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水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真I水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)仿真摘 要長期以來在水田苗間的除草都依靠化學(xué)除草劑或人力完成，即使借助某些專用工具，仍然勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率底，而且使得土壤的土質(zhì)受到極大的影響使土壤硬化，肥力下降。到目前水稻苗間的除草機(jī)械還比較少，雖然其他國家有除草機(jī)械但是不適應(yīng)我國的水田，有些國家的水田除草機(jī)械還對(duì)我國禁售。為了解決水田苗間除草的勞動(dòng)強(qiáng)度大、農(nóng)時(shí)緊的問題；提高作業(yè)質(zhì)量，可以一次性完成水田機(jī)械除草，而不用化學(xué)除草劑。推進(jìn)水稻生產(chǎn)機(jī)械化，提高水稻生產(chǎn)機(jī)械化，加強(qiáng)水稻綜合生產(chǎn)能力建設(shè)，研制一種高效的水田苗間除草裝置是很有必要的。本文主要研究苗間除草機(jī)的關(guān)鍵部件，針對(duì)水稻生長過程中，水稻根部入土深度明顯大于雜草根深的特點(diǎn)。采用理論分析，模擬仿真相結(jié)合的方法，對(duì)苗間除草機(jī)的機(jī)理與參數(shù)進(jìn)行研究。為苗間除草設(shè)備與水田除草機(jī)械的研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)和方法。本文主要研究了除草裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除草裝置包括動(dòng)力裝置、動(dòng)力傳遞部分，除草輪。并運(yùn)用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 軟件的動(dòng)態(tài)仿真清楚觀察機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。觀察苗間除草裝置的三維模型，了解機(jī)構(gòu)的工作情況。關(guān)鍵詞 : 除草機(jī)，苗間除草，行間除草，仿真水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真IIAbstractFor a long time weeding between the paddy seedlings rely on chemical herbicides or manpower to complete, even with the help of some special tools, is still labor-intensive end of the working efficiency, but also makes the soil of the soil to be greatly affected soil hardening, and fertility decline.Rice seedlings, weeding mechanical relatively small, although other countries are weeding machinery, but not suited to China's paddy, paddy field weeding machinery in some countries of China's ban.In order to solve the problems of paddy seedlings weeding is labor-intensive farming season tight; improve the quality of work, you can complete the one-time paddy machinery weeding, instead of chemical herbicides.It is necessary to promote the mechanization of rice production, rice production mechanization, strengthen rice production and capacity-building, development of an efficient paddy seedlings weeding device.This paper studies the key components of the seedlings between a lawn mower, for rice during the growth of rice roots buried depth was significantly greater than the weeds deep-rooted characteristics.The theoretical analysis, the method of combining simulation, the mechanism and parameters of the seedlings between a lawn mower.Seedlings before weeding equipment and paddy field weeding machinery research and development to provide a scientific basis and methods. This paper studies the