鋪膜插秧后水田3SCJ-1型除草機設計與試驗

王金武　李　超　李　鑫　李　響　王金峰

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0　引言

水稻機械鋪膜插秧技術是稻作栽培的一項創新技術。機械鋪膜插秧技術與有機水稻傳統種植方式相比，具有減少水分蒸發、抑制雜草生長、增加土壤肥力、提高作業效率等優勢，是生產有機稻米的重要途徑之一[1-3]。近年來，機械除草已經成為生產有機水稻的一項關鍵措施。機械除草是一種無污染的除草方式，具有增加氧氣、提高地溫、利于秧苗生長等優勢[4-5]。

目前國內外針對鋪膜插秧種植方式的除草機械尚不多見，市場上出現的除草機械主要是針對普通插秧種植方式秧苗標準行距為300 mm的水田。水田乘座式中耕除草機主要有日本三菱農機的LVW-8型[6]、和實產業的RW50型[7]以及洋馬的SJVP型；而步進式除草機有和同產業生產的MSJ-4型[8]和美善研制的SMW[9-10]等機型。這兩類除草機都存在田間轉向時壓苗嚴重且傷苗率較高等現象。國內的水田除草機主要有王金武等[11]研制的3ZS-150型步進式水田中耕除草機，吳崇友等[12]研制的2BYS-6型乘座式水田中耕除草機，以及延吉市農機推廣中心研制的3ZS-1型水田中耕除草機[13]。國內外主要針對等行距的農藝除草方式進行除草機設計，并且除草部件大多采用主動或隨動耙齒形式，結構單一且除草效率相對較低。

基于以上分析，本文設計一種滿足鋪膜插秧種植方式除草要求且轉向靈活、輕便的單行除草機。除草部件采用回轉刀盤和旋轉板齒混合式結構。通過對單行除草機的關鍵部件設計及其運動學、動力學分析，獲得合理的機具結構技術參數，通過田間試驗獲得最佳的工作參數范圍，以更好地滿足鋪膜插秧種植方式除草作業的要求。

1　鋪膜環境與農藝要求

鋪膜插秧種植方式的水田環境是由稻苗、雜草、土壤、水、地膜等多種物質耦合的環境。如圖1所示，水稻田共分為3層，從上往下依次為地膜層、泥漿層和泥土層[14]，其中泥漿層的深度為20～40 mm，而泥土層的深度為170～240 mm。為了方便后期的田間管理以及人工揭膜，鋪膜插秧機作業后，相鄰2個作業單元(1個作業單元為6行)秧苗的行距為500 mm，地膜分別向作業單元兩側行間延伸100 mm，有效除草區域為300 mm。泥腳深度為170～240 mm，鋪膜插秧7 d后，秧苗的根系深度為80～100 mm，而稗草的根系深度僅為30～50 mm。根據農藝除草要求[15-17],除草時間分別為鋪膜插秧后的7 d和21 d。

圖1　鋪膜插秧稻田土壤簡圖Fig.1　Structure diagram of rice mulching and transplanting paddy soil

2　機具結構與工作原理

2.1　整機結構布局

針對鋪膜插秧種植方式設計的水田單行除草機，結構如圖2所示。該除草機以二沖程汽油機為動力，采用二級傳動方式，其中一級傳動為離合摩擦環傳動，蝸輪蝸桿傳動為二級傳動。整機由行走輪、仿形浮漂、擋泥板、機架、發動機、摩擦離合總成、扶手、除草刀盤、蝸輪蝸桿減速器等部件組成。

圖2　單行除草機結構簡圖Fig.2　Structure diagrams of single row paddy weeding machine1.行走輪　2.仿形浮漂　3.機架　4.摩擦離合總成　5.發動機 6.扶手　7.除草刀盤　8.減速箱　9.擋泥板

