王金武,多天宇,唐汉,等.水田株间立式除草装置除草机理与试验研究[J].东北农业大学学报,2016,47(4):86-94.

Wang Jinwu,Duo Tianyu,Tang Han,et 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)

网络出版时间2016-4-22 10:01:14　

水田机械除草是在水田作物生长适宜时期，利用机械工程手段实现关键部件与稻田泥土、杂草相互作用，完成杂草拔出、拉断或压埋等除草过程的环境友好型技术[1-3]。相对于化学除草，具有改善土壤物理环境、减少环境污染、减轻劳动强度等优点[4-6]。机械除草按作业形式分为行间除草和株间除草[7]。国内外学者对水田行间机械除草技术研究较早，相关机型成熟，如日本三菱公司研制MRW-5型乘坐式水田除草机[8]和东北农业大学研制3ZS-150型中耕除草机[9]，主要通过除草钢丝及除草辊清除行间杂草，可满足我国农艺除草要求。

相对而言，株间机械除草技术根据杂草与稻株根系深浅差异，控制除草部件工作深度，除去杂草而不损伤稻苗。我国20世纪60年代开始对株间除草机械及其关键部件开展研究，主要有水平圆盘式、摆动式、轻耙式、固定式及对转式等[10-13]。由于水田株间除草系统涉及水田植物、土壤及作业机械等单元体，单元体间相互作用、动态变化，及水田植物苗体纤弱、根须错落、形状不规则，株间除草存在工作效率低，伤苗率高等问题[14]。目前国内对株间除草机械及其关键部件研究以结构形式创新为主，对除草机理理论分析及影响因素研究较少，无法从本质上提高除草部件作业质量。

为解决上述问题，本文以本课题组设计株间立式除草装置为研究载体[15]，分析压埋式除草机理，建立除草运动学与动力学模型。以除草弹齿旋转速度、机具前进速度及弹齿入土深度为试验因素，进行回归正交旋转组合试验，分析不同工作参数下除草性能规律，得出机具最佳工作组合参数，为水田机械除草部件设计与改进提供参考。

1　除草农艺要求与方式

1.1　除草农艺要求

水田除草环境由秧苗、杂草（以稗草为主）、土壤、水组成混合整体[16]，其中水田土壤环境结构复杂，由土壤泥浆层和泥土层组成，泥浆层深度30～50mm，泥土层深度160～180mm。在除草期内，秧苗根系分布深度80～100mm，杂草根系分布深度30～50mm。水稻秧苗株间距离100～120mm，行间距离300mm。

东北水稻种植地区，从6月上旬开始气温逐渐升高，光照充足，经过稻苗返青、扎根、活棵及分蘖各个时期过渡，杂草迅速生长。根据田间实际作业经验，移栽稻田和直播稻田最佳除草作业时间分别为第7～21天和第20～30天[17]。根据农艺除草要求，水田株间除草率应大于75%，伤苗率小于5%。

1.2　除草作业方式

水田机械除草作业方式主要有两类：压埋式和弹出式。压埋式除草主要通过除草部件对杂草施加倾斜向下作用力，且此作用力大于杂草自身恢复形状弹力，将杂草压入土壤，使其无法正常光合作用。弹打式除草主要通过除草部件击打杂草而产生作用力，此作用力持续作用于杂草根系且大于土壤对根系粘附阻力，将杂草弹打出土壤，使其根部暴露于地表。

本文以株间立式除草装置为研究载体，分析压埋式除草机理，建立除草动力学模型，为力学测定试验奠定理论基础。

2　除草装置结构及工作原理

2.1　主要结构

如图1所示，株间立式除草装置主要由安装圆盘和除草弹齿组成。其中除草弹齿是除草装置核心部件，直接与土壤及杂草相互作用，其结构形状与尺寸参数合理性直接影响到机具作业质量。安装圆盘上配有不同安装直径R（50～100mm）及角度σ（30°～90°）螺纹孔，将一定数量弹齿（4～12根）以螺栓连接方式组合成统一整体，驱动弹齿整体旋转作业。除草弹齿选用直径为5mm，韧性较好45号钢加工制造，根据实际弹齿入土深度，设计长度L为300mm。为提高除草作业质量，弹齿末端采用弧线形设计（弧段长度l为40mm，弧段圆角α为43°，弧段半径r为72mm），在水田土壤中弹齿以点接触形式与稻苗及杂草根系接触，可减少与稻苗接触面积，降低伤苗现象，同时增加与土壤间接触滑移面积，提高除草效果。

图1　株间立式除草装置Fig.1　Vertical weeding device between seedlings1-安装圆盘；2-除草弹齿1-Installingdisc;2-Weedingspring-tooth除草装置主要结构参数为弹齿安装半径R、圆盘安装角度σ、弹齿长度L、弧段长度l、弧段半径r、弧段圆角α。Themain structural parameters of weeding device are the installa?tion radius of spring-tooth R,the installation angle of disc σ,the length of spring-tooth L,the length of arc-segment l;the radius of arc-segment r,the fillet of arc-segment α.