structural design of weeding devices.Weeding devices, including power units, power transmission parts, weeding wheel. And the use of dynamic simulation clearly observe the characteristics of the Pro / ENGINEER Wildfire 5.0 software. Observe the three-dimensional model of the seedlings weeding device, understanding the work of the organization.Key words： Weeder；Seedlings weeding；Between weeding ；Simulation目錄摘 要 I水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真IIIAbstract .II1.前言 .1 1.1 水田除草裝置研究的目的與意義 .11.2 國內(nèi)外對(duì)水田苗間除草機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .11.2.1 國外研究現(xiàn)狀 11.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 61.2.3 水稻田間機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展趨勢 71.3 水田機(jī)械除草關(guān)鍵部件研究現(xiàn)狀 .81.4 本文研究的主要內(nèi)容 112.結(jié)構(gòu)和工作過程 122.1 工作原理 .122.2 零件設(shè)計(jì) .132.2.1 苗間除草部件設(shè)計(jì)參數(shù)幾何關(guān)系分析 132.2.2 除草盤運(yùn)動(dòng)分析 172.2.3 苗間除草刀盤的受力分析 .182.2.4 苗間除草刀盤的材料的選擇 .202. 3 深度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 212. 4 裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析 223.動(dòng)態(tài)仿真 234.結(jié)論 25參考文獻(xiàn) .26致 謝 .27水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 1 -1.前言1.1 水田除草裝置研究的目的與意義稻田雜草與水稻爭奪生長空間、肥料養(yǎng)分、光照、水、熱等資源，影響水稻的生長發(fā)育，是造成水稻產(chǎn)量下降和品質(zhì)降低的主要原因之一，每年由草害引起的水稻產(chǎn)量損失率在 15%以上。因此，在水稻的生產(chǎn)過程中，科學(xué)有效地控制草害是確保水稻健康生長，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?；瘜W(xué)藥劑除草是目前應(yīng)用最廣泛的一種除草方式，它具有快速、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。然而 20 世紀(jì) 80 年代以來，世界范圍內(nèi)除草劑的大面積使用，帶來了諸多負(fù)面問題，如雜草的抗藥性、作物藥害、生態(tài)環(huán)境污染等。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以及人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)和對(duì)食品質(zhì)量安全問題的重視，除草劑減量防除技術(shù)逐漸發(fā)展起來，機(jī)械除草、農(nóng)業(yè)防除和生物防治等非化學(xué)除草技術(shù)得到了更多的研究和應(yīng)用。在水稻田間非化學(xué)除草的防治技術(shù)中，機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展迅速，并有相應(yīng)的水稻田間除草裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。在水稻生長過程中, 除草劑的過量使用不僅降低稻米品質(zhì) , 而且污染土壤和水源, 破壞生態(tài)環(huán)境 。由于人工除草勞動(dòng)強(qiáng)度大, 除草效率低, 所以機(jī)械除草被視為“綠色大米”種植過程中最佳的除草方式。采用機(jī)械除草改變了用化學(xué)藥劑除草的作法, 工作效率比人工作業(yè)提高 5 倍。機(jī)械中耕除草為幼苗根系生長發(fā)育提供了疏松土壤, 避免了使用化學(xué)除草劑造成土壤不能有效疏松, 遏制根系延伸的缺點(diǎn), 促進(jìn)幼苗的生長。然而, 水稻中耕除草機(jī)械在我國還是空白。目前, 隨著水稻品種及栽培研究的深入, 為適應(yīng)水稻單產(chǎn)不斷提高和機(jī)械化種植的需要, 水稻種植行距逐步加大 , 日本、韓國及我國大部分地區(qū)采用寬行栽培。對(duì)于苗間除草技術(shù)的研究, 國內(nèi)還處于起步階段, 市場現(xiàn)存大多數(shù)除草機(jī)只能除去行間雜草, 而對(duì)于苗間雜草無法達(dá)到理想的除草效果。因此, 現(xiàn)階段生產(chǎn)的除草機(jī)均不能滿足農(nóng)藝要求。