單行除草機的結構設計應符合鋪膜插秧種植方式除草的農藝要求。單行除草機的主要技術參數如表1所示。

2.2　除草原理

單行除草機由發動機提供作業動力，動力經減速器傳遞至蝸輪軸，蝸輪軸作圓周轉動。除草部件通過套筒鉸接在蝸輪軸上。機具工作前，根據除草深度的要求，調節仿形浮漂的高度以保證除草深度。機具工作時，機具以一定速度前進，利用發動機提供動力輸出，通過傳動系統把動力傳遞給除草部件。

表1　單行除草機主要技術參數Tab.1　Main technical parameters of single row weeding machine

圖3中r1為除草刀盤的半徑；r2為旋轉板尺的最大回轉半徑；h2為除草部件中心與泥漿層表面的高度。對秧苗、雜草(稗草為主)物理特性的研究可知，秧苗主要由主根和次生根組成[18-19]。除草期間由于雜草(稗草為主)未進入分蘗期且主根較為脆弱，故作業時雜草(稗草為主)受到除草刀盤的旋切作用或者受到行走輪埋壓拉拔作用而被挑出土壤或者被切斷拋離土壤，如圖3所示。

圖3　除草部件工作簡圖Fig.3　Working sketch of weeding components

3　關鍵部件設計

3.1　除草部件結構設計

除草部件作為除草機的關鍵部件之一，對除草機的除草性能有著重要的影響。除草部件主要由旋切作用的除草刀盤以及同時具有埋壓拉拔雜草和行走功能的行走輪組成，如圖4所示。

圖4　除草部件結構簡圖Fig.4　Structure diagram of weeding components1.減速器　2.蝸輪軸　3.行走輪　4.連接件　5.彎折彈齒　6.除草刀盤　7.除草板齒

設計了一種帶有彎折彈齒的新型除草刀盤，如圖4所示。由于除草刀盤并不具有行走功能，因此滿足其除草功能的同時盡量減小其與土壤之間的阻力。考慮到除草深度，設計除草刀盤的最大回轉直徑為220 mm，為滿足膜間間隙300 mm的要求，設計為4個除草刀盤橫向排列，單個除草刀盤的橫向寬度為40 mm。除草刀盤的厚度太大，浪費材料同時增加機器重量，厚度太小，可能造成強度不夠，易發生變形，綜合考慮除草刀盤厚度選為2 mm。

為了實現單個除草刀盤最大化除草作業的同時，使蝸輪軸兩端軸承所承受的側向壓力較為平衡，彎折彈齒采用雙側傾斜方式布置使其盡可能交錯入土，如圖5所示。除草刀盤上彎折彈齒傾斜角θ的取值應考慮是否存在漏除現象，當彎折彈齒既不漏除也不重復除草時如圖5所示。

圖5　相鄰除草刀盤位置圖Fig.5　Position diagram of adjacent weeding device

θ應滿足

(1)

式中θ——彎折彈齒的彎折角度，(°)

k1——相鄰除草刀盤間隙，mm

k2——單個彎折彈齒的長度，mm

除草膜間距為300 mm，選配的減速器寬度為120 mm，雙側的行走輪寬度為40 mm，相減得到單側的相鄰除草的間隙為50 mm。彎折線(刀盤上彎折處長度)較短時，彎折加工難度較大且會出現漏除現象；彎折線較長時，彎折彈齒長度太長與土壤作用深度較深，阻力較大，功耗較大且會出現相鄰刀盤內淤泥堵塞的現象。綜合考慮在彎折線長度為30 mm處進行彎折加工，繼而得到彎折彈齒的長度k2為28.8 mm。將k1=50 mm、k2=28.8 mm代入式(1)得θ=60°，當θ介于60°～90°時彎折彈齒重復除草且其與土壤的阻力增大、功耗增加，綜合考慮彈齒彎折角度θ取60°。除草刀盤的材料為65Mn彈簧鋼，彈簧鋼遇到較硬物質時不易變形，對其進行冷拔硬化以及鍍鋅處理，使其具有足夠的韌性和塑性同時具有較高的防銹、防腐蝕性能。其性能比較適合水田除草部件作業的要求。

