水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真

水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真I水田除草機苗間除草裝置的設計仿真摘 要長期以來在水田苗間的除草都依靠化學除草劑或人力完成，即使借助某些專用工具，仍然勞動強度大，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械還比較少，雖然其他國家有除草機械但是不適應我國的水田，有些國家的水田除草機械還對我國禁售。為了解決水田苗間除草的勞動強度大、農(nóng)時緊的問題；提高作業(yè)質(zhì)量，可以一次性完成水田機械除草，而不用化學除草劑。推進水稻生產(chǎn)機械化，提高水稻生產(chǎn)機械化，加強水稻綜合生產(chǎn)能力建設，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的關(guān)鍵部件，針對水稻生長過程中，水稻根部入土深度明顯大于雜草根深的特點。采用理論分析，模擬仿真相結(jié)合的方法，對苗間除草機的機理與參數(shù)進行研究。為苗間除草設備與水田除草機械的研發(fā)提供了科學依據(jù)和方法。本文主要研究了除草裝置的結(jié)構(gòu)設計。除草裝置包括動力裝置、動力傳遞部分，除草輪。并運用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 軟件的動態(tài)仿真清楚觀察機構(gòu)的特點。觀察苗間除草裝置的三維模型，了解機構(gòu)的工作情況。關(guān)鍵詞 : 除草機，苗間除草，行間除草，仿真水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真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水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真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)外對水田苗間除草機的研究現(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 水稻田間機械除草技術(shù)發(fā)展趨勢 71.3 水田機械除草關(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 零件設計 .132.2.1 苗間除草部件設計參數(shù)幾何關(guān)系分析 132.2.2 除草盤運動分析 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)器的設計 212. 4 裝置的運動參數(shù)分析 223.動態(tài)仿真 234.結(jié)論 25參考文獻 .26致 謝 .27水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 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，科學有效地控制草害是確保水稻健康生長，實現(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藥劑除草是目前應用最廣泛的一種除草方式，它具有快速、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點。然而 20 世紀 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)境保護意識的加強和對食品質(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，機械除草、農(nóng)業(yè)防除和生物防治等非化學除草技術(shù)得到了更多的研究和應用。在水稻田間非化學除草的防治技術(shù)中，機械除草技術(shù)發(fā)展迅速，并有相應的水稻田間除草裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用。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 。由于人工除草勞動強度大, 除草效率低, 所以機械除草被視為“綠色大米”種植過程中最佳的除草方式。采用機械除草改變了用化學藥劑除草的作法, 工作效率比人工作業(yè)提高 5 倍。機械中耕除草為幼苗根系生長發(fā)育提供了疏松土壤, 避免了使用化學除草劑造成土壤不能有效疏松, 遏制根系延伸的缺點, 促進幼苗的生長。然而, 水稻中耕除草機械在我國還是空白。