氣動式水稻株間機械除草裝置研制

蔣 郁，齊 龍，龔 浩，劉 闖，陶 明，胡小鹿，陳琴苓

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510642；3 中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心，北京 100045； 4 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣東 廣州 510640)

稻田雜草抑制水稻生長[1]，增加水稻病蟲害發(fā)生概率[2]，是影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的主要原因[3-4]。因此，有效的稻田雜草防控一直是水稻安全生產(chǎn)的重要保障。近年來，機械除草作為一種環(huán)境友好型的除草技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水稻生產(chǎn)中，多用于去除行間雜草[5]。與行間雜草相比，水稻株間雜草多為近株雜草，對水稻生長的影響更大，但由于作物行的干擾，如何避開水稻苗去除株間雜草是水稻機械化除草技術(shù)的難點。

國內(nèi)外現(xiàn)有的水稻株間機械除草裝置多利用移栽稻和雜草的生物力學(xué)特性、苗草根系深淺差異設(shè)計柔性除草部件或控制除草深度實現(xiàn)株間除草。日本三菱農(nóng)機株式會社研制的水田除草機[6]，采用柔性毛刷除去株間雜草，田間試驗表明該類型除草機能有效提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。歐萊克株式會社研制了一種四輪乘坐式除草機，行間采用滾輪除草，株間則采用彈性鋼絲除草[8]。美善株式會社研制了一種獨輪的手扶式除草機，行間采用滾輪除草，株間則使用從動轉(zhuǎn)動式的羽輪除草，兼?zhèn)涑莺烷_溝的功能[9]。王金武等[10]研制的3ZS-150型水稻中耕除草機采用耕耘鋤去除行間雜草；采用軟軸驅(qū)動立式除草裝置，利用彈性鋼絲旋轉(zhuǎn)去除株間雜草。以上水稻株間除草裝置均不具備水稻植株和雜草的識別與定位功能，株間除草率僅為60%左右[11]，需多次作業(yè)才能完成除草要求，但多次作業(yè)不僅降低了生產(chǎn)效率，而且還增加了機具對秧苗的碾壓概率。

為了降低傷苗率、提高除草效果，株間除草技術(shù)常采用傳感器定位作物或雜草位置，選擇性地避開秧苗，從而去除雜草。有研究采用實時差分GPS技術(shù)定位作物位置并精確地控制除草裝置避開作物[12-13]，但該技術(shù)的硬件成本相對較高，而且不適用于水稻等小株距作物。日本石井農(nóng)機株式會社研制的水稻株間除草機采用距離傳感器識別稻株并控制電磁閥通斷，噴射高壓液體除草[14]。采用機器視覺識別植株的避苗技術(shù)[15-16]具有成本較低和控制系統(tǒng)相對簡單的優(yōu)點，蔣郁等[17]和Jiang等[18]根據(jù)水田環(huán)境特點設(shè)計了基于機器視覺的水稻植株定位系統(tǒng)，用以引導(dǎo)除草機構(gòu)避開水稻苗實現(xiàn)株間除草。

除了與作物或雜草的定位精度有關(guān)，株間機械除草效果還和除草機械裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)關(guān)系密切[19]。牛春亮等[20]對水田株間除草部件的運動軌跡進行分析，為稻田機械除草整機的研制提供了技術(shù)參考。賈洪雷等[21]通過對玉米中耕避苗除草裝置的運動速度與避苗區(qū)域半徑的關(guān)系進行分析，驗證控制系統(tǒng)響應(yīng)時間是否滿足要求。在運動學(xué)分析基礎(chǔ)上進行機械與水田土壤耦合的動力學(xué)分析[22-23]，能夠直觀地揭示各種不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)對除草部件工作性能的影響，從而對除草部件的局部結(jié)構(gòu)進行更有針對性的優(yōu)化。

在前期水稻植株定位方法研究的基礎(chǔ)上，本研究擬設(shè)計一種氣動式水稻株間機械除草裝置，并對其進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，優(yōu)化除草裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，以期提高水稻株間的除草效果。

1 氣動式株間除草裝置工作原理及總體結(jié)構(gòu)

