性能田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：極差分析欄中各列分別對應(yīng)、因素影響下各水平對應(yīng)的總值和極 差值。

Note: Data in each range analysis column correspond to the total value and rang value which was affected by different level of factorand.

由表1極差分析結(jié)果可知，各因素影響除草率的主次順序?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)速度>除草輪入土深度。隨著機(jī)具前進(jìn)速度增加除草率先上升后下降。因除草輪為從動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度成正比，當(dāng)前進(jìn)速度較慢時螺旋刀齒翻動土壤能力較弱，除草率較低，機(jī)具前進(jìn)速度增加，除草率隨之持續(xù)上升，并在0.6 m/s達(dá)到最高；而速度過快會導(dǎo)致除草輪打滑、入土不充分，導(dǎo)致除草率下降。隨著除草輪入土深度增加，除草輪與土壤作用面積增大，對雜草作用能力增強(qiáng)，故除草率持續(xù)上升，在9 cm深時達(dá)到最高。

各因素影響傷苗率的主次順序?yàn)闄C(jī)具前進(jìn)速度>除草輪入土深度。隨著機(jī)具前進(jìn)速度增加傷苗率持續(xù)上升，因?yàn)殡S著機(jī)具前進(jìn)速度增大，使得自動對行控制響應(yīng)相對滯后，進(jìn)而引起除草輪對行不準(zhǔn)確而導(dǎo)致傷苗。除草輪入土深度對傷苗率有一定影響，當(dāng)入土深度較大時，由于耕作深度較深造成除草輪與秧苗根系的作用幾率增大，傷苗率升高。

綜合考慮不同因素下的除草率、傷苗率，并參照苗間除草機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（DB23/T930-2005）中對除草機(jī)作業(yè)質(zhì)量的技術(shù)要求（除草率≥80%，傷苗率≤5%）?？傻贸鰞山M較優(yōu)組合。分別為前進(jìn)速度為0.6 m/s除草輪深度為6 cm，此時除草率為87.2%，傷苗率為0%；前進(jìn)速度為0.6 m/s除草輪深度為9 cm，此時除草率為92.0%，傷苗率為4.3%。

在機(jī)具不同前進(jìn)速度和除草輪入土深度下，該機(jī)平均除草率為82%，平均傷苗率為4.8%。同時根據(jù)機(jī)具作業(yè)速度范圍和幅寬可測得該機(jī)作業(yè)效率為0.6～1.8 hm2/h，滿足水稻田機(jī)械除草的作業(yè)質(zhì)量與工作效率的要求。

2）機(jī)械除草與化學(xué)防控產(chǎn)量對比分析

機(jī)械除草、化學(xué)除草2種雜草控制方式田塊測試所得產(chǎn)量相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 產(chǎn)量對比試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，機(jī)械除草產(chǎn)量為（686.56±112.83） g/m2，化學(xué)除草產(chǎn)量為（659.83±82.2） g/m2；機(jī)械除草每平米的稻穴數(shù)為（19.71±0.59）穴，化學(xué)除草每平米的稻穴數(shù)為（21.68±2.31）穴；機(jī)械除草每穴有效穗數(shù)為（13.25±2.19）棵，化學(xué)除草（9.63±1.83）棵。機(jī)械除草的產(chǎn)量相對化學(xué)除草有所提高，化學(xué)除草的產(chǎn)量波動性更小。比較2種方式單位面積的稻穴數(shù)可知，該除草機(jī)在工作過程中有傷苗情況，每平方米約造成1.97株傷苗；比較2種方式每穴內(nèi)的有效穗數(shù)可知，機(jī)械除草的有效穗數(shù)高于化學(xué)除草。

綜上所述，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，機(jī)械除草對稻苗有一定的損傷，減少了單位面積內(nèi)秧苗的穴數(shù)，但其中耕作用可促進(jìn)稻苗分蘗，增加了秧苗的有效穗數(shù)，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量。該研究可為中耕除草對水稻田產(chǎn)量的影響提供參考。

4 結(jié) 論

1）研制了3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)，該機(jī)由水田拖拉機(jī)提供動力，采用4個雙作用液壓缸調(diào)節(jié)寬幅支架，實(shí)現(xiàn)整架展開閉合與除草輪位置的橫向調(diào)節(jié)，通過螺旋刀齒除草輪與土壤及雜草作用進(jìn)行除草；該機(jī)為被動式除草，無需動力傳輸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單輕便；寬幅機(jī)架設(shè)計(jì)每次可除草19行，可與乘坐式插秧機(jī)進(jìn)行配套作業(yè)，可減少頻繁轉(zhuǎn)向帶來的機(jī)具壓苗。作業(yè)效率為0.6～1.8 hm2/h。

2）本機(jī)設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動的兩翼架橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了除草過程中因插秧軌跡不同而傷苗的問題；結(jié)合水田土壤力學(xué)特性與現(xiàn)有除草輪結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了螺旋刀齒式除草輪，并對其進(jìn)行了理論計(jì)算與仿真分析，得到了該除草部件的最佳參數(shù)；本機(jī)具配備機(jī)架平衡仿形結(jié)構(gòu)與除草輪仿形結(jié)構(gòu)，工作時具有較高穩(wěn)定性，可有效適應(yīng)不同的水田環(huán)境。