目前, 隨著水稻品種及栽培研究的深入, 為適應水稻單產(chǎn)不斷提高和機械化種植的需要, 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)除草機只能除去行間雜草, 而對于苗間雜草無法達到理想的除草效果。因此, 現(xiàn)階段生產(chǎn)的除草機均不能滿足農(nóng)藝要求。所以苗間除草裝置的研制對我過綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展有這重要的意義。1.2 國內(nèi)外對水田苗間除草機的研究現(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。機械化農(nóng)業(yè)也大力的發(fā)展。許多國家對水稻種植除草的機械有很大的研究。 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苗間除草裝置的設計與仿真- 2 -種與草種同時萌發(fā)，根系深度無明顯差異，雜草個體生長空間大，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，植保機具無法下田。因此，直播水稻田雜草防治以化學防治為主，即施用高效除草劑滅草，少見機械除草方式。近年來，隨著傳感器和人工智能技術(shù)的發(fā)展，雜草視覺識別技術(shù)發(fā)展迅速，并應用于除草機器人的研究。Lee 等研究出一種應用機器視覺技術(shù)的除草機器人，該機器人可以識別株間雜草，并控制噴頭定點噴藥。Lamm 等建立了一個實時的棉田雜草視覺識別系統(tǒng)，識別雜草并進行噴藥。雖然歐美國家智能除草技術(shù)的研究主要針對旱田作物，但其技術(shù)帶動了除草劑變量噴施、減量化學投入技術(shù)的發(fā)展，為水田智能除草機器人的開發(fā)提供了技術(shù)基礎。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械化水平最高。近年來，有機農(nóng)業(yè)在日本發(fā)展迅速，有機稻米頗受消費者的青睞，因此，根據(jù)市場的需求以及有機稻栽培的生產(chǎn)要求，一些研究機構(gòu)和農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)了水田除草機。市場上出售的水田除草機按照行走方式主要分為步進式和乘坐式 2 種，其中乘坐式又可細分為三輪乘坐式和四輪乘坐式，不同機種除草部件的相應結(jié)構(gòu)如表 1-1 所示。表 1-1 日本主要水田除草機類型行走方式 除草部件 除草部件樣式 代表型號 廠家安裝位置 行間 株間步進式 拖拉機前方 除草輥 轉(zhuǎn)動彈齒盤 MSJ-4(W) 合同產(chǎn)業(yè)（兩輪） 轉(zhuǎn)動傘狀盤 MSJ-6(W) 美善SMW乘坐式 拖拉機尾部 旋轉(zhuǎn)耙齒 擺動耙齒 SJBP6(S)D 洋馬農(nóng)機（四輪） SJ-6(8)IVZ 久保田擺動梳齒 擺動梳齒 SJ-6(8)IVZ 井關(guān)農(nóng)機耙齒 固定除 LVW-6(8) 三菱農(nóng)機乘坐式 前后輪之間 除草輥 固定除 MRW-5 三菱農(nóng)機（三輪） 草鋼 RW-40 轉(zhuǎn)動彈 RW-50 實產(chǎn)業(yè)齒盤 RW-80（1）步進式水田除草機圖 1-1a 所示的和同產(chǎn)業(yè) MSJ-4 型步進式水稻田間除草機，行間除草部件為隨動的除草輥，株間除草部件為一對驅(qū)動轉(zhuǎn)動的彈齒盤。該機工作時水深為 810 cm，作業(yè)速度為 0.20.3 m/s 時，作業(yè)效率為為 0.40.6 hm2/h。此外，美善株式會社研發(fā)的步進式水田除草機的株間除草部件也具有一定特色，株間除草工作由一對隨動轉(zhuǎn)動的傘狀除草盤完成，行間除草部件與洋馬步進式除草機類似，如圖 1-1b 所示。步進式除草機的優(yōu)點是其在地頭轉(zhuǎn)向靈活，傷苗較少，但其工作效率較乘坐式除草機低。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 3 -a. 和同產(chǎn)業(yè) MSJ-4 型 b. 美善 SMW 型圖 1 -1 步進式水田除草機（2） 乘坐式水田除草機1998 年至 2000 年期間，日本生研機構(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，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梳齒。以久保田 SJ-8N 為例，機具工作時，驅(qū)動高速轉(zhuǎn)動（100200 r/min）的耙齒除去行間雜草，沿機具前進方向左右擺動(頻率 3.77.3 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 46 cm；株間除草作用幅寬 13 cm，作業(yè)深度 24 cm。