所以苗間除草裝置的研制對(duì)我過綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展有這重要的意義。1.2 國內(nèi)外對(duì)水田苗間除草機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國外研究現(xiàn)狀在科技飛速發(fā)展的今天。機(jī)械化農(nóng)業(yè)也大力的發(fā)展。許多國家對(duì)水稻種植除草的機(jī)械有很大的研究。 1）歐美及澳大利亞歐美（美國、意大利等）及澳大利亞等國家水稻種植方式以直播為主。直播水稻田稻水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 2 -種與草種同時(shí)萌發(fā)，根系深度無明顯差異，雜草個(gè)體生長空間大，草量是移栽水稻田自然發(fā)生量的數(shù)倍；此外，撒播稻田內(nèi)秧苗無序生長，植保機(jī)具無法下田。因此，直播水稻田雜草防治以化學(xué)防治為主，即施用高效除草劑滅草，少見機(jī)械除草方式。近年來，隨著傳感器和人工智能技術(shù)的發(fā)展，雜草視覺識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，并應(yīng)用于除草機(jī)器人的研究。Lee 等研究出一種應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的除草機(jī)器人，該機(jī)器人可以識(shí)別株間雜草，并控制噴頭定點(diǎn)噴藥。Lamm 等建立了一個(gè)實(shí)時(shí)的棉田雜草視覺識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別雜草并進(jìn)行噴藥。雖然歐美國家智能除草技術(shù)的研究主要針對(duì)旱田作物，但其技術(shù)帶動(dòng)了除草劑變量噴施、減量化學(xué)投入技術(shù)的發(fā)展，為水田智能除草機(jī)器人的開發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。2）日 本亞洲國家的水稻種植方式通常以移栽為主，其中日本水稻移栽裝備與機(jī)械化水平最高。近年來，有機(jī)農(nóng)業(yè)在日本發(fā)展迅速，有機(jī)稻米頗受消費(fèi)者的青睞，因此，根據(jù)市場的需求以及有機(jī)稻栽培的生產(chǎn)要求，一些研究機(jī)構(gòu)和農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)了水田除草機(jī)。市場上出售的水田除草機(jī)按照行走方式主要分為步進(jìn)式和乘坐式 2 種，其中乘坐式又可細(xì)分為三輪乘坐式和四輪乘坐式，不同機(jī)種除草部件的相應(yīng)結(jié)構(gòu)如表 1-1 所示。表 1-1 日本主要水田除草機(jī)類型行走方式 除草部件 除草部件樣式 代表型號(hào) 廠家安裝位置 行間 株間步進(jìn)式 拖拉機(jī)前方 除草輥 轉(zhuǎn)動(dòng)彈齒盤 MSJ-4(W) 合同產(chǎn)業(yè)（兩輪） 轉(zhuǎn)動(dòng)傘狀盤 MSJ-6(W) 美善SMW乘坐式 拖拉機(jī)尾部 旋轉(zhuǎn)耙齒 擺動(dòng)耙齒 SJBP6(S)D 洋馬農(nóng)機(jī)（四輪） SJ-6(8)IVZ 久保田擺動(dòng)梳齒 擺動(dòng)梳齒 SJ-6(8)IVZ 井關(guān)農(nóng)機(jī)耙齒 固定除 LVW-6(8) 三菱農(nóng)機(jī)乘坐式 前后輪之間 除草輥 固定除 MRW-5 三菱農(nóng)機(jī)（三輪） 草鋼 RW-40 轉(zhuǎn)動(dòng)彈 RW-50 實(shí)產(chǎn)業(yè)齒盤 RW-80（1）步進(jìn)式水田除草機(jī)圖 1-1a 所示的和同產(chǎn)業(yè) MSJ-4 型步進(jìn)式水稻田間除草機(jī)，行間除草部件為隨動(dòng)的除草輥，株間除草部件為一對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的彈齒盤。該機(jī)工作時(shí)水深為 8～10 cm，作業(yè)速度為 0.2～0.3 m/s 時(shí)，作業(yè)效率為為 0.4～0.6 hm2/h。此外，美善株式會(huì)社研發(fā)的步進(jìn)式水田除草機(jī)的株間除草部件也具有一定特色，株間除草工作由一對(duì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的傘狀除草盤完成，行間除草部件與洋馬步進(jìn)式除草機(jī)類似，如圖 1-1b 所示。步進(jìn)式除草機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是其在地頭轉(zhuǎn)向靈活，傷苗較少，但其工作效率較乘坐式除草機(jī)低。水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 3 -a. 和同產(chǎn)業(yè) MSJ-4 型 b. 美善 SMW 型圖 1 -1 步進(jìn)式水田除草機(jī)（2） 乘坐式水田除草機(jī)1998 年至 2000 年期間，日本生研機(jī)構(gòu)、井關(guān)和久保田公司合作開發(fā)了一種高精度水田除草機(jī)，且于 2003 年上市出售。結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品有洋馬 SJVP 系列、久保田 SJ-6(8)N 系列和井關(guān) SJ-6(8)IVZ 系列，如圖 1-2 所示。