行走輪由6個除草板齒和2個旋轉圓盤固接而成，為滿足在泥腳深度較大時依然能夠除草作業，行走輪的最大回轉直徑設計為520 mm，行走輪的寬度設計為40 mm。為減小整機重量選擇鋁合金材料。

3.2　除草刀盤彎折彈齒數

為了保證除草機前進時沿機具前進方向不漏除，除草刀盤上所有彎折彈齒的除草作用長度之和應大于除草刀盤旋轉一周時機器實際前進的距離，其公式為

(2)

式中Z——除草刀盤上彎折彈齒個數，個

s——單個彎折彈齒在旋轉一周時作用于泥土的距離，mm

v——除草機前進速度，m/s

n——除草刀盤的轉速，r/min

根據測定，除草機前進速度v為0.3～0.6 m/s；除草部件的轉速n為15～55 r/min。式(2)中s與除草刀盤最大回轉直徑、除草深度有關，當除草深度最小(50 mm)且每個彎折彈齒的s剛好相切時，如圖6所示。

圖6　彈齒端點軌跡圖Fig.6　Trajectory diagram of end point of spring tooth

s的計算式為[20]

(3)

式中r1——除草刀盤上彎折彈齒頂點到蝸輪軸中心的距離，mm

h——除草深度，mm

將式(3)代入式(2)，得到

(4)

將r1=110 mm和hmin=50 mm代入式(4)，求得Z≥2.81，取整數Z=3。單個除草刀盤上設計雙側各3個彎折彈齒共6個彎折彈齒，使得每個彎折彈齒的s有部分重疊，滿足雜草不漏除的要求。

3.3　仿形浮漂設計

為了保證單行除草機田間除草作業時達到仿形的效果，設計了一種可根據水田土壤高低起伏狀態進行仿形運動的浮漂，其具體結構如圖7所示。仿形浮漂主要由拖板、支桿、連接桿、螺旋拉伸彈簧組成。拖板由聚氟四乙烯苯板制成，此種材料質量輕、不沾泥、便于清理。拖板和支桿使用鉸接連接，便于浮漂的仿形運動。

圖7　仿形浮漂結構圖Fig.7　Structure diagram of profiling float1.拖板　2.支桿　3.螺旋拉伸彈簧　4.連接桿

除草作業時，根據除草時間和泥腳深度的不同，通過調節支桿與機架鉸接位置調整除草深度。

3.4　減速器的選擇

發動機選擇最大功率為2.5 kW的二沖程汽油機，其最大轉速為7 500 r/min，發動機變速箱的傳動比為1∶4，農藝要求的水田除草機前進速度為0.3～0.6 m/s，考慮到水田農業機械存在的滑轉率[21-23]，選擇減速比為1∶30的蝸輪蝸桿減速器。當發動機以額定功率工作時除草機速度為0.35～0.55 m/s，滿足水田除草機作業速度要求。

4　除草刀盤運動學與動力學分析

4.1　運動學分析

根據除草機理，獲得除草刀盤彈齒端點速度圖如圖8所示，根據點的合成運動，得出速度關系式為

圖8　除草齒端點速度分析Fig.8　Schematic diagram of speed analysis for weeding tooth tip

(5)

式中ω——除草刀盤旋轉角速度，rad/s

t——除草刀盤旋轉時間，s

vx——除草刀盤彈齒端點在x軸上的合速度，m/s

vy——除草刀盤彈齒端點在y軸上的合速度，m/s

d2——除草刀盤直徑，m

根據除草刀盤運動方向的設定，除草刀盤彈齒端點的運動軌跡方程為

(6)

將除草刀盤三維模型圖導入到ADAMS動力學仿真軟件中，根據式(6)設定其前進速度v為0.3～0.6 m/s，設定其旋轉角速度ω為π～2π rad/s，得到其軌跡如圖9所示。