該機作業(yè)速度為 0.40.6 m/s，作業(yè)效率為 1.32 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)擺動式水田除草機生研機構(gòu)還研制了一種行、株間都應用擺動梳齒除草的水田除草機，并由井關(guān)公司試制，如圖 1- 3 所示。在生研機構(gòu)附屬農(nóng)場對以上 2 種除草機的除草性能進行了比較試驗，如表 1-2 所示，試驗結(jié)果表明驅(qū)動轉(zhuǎn)動式的除草部件較擺動式除草部件的行間除草效果好，水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 4 -行間平均除草率可達到 85%以上，擺動梳齒式株間除草器的平均除草率在 40%50%之間。圖 1-3 擺動式水田除草機表 1-2 種除草機作業(yè)性能機具樣式 除草位置 除草率 （%）06-20 06-27 07-04 全作業(yè)轉(zhuǎn)動 行間 86 86 88 88擺動式 株間 56 11 42 41平均 73 11 57 62擺動式 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架上的除草鋼絲，行間除草部件有隨動耙齒和除草輥 2 種。圖 1-4a 所示的三菱 LVW-8 型除草機株間除草作業(yè)深度為 35 cm，作業(yè)幅寬 16 cm。該機作業(yè)速度約為 0.8 m/s，作業(yè)效率為 3.3 hm2/h 左右。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 5 -a. 三菱 LVW-8 型 b. 三菱 MRW-5 型圖 1-4 三菱水田除草機此外，實產(chǎn)業(yè)公司生產(chǎn)的三輪乘坐式水稻田間除草機，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稻苗的損傷。圖 1- 5 RW-50 型水田除草機目前日本市場上出售的水田除草機種類較多，已經(jīng)在水稻生產(chǎn)中實際應用，但機械除草效果（除草率）仍較化學除草有很大差距，尤其是株間除草率不高，因此，急需加強對株間除草部件的研究和改進，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防治為主，輔以簡易除草器或人工除草。近年來，印度也有機動水田除草機的研究，僅能進行行間除草，Tajuddin 等研制的水田行間除草機可同時進行 3 行作業(yè)，作業(yè)效率為 0.075 hm2/h。韓國水稻機械化種植程度較高，目前雜草防治也主要以化學防治為主。部分機械除草水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 6 -設備主要從日本引進，然后結(jié)合當?shù)貙嶋H，對除草關(guān)鍵部件進行改進，最后通過試驗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 50 年代開始機動水田中耕除草機的研究，到 20 世紀 80 年代初相繼有十余種機型。如浙江省機械科學研究所設計的立旋式水稻中耕除草機；東北農(nóng)學院研制的 SZD-6 旋耕式水田中耕除草機等，但當時研制的除草機只適用于行間除草，而不能除掉株間雜草。隨著除草劑在中國水稻生產(chǎn)中的廣泛應用，在相當一段時間內(nèi)，水田機械除草方式在中國幾乎絕跡。近年來，隨著人們對環(huán)保和健康的重視，減量或無化學藥劑除草方式得到提倡，水田機械除草技術(shù)又被重新關(guān)注，部分研究機構(gòu)和農(nóng)機企業(yè)研制了新型水田除草機，但目前仍未大面積應用。圖 1-6 為南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的 2BYS-6 型水田中耕除草機，其行間采用旋轉(zhuǎn)部件，株間使用擺動部件除草，經(jīng)鑒定相對除凈率為 78.1%。延吉市農(nóng)機推廣中心研制生產(chǎn)的 3ZS1 水田除草機應用水平旋轉(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，該機既能消滅行間雜草，又能消滅株間雜草。東北農(nóng)業(yè)大學設計了一種株間除草裝置，通過鋼絲軟軸驅(qū)動彈齒除草盤轉(zhuǎn)動，將土壤攪動、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 70%以上。