該類產(chǎn)品的行間除草部件為旋轉(zhuǎn)耙齒，株間除草部件為擺動(dòng)梳齒。以久保田 SJ-8N 為例，機(jī)具工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)（100～200 r/min）的耙齒除去行間雜草，沿機(jī)具前進(jìn)方向左右擺動(dòng)(頻率 3.7～7.3 Hz)的梳齒完成株間雜草的去除工作。其行間除草作用幅寬為 18 cm，作業(yè)深度 4～6 cm；株間除草作用幅寬 13 cm，作業(yè)深度 2～4 cm。該機(jī)作業(yè)速度為 0.4～0.6 m/s，作業(yè)效率為 1.3～2 hm2/h。a. 洋馬 SJVP8D 型 b 久保 W SJ-8N c. 井關(guān) SJ-8IVZ 型圖 1-2 旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)式水田除草機(jī)生研機(jī)構(gòu)還研制了一種行、株間都應(yīng)用擺動(dòng)梳齒除草的水田除草機(jī)，并由井關(guān)公司試制，如圖 1- 3 所示。在生研機(jī)構(gòu)附屬農(nóng)場對(duì)以上 2 種除草機(jī)的除草性能進(jìn)行了比較試驗(yàn)，如表 1-2 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)式的除草部件較擺動(dòng)式除草部件的行間除草效果好，水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 4 -行間平均除草率可達(dá)到 85%以上，擺動(dòng)梳齒式株間除草器的平均除草率在 40%～50%之間。圖 1-3 擺動(dòng)式水田除草機(jī)表 1-2 種除草機(jī)作業(yè)性能機(jī)具樣式 除草位置 除草率 （%）06-20 06-27 07-04 全作業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng) 行間 86 86 88 88擺動(dòng)式 株間 56 11 42 41平均 73 11 57 62擺動(dòng)式 行間 41 -- 95 49株間 -- 0 90 43平均 24 -- 93 48三菱乘坐式水稻田間除草機(jī)有三輪和四輪 2 種，如圖 1-4 所示。株間除草部件均為固定機(jī)架上的除草鋼絲，行間除草部件有隨動(dòng)耙齒和除草輥 2 種。圖 1-4a 所示的三菱 LVW-8 型除草機(jī)株間除草作業(yè)深度為 3～5 cm，作業(yè)幅寬 16 cm。該機(jī)作業(yè)速度約為 0.8 m/s，作業(yè)效率為 3.3 hm2/h 左右。水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 5 -a. 三菱 LVW-8 型 b. 三菱 MRW-5 型圖 1-4 三菱水田除草機(jī)此外，實(shí)產(chǎn)業(yè)公司生產(chǎn)的三輪乘坐式水稻田間除草機(jī)，其株間除草部件為羽輪結(jié)構(gòu)，如圖 1-5 所示。三輪乘坐式除草機(jī)除草部件在前后兩輪之間，在作業(yè)過程中，更有利于操作者觀察，可減少除草過程中對(duì)稻苗的損傷。圖 1- 5 RW-50 型水田除草機(jī)目前日本市場上出售的水田除草機(jī)種類較多，已經(jīng)在水稻生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用，但機(jī)械除草效果（除草率）仍較化學(xué)除草有很大差距，尤其是株間除草率不高，因此，急需加強(qiáng)對(duì)株間除草部件的研究和改進(jìn)，改善株間除草效果。3）亞洲其它主要水稻種植國亞洲一些水稻主產(chǎn)國如印度、印尼、孟加拉等國家，水田雜草防治主要以化學(xué)防治為主，輔以簡易除草器或人工除草。近年來，印度也有機(jī)動(dòng)水田除草機(jī)的研究，僅能進(jìn)行行間除草，Tajuddin 等研制的水田行間除草機(jī)可同時(shí)進(jìn)行 3 行作業(yè)，作業(yè)效率為 0.075 hm2/h。韓國水稻機(jī)械化種植程度較高，目前雜草防治也主要以化學(xué)防治為主。部分機(jī)械除草水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 6 -設(shè)備主要從日本引進(jìn)，然后結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，對(duì)除草關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)，最后通過試驗(yàn)取得了良好的除草效果。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國早在 20 世紀(jì) 50 年代開始機(jī)動(dòng)水田中耕除草機(jī)的研究，到 20 世紀(jì) 80 年代初相繼有十余種機(jī)型。如浙江省機(jī)械科學(xué)研究所設(shè)計(jì)的立旋式水稻中耕除草機(jī)；東北農(nóng)學(xué)院研制的 SZD-6 旋耕式水田中耕除草機(jī)等，但當(dāng)時(shí)研制的除草機(jī)只適用于行間除草，而不能除掉株間雜草。隨著除草劑在中國水稻生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，水田機(jī)械除草方式在中國幾乎絕跡。