3）分別進(jìn)行了整機(jī)性能試驗(yàn)與不同雜草控制方式田塊的產(chǎn)量對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)平均除草率為82%，傷苗率為4.8%；在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，機(jī)械除草作業(yè)的田塊平均產(chǎn)量高于化學(xué)除草的田塊，可為中耕除草對水稻田產(chǎn)量的影響提供參考。

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Design and test of 3GY-1920 wide-swath type weeding-cultivating machine for paddy

Qi Long1,2, Zhao Liulin1, Ma Xu1,2※, Cui Hongwei1, Zheng Wenhan1, Lu Yulong1

(1.510642,; 2.(),510642,)

In order to improve the mechanical weeding efficiency and reduce the injury rate of seedling caused by frequent swerve at the end of the field, a wide-swath machine, named 3GY-1920type wide-swath weeder, was designed for intertillage and weeding in paddy field. This weeding machine driven by the paddy tractor mounted relevant components including the wide-swath adjustable frame, the hydraulic control system, the weeding unit and profiling mechanisms. To match triple working widths of ride stylehigh-speed rice transplanter, this weeder was equipped with 19 weeding rolls. The working width was designed to be 5.4 m according to line spacing of rice seeding, which was normally 0.3 m. As the transplanter could not follow one path line in 3 different processes, the whole frame was divided into 3 parts including the left-side frame, the right-side frame and the bearing frame. A hydraulic system, including oil pump, different types of electromagnetic valves, hand valve, 4 hydraulic cylinders, relief valve, throttle valves and so on, were equipped to control the 4 single-rod double-acting hydraulic cylinders, which could adjust the frames to fold or unfold for transportation or weeding, and the real-time motion of rolls on the side frames. The weeding roll was designed as the spiral cutter weeding roll referring to the existing rollers and the bearing capacity and shearing strength of paddy. And the different parameters for weeding rolls such as the working resistance and the capacity to damage soil were tested with the explicit finite element software ANSYS/LSDYNA. The weeding roll was composed of 6 cutters; every cutter was sharpened and rotated around the axis by 720° and welded into the reel. A spring type profiling mechanism was also designed and applied to ensure the stable working depth. The installation height and working depth of weeding machine were adjusted before weeding so as to avoid injuring the plants due to the difference of the size of the rice seedlings. When the weeding machine moved forward at a certain speed, the weeding rolls were rotated by the force of soil resistance, elastic force of spring, and forward stress of traction. And the spiral cutters on the roll moved downward into and out of the soil for shearing weeds and stirring soils to cover weeds at the same time. An all-factor experiment on the weeding rate and injury rate of seedlings was conducted to test the performance of this weeding machine. Depth of the weeding and travel speed were selected as 2 factors in this experiment. Results showed that the operating efficiency of this weeding machine was 0.6-1.8 hm2/h, the average weeding rate was 82%, and the average seedling injury rate was 4.8%. With the increment of travel velocity, the weeding rate rose and then fell, and the injury rate kept rising. With the increase of working depth, the weeding rate continued to rise, and the seedling injury rate went up at first and then declined. The weeder showed the optimal operation effect when the weeder’s speed was 0.6 m/s, and the roll’s working depth was maintained at 6 cm. Under the parameter combination, the average weeding rate was 87.2% and no seedlings were damaged. A yield test was also performed to compare the differences between 2 weeding methods (mechanical weeding and chemical weeding). Results were as follows: The average yield of rice under mechanical weeding was 686.56 g/m2while that under chemical weeding was 659.83 g/m2. The average number of useful spikes per hole in the testing zone was 13.25 under the condition of mechanical weeding and 9.36 using chemical method of weed control. The average number of holes per square meter was 19.71 and 21.68 based on mechanical and chemical weeding respectively. The result suggests that the mechanical weeding may hurt the seedlings compared to chemical weeding method, however, its weeding and inter-cultivation function can promote the tilling of plants and improve the yield of rice.

agricultural machinery; experiments; design; rice; mechanical weeding; wide-swath type weeder;spiral cutter

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.006

S224.1

A

1002-6819(2017)-08-0047-09

2016-07-09

2017-04-09

國家自然科學(xué)基金（51575195）；廣東省自然科學(xué)基金（2015A030313402）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B020207003）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助（ CASRS-01-33）；廣州市珠江科技新星專項(xiàng)（2014J2200041）

齊 龍，男，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，研究員，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。Email：qilong@scau.edu.cn

馬 旭，男，漢族，遼寧沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。Email：maxu1959@scau.edu.cn

齊 龍，趙柳霖，馬 旭，崔宏偉，鄭文漢，蘆玉龍. 3GY-1920型寬幅水田中耕除草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：47－55. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.006 http://www.tcsae.org

Qi Long, Zhao Liulin, Ma Xu, Cui Hongwei, Zheng Wenhan, Lu Yulong.Design and test of 3GY-1920 wide-swath type weeding-cultivating machine for paddy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 47－55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.006 http://www.tcsae.org