稻田株间除草部件工作机理及除草轨迹试验

牛春亮，王金武

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023；2.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)



稻田株间除草部件工作机理及除草轨迹试验

牛春亮1，王金武2

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023；2.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

稻田杂草对秧苗生长有很大影响，特别是稻田中的稗草，稗草与秧苗严重争夺生长资源，且为杂草的主要种类。稻田行间杂草去除机械较为成熟，株间及靠近秧苗附近杂草去除技术成为了研究的重点。为此,利用秧苗和稗草的生长初期不同的特点，设计了一种株间除草盘，该部件以稗草为主要去除对象兼顾其它杂草，并对其除草机理与除草轨迹进行研究。该部件采用旋转工作方式，在配套动力的带动下前进，除草盘在旋转的过程中深入泥土，将杂草“挑出”或“打掉”，使之根部浮于在水面上或搅动泥土将杂草掩埋，从而完成稻田株间除草作业。

株间部件；除草机理；稻田；除草轨迹

0 引言

目前，稻田除草的主要方式有人工除草、化学除草及机械除草等。人工除草的优点是经济、安全、无副作用，可以清除苗间和行间杂草；缺点是劳动强度大、效率低、除草效果差，严重束缚农村劳动生产力[1-2]。化学除草的优点是高效、省时、省力、经济，它的广泛使用对现代农业的发展起到了促进作用；缺点是造成环境污染、生物多样性减少、杂草群落变迁和杂草抗药性，影响土壤质量和供肥能力。随着社会对健康食品的需求不断增加，人们越来越谨慎使用化学除草药剂[3-5]。

机械除草的优点：①可以消灭杂草和虫害，杂草茎秆切碎后直接还田，有利于增加肥效。②改善土壤透气性，加速土壤营养物质分解，增加土壤肥力，有利于作物根系吸收。③中耕时翻转土壤，土壤表面氧化层被破坏，肥料进入土壤深处，可控制脱氮，提高肥效。④由于中耕发生断根，同时产生对肥料吸收能力强的新根，从而提高肥料的利用率[6-7]。鉴于机械除草具有效率高、效果好、经济环保的优点，已成为除草技术的发展方向。美国、加拿大、日本机械对除草技术研究较早，能较好地去除行间杂草，但株间杂草一直成为研究的重点。本文对于所设计的一种新型株间除草部件的除草机理和运动进行分析，旨在为株间机械除草技术提供研究参考[8-9]。

1 株间除草时机的确定

除草时机的选取直接影响综合的除草效果，移栽稻苗后，在稻苗进行返青到幼穗分化这段时期，稻田一般保持在3cm左右浅温水层。此时期杂草大量萌生，发生量大且与稻苗争水、争光照，极大地影响水稻的正常生长。根据研究需要，建立浅水层后的天数与稗草萌发率关系图谱，如图1所示。

图1 建立浅水层后的天数与稗草萌发率关系

据资料及定点观察，在水稻移栽的同时，杂草即以发生，移栽后710天稗草达到萌发高峰期，出草量占总草量的70%以上。稗草从出苗至1叶期约需6天，12叶期约需4天，23叶期约需5天，共15天。稗草3叶期以后抗药性增强，除草剂将很难清除；稗草生长15天后，其根可达到10cm，茎叶在20cm以上，此时机械除草效果将大大降低。

在移栽后10天以前除草，对水稻产量影响不大；插秧10天后，每推迟一天，水稻减产约10g/m2，水稻除草越晚，对大米产量影响越大[10-11]。因此，中耕除草应趁其杂草弱小、易除时进行除草作业。对于水田杂草的清除，应选择在移苗后的710天进行，此时为水田杂草的大量萌生时期。为使除草效果较好、杂草危害程度最小，除草应尽量采用“除早，除小，除了”的原则。移栽后第7天，水稻秧苗和稗草植株形态有较大差异：水稻秧苗茎秆粗壮，植株平均高度15cm，根系较粗且多，根深4050mm；稗草茎秆纤细，植株高度3050mm，根系少且纤细，根深1030mm。本文采用在移栽后第7天进行首次除草作业，移栽后第14天进行第2次除草作业。