近年來，隨著人們對(duì)環(huán)保和健康的重視，減量或無化學(xué)藥劑除草方式得到提倡，水田機(jī)械除草技術(shù)又被重新關(guān)注，部分研究機(jī)構(gòu)和農(nóng)機(jī)企業(yè)研制了新型水田除草機(jī)，但目前仍未大面積應(yīng)用。圖 1-6 為南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的 2BYS-6 型水田中耕除草機(jī)，其行間采用旋轉(zhuǎn)部件，株間使用擺動(dòng)部件除草，經(jīng)鑒定相對(duì)除凈率為 78.1%。延吉市農(nóng)機(jī)推廣中心研制生產(chǎn)的 3ZS—1 水田除草機(jī)應(yīng)用水平旋轉(zhuǎn)的除草刀和起壟部件，把泥水覆蓋到雜草上，致使其停止生長，該機(jī)既能消滅行間雜草，又能消滅株間雜草。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種株間除草裝置，通過鋼絲軟軸驅(qū)動(dòng)彈齒除草盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將土壤攪動(dòng)、翻轉(zhuǎn)并連同雜草翻出地表并將其覆蓋，完成除草作業(yè)，除草率可達(dá) 70%以上。中國水田行株間除草機(jī)研究尚處在理論和試驗(yàn)研究階段，尚未完成成熟；高地隙水田拖拉機(jī)的研究滯后，也是制約水田中耕除草裝備發(fā)展的主要原因。目前，日本市場上出售的水田除草機(jī)尚未對(duì)中國市場開放，因此，急需借鑒國外先進(jìn)的技術(shù)并結(jié)合中國水稻生產(chǎn)實(shí)際，開發(fā)水田中耕除草裝備，為中國有機(jī)稻米的生產(chǎn)提供技術(shù)保障。1.行間旋轉(zhuǎn)除草部件 2.株間擺動(dòng)除草部件 3.動(dòng)力傳遞系統(tǒng) 4.機(jī)架 5.液壓仿行機(jī)構(gòu)圖 1-6 2BYS-6 型水稻田間除草機(jī)水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 7 -1.2.3 水稻田間機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展趨勢水稻田間機(jī)械除草裝備和技術(shù)的研究取得了一些研究進(jìn)展，但是水稻株間機(jī)械除草效果仍然有待提高。為了提高除草精度，減少傷苗率，降低能耗，水田機(jī)械除草技術(shù)應(yīng)朝著智能化、仿生化和多技術(shù)聯(lián)合化發(fā)展，使機(jī)械除草技術(shù)在水稻生產(chǎn)中得到更多的應(yīng)用并發(fā)揮更大的作用。1）智能機(jī)械除草技術(shù)智能機(jī)械除草技術(shù)是指除草機(jī)械具有智能識(shí)別功能，能夠識(shí)別或感知雜草的分布信息、位置、密度等生長情況，進(jìn)而指令除草執(zhí)行部件精確去除雜草的技術(shù)。應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)識(shí)別農(nóng)田雜草的研究較多，比較成熟的專用雜草識(shí)別產(chǎn)品如美國 NTech 公司生 產(chǎn)的WeedSeeker。由于雜草與稻株在生長過程中有時(shí)相互遮掩，僅利用機(jī)器視覺技術(shù)并不能完全將雜草識(shí)別出來，還需要一種新的智能識(shí)別技術(shù)作為視覺識(shí)別技術(shù)的補(bǔ)充。機(jī)器觸覺技術(shù)利用觸覺傳感器與被測物體的接觸感知與接觸有關(guān)的感覺，不同被測物的觸覺不同，可用來補(bǔ)充視覺所不能識(shí)別的情況，如雜草與作物的相互遮掩情況。如果將機(jī)器視覺技術(shù)與機(jī)器觸覺技術(shù)相融合，一定能夠提高水田雜草的識(shí)別精度。近年來，日本已有水田智能除草機(jī)器人的研究，主要應(yīng)用機(jī)器知覺技術(shù)識(shí)別雜草，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械除草。如果除草機(jī)上配套雜草智能識(shí)別系統(tǒng)，一定能夠提高除草效果，減少除草過程中對(duì)稻株的損傷。2）仿生機(jī)械除草技術(shù)仿生機(jī)械除草技術(shù)是指對(duì)食草動(dòng)物和土壤動(dòng)物的生物性能和行為進(jìn)行模仿，將其結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及行為特征運(yùn)用到除草機(jī)械的設(shè)計(jì)中，完成仿生機(jī)械除草的技術(shù)。自然界的生物經(jīng)過千萬年的優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過程，形成了具有特殊功能的本領(lǐng)。如土壤動(dòng)物的遇黏不粘功能，某些食草動(dòng)物食草不食稻的特殊習(xí)性，如果能夠應(yīng)用機(jī)械仿生的相關(guān)理論，融合土壤動(dòng)物和食草動(dòng)物的生物功能，設(shè)計(jì)仿生除草關(guān)鍵部件，一定能夠改善除草效果、降低傷苗率，降低機(jī)械能耗、提高工作效率。因此，仿生機(jī)械除草技術(shù)的研究，也是水稻田間機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展方向之一。3）多技術(shù)聯(lián)合除草多技術(shù)聯(lián)合除草方式將多種除草技術(shù)，如機(jī)械除草技術(shù)、化學(xué)除草技術(shù)、生物除草技術(shù)以及其它方式的多種除草技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，提高除草效果。