1.1 株間機械除草裝置工作原理

氣動式水稻株間機械除草裝置根據(jù)秧苗動態(tài)圖像的定位結(jié)果作出相應(yīng)的動作決策控制。圖像采集和處理系統(tǒng)的主要硬件有：智能彩色相機(ISM1400C，美國 Cognex)、工業(yè)鏡頭 (M0814-MP，日本Computer)和上位機(B470，中國Lenovo)。信號轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)的主要硬件為I/O模塊(CIOMICRO-CC，美國Cognex)和可編程邏輯控制器PLC(FX2N-32MT，日本 Mitsubishi)。

機具前進時，裝置處于除草狀態(tài)，當(dāng)水稻植株圖像進入檢苗區(qū)域后，采用機器視覺定位[17]對秧苗進行動態(tài)定位；上位機發(fā)送定位信息的數(shù)字信號至智能相機，智能相機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成編碼電信號后傳輸?shù)絀/O模塊，I/O模塊解碼信號并輸出信號至PLC，PLC運行內(nèi)部程序觸發(fā)輸出端口；除草刀齒進入秧苗保護區(qū)后，發(fā)出切換電磁閥位置的指令，氣缸桿伸出帶動除草部件擺動，從而實現(xiàn)避苗動作；繞過稻株后，PLC再次發(fā)出切換電磁閥位置的指令，收回氣缸桿，裝置重新恢復(fù)至除草狀態(tài)?？刂浦噶顚⒁恢毖h(huán)，直至工作結(jié)束。株間除草作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)工作流程圖Fig. 1 Flow chart of control system

1.2 株間除草裝置總體結(jié)構(gòu)

氣動擺動式株間除草裝置由氣源(ZB-0.13/8,中國浙江日金實業(yè)有限公司)、電磁閥(4v210-08, 中國 Airtac)、氣缸 (SC50×25)、連桿、擺桿、除草刀齒和控制系統(tǒng)組成，具體組成如圖2所示。除草裝置隨牽引機具向垂直紙面方向移動，安裝在擺桿上的除草刀齒沿前進方向在株間入土破壞雜草，達到株間除草的效果。當(dāng)除草刀齒到達秧苗根部保護區(qū)域內(nèi)時，電磁閥動作使氣路換向，氣缸桿伸出推動連桿帶動擺桿轉(zhuǎn)動，安裝在擺桿末端的除草刀齒隨擺桿轉(zhuǎn)動離開株間土壤完成避苗動作。繞過稻株后，電磁閥再次使氣路換向，氣缸桿回縮拉動連桿帶動擺桿使除草刀齒入土執(zhí)行株間除草動作。

圖2 氣動式株間除草裝置示意圖Fig. 2 Sketch map of pneumatic intra-row weeding device

2 氣動式株間除草機構(gòu)的運動分析

氣動式株間除草機構(gòu)運動簡圖如圖3所示，根據(jù)機構(gòu)運動原理，機構(gòu)平面自由度(F)的計算如下：

式中，n為桿件和滑塊數(shù)量，n=3，P為鉸鏈轉(zhuǎn)動副和移動副的數(shù)量，P=4。根據(jù)式(1)計算出F=1，說明機構(gòu)在平面內(nèi)有唯一確定的運動軌跡。除草刀齒中心在平面內(nèi)的運動軌跡為繞點O作圓周擺動，擺動的幅度與角速度和氣缸的運動行程與速度相關(guān)。假設(shè)氣缸伸出時，推桿滑塊作速度為v的勻速直線運動，在氣缸伸出的任意時刻(t)，連桿長(a)、擺桿長(b)、擺動角度(α)和輔助角度(β)的幾何關(guān)系根據(jù)余弦定理有：

其中，根據(jù)直角三角形的正切值關(guān)系有：

將式(3)代入式(2)，則擺動角度(α)與時間(t)的關(guān)系可求得為：

用擺動角度對時間求導(dǎo)，可得任意時刻除草刀齒的擺動角速度(ω)：

通過式(2)～(5)可得連桿長和擺桿長與擺動桿的擺動角度和角速度的關(guān)系。根據(jù)幾何關(guān)系，可得任意時刻除草刀齒中心提升高度(h)和橫向擺動距離(w)：