2 除草盘的选型与结构

株间除草部件除草盘的结构形状直接影响着除草效果，因此设计除草盘形状时，要保证对秧苗损伤小且除草效果好。本研究在前期研究试验的基础上，设计一种新型株间除草部件-除草盘，该部件由套筒、轮毂、弹齿3部分组成[12-13]，如图2所示。

1.套筒 2.轮毂 3.弹齿

除草盘采用同时具有圆弧状和向后倾斜角度除草盘，这种弧形齿结构避免直状弹齿将杂草或秧苗茎叶缠绕到除草盘上；且由于转动时线性力大，弹齿端部对秧苗的茎叶损伤大，并达到防止缠绕杂草的目的，并减少弹齿对秧苗茎叶损害。

有后倾角的结构可以克服无后倾角的除草盘对秧苗根部损伤，采用与前进速度相反方向的后倾角度β设计，使除草盘上工作时弹齿不与整个秧苗完全接触，从而减少对秧苗的损伤，同时增加了除草面积，增大了除草率。除草盘工作位置如图3和图4所示。

图3中，1为秧苗位置，2为除草盘位置，h为除草盘与秧苗根部接触位置。根据以上对弹齿盘情况分析，弹齿采用半径为250mm圆弧设计，圆弧倾斜方向与旋转反方相反，后倾斜角度为β为30°，材料是直径为5mm的65Mn弹簧钢，具有强度高、韧性好的特点，能够满足除草作业强度要求。为保证除草部件在工作时不缠苗，轮毂的周长要大于苗与草高度，且除草盘轮毂中心距离地面应有一定高度。

图4 除草盘与秧苗左视图

该除草盘具有较好的护苗作用，不仅能减少对秧苗根部的损伤，而且还能减少对秧苗茎叶的损害，同时增加了弹齿有效的除草面积，提高了除草率。

3 除草盘的除草机理

株间除草盘的除草效果和工作方式充分建立在农作物生长的农学基础上，并结合农艺、农机及田间作业环境条件等综合因素形成其工作机理[14]。

首先，对秧苗移栽前长势要求秧苗生长期25天左右，3叶1心至4叶，平均株高13cm左右；秧苗长势良好，无病、虫、药害。移栽时，采用机械插秧按照规定行距插秧，保证行距和株距。移栽前秧苗长势及插秧后田间情况，如图5所示。

根据前面对于除草时机的分析，第1除草时间是在移栽后第7天左右，此时秧苗根系长势如图6所示。

(a) 移栽前单株秧苗长势

(b) 田间插秧后

图6 秧苗移栽后第7天根系

稗草在生长初期，外形与水稻基本相似。稗草为须根系，根系发达，再生能力强，与水稻不同的是其在生长初期单株生长，根系少，根系纤细。图7为稻苗移栽后第7天稗草生长情况，稗草根系纤细，只有12根，茎秆纤细，植株高度约35cm。由图6和图7对比可知：此时稻苗的长势要优于稗草长势，且根系长度和扎入泥土的深度都强于稗草，故只要控制好除草深度，进行机械除草是可行的。

图7 稗草生长情况

4 除草盘的除草轨迹试验分析

进行除草作业时，株间除草盘必须成对使用，根据弧形弹齿安装旋向及焊接位置不同，除草盘分为左旋除草盘和右旋除草盘，根据试验时秧苗高度及前期试验结果，选取轮毂直径d1为100mm，厚度5mm。套筒及弹齿、轮毂固连在一起，套筒直径大于内部传动轴直径，本研究取直径d0为60mm。根据前期试验，选用除草盘弹齿数为5个，除草盘直径D为280mm为宜。每对除草盘安装使用方式，如图8所示。