目前，水田株間機(jī)械除草方法的除草精度不高，如果一臺(tái)除草機(jī)上行間雜草采用機(jī)械除草方式，株間雜草采用化學(xué)除草方式，這樣既能提高除草率，又能減少除草劑的施用量。此外，據(jù)報(bào)道稻糠除草、稻鴨共育、紙膜覆蓋等有機(jī)稻田草荒控制技術(shù)也有較好的除草效果。因此，合理、有效地將機(jī)械除草技術(shù)與其它各種除草技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成系列化的聯(lián)合除草技術(shù)，也是水田機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展趨勢之一。水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 8 -1.3 水田機(jī)械除草關(guān)鍵部件研究現(xiàn)狀水田機(jī)械除草關(guān)鍵部件通過與稻田泥土、雜草的相互作用，完成雜草拔出、拉斷或埋壓等除草過程。機(jī)械除草技術(shù)的關(guān)鍵是除草部件的工作原理和執(zhí)行效果。目前，水田機(jī)械除草關(guān)鍵部件從工作原理上可分為：機(jī)械式、機(jī)械氣力式及機(jī)械液力式等。1.）機(jī)械式目前，水稻行間雜草機(jī)械式除草技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。由于，水稻行間無稻列干擾，可使用旋轉(zhuǎn)、拋切、拉拔或埋壓等機(jī)械動(dòng)作，完成行間除草作業(yè)，而不必?fù)?dān)心稻苗損傷。常用的行間除草器通常為轉(zhuǎn)動(dòng)的除草輥或除草齒爪，行間除草部件如圖 1-7 所示。a. 籠輥式 b. 麻花齒輥式 c. 雙排耙齒式 d. 單耙齒式圖 1-7 幾種行間除草部件 株間除草主要是根據(jù)移栽水稻田雜草與稻株根系深淺差異，控制除草部件工作深度，除去雜草而不損傷稻苗。水田株間除草部件的動(dòng)作方式一般有 3 種，即對(duì)轉(zhuǎn)式、擺動(dòng)式和固定式，如圖 1-8 所示。對(duì)轉(zhuǎn)式株間除草通常是由兩個(gè)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的彈齒盤，或者其變形形式拔出株間雜草，由于彈齒或其它彈性材料的彈性特征，可減少稻苗損傷；擺動(dòng)式株間除草即通過與稻列垂直方向作往復(fù)擺動(dòng)的梳齒完成與雜草的相互作用，完成除草工作；固定式株間除草使用固定機(jī)架上的除草鋼絲，通過調(diào)節(jié)其傾斜角度和高度改變作業(yè)深度，通過調(diào)節(jié)內(nèi)側(cè)除草鋼絲的上下位置調(diào)節(jié)除草作業(yè)強(qiáng)度，機(jī)具工作時(shí)，株間除草部件橫跨在秧苗列兩側(cè)，隨著機(jī)具前進(jìn)拖、拔或埋沒株間雜草。目前，3 種不同動(dòng)作方式的株間除草部件的除草效果無明顯差異，除草率均在 50%左右。水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 9 -a. 對(duì)轉(zhuǎn)式b. 擺動(dòng)式c. 固定式圖 1-8 常用株間除草部件2.）機(jī)械氣力式機(jī)械氣力式除草技術(shù)應(yīng)用機(jī)械式和氣力式 2 種除草方式聯(lián)合除草。一般來說，水稻行間雜草采用機(jī)械式方法去除，株間雜草利用高壓氣體吹除。圖 1- 9 所示的是日精電機(jī)和エムケー公司發(fā)明的機(jī)械氣力式水田除草機(jī)，行間除草部件為隨動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)耙齒，株間采用高壓氣體配合機(jī)械拍打運(yùn)動(dòng)除草。株間除草的工作原理是電源帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)工作，形成高壓氣體，通過管路至噴射口吹出，噴射口頂部的壓鐵材料不斷拍打泥土，完成雜草的吹出和打壓動(dòng)作，除去株間雜草，由于移栽稻稻株根系比雜草根系發(fā)達(dá)，氣流僅將稻株吹至變形，卻不損壞稻苗。水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 10 -1.電源 2.空氣壓縮機(jī) 3.電動(dòng)機(jī) 4.氣管 5.壓鐵 6.噴射口圖 1- 9 機(jī)械氣力式水田除草機(jī)3.）機(jī)械液力式機(jī)械液力式除草技術(shù)行間應(yīng)用機(jī)械部件除草，株間由高壓液體除草。圖 1-10 所示石井農(nóng)機(jī)公司發(fā)明的水田除草裝置，行間雜草采用除草輥去除，株間雜草使用高壓液體沖洗雜草根部，使其漂浮、枯萎。石田恭正等人研究應(yīng)用高壓水流除草技術(shù)，研究了壓力、噴射距離、噴口直徑、噴射角度和機(jī)具行駛速度對(duì)切斷效果的影響。1.浮板 2.液體管路 3.機(jī)架 4.行間除草部件 5.株間除草部件圖 1-10 機(jī)械液力式水田除草機(jī)除了上述介紹的幾種除草技術(shù)外，也有應(yīng)用電力和熱力除草的研究，但目前尚未應(yīng)用到水田中，僅對(duì)旱田進(jìn)行了試驗(yàn)。