中國水田行株間除草機研究尚處在理論和試驗研究階段，尚未完成成熟；高地隙水田拖拉機的研究滯后，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尚未對中國市場開放，因此，急需借鑒國外先進的技術(shù)并結(jié)合中國水稻生產(chǎn)實際，開發(fā)水田中耕除草裝備，為中國有機稻米的生產(chǎn)提供技術(shù)保障。1.行間旋轉(zhuǎn)除草部件 2.株間擺動除草部件 3.動力傳遞系統(tǒng) 4.機架 5.液壓仿行機構(gòu)圖 1-6 2BYS-6 型水稻田間除草機水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 7 -1.2.3 水稻田間機械除草技術(shù)發(fā)展趨勢水稻田間機械除草裝備和技術(shù)的研究取得了一些研究進展，但是水稻株間機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，水田機械除草技術(shù)應朝著智能化、仿生化和多技術(shù)聯(lián)合化發(fā)展，使機械除草技術(shù)在水稻生產(chǎn)中得到更多的應用并發(fā)揮更大的作用。1）智能機械除草技術(shù)智能機械除草技術(shù)是指除草機械具有智能識別功能，能夠識別或感知雜草的分布信息、位置、密度等生長情況，進而指令除草執(zhí)行部件精確去除雜草的技術(shù)。應用機器視覺技術(shù)識別農(nóng)田雜草的研究較多，比較成熟的專用雜草識別產(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相互遮掩，僅利用機器視覺技術(shù)并不能完全將雜草識別出來，還需要一種新的智能識別技術(shù)作為視覺識別技術(shù)的補充。機器觸覺技術(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，可用來補充視覺所不能識別的情況，如雜草與作物的相互遮掩情況。如果將機器視覺技術(shù)與機器觸覺技術(shù)相融合，一定能夠提高水田雜草的識別精度。近年來，日本已有水田智能除草機器人的研究，主要應用機器知覺技術(shù)識別雜草，實現(xiàn)智能機械除草。如果除草機上配套雜草智能識別系統(tǒng)，一定能夠提高除草效果，減少除草過程中對稻株的損傷。2）仿生機械除草技術(shù)仿生機械除草技術(shù)是指對食草動物和土壤動物的生物性能和行為進行模仿，將其結(jié)構(gòu)特征、運動機理以及行為特征運用到除草機械的設計中，完成仿生機械除草的技術(shù)。自然界的生物經(jīng)過千萬年的優(yōu)勝劣汰的進化過程，形成了具有特殊功能的本領。如土壤動物的遇黏不粘功能，某些食草動物食草不食稻的特殊習性，如果能夠應用機械仿生的相關(guān)理論，融合土壤動物和食草動物的生物功能，設計仿生除草關(guān)鍵部件，一定能夠改善除草效果、降低傷苗率，降低機械能耗、提高工作效率。因此，仿生機械除草技術(shù)的研究，也是水稻田間機械除草技術(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)，如機械除草技術(shù)、化學除草技術(shù)、生物除草技術(shù)以及其它方式的多種除草技術(shù)有機結(jié)合在一起，提高除草效果。目前，水田株間機械除草方法的除草精度不高，如果一臺除草機上行間雜草采用機械除草方式，株間雜草采用化學除草方式，這樣既能提高除草率，又能減少除草劑的施用量。此外，據(jù)報道稻糠除草、稻鴨共育、紙膜覆蓋等有機稻田草荒控制技術(shù)也有較好的除草效果。因此，合理、有效地將機械除草技術(shù)與其它各種除草技術(shù)有機結(jié)合，形成系列化的聯(lián)合除草技術(shù)，也是水田機械除草技術(shù)發(fā)展趨勢之一。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 8 -1.3 水田機械除草關(guān)鍵部件研究現(xiàn)狀水田機械除草關(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，水田機械除草關(guān)鍵部件從工作原理上可分為：機械式、機械氣力式及機械液力式等。1.）機械式目前，水稻行間雜草機械式除草技術(shù)已經(jīng)相對成熟。由于，水稻行間無稻列干擾，可使用旋轉(zhuǎn)、拋切、拉拔或埋壓等機械動作，完成行間除草作業(yè)，而不必擔心稻苗損傷。常用的行間除草器通常為轉(zhuǎn)動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作方式一般有 3 種，即對轉(zhuǎn)式、擺動式和固定式，如圖 1-8 所示。