稻田株間除草機構除草過程中傷秧影響的試驗研究

牛春亮，王金武，安相華，唐繼武,馬莉莎

(1.大連海洋大學 a.機械與動力工程學院；b.應用技術學院，遼寧 大連　116300;2東北農業大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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稻田株間除草機構除草過程中傷秧影響的試驗研究

牛春亮1a，王金武2，安相華1a，唐繼武1b,馬莉莎1a

(1.大連海洋大學 a.機械與動力工程學院；b.應用技術學院，遼寧 大連116300;2東北農業大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：稻田雜草是影響大米產量和質量的一個重要因素。鑒于化學除草的負面影響，機械除草技術一直是國內外科研攻關的重點，但如何降低除草過程中工作裝置對秧苗的損傷和影響成為研究的難點。為此，對稻田機械式株間除草機構的主要因素的秧苗損傷情況進行了試驗研究。試驗在機插稻田進行，稻苗行間距28~31cm，株間距14~15cm。試驗在秧苗移栽后7天左右進行，該時間為稻田第一個出草高峰期，試驗采用二次旋轉正交試驗方法，應用Design-Expert進行試驗分析，獲得了株間除草主要工作因素機器前進速度、除草盤轉速、除草深度之間單因子及交互作用對傷秧率的影響。移栽7天時，田間試驗在保證除草率的前提下確定了低傷秧率株間除草機構的工作參數為機器前進速度為0.38m/s，除草盤轉速162.75r/min，除草深度為43.9mm，此時除草率為80.5%、傷秧率為3.8%。

關鍵詞：稻田除草；株間；軟軸驅動；傷秧率

0引言

雜草是影響水稻秧苗生長的重要因素[1-2]。綜觀國內外的稻田除草方式，其主要分為3大類：第1類為人工去除雜草。人力除草技術要求不高、除草效果較好，具有經濟、環保、疏松土壤等優點；但除草不易徹底，效率低，效果差。第2類是化學除草。長期使用除草劑，不利于保護土壤環境，還會引起稻田草種的變化。除草劑的殘留毒性還會給作物和土壤造成化學污染和環境污染。第3類是機械除草。消滅雜草同時調節土壤水分，保持土壤結構穩定性和通透性，使土壤疏松，提高水分入滲率，加速土壤營養物質分解，提高土壤肥力；但除草過程中可能存在傷秧情況。鑒于人工除草低效率、化學除草負面影響大的前提，采用機械的除草方式，可在滿足綠色農業生產需要的同時大大提高勞動效率。事實表明，采用機械式除草不僅順應了綠色農業的發展趨勢，同時也可以獲得更大的經濟效益[3-4]。

1稻田株間除草機構原理及驅動方式

1.1　稻田株間除草關鍵部件彈齒的除草原理

目前，稻田除草機械行間雜草去除效果較好，株間雜草的去除成為研究的難點?，F有的除草機械從傳動方式上主要采用剛性傳動，工作可調性較差，而本研究的株間除草工作部件利用軟軸驅動，使傳動結構簡化，在保證可調性好的基礎上還提高了工作效率[5-8]。

株間除草機構除草原理：換向器帶動軟軸轉動，軟軸另一端驅動除草部件彈齒盤轉動，彈齒盤在轉動過程中其上面的彈齒進入土壤，通過彈齒把株間雜草從根部挑出，同時依靠旋轉帶起的泥漿把挑出的雜草覆蓋，從而完成除草作業。除草時機選擇在稻苗移栽7天后，稻苗根系比雜草發達，調節好除草深度即可除草又疏松田塊，但除草工作結束后秧苗會出現稍許傷苗現象。為此，針對秧苗損傷情況進行試驗分析，以求得到更好的綜合除草效果。

1.2　稻田除草株間機構的驅動方式

除草機結構如圖1所示。其中，株間除草機構安裝在支撐架上，機構整體通過三點懸掛方式與配套插秧機底盤掛接，靠插秧機液壓缸驅動高度調節。作業時，底盤動力經動力輸出軸傳出，依靠萬向聯軸器把底盤輸出軸動力傳給換向器輸入軸，由T型換向器把動力垂直換向左輸出軸輸出；主動鏈輪與左輸出軸固連，動力經鏈傳動到從動鏈輪，從動鏈輪軸通過動球鉸聯軸器驅動彎管內的鋼絲軟軸組件；鋼絲軟軸與株間除草彈齒盤固連并驅動其轉動，成對使用的彈齒盤在垂直于底盤行走方向的平面內轉動，每對除草彈齒盤都由一個反旋左彈齒盤和正旋右彈齒盤組成。