電力式除草原理主要依據(jù)的是雜草和作物對(duì)電流敏感程度的差異，強(qiáng)電流能有效地消除雜草，而對(duì)農(nóng)作物無害；熱力除草方法是通過專門器具用水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 11 -丙烷火焰把雜草燒熱，使雜草細(xì)胞受熱膨脹，脹破細(xì)胞壁，蛋白質(zhì)凝固，使雜草枯萎，除草率可達(dá)到 80%以上。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟和發(fā)展，這兩種新型的除草技術(shù)有望應(yīng)用于水稻田間除草的實(shí)際生產(chǎn)中。1.4 本文研究的主要內(nèi)容本文主要研究苗間除草機(jī)的關(guān)鍵部件，針對(duì)水稻生長過程中，水稻根部入土深度明顯大于雜草根深的特點(diǎn)。采用理論分析，模擬仿真相結(jié)合的方法，對(duì)苗間除草機(jī)的機(jī)理與參數(shù)進(jìn)行研究。為苗間除草設(shè)備與水田除草機(jī)械的研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)和方法。主要研究的內(nèi)容如下：(1) 水稻—雜草生長過程的分析。本裝置主要是利用水稻與雜草在生長過程中根系在土壤中扎根牢固程度的不同進(jìn)行除草。(2) 除草裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除草裝置包括動(dòng)力裝置、動(dòng)力傳遞部分，除草輪。動(dòng)力傳遞采用鋼絲軟軸傳遞。鋼絲軟軸可以改變動(dòng)力傳遞的方向適合于受連續(xù)振動(dòng)的場合以緩和沖擊，使除草裝置的機(jī)構(gòu)更加緊湊。水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 12 -2.結(jié)構(gòu)和工作過程2.1 工作原理圖 2-1 苗間除草裝置總圖圖 2-2 除草盤總成 水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 13 -圖 2-3 深度調(diào)節(jié)器總成此水田除草機(jī)苗間除草裝置主要由除草盤、軟軸傳動(dòng)彎管、鋼絲軟軸、換向裝置、深度調(diào)節(jié)器、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)架組成,如圖 2-1 所示。電動(dòng)機(jī)固定在機(jī)架上。動(dòng)力從電動(dòng)機(jī)輸出，經(jīng)聯(lián)軸器通過軸傳遞給換向裝置。換向器把動(dòng)力分配給彎管內(nèi)的兩個(gè)鋼絲軟軸，而且兩鋼絲軟軸旋轉(zhuǎn)方向相反。最終驅(qū)動(dòng)兩個(gè)出操盤在垂直于前進(jìn)方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。左右除草盤對(duì)稱安裝，兩盤的旋轉(zhuǎn)方向相反。由鋼絲軟軸驅(qū)動(dòng)除草盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將土壤攪動(dòng)、翻轉(zhuǎn)并連同雜草翻出地表并將其覆蓋，從而完成除草作業(yè)。圖 2-1 為苗間除草裝置總?cè)S圖通過它可以很明了的了解其結(jié)構(gòu)，圖 2-2 圖 2-3 為其中的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的三維圖，在工作過程中動(dòng)力輸送，電動(dòng)機(jī)→聯(lián)軸器→軸→換向器→鋼絲軟軸→除草盤。2.2 零件設(shè)計(jì)2.2.1 苗間除草部件設(shè)計(jì)參數(shù)幾何關(guān)系分析除草盤隨著除草機(jī)沿著苗行前進(jìn)方向平動(dòng), 又繞垂直于苗行方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)除草盤上一水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 14 -個(gè)彈齒與地面垂直時(shí), 其除草彈齒的有效部分與機(jī)器前進(jìn)方向呈一定角度。苗間除草部件除草彈齒盤結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示。1. 輪轂 2. 彈齒筒蓋 3. 彈齒筒 4. 彈齒圖 2-4 盤結(jié)構(gòu)示意圖圖 2-5草盤在工作時(shí)參數(shù)和位置關(guān)系示意圖除草盤在工作時(shí)參數(shù)和位置關(guān)系如圖 2-5。vf 為除草盤前進(jìn)速度; vτ 為除草彈齒的圓周速度; vr 為除草彈齒在最低點(diǎn)的合速度; b 為除草彈齒的有效工作長度, 且垂直于 vr; S 為圓周上的彈齒間距; H 為當(dāng)除草盤剛好轉(zhuǎn)過一個(gè)彈齒的圓周間距 S 時(shí)除草盤前進(jìn)的距離。為了達(dá)到良好的除草效果, 應(yīng)滿足(1)???????????≥ ??(2)tanα =????=??τ???? =??1ω2????式中 --------除草盤轉(zhuǎn)速,r/min ω-------除草盤直徑, mm ??1水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 15 -α由 vf 和 vτ 決定, ??=??????????????1??2????(3)??=??????式中 -------除草盤彈齒數(shù)??由式(1)～(3)得 (4)??sin??≥2??????????令 由式 ( 4)得??????=??(5)??sin??