對轉(zhuǎn)式株間除草通常是由兩個作相對轉(zhuǎn)動的彈齒盤，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；擺動式株間除草即通過與稻列垂直方向作往復擺動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)強度，機具工作時，株間除草部件橫跨在秧苗列兩側(cè)，隨著機具前進拖、拔或埋沒株間雜草。目前，3 種不同動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。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 9 -a. 對轉(zhuǎn)式b. 擺動式c. 固定式圖 1-8 常用株間除草部件2.）機械氣力式機械氣力式除草技術(shù)應用機械式和氣力式 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 所示的是日精電機和公司發(fā)明的機械氣力式水田除草機，行間除草部件為隨動轉(zhuǎn)動耙齒，株間采用高壓氣體配合機械拍打運動除草。株間除草的工作原理是電源帶動空氣壓縮機工作，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作，除去株間雜草，由于移栽稻稻株根系比雜草根系發(fā)達，氣流僅將稻株吹至變形，卻不損壞稻苗。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 10 -1.電源 2.空氣壓縮機 3.電動機 4.氣管 5.壓鐵 6.噴射口圖 1- 9 機械氣力式水田除草機3.）機械液力式機械液力式除草技術(shù)行間應用機械部件除草，株間由高壓液體除草。圖 1-10 所示石井農(nóng)機公司發(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、噴射角度和機具行駛速度對切斷效果的影響。1.浮板 2.液體管路 3.機架 4.行間除草部件 5.株間除草部件圖 1-10 機械液力式水田除草機除了上述介紹的幾種除草技術(shù)外，也有應用電力和熱力除草的研究，但目前尚未應用到水田中，僅對旱田進行了試驗。電力式除草原理主要依據(jù)的是雜草和作物對電流敏感程度的差異，強電流能有效地消除雜草，而對農(nóng)作物無害；熱力除草方法是通過專門器具用水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 11 -丙烷火焰把雜草燒熱，使雜草細胞受熱膨脹，脹破細胞壁，蛋白質(zhì)凝固，使雜草枯萎，除草率可達到 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)有望應用于水稻田間除草的實際生產(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的關(guān)鍵部件，針對水稻生長過程中，水稻根部入土深度明顯大于雜草根深的特點。采用理論分析，模擬仿真相結(jié)合的方法，對苗間除草機的機理與參數(shù)進行研究。為苗間除草設備與水田除草機械的研發(fā)提供了科學依據(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行除草。(2) 除草裝置的結(jié)構(gòu)設計。除草裝置包括動力裝置、動力傳遞部分，除草輪。動力傳遞采用鋼絲軟軸傳遞。鋼絲軟軸可以改變動力傳遞的方向適合于受連續(xù)振動的場合以緩和沖擊，使除草裝置的機構(gòu)更加緊湊。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 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 水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 13 -圖 2-3 深度調(diào)節(jié)器總成此水田除草機苗間除草裝置主要由除草盤、軟軸傳動彎管、鋼絲軟軸、換向裝置、深度調(diào)節(jié)器、聯(lián)軸器、電動機、機架組成,如圖 2-1 所示。電動機固定在機架上。動力從電動機輸出，經(jīng)聯(lián)軸器通過軸傳遞給換向裝置。換向器把動力分配給彎管內(nèi)的兩個鋼絲軟軸，而且兩鋼絲軟軸旋轉(zhuǎn)方向相反。最終驅(qū)動兩個出操盤在垂直于前進方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。左右除草盤對稱安裝，兩盤的旋轉(zhuǎn)方向相反。由鋼絲軟軸驅(qū)動除草盤轉(zhuǎn)動，將土壤攪動、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，在工作過程中動力輸送，電動機聯(lián)軸器軸換向器鋼絲軟軸除草盤。