圖3 氣動式株間除草機構(gòu)運動簡圖Fig. 3 Kinematic diagram of mechanism of pneumatic intra-row weeding device

氣動式株間除草機構(gòu)要有效地繞過秧苗，依照入土深度最大為30 mm計算，在避苗狀態(tài)時規(guī)定除草部件的中心提升高度要≥40 mm，此時除草部件完全離開土壤，可避免損傷秧苗根部。莖基部保護區(qū)直徑為60 mm的情況下，規(guī)定除草部件橫向移動距離≥60 mm，此時可以避免碰傷秧苗的莖部。同時，為了提升傳動的效率，擺桿轉(zhuǎn)角≤20°[24]；為避免機架碰撞秧苗莖部，除草部件到回轉(zhuǎn)中心垂直距離≥170 mm。

本研究中，先設(shè)定擺桿轉(zhuǎn)角為20°，由于氣缸行程為25 mm，則有vt=25 mm，根據(jù)式(4)可得連桿長(a)和擺桿長(b)的關(guān)系如圖4所示，圖中b對a的變化不敏感(a增大20 mm，b只增大0.5 mm)，故只需考慮a。為使機具整體結(jié)構(gòu)緊湊和桿件輕量化，a應(yīng)當(dāng)盡量小，同時為避免桿件過小導(dǎo)致鉸鏈與擺動桿干涉，設(shè)計a=35.00 mm，此時可求得b=72.24 mm。

圖4 連桿長與擺桿長的關(guān)系Fig. 4 Relationship of length of connecting rod and length of oscillating rod

將式(6)和式(7)移項后求平方和，得到除草部件到回轉(zhuǎn)中心水平距離(c)和除草部件到回轉(zhuǎn)中心垂直距離(d)關(guān)于除草部件橫向擺動距離(w)和提升高度(h)的關(guān)系式：

暫設(shè)h=40 mm，w=60 mm，可得到：

將式(9)分別代入式(6)和式(7)可知，當(dāng)c=84 mm，d=191 mm時，h=40.25 mm，w=60.26 mm，均符合設(shè)計要求，且此時除草部件到回轉(zhuǎn)中心水平距離和除草部件到回轉(zhuǎn)中心垂直距離處于最小狀態(tài)，滿足緊湊和輕量化的設(shè)計需求。根據(jù)計算，本研究設(shè)計氣動式株間除草機構(gòu)a=35 mm，b=72.24 mm，c=84 mm，d=191 mm。

為研究設(shè)計出的氣動式株間除草機構(gòu)的運動軌跡是否滿足規(guī)定需要，將氣動式株間除草機構(gòu)的三維模型導(dǎo)入Pro-Engineer軟件，運用機構(gòu)運動仿真功能得到除草刀齒中心的運動軌跡。輸入推桿滑塊速度0.25 m/s，機具前進速度為0.25 m/s，可得除草刀齒中心的運動軌跡(圖5)，除草刀齒能繞過護苗區(qū)，設(shè)計參數(shù)符合要求。

圖5 除草刀齒運動軌跡Fig. 5 Trajectory of weeding blade

3 除草刀齒設(shè)計與仿真優(yōu)化

3.1 除草刀齒結(jié)構(gòu)設(shè)計

除草刀齒擺動入土后通過破壞雜草或擾動雜草根系附近的土壤達到除草目的，故除草刀齒要求入土阻力小、入土后對土壤擾動大且不能出現(xiàn)壅土。根據(jù)上述要求設(shè)計出直齒刀和彎齒刀2種除草刀齒，如圖6所示。為覆蓋秧苗苗帶區(qū)域，除草刀齒的作業(yè)寬度設(shè)計為60 mm。根據(jù)經(jīng)驗，刀齒數(shù)過多易引起壅土，過少則導(dǎo)致除草率低，綜合考慮刀齒數(shù)量設(shè)計為4片。2種刀齒入土過程中先接觸土壤的部分設(shè)計為銳角尖端，使其碰觸土壤時更容易侵入破壞土壤表面從而更容易入土，刀片外形設(shè)計能減小刀齒平移方向的土壤阻力，同時依靠刀片側(cè)面黏附和擾動土壤達到除草的目的。直齒刀的刃部從根部到尖端過渡形狀為直線，彎齒刀的過渡形狀則為曲線。2種刀刃的設(shè)計具有如下特點：直齒刀的直線觸土面容易產(chǎn)生較大的黏附效果，除草效果好但阻力較大；而彎齒刀的曲線觸土面對土壤具有一定的翻轉(zhuǎn)作用且擁有較優(yōu)的力學(xué)性能[25]。刀刃根部輪廓切線與垂直平面逆時針?biāo)傻慕嵌确Q為傾角。為確保土壤不沿刀刃向上積累引起壅土，應(yīng)傾角≥0°，同時應(yīng)避免傾角過大導(dǎo)致刀片尺寸過長，故設(shè)計傾角的范圍為0～20°。根據(jù)水田土壤高濕高阻的工作環(huán)境，關(guān)鍵除草部件的材料選用抗氧化性、耐腐蝕性和耐磨性的20CrMnTi號鋼，采用數(shù)控電火花機床進行加工，考慮除草刀片要有足夠的機械強度，刀片厚2 mm。