圖9　除草刀盤ADAMS動力學軟件仿真軌跡Fig.9　Simulation path of weeding diagram of weeding device by ADAMS

4.2　除草機動力學分析

為了選取合適的發動機以及設計合理減速比的減速器，需要對除草機驅動力矩進行計算，分別對除草部件、機架與仿形浮漂整體進行受力分析。除草機接觸土壤的部分為除草部件與仿形浮漂。

4.2.1除草部件受力分析

除草部件(包括除草刀盤和行走輪)作為除草機的關鍵部件之一，其主要受到土壤的法向力和摩擦力，如圖10所示。以除草刀盤中心為坐標原點O，x軸正方向與除草機前進方向相反，除草部件(包括除草刀盤和行走輪)的集中受力點與原點O橫向距離為s1、縱向距離為h1；在不同的工況下，其合力受力點位置不一樣。由于行走輪和除草刀盤對土壤的垂直擠壓主要發生在第三象限，可得土壤對除草系統的合力受力點在第三象限。

圖10　除草部件受力分析Fig.10　Stress analysis of weeding components

當除草機勻速除草作業時，其力的平衡方程為

(7)

式中Fox——蝸輪軸對除草部件的合力在x軸上的分力，N

Ff1——土壤對除草部件的合力在x軸上的分力，N

G1——除草部件的重力，N

Foy——蝸輪軸對除草部件的合力在y軸上的分力，N

FN1——土壤對除草部件的合力在y軸上的分力，N

M——除草機驅動力矩，N·m

4.2.2機架與仿形浮漂整體受力分析

機架與仿形浮漂整體受力分析如圖11所示。機架與仿形浮漂整體重心與原點O的橫向距離為s2、縱向距離為h3；仿形浮漂的受力集中點與原點O橫向距離為s3、縱向距離為h2。當機架與仿形浮漂整體勻速運動時，力的平衡方程為

(8)

式中G2——仿形浮漂重力，N

G3——機架重力，N

Ff2——土壤對仿形浮漂的合力在x軸上的分力，N

FN2——土壤對仿形浮漂的合力在y軸上的分力，N

F′ox——除草部件對蝸輪軸的合力在x軸上的分力，N

F′oy——除草部件對蝸輪軸的合力在y軸上的分力，N

M′——除草機驅動力矩的反力矩，N·m

圖11　機架和仿形浮漂整體受力分析Fig.11　Force analysis of rack and profiling floater

式(7)、(8)中，Fox=F′ox，Foy=F′oy，M=M′，Ff1=fN1FN1，Ff2=μFN2，fN1為滾動摩擦因數，μ為滑動摩擦因數。由式(7)和式(8)可得Ff1=Ff2。

假設fN1=μ=1，則Ff1=FN1，Ff2=FN2。則有

Ff1=Ff2=FN1=FN2

(9)

由式(8)和式(9)可得

M=FN1s1+Ff1h1=FN1(s1+h1)

(10)

Foy=G1-FN1

(11)

F′oy=FN2-G2-G3

(12)

聯立式(9)～(12)可得

(13)

聯立式(10)、(13)可得

(14)

因s1、h1都位于第三象限，由圖10可得

(15)

將式(15)代入式(14)得

(16)

其中G1+G2+G3為整機重力，為294 N，代入d2=0.52 m得到Mmax=54 N·m。

當發動機以額定功率工作時，蝸輪蝸桿減速器輸出扭矩大于54 N·m，因此減速器滿足設計要求。

5　田間試驗

5.1　試驗地點及條件

為了測試鋪膜插秧的單行除草機的工作性能，通過田間驗證試驗，確保作業效果達到設計的技術要求。2017年6月16日在黑龍江省五常市拉林鎮有機水稻生產基地進行田間試驗。水稻品種為龍陽16，鋪膜插秧后21 d，插秧后沒有進行任何形式的除草作業。秧苗行距為500 mm，地膜向覆膜插秧機作業后相鄰的2個作業單元行間兩側分別延伸100 mm，平均泥腳深度為240 mm，秧苗高度為250～300 mm，根系平均深度為80～100 mm，雜草(稗草為主)高度為150～200 mm，行間雜草的平均密度為82棵/m2，操作人員操作熟練，機器狀況良好，如圖12所示。除草前后的對比如圖13所示。