(a)　機構左視圖　　　　　　　　　　　　　　(b)　機構主視圖

2機構稻田除草試驗準備

2.1　田間試驗條件及設備選取

田間試驗在哈爾濱市幸福鄉機插水稻田進行，地塊環境：泥腳深度為330~380mm，稻田長75m、寬10m，地塊面積為750m2。試驗時，機選在移栽后第7天稻田雜草發生第一個高峰期時進行，雜草以水稗草、異型莎草和千金子等為主，雜草數多，嚴重影響秧苗生長[9-12]。稻苗秧齡30~32天，長勢葉齡3葉1新至4葉，平均株高110mm。田地移栽后未進行人工除草和化學除草，試驗田正常進行田間管理，除草作業時保證土壤濕軟，灌水深度符合試驗要求。

設備條件：包括久保田S1-600插秧機底盤1臺，光電式轉速測量儀1部，計時秒表1塊，50m纖維卷尺1把。

2.2　田間試驗因子及目標函數的選定

2.2.1目標函數的選定

株間除草機構的性能主要根據秧苗損傷情況和除草綜合效果來衡量。本試驗的目的就是為了尋找影響除草綜合效果的因素，分析諸因素和目標之間的函數關系，探求合理的除草方案。因此，選定傷秧率和除草率為本試驗研究的目標函數[13-15]。

2.2.2試驗因子的選取

經過預備試驗，結合農藝上水稻生長情況，在保證除草效果的前提下，從以下因素對傷秧情況進行研究。

1)機器前進速度會影響傷秧情況和除草效果。底盤前進速度提高，除草和傷秧在一定程度上低；機器前進速度慢，在一定程度上，除草效率高但傷秧率大。

2)除草盤轉速對除草和傷秧也有影響。除草盤轉速快，在同一速度下，翻土的次數多；刀盤轉速慢，在同一速度下，翻土的次數少。

在考慮田間試驗實際情況和試驗中關鍵影響因子情況下，本試驗選擇除草盤轉速、機器前進速度和除草深度3個因子作為定量試驗因子[16-18]。

2.2.3 試驗參數的選取

室內預備試驗證明，除草盤轉速在150~246r/min之間比較適合除草作業。

室內預備試驗測得，前進速度在0.36~0.6m/s除草效果較好。

機構除草深度h是指除草彈齒在旋轉入土的過程中，彈齒在經過稻苗位置與泥面的距離。除草作業時稻苗移栽7天后，雜草根系長度在15~35mm，因此除草深度選擇在15~55mm。此深度可保證將株間雜草和靠近稻苗附近的雜草去除。除草深度如圖2所示。

2.2.4試驗因子水平選取

除草盤轉速根據幾次預備試驗得出。轉速太高，傷秧嚴重，打傷葉片；轉速太低，除草效果不好。因此，除草盤轉速取150(A1)、170(A2)、200(A3)、230(A4)、246(A5) r/min這5個水平。由于本除草裝置是配合插秧機使用，所以根據當前插秧機工作參數，設計機器前進速度的5個水平為0.38(B1)、0.42(B2)、0.50(B3)、0.55(B4)、0.60(B5) m/s。根據預備試驗結果的分析，除草深度的5個水平為1.5(C1)、2.3(C2)、3.5(C3)、4.7(C4)、5.5(C5)cm。