圖6 除草刀齒結(jié)構(gòu)Fig. 6 Weeding blade structure

3.2 除草刀齒-水田土壤相互作用的仿真分析

為了模擬并分析2種除草刀結(jié)構(gòu)(直齒刀和彎齒刀)和刀齒傾角 (0、5、10、15 和 20°)對前進阻力和土壤的擾動程度的影響，得到較小前進阻力和較大土壤擾動程度的因素組合，運用離散元動力學(xué)仿真方法[26-27]，并參考相關(guān)文獻[28]的方法，在EDEM軟件中建立2種尺寸的球形顆粒模型分別代表水和土壤，將水顆粒覆蓋在土壤顆粒上并使其自然向下滲透，模擬自然泥水的形成過程。顆粒模型采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion模型建立，該模型能夠很好地模擬水田土壤顆粒間因靜電和水分等原因發(fā)生明顯黏結(jié)和團聚的物理特性。所建立的水田土壤模型，上部分為水顆粒層，中間為水顆粒與土壤顆?；旌系娘柡屯寥缹樱聦訛橛猩倭克w粒的土壤層。廣東省的水田土壤以砂質(zhì)黏土為主，根據(jù)相關(guān)文獻[23,28-29]確定水田土壤參數(shù)與水顆粒參數(shù)，通過EDEM官方材料數(shù)據(jù)庫(GEMM數(shù)據(jù)庫)獲取除草刀具材料參數(shù)。土壤與水離散元顆粒和除草刀模型的材料參數(shù)如表1所示，材料間接觸參數(shù)如表2所示。

對不同結(jié)構(gòu)與不同傾角的除草刀齒與水田土壤的相互作用進行離散元動力學(xué)仿真。除草刀的前進速度設(shè)置為0.2 m/s，最大入土深度不宜超過移栽秧苗的根系深度[30]，刀齒最大入土深度為3 cm。土壤阻力通過土壤阻力－時間折線圖(圖7)表明，規(guī)定除草刀齒與土壤接觸的時刻為0，仿真時間共0.5 s。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表2 材料間接觸參數(shù)Table 2 Contact parameters between materials

圖7 除草刀所受土壤阻力仿真結(jié)果Fig. 7 Simulation results of soil resistance to weeding blades

根據(jù)仿真結(jié)果，不同傾角 (0、5、10、15和20°)的直齒刀對應(yīng)的阻力最大值分別為24.18、19.38、15.55、21.89和 19.20 N，對應(yīng)的阻力平均值為 14.30、13.53、12.94、15.82 和 15.49 N；而不同傾角 (0、5、10、15 和 20°)彎齒刀對應(yīng)的阻力最大值為5.78、5.69、4.98、5.20和 5.73 N，對應(yīng)的阻力均值為4.04、3.63、3.12、3.40和 3.54 N。直齒刀所受的土壤阻力大于彎齒刀，不同類型的刀齒受土壤的阻力最大值與平均值均隨著傾角增大呈先減后增的趨勢。綜上，傾角為10°的彎齒刀破壞土壤時受到土壤的阻力較小。