圖12　除草機田間作業Fig.12　Weeding machine in field

圖13　除草前后效果對比Fig.13　Effects comparison before and after weeding

5.2　試驗因素及指標

除草機的前進速度和除草深度是影響除草率的重要因素。選取除草機的前進速度和除草深度為試驗因素，參考文獻[24-26]，選取除草率作為除草機工作性能的考核指標。因針對鋪膜插秧種植方式的除草并不接觸到秧苗，所以未選取傷苗率作為工作性能考核指標。除草率的計算公式為

(17)

式中y——除草率，%

X1——測試區域內除草前雜草總數，棵

X2——測試區域內除草后雜草總數，棵

5.3　試驗設計與結果分析

以除草機前進速度為因素，除草率為指標進行單因素試驗。其結果如表2所示。

表2　前進速度單因素試驗結果Tab.2　Results of single factor test on advance speed

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行分析，得到機器前進速度與除草率的關系曲線如圖14所示。

圖14　前進速度與除草率關系曲線Fig.14　Relationship curve between advance speed and weeding rate

得到相應的回歸方程

(18)

以除草深度為試驗影響因素，除草率為影響指標進行單因素試驗，根據多次的田間試驗可得，除草深度的經驗取值為50～110 mm，其結果如表3所示。

表3　除草深度單因素試驗結果Tab.3　Results of single factor test on weeding depth

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行分析，得到除草深度與除草率的關系曲線如圖15所示。

圖15　除草深度與除草率關系曲線Fig.15　Relationship curve between weeding depth and weeding rate

得到相應的回歸方程

y=74.43+0.048 9x2

(19)

對上述回歸方程與曲線圖進行分析可知，除草機前進速度與除草深度對除草率影響顯著。由圖14可知，除草率隨機器前進速度的增加先增大后減小，此結果是由于機器前進速度由0.36 m/s增大至0.44 m/s時，除草部件對土壤的擾動由小變大，除草率逐漸增大并且達到了最大值。當機器前進速度由0.45 m/s增大至0.56 m/s時，由于機器出現打滑入土不充分的現象，除草率出現下降趨勢。由圖15可知，除草率隨著除草深度的增加而增大，隨著除草深度的增加除草部件與土壤作用面積增大，對雜草的作用能力變強，致使除草率上升。但隨著除草深度的增加，發動機的功耗增加，由田間試驗可知，當除草深度大于100 mm時，發動機出現發熱嚴重，并伴隨著少許黑煙現象。綜合考慮，除草機正常作業時最佳除草深度范圍為50～100 mm。經測試，單行除草機的平均除草率為78.02%。

6　結論

(1)設計了一種3SCJ-1型水田單行除草機，該機由二沖程汽油發動機提供動力，二級傳動方式增加扭矩，采用回轉旋切式除草刀盤和行走輪組成的復合除草部件進行高效除草。該機的特點是單行作業，輕便，除草效率高。

(2)除草部件為帶有彎折彈齒的新型除草刀盤和行走輪的復合結構，對除草刀盤的結構進行分析，得到彈齒的最佳排列個數，并對除草刀盤的運動軌跡進行了仿真分析，同時對整機進行了力學分析，得到除草機最大理論驅動扭矩為54 N·m。

(3)對除草機進行了單因素田間試驗，得到機器前進速度與除草率之間呈現拋物線的函數變化規律；除草深度與除草率之間呈現線性的函數變化規律。經田間性能試驗獲得機具平均除草率為78.02%，3SCJ-1型單行除草機作業質量良好，滿足鋪膜插秧種植方式的除草要求。

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