試驗采用二次旋轉正交組合試驗，并對試驗結果的回歸方程用二次響應曲面法分析[19]。

1.秧苗位置　2.彈齒轉動軌跡圓

2.3　除草機構性能評價指標

目前，稻田除草作業效果沒有專業的技術標準，本試驗以獲得最低秧苗損傷率和最高除草率為研究指標。

1)機構除草率：試驗區域內稻苗株間及兩側各50mm范圍內的除掉雜草數量和除前雜草數量比值，則有

式中C—機構除草率(%)；

Q—除草前雜草棵數(株)；

P—除后雜草株數(株)。

2)機構傷秧率：試驗內損傷的稻苗數與試驗前稻苗數比值。其中，受損稻苗包括除掉的、折斷、掩埋的稻苗數量[20-21]，計算公式為

式中S—機構傷秧率(%)；

M1—試驗區內總稻苗數(株)；

M2—試驗區內損傷的稻苗數(株)。

3株間除草機構技術參數

除草機構工作參數如下：

除草機構外形尺寸(長×寬×高) /mm：1 800×1 500×1 100

行走方式：四輪驅動

配套動力/kW：4.56

工作行數/行：2

行距/cm：30

株距/cm：14～16

掛接方式：三點懸掛

4正交旋轉試驗研究與分析

科學的試驗設計與分析，可以大大節省試驗成本和時間，本試驗采用Design-Expert軟件進行設計與數據分析。該軟件是目前應用較廣泛的實驗設計軟件之一，提供二維和三維視圖，可更清楚地分析試驗結果。采用二次旋轉正交設計方法，選取除草盤轉速、機器前進速度和除草深度3個因子進行多因子試驗，以除草率和傷秧率為目標函數。按三因子五水平安排試驗，制定的因子水平編碼表如表1所示。第1次除草試驗的時間選定在稻苗移栽后的第7~8天，此時稻苗相對于雜草，扎根更深，并且為雜草的一個高發期[22-23]。

表1　因素水平編碼表

根據因素水平編碼表，編制了二次旋轉正交組合設計的試驗方案，將試驗的結果記錄，得到試驗方案與結果如表2所示。

表2　二次正交旋轉試驗方案與試驗結果

續表2

4.1　試驗數據結果分析

應用Design-Expert軟件得出傷秧率的方差分析結果，如表3所示。同時，建立機器前進速度、除草盤轉速、除草深度對傷秧率的回歸方程模型。

表3　組合參數的因素水平對傷秧率影響的方差分析

續表3

1.06x1x2+0.86x1x3-0.64x2x3

通過分析可知：除草過程中對傷秧率影響顯著性的因子為除草深度、除草盤轉速和機構前進速度。為了研究各因子對傷秧率的影響程度，在回歸模型中，將其中1個因子固定在0水平上，衡量其它兩個因子交互作用對目標函數的影響。

1)除草盤轉速、機構前進速度對傷秧率的影響。固定除草深度為0水平，得到其它兩個因子對傷秧率的回歸模型變為

應用Design-Expert軟件得到除草盤轉速與機構前進速度兩者之間交互作用對傷秧率影響的等高線圖及響應曲面圖，如圖3所示。

由圖3的等高線圖可知：除草盤轉速與機器前進速度對傷秧率影響呈相反趨勢；除草盤轉速增加、機器前進速度減小，傷秧率增大；除草盤轉速減小、機器前進速度增加，傷秧率減小；當轉速很小，在150~200r/min范圍時，隨著機器前進速度的增加，傷秧率先增大后減小。傷秧率出現先大后小，說明在轉速處在中低速時，機器的前進速度對傷秧率的影響大。由響應曲面圖分析可知，除草盤轉速與傷秧率函數變化較大，分析得到在除草盤的轉速與機構的前進速度交互作用下，除草盤轉速對傷秧率影響較大。

2)除草盤轉速、除草深度對傷秧率的影響。固定前進速度為0水平，得到其它兩個因子與傷秧率的回歸模型為

利用Design-Expert軟件得到出機構除草深度與除草盤的轉速二者之間交互作用對傷秧率影響的等高線圖及響應曲面圖，如圖4所示。

(a)　等高線圖　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　響應曲面圖

(a)　等高線圖　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　響應曲面圖

由圖4可知：除草盤轉速、除草深度增加，傷秧率增加；除草除草盤轉速的增加，傷秧率先小后大，最小值出現在除草盤轉速185r/min附近，說明在除草盤轉速小于185r/min水平時，除草深度對傷秧率的影響較大。當除草盤轉速大于185r/min、除草深度在3.5cm水平附近時，隨著除草盤轉速的增加，傷秧率增加，說明在深度較淺的情況下，除草盤轉速對傷秧率有較大的影響。

3)前進速度、除草深度對傷秧率的影響。固定轉速為0水平，得到其它兩個因子與傷秧率的回歸模型為

y2=3.78-1.15x2+1.73x3-0.64x2x3

通過Design-Expert軟件得出機構除草深度與機構前進速度兩者之間交互作用對傷秧率影響的等高線圖及響應曲面圖，如圖5所示。

由圖5可知：當前進速度一定的時候，隨著除草深度的增加，傷秧增加；當深度一定時，隨著前進速度的增加，傷秧率減小。機器前進速度函數為二次函數，從響應曲面上看，其變化較緩和。所以，除草深度對傷秧率的影響大于機器前進速度對傷秧率的影響。