利用EDEM的后處理器，得到土壤顆粒的運動速度分布，土壤顆粒受除草刀擾動會產(chǎn)生運動速度，可根據(jù)產(chǎn)生運動速度的顆粒數(shù)量判定土壤受擾動程度的大小。垂直于刀齒前進方向，在刀齒尖端處做截面，觀察同一時刻(0.5 s)截面上顆粒的運動速度分布，如圖8所示。顆粒的運動速度范圍為0～0.100 m/s，在刀齒附近的土壤顆粒為擾動土壤顆粒，速度分布在0.033～0.100 m/s，因此規(guī)定速度大于0.033 m/s的顆粒為受擾動的顆粒。使用Photoshop圖像處理軟件統(tǒng)計出截面內(nèi)受擾動顆粒像素所占的面積，面積越大，說明土壤受擾動程度越大。統(tǒng)計結(jié)果見表3，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，傾角為10°的彎齒刀產(chǎn)生的土壤擾動程度較大，被擾動的土壤區(qū)域面積為149.69 cm2。

綜合仿真結(jié)果可知，傾角為10°的彎齒刀與土壤相互作用時產(chǎn)生的阻力較小、土壤擾動程度較大，是較優(yōu)的設(shè)計。

圖8 不同除草刀齒不同傾角作用下水田土壤顆粒運動速度分布Fig. 8 Distribution of particle motion velocity under different weeding blade claw with different inclinations in paddy soil

3.3 仿真結(jié)果驗證

為驗證離散元動力學(xué)仿真結(jié)果是否與實際情況相符，于2018年11月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院土槽試驗平臺對彎齒刀進行測試試驗，每種除草刀進行3次重復(fù)試驗，每次試驗后將土槽泥土恢復(fù)平整，測試不同傾角彎齒刀除草部件作業(yè)時的土壤阻力。具體設(shè)計如圖9所示，土槽試驗平臺由土槽、滑軌支架和移動平臺組成。土槽在試驗前進行泡水、攪拌、混合等處理，并靜置2 d，形成上部覆有水層的仿飽和水田土壤；移動平臺由130BYG350D 步進電機(步距角1.2°，步距精度5%) 提供前進動力，測試過程中移動平臺的速度為0.2 m/s，除草刀的入土深度為30 mm；除草刀和DS2-500N-S推拉力傳感器(測量范圍0～500 N，精度為±0.1%F.S，最小讀數(shù)達到0.01 N)安裝在移動平臺上，拉力傳感器的采集頻率為50 Hz。由于平臺勻速移動，拉力傳感器測得的牽引力與土壤阻力大小相等、方向相反，所測的牽引力經(jīng)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號的形式存儲于計算機。

表3 受擾動顆粒統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistical result of particles under turbulence

圖9 仿真結(jié)果土槽驗證試驗Fig. 9 Soil bin validation experiment of simulation result

土壤阻力實測值結(jié)果如圖10所示，彎齒刀接觸土壤后所受的阻力呈平穩(wěn)上升趨勢。在刀齒完全入土后土壤阻力在2～7 N穩(wěn)定波動，且較平穩(wěn)，數(shù)據(jù)變化趨勢與仿真結(jié)果相似。試驗過程中不同傾角彎齒刀所受最大阻力和平均阻力的實測值見表4，結(jié)果(表4)顯示，彎齒刀的實測值大于仿真值，驗證結(jié)果與仿真值誤差小于20%，土壤阻力仿真結(jié)果可靠。

表4 彎齒刀土槽試驗實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果Table 4 Measured data of bending blade experiment in soil bin and the simulation result

4 田間試驗

4.1 試驗材料

株間除草裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化(選用彎刀式、傾角10°的除草刀齒)后，為驗證在不同工作參數(shù)下的綜合工作性能(除草率及傷苗率)，并選出較優(yōu)的工作條件，2019年4月5日在廣東省肇慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗田中進行機械除草單體搭載的田間性能試驗。試驗于插秧后15 d進行，試驗使用的水稻品種為‘恒豐優(yōu)3 512’，秧苗平均高度為270 mm、株距約為150 mm。試驗田內(nèi)雜草以稗草、千金子、節(jié)節(jié)菜和陌上菜為主，雜草的平均根系深度為22 mm，株間雜草平均密度為每平方米160株。田塊于試驗前1 d蓄水30 mm，試驗當(dāng)天放水，試驗時泥腳深度約為200 mm。田間試驗現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 株間除草裝置田間試驗現(xiàn)場Fig. 11 Scene of field experiment of paddy intra-row weeding device