≥2??????式中: ——除草彈齒的有效部分；bK------ 除草盤除草速比, K ∈( 3, 8) (試驗(yàn)測得)——除草盤直徑；d——除草盤彈齒數(shù)。nα由K 決定, 。??=??????????????12??式( 5)為除草盤運(yùn)動(dòng)參數(shù)間的關(guān)系, 除草效果由除草彈齒的有效部分長度、除草盤旋轉(zhuǎn)速度、除草機(jī)前進(jìn)速度、除草盤直徑和除草盤上彈齒數(shù)等參數(shù)的比例關(guān)系決定。應(yīng)用式( 5)可以確定除草盤結(jié)構(gòu)尺寸(圖2-4)另外除草盤輪轂由Q235 鋼板加工而成,彈齒由彈簧鋼制成。除草盤的旋轉(zhuǎn)直徑(6)??≥ 2(??+h)式中 H———軸心與地面的最小距離, mmmH)108(min??h———最大耕作深度, )315(ax?為避免試驗(yàn)中除草盤旋轉(zhuǎn)軸纏苗,依據(jù)秧苗返青后的高度,在試驗(yàn)中H取值為80～100 mm;最大耕作深度h取值為15～30 mm,此深度能保證雜草從根部清除。當(dāng) H取100 mm、最大耕作深度h 取30 mm 時(shí), D ≥260 mm。當(dāng)直徑過大時(shí), 會(huì)產(chǎn)生振動(dòng), 平穩(wěn)性差;直徑過小時(shí),彈齒頂端的切向速度小,影響入土及切向力的大小,所以取D = 280 mm 。彈齒采用彎型設(shè)計(jì), 弧度半徑約為250 mm, 焊接時(shí)彈齒扭過一定角度,且稍稍前傾。1)輪轂的直徑及輪轂厚度為保證部件工作時(shí)不纏苗, 輪轂周長要大于苗與草高度, 且除草盤輪轂中心距離地面應(yīng)有一定高度。根據(jù)試驗(yàn)時(shí)秧苗高度, 選取輪轂直徑100mm。輪轂的厚度是指該除草裝置除草刀盤輪轂的厚度。厚度太大, 浪費(fèi)材料, 同時(shí)機(jī)體笨重; 厚度太小, 在焊接彈齒時(shí), 容易發(fā)生變形, 故選用厚度5mm。2)彈齒數(shù)水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 16 -為了刀盤工作時(shí)不纏苗， 值越小越好，盡量減小刀齒密度。但刀齒密度小，在刀盤z旋轉(zhuǎn)一周，工作齒減小，這樣除草率會(huì)降低。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，彈齒的數(shù)量為 3~6 時(shí)，可以保證不纏草、不纏苗，且能達(dá)到良好的除草效果。因此，本文選擇彈齒數(shù) 進(jìn)行試驗(yàn)5?z研究。3）刀盤的離地間隙 minH刀盤的離地間隙是指地面與刀盤中心之間的距離，它決定了除草裝置的作業(yè)深度。太大，則作業(yè)深度淺，除草率低；太小，作業(yè)深度深，除草率高，但是傷苗率大。本設(shè)計(jì)mm。min(8510)H??4)入土角與出土角的研究入土角是指刀齒即將要入土?xí)r，刀齒與地面之間所形成的夾角。出土角是指刀齒即將要出土?xí)r，刀齒與地面之間形成的夾角。入土角的設(shè)計(jì)應(yīng)保證刀齒在入土?xí)r土壤阻力較?。徊⑶以诘洱X運(yùn)動(dòng)到最低位置過程中，刀齒可以達(dá)到一個(gè)較大的深度。（a） 入土角分析 （b） 出土角分析圖2-6入土角及出土角分析本文的入土角是在確定了刀盤中心距秧苗的距離以及確定了作業(yè)深度后，通過作圖得出。同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)刀盤的離地間隙，調(diào)整入土角及出土角。圖2-6（a）為當(dāng)?shù)侗P離地間隙85mm時(shí)的入土角及出土角示意圖。圖2-6（b）為刀盤離地間隙100mm時(shí)的入土角及出土角示意圖。設(shè)入土角為 ，出土角為 ，從入土到出土擺動(dòng)的角度為 。由分析可知：???.????當(dāng)?shù)侗P半徑和離地間隙確定后， 角便為定值，隨著離地間隙的增大而減小。據(jù)有關(guān)?水田除草機(jī)苗間除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真- 17 -資料表明，當(dāng)出土角超過100°時(shí)，會(huì)影響脫泥，脫草性能。本設(shè)計(jì)的出土角大于100°，在無水的情況下，脫泥，脫草現(xiàn)象嚴(yán)重；在有水的情況下，脫泥，脫水現(xiàn)象能夠得到較大的緩解。除草刀盤的彈齒一般作用于水稻秧苗下部，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，大部分是在秧苗土壤下的一小段距離。這個(gè)高度能滿足彈齒除草的作用，但是同時(shí)對(duì)秧苗也有一定的影響。在除草的過程中，可能會(huì)打傷秧苗，或由于這個(gè)力的存在，在除草過后秧苗會(huì)向一側(cè)傾斜，或由于力過大會(huì)將秧苗直接打出土壤。2.2.2 除草盤運(yùn)動(dòng)分析1)彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡除草盤彈齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為2 種運(yùn)動(dòng)的合成（圖 2-7） ，即由除草盤繞軸心旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)和機(jī)器直線運(yùn)動(dòng)合成。除草盤的合成軌跡成螺旋線形，其合成運(yùn)動(dòng)按公式（6）計(jì)算。(6){??=??????=????