2.2 零件設計2.2.1 苗間除草部件設計參數(shù)幾何關(guān)系分析除草盤隨著除草機沿著苗行前進方向平動, 又繞垂直于苗行方向旋轉(zhuǎn)。當除草盤上一水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 14 -個彈齒與地面垂直時, 其除草彈齒的有效部分與機器前進方向呈一定角度。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草盤在工作時參數(shù)和位置關(guān)系示意圖除草盤在工作時參數(shù)和位置關(guān)系如圖 2-5。vf 為除草盤前進速度; v 為除草彈齒的圓周速度; vr 為除草彈齒在最低點的合速度; 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 為當除草盤剛好轉(zhuǎn)過一個彈齒的圓周間距 S 時除草盤前進的距離。為了達到良好的除草效果, 應滿足(1) (2)tan = =12式中 -除草盤轉(zhuǎn)速,r/min -除草盤直徑, mm 1水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 15 -由 vf 和 v 決定, =12(3)=式中 -除草盤彈齒數(shù)由式(1)(3)得 (4)sin2令 由式 ( 4)得=(5)sin2式中: 除草彈齒的有效部分；bK- 除草盤除草速比, K ( 3, 8) (試驗測得)除草盤直徑；d除草盤彈齒數(shù)。n由K 決定, 。=12式( 5)為除草盤運動參數(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、除草機前進速度、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(minh最大耕作深度, )315(ax為避免試驗中除草盤旋轉(zhuǎn)軸纏苗,依據(jù)秧苗返青后的高度,在試驗中H取值為80100 mm;最大耕作深度h取值為1530 mm,此深度能保證雜草從根部清除。當 H取100 mm、最大耕作深度h 取30 mm 時, D 260 mm。當直徑過大時, 會產(chǎn)生振動, 平穩(wěn)性差;直徑過小時,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 。彈齒采用彎型設計, 弧度半徑約為250 mm, 焊接時彈齒扭過一定角度,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有一定高度。根據(jù)試驗時秧苗高度, 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, 浪費材料, 同時機體笨重; 厚度太小, 在焊接彈齒時, 容易發(fā)生變形, 故選用厚度5mm。2)彈齒數(shù)水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 16 -為了刀盤工作時不纏苗， 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，這樣除草率會降低。經(jīng)查閱相關(guān)文獻，彈齒的數(shù)量為 36 時，可以保證不纏草、不纏苗，且能達到良好的除草效果。因此，本文選擇彈齒數(shù) 進行試驗5z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。本設計mm。min(8510)H4)入土角與出土角的研究入土角是指刀齒即將要入土時，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時，刀齒與地面之間形成的夾角。入土角的設計應保證刀齒在入土時土壤阻力較??；并且在刀齒運動到最低位置過程中，刀齒可以達到一個較大的深度。（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，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?shù)侗P離地間隙85mm時的入土角及出土角示意圖。圖2-6（b）為刀盤離地間隙100mm時的入土角及出土角示意圖。設入土角為 ，出土角為 ，從入土到出土擺動的角度為 。由分析可知：.當?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)水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 17 -資料表明，當出土角超過100°時，會影響脫泥，脫草性能。