4.2 試驗方法

株間除草裝置單體的田間性能試驗以氣缸伸縮速度、機具前進速度和除草深度3個工作參數(shù)作為試驗因子，采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交試驗設(shè)計，分析各工作參數(shù)對除草率(y1)和傷苗率(y2)的影響，除草率與傷苗率定義如下：

式中，Z為試驗區(qū)域內(nèi)水稻行間雜草總株數(shù)，S為除草作業(yè)后試驗區(qū)域內(nèi)水稻行間剩余雜草株數(shù)，I為除草作業(yè)后試驗區(qū)域內(nèi)被壓折、連根拔起和倒伏的損傷秧苗數(shù)，M為試驗區(qū)域內(nèi)的總秧苗數(shù)。試驗因素水平編碼表如表5所示。

表5 試驗因素水平編碼表Table 5 Factor level coding table for experiment

選取23塊30 m長的地塊作為試驗區(qū)域，每個試驗區(qū)域前后各5 m長的區(qū)域作為加速和減速的緩沖區(qū)，以保證機器能以穩(wěn)定的工作狀態(tài)通過試驗區(qū)域。由2名計數(shù)員分別統(tǒng)計各自測試區(qū)域內(nèi)雜草數(shù)和傷苗數(shù)，對測得的試驗數(shù)據(jù)取平均值并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的除草率與傷苗率。

4.3 試驗數(shù)據(jù)及分析

試驗結(jié)果如表6所示。根據(jù)表6的試驗數(shù)據(jù)，分析各因子對除草率的影響結(jié)果的方差分析如表7所示，比較各因子的F值可知，除草率顯著性的影響因子依次為除草深度(x3)、機具前進速度(x2)、氣缸伸縮速度(x1)。將影響不顯著的因子(x1)剔除，得到除草率(y1)的回歸模型方程：

表6 試驗方案及結(jié)果Table 6 Experimental scheme and results

表7 各因子對除草率影響的方差分析表Table 7 Variance analysis of influence from each factor to weeding rate

根據(jù)表6的試驗數(shù)據(jù)，各因子對傷苗率的影響結(jié)果的方差分析如表8所示，模型的F值為16.85，P＜0.000 1，表明該模型可信；失擬項F值為2.48，P=0.121 5，差異不顯著，表明該模型的擬合程度良好；因子x1、x2、x3影響極顯著，因子x2x3在水平α=0.05時影響顯著，因子x1x3、x12在水平α=0.1時影響顯著，其他因子影響不顯著；比較各因子的F值可知，影響傷苗率顯著性的因子依次為除草深度、機具前進速度和氣缸伸縮速度。將影響不顯著的因子剔除，得到傷苗率(y2)的回歸模型方程為：

表8 各因子對傷苗率影響的方差分析表Table 8 Variance analysis of influence from each factor to seedling injury rate

根據(jù)回歸方程(12)，氣缸伸縮速度對除草率的影響不顯著，因此將氣缸伸縮速度設(shè)定在零水平，即0.35 m/s，得到的響應(yīng)曲面如圖12所示。分析可知，除草率最低為60%，除草率隨著機具前進速度和除草深度的增加而增加，兩者達到最大時，除草率最大(82%)。通過比較發(fā)現(xiàn)，除草深度對除草率的影響更加顯著。

圖12 機具前進速度和除草深度對除草率影響的響應(yīng)曲面Fig. 12 Response surface of machine forward speed and weeding depth to weeding rate

將除草深度設(shè)定為零水平，即2.0 cm，得到氣缸伸縮速度與機具前進速度的傷苗率響應(yīng)曲面(圖13a)。分析圖13a可知，傷苗率最低為2.73%，最高為4.39%，且傷苗率隨著氣缸伸縮速度的升高和機具前進速度的降低而降低。氣缸伸縮速度升高會導(dǎo)致機具前進速度對傷苗率的影響減弱，同時機具前進速度的降低也會導(dǎo)致氣缸伸縮速度對傷苗率的影響減弱。當(dāng)氣缸伸縮速度最高而機具前進速度最低時，傷苗率達到最小值。