4.2　各項參數的優化方案

試驗研究的目標是選取合理的工作參數來減少秧苗的損傷，獲取較好的除草效果。試驗優化就是為了探求除草機構的主要因素，即機構前進速度、機構除草深度和彈齒盤轉速在滿足作業要求下的較優參數組合。研究采用多目標優化的方法，采用主目標函數法，根據除草的綜合性能要求，利用Design-Expert試驗軟件對模型進行優化分析與處理。

4.2.1設計變量

4.2.2目標函數建立

在除草作業的考察指標里，傷秧率(%)、除草率(%)是最重要的指標，根據除草性能的要求，指標的目標函數為

1.75x1x2+1.75x1x3-1.75x2x3

1.06x1x2+0.86x1x3-0.64x2x3

4.2.3約束條件的選取

本研究選項取試驗因子變量的區間為約束條件。得到的約束條件為

4.2.4優化研究結果

運用Design-Expert軟件進行數據優化，由表4和圖6分析得到滿足響應變量區間的因子最佳的參數組合方案。在確定最優方案時，充分考慮除草率和傷秧率數值。

表4　最優參數組合方案

由表4中可以看出：第6號方案結果為最優組合；在第6號方案中，除草盤轉速為162.75r/min，即除草盤的轉速為170r/min；機器前進速度為0.38m/s,除草深度為4.39cm。得出最優方案圖，如圖6及表5所示，圖6中條形區域是所求得較優組合方案區域。

圖6　最優方案圖

除草盤轉速/r·min-1機構前進速度/m·s-1機構除草深度/cm除草率/%傷秧率/%數值162.750.384.3980.53.8

4.2.5驗證試驗

通過Design-Expert試驗軟件得出的優化結果：除草盤轉速162.75r/min、機器前進速度0.38m/s、除草深度4.39cm，進行8組驗證試驗，結果如表6所示。

表6　驗證試驗方案

由試驗結果得出數據與通過軟件分析得出的數據結果基本一致。說明本研究選擇的優化參數組合是可行的。

5結論

1)除草過程中，對秧苗損傷影響顯著性的因子順序依次為機構除草深度、除草盤的轉速及機構前進速度。

2)采用田間試驗能客觀反映出株間除草裝置的工作效果。除草作業后，水稻秧苗生長情況良好，在作業時損傷的秧苗莖桿及葉片，經過一段時間生長后可以逐漸恢復。

3)試驗驗證，機構工作參數較優組合為：除草盤轉速162.75r/min、機器前進速度0.38m/s、除草深度4.39cm。在此組合下，除草裝置傷秧率為3.8%、除草率為80.5%，機構傷秧率低、除草效果好，有實際應用前景。

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Experimental Study on Inter-agency Paddy Strains Weeding Weeding Process Slander Affected Seedlings

Niu Chunliang1a, Wang Jinwu2, An Xianghua1a, Tang Jiwu1b, Ma Lisha1a

(1.a.Mechanical and Power Engineering College；b.Applied Technology College，Dalian Oceang University,Dalian 116300， China；2.Engineerin College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030, China)

Abstract：Paddy weeds is an important factor affecting the yield and quality of rice, in view of the negative impact of chemical weed control and mechanical weed control technology has been the focus of scientific research at home and abroad, but how to reduce the damage and influence the course of work means weeding seedlings become research difficulty. In this paper, the main factors of mechanical strain between paddy weed seedlings damage mechanism experimental study. Test the machine plugged paddy carried rice seedlings line spacing 28-31cm, spacing plants 14-15 cm. Test after transplanting seedlings about 7 days, the first time the grass paddy peak, test uses orthogonal rotation test method, the test application design-expert analysis, obtained strains between main factors weeding machine forward speed, Mower speed, between herbicidal depth interaction on a single factor and seedling injury rate.Transplanting 7 day field trial except under the premise of sloppy work parameters determined seedling injury rate among low strain weeding mechanism to ensure the machine forward speed of 0.38m/s, mower speed 162.75rpm, weeding a depth of 43.9mm, this time weeding was 80.5%, 3.8% seedling injury, research provides a reference for the paddy mechanical weed control techniques.

Key words：paddy field weeding; between strains; drive shaft; seedling injury rate

中圖分類號：S224.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0190-08

作者簡介：牛春亮(1983-)，男，黑龍江牡丹江人，講師，(E-mail)clniu@qq.com。

基金項目：遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2014274)；遼寧省自然科學基金項目(2015020134)；黑龍江省科技廳重大攻關項目(GB07B106)

收稿日期：2015-11-03