本設計的出土角大于100°，在無水的情況下，脫泥，脫草現(xiàn)象嚴重；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，在機器運轉(zhuǎn)的時候，大部分是在秧苗土壤下的一小段距離。這個高度能滿足彈齒除草的作用，但是同時對秧苗也有一定的影響。在除草的過程中，可能會打傷秧苗，或由于這個力的存在，在除草過后秧苗會向一側(cè)傾斜，或由于力過大會將秧苗直接打出土壤。2.2.2 除草盤運動分析1)彈齒的運動軌跡除草盤彈齒的絕對運動為2 種運動的合成（圖 2-7） ，即由除草盤繞軸心旋轉(zhuǎn)的圓周運動和機器直線運動合成。除草盤的合成軌跡成螺旋線形，其合成運動按公式（6）計算。(6)=式中，彈齒除草盤轉(zhuǎn)動角度，rad；t工作時間，s；S機器前進距離，m。圖2-7 左除草盤運動軌跡水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 18 -圖2-8彈齒工作軌跡2)彈齒入土軌跡除草盤上某個彈齒的 2 次入土點在機器前進速度方向上的距離記作 S，mm。c 為某一彈齒入土點和出土點在機器前進方向上的距離，mm。圖 2-8 為彈齒入土軌跡圖。每條曲線都代表一個彈齒在入土到出土所走過的軌跡。2.2.3 苗間除草刀盤的受力分析彈齒式苗間除草盤在工作時，其上面焊接的彈齒的入土部分上的每一點，均會在入土后受到土壤的作用力，其中最主要的作用力是在機器前進方向上的土壤阻力 F2 和轉(zhuǎn)動方向上的土壤阻力 F1，以左除草盤彈齒上頂點進行分析，如圖 2-9 所示。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 19 -1F1תÏòÇ°½ø·Ïò2231.泥土 2.彈齒轉(zhuǎn)動軌跡圓 3.彈齒圖 2-9 彈齒受力分析刀盤所受合力 F 為 1520N，盤齒的彎矩 。2maxDFM因為 (7)Wmaxax式中： 刀盤齒根所受應力。 MPadDFM5.14326.032max 查表可知 Pa80max又因為 水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 20 -， (8)EIFlB3IlB2令 , ， , 得： NF20MPa750m150446mdrd78.B460又因為 mB.因此，綜合上述可知強度滿足條件，設計合理。2.2.4 苗間除草刀盤的材料的選擇彈齒材料的選擇盡量考慮生活中常見材料。本次試驗彈齒材料的選擇為三種材料，并分別對各種材料在除草作業(yè)過程中的性能做了比較。第一種材料為鍍鋅鋁合金：此材料為日常常見的自行車輻條。柔軟，易彎折，重量輕，在刀盤進行工作旋轉(zhuǎn)時，重量多集中于刀盤輪轂處，所以在齒尖處力量小，可以降低傷苗率。但此種材料，在土壤中，遇到泥土阻力，容易發(fā)生變形，所以排除。第二種材料為 Q235：這種材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，價格便宜，使用于一般結(jié)構(gòu)鋼和工程用熱軋鋼板、鋼帶、型鋼，用途廣泛。但其雜質(zhì)多，并且在刀盤旋轉(zhuǎn)工作時與輪轂焊接處易斷裂。第三種材料為彈簧鋼：彈簧鋼多用于制造彈簧零件，具有較高的抗拉強度、屈強比和疲勞強度，且具有足夠的塑性和韌性，同時彈簧鋼較硬，在碰到硬質(zhì)物體不易變形。彈簧鋼綜合性能良好。經(jīng)過幾次試驗研究，綜合考慮，彈齒材料選擇彈簧鋼。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 21 -2. 3 深度調(diào)節(jié)器的設計圖2-9深度調(diào)節(jié)裝置的低位 圖2-10深度調(diào)節(jié)裝置的高位圖2-11夾緊螺釘螺母 圖2-12壓土滾子剖面圖現(xiàn)在的水田除草機有一部分不能夠調(diào)節(jié)除草盤與地面的高度，有一些除草機可以調(diào)節(jié)除草盤與地面的高度，但是不能夠自由的調(diào)節(jié)。如此這樣由于除草盤與苗間的高度不能夠自由的調(diào)節(jié)，使得除草盤與苗的高度不適宜，使除草盤上的彈齒不能把苗周圍的雜草很好的撥出，從而影響了除草率。也達到不了疏松土壤的效果。本裝置在機架的兩側(cè)分別安裝了支架，支架下部是壓土滾。橫梁上有夾緊螺絲可以夾水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 22 -緊支架。如圖 2-9 圖 2-10，分別是不同的高度。除草滾還可以對行間的雜草進行很好的去除達到行間除草的效果。這樣兩邊的支架高度可以自由的調(diào)節(jié)，使此裝置能夠更適應不同的地勢，達到更好的除草效果.2. 4 裝置的運動參數(shù)分析通過預備試驗可知 ,決定苗間除草質(zhì)量的關(guān)鍵因素是除草盤回轉(zhuǎn)中心軸與秧苗的水平距離及除草盤的耕作深度。