图8 一对除草盘工作原理图

除草盘工作时绕垂直于苗行方向转动，左右除草盘同时对一行秧苗进行除草，主要目的是剔除株间的杂草，同时能去除秧苗附近行间杂草。实物安装状态如图9所示。

(a) 除草盘田间工作状态

(b) 除草盘非工作状态

工作时，为减少伤秧率、增加除草面积，要求秧苗一侧除草盘的除草轨迹在另一侧除草盘除草轨迹中间(见图10)，需要除草盘对称安装和确定除草盘L′的距离。由分析可知：L′为s/2的整数倍。根据前期室内实验，机具前进速度v值为0.53m/s，除草盘转速n为230r/min，除草盘中心距L值为160mm。由下面公式可以计算出弹齿在地面划过轨迹的距s，s约为27.5mm，取L′值为65mm。插秧后第7天为第1次除草，秧苗根深3540mm，草根深1525mm，取除草盘据地面的距离h1为90mm，除草深度h′为25mm，弹齿痕迹末端与秧苗的距离s′由下面公式计算为27mm，图10中的阴影部分为除草盘除草面积；插秧后第14天，进行第2次除草作业，取h1为80mm，则h′为25mm，s′为35mm；插秧后第21天，进行第3次除草作业，取h1为70mm，则h′为45mm，s′为41mm。

式中 s—弹齿在地面划过轨迹的距离(mm)；

v—机具前进速度(m/s)；

n—除草盘的转速(r/min)；

z—弹齿的个数(个)。

式中 s'—弹齿轨迹末端与秧苗的距离(mm)；

D—除草盘的直径(mm)；

h1—除草盘中心距地面的距离(mm)；

L—两除草盘的中心距(mm)。

理论分析作图得到除草轨迹简图如图10所示。

图10 一对除草盘除草轨迹简图

试验得到除草盘单体除草实际轨迹，如图11所示。

(a) 除草盘单体土槽试验除草轨迹

(b) 除草盘单体田间试验除草轨迹

通过除草轨迹试验分析可知：机具前进速度v和成对使用的两除草盘的中心距L及除草盘转速n的变化，都会引起除草轨迹的改变。机械前进速度v增大，则除草弹齿在同单位面积内滑过地面的次数减少，相邻两条除草轨迹距离变大，有效除草面积减少，除草率也随着降低。两除草盘的中心距L增大，成对弹齿对共同作用的株间除草重叠区域面积减少，则株间除草率降低，两除草盘的中心距L过大则完成不了株间杂草的去除工作。除草盘转速n增加，除草盘弹齿在单位时间内滑过地面的次数增加，相邻两条除草轨迹距离变小，有效除草面积增加，除草率也随着增高。因此，要得到较好的株间除草效果，必须结合田间实际情况，合理控制这3个参数的大小，以求提高除草效率。

5 结论

1)对所设计的稻田株间除草盘的结构特点进行了分析，并对其优点进行了说明。研究设计了一种新型的株间除草盘，并以其作为研究对象。

2)给出了除草盘的除草机理及除草时机，对除草盘的除草机理进行了详细论述，并结合秧苗、杂草的生长特性和田间环境特点对除草盘的除草时机进行的确定。

3)通过理论分析和试验验证，得到了除草盘的除草面积计算模型及除草过程中的除草轨迹图，对除草盘在室内土槽环境下和田间泥土中的除草轨迹进行验证分析，通过除草轨迹的研究可直接指导除草盘的使用与推广，为稻田机械除草整机的研制提供了技术参考。

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Paddy Strains between Weeding Member Working Mechanism and Weeding Track Test

Niu Chunliang1, Wang Jinwu2

(1.Mechanical and Power Engineering College，Dalian Oceang University,Dalian 116023, China；2.Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030, China)

Paddy weeds have a significant impact on the seedling growth, especially rice paddies barnyard grass, barnyard grass and seedling growth of serious competition for resources, and for the main species of weeds. Between paddy row weed removal machinery is more mature, and close to the seedling plants among the weeds near the removal technique has become the focus of the study. In this paper, barnyard grass seedlings and early growth stage different characteristics, the design of an inter-strain Mower, the member is removed barnyard grass as the main target into account other weeds, and to study its mechanism and weeding trajectory. The member rotating work, driven by the auxiliary power forward, the Mower deep soil during rotation, the weeds, singled out or knock down, so that the roots of floating on the water or dirt will stir weed cover, thus completing the paddy strains between weeding job.

between strains component; weeding mechanism; paddy; weeding track

2015-12-15

辽宁省自然科学基金项目(2015020134)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014274)；黑龙江省科技厅重大攻关项目(GB07B106)

牛春亮(1983-)，男，黑龙江牡丹江人，讲师，(E-mail)clniu@qq.com。

S224.1;S220.3

A

1003-188X(2017)01-0177-05