將機具前進速度設(shè)置為零水平，即0.20 m/s，得到氣缸伸縮速度與除草深度的傷苗率響應(yīng)曲面(圖13b)。分析圖13b可知，傷苗率最低為2.25%，最高為3.91%，且傷苗率隨著氣缸伸縮速度的升高和除草深度的降低而降低。氣缸伸縮速度升高會導(dǎo)致除草深度對傷苗率的影響增強，同時增加除草深度也會減弱氣缸伸縮速度對傷苗率的影響。當(dāng)氣缸伸縮速度最高而除草深度最低時，傷苗率達到最小值。

將氣缸伸縮速度設(shè)置為零水平，即0.35 m/s，得到機具前進速度與除草深度的傷苗率響應(yīng)曲面(圖13c)。分析圖13c可知，傷苗率最低為1.99%，最高為3.89%，且傷苗率隨著機具前進速度和除草深度的增加而增加。當(dāng)機具前進速度和除草深度同時最小時，傷苗率達到最小值。

根據(jù)以上的分析，結(jié)合機具實際工作的要求，設(shè)定機具前進速度為0.25 m/s，氣缸伸縮速度為0.45 m/s，除草深度為1.0～3.0 cm。以除草率＞80%，傷苗率＜4%為目標(biāo)，利用Design-Expert 11軟件進行參數(shù)優(yōu)化分析，在符合優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)中，除草深度的均值為2.42 cm，因此除草深度選擇2.50 cm。

在國家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系肇慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所開展水稻株間機械除草性能多點重復(fù)田間試驗，采用優(yōu)化的工作參數(shù)，氣缸伸縮速度0.45 m/s、機具前進速度0.25 m/s和除草深度2.5 cm。每次試驗分別選取30 m長的地塊作為試驗區(qū)域，重復(fù)5次，試驗結(jié)果取平均值。試驗結(jié)果表明肇慶不同水稻品種的平均除草率為83.91%，傷苗率為3.63%，該除草裝置能夠滿足水稻株間除草的性能要求。

圖13 不同影響因子對傷苗率影響的響應(yīng)曲面Fig. 13 Response surface of influence from each factor to seedling injury rate

5 結(jié)論

本研究在稻株機器視覺識別定位技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用機械設(shè)計理論、離散元動力學(xué)仿真方法結(jié)合田間試驗研制出氣動式水稻株間機械除草裝置，結(jié)論如下：

1)運用機械設(shè)計原理設(shè)計氣動式株間除草機構(gòu)及其關(guān)鍵參數(shù)，得到氣動式株間除草機構(gòu)的連桿長35 mm，擺桿長72.24 mm，除草部件到回轉(zhuǎn)中心水平距離84 mm，垂直距離191 mm。通過理論計算及Proe運動學(xué)仿真驗證其運動軌跡并測得除草部件提升高度40.25 mm＞40 mm，除草部件橫向擺動距離60.26 mm＞50 mm，符合株間避苗除草的要求。

2)利用EDEM軟件建立水田土壤泥水混合的顆粒模型，在此基礎(chǔ)上進行不同結(jié)構(gòu)和傾角組合的除草刀齒與水田土壤相互作用的離散元動力學(xué)仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果可得：關(guān)鍵除草部件形態(tài)為彎齒刀、傾角為10°時，關(guān)鍵除草部件與土壤接觸時阻力較小，為3.12 N，且對土壤的擾動程度較大，受影響的面積達149.69 cm2。土槽試驗驗證結(jié)果表明土壤阻力實測值與仿真值結(jié)果一致，誤差基本小于20%，仿真結(jié)果可靠。

3)對株間除草裝置整機進行田間試驗，試驗采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，得到氣缸伸縮速度、機具前進速度和除草深度對除草率和傷苗率的影響規(guī)律，優(yōu)化結(jié)果表明：在機具前進速度為0.25 m/s，氣缸伸縮速度為0.45 m/s，除草深度為2.5 cm的條件下，平均除草率為83.91%，傷苗率為3.63%，滿足株間除草率＞80%，傷苗率＜4%的性能要求。