圖 2-12 為除草盤距秧苗水平距離及耕作深度示意圖 ,O 點為彈齒的入土點。第 1 次試驗在秧苗返青后第 7 天進行 ,通過觀察 ,此時雜草根系長度為 1020 mm,為了從根部清除雜草,同時避免在除草過程中深度過大 ,造成傷苗 ,所以耕作深度 h 選擇為 1530 mm。結(jié)合除草盤的設計及多次試驗 ,最終確定距離 L 為 80 mm 左右 ,該距離可以有效地清除秧苗兩側(cè)的雜草 ,同時能夠保證刀齒的耕作深度適宜。當除草盤距秧苗 80 mm 時 ,可清除株間及株旁雜草的距離 S 在 1831 mm。經(jīng)預備試驗,確定除草盤轉(zhuǎn)速 150250 r/min,機器前進速度 0.31.2m/s。h¡ä234o圖 2-13 除草盤距秧苗距離及入土深度1.除草盤 2.彈齒 3.秧苗 4.根系水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 23 -3.動態(tài)仿真動態(tài)仿真過程中無干涉，運行情況良好，仿真情況如下圖圖 3-1 除草盤 圖 3-2 深度調(diào)節(jié)器圖 3-3 聯(lián)軸器 圖 3-4 整機俯視圖水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 24 -圖 3-5 整機正視圖 圖 3-6 整機斜視圖本設計用的 Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 軟件進行的零件設計，整個裝置的裝配，和動態(tài)仿真。在仿真過程中兩個彈齒除草輪能夠轉(zhuǎn)動，并且在轉(zhuǎn)動過程中沒有干涉。兩個除草輪相背向裝，這樣可以防止在除草過程中兩個除草輪發(fā)生干涉的問題，與此同時還可以達到很好的除草效果。本裝置中的高度調(diào)節(jié)器可以升級，在仿真過程中此功能也得到了驗證，并且很實用。通過 Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 軟件仿真可以更加清晰地看出機械各部件之間的工作關(guān)系，各個部件的運轉(zhuǎn)情況。同時也能夠突出本裝置的特點，使大家更加容易直觀的觀察它的結(jié)構(gòu)。通過仿真可以驗證本設計的可實用性，能夠進行水田的苗間除草。達到了預期的設計目的，完成了設計任務。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 25 -4.結(jié)論本文結(jié)合水田機械化的實際要求，開展水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真。現(xiàn)有裝置的固化在本次設計中得到了應用，而且還增加了除草高度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了除草深度的調(diào)節(jié)。綜合全文取得的主要成果有：1）本文增加了除草裝置的深度調(diào)節(jié)器的設計實現(xiàn)了裝置的深度自由調(diào)節(jié)。使除草裝置能夠適應更加復雜的地形。2）苗間除草裝置的設計減少了化學除草劑的使用，同時大大減輕了農(nóng)民的勞動強度，提高水稻除草作業(yè)速度，爭搶農(nóng)時，推進水稻生產(chǎn)機械化。3）經(jīng)過裝置的 Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 的動態(tài)仿真清楚觀察機構(gòu)的特點。觀察苗間除草裝置的三維模型，了解機構(gòu)的工作情況。4）研究了系統(tǒng)知識來源，在查閱和整理文獻時獲得大量的文字圖像等資料，并對其進行了詳細整理和歸納，為之后的研究和改進做了必要的準備。水田除草機苗間除草裝置的設計與仿真- 26 -參考文獻1李江國,劉占良,張晉國,等. 國內(nèi)外田間機械除草技術(shù)研究現(xiàn)狀 J . 農(nóng)機化研究, 2006 (10) : 1416.2吳競侖,周恒昌. 稻田雜草化學防除 M . 北京:化學工業(yè)出版社, 2003: 6465.3明玉崗. 水田中耕除草機試驗與研究 J . 江蘇農(nóng)機化, 2006 (1) : 1819.4李東升,張蓮潔,蓋志武,等. 國內(nèi)外除草技術(shù)研究現(xiàn)狀 J . 森林工程, 2002, 18 (1) : 1718.5桑正中. 農(nóng)業(yè)機械學 M . 北京:機械工業(yè)出版社, 1988.6趙艷忠.機械設計基礎 M .東北農(nóng)業(yè)大學出版，2001(6):210-219 341-3507王金忠, 陳琪. 3ZS6 型耕旋聯(lián)合除草機 J . 農(nóng)牧與食品機械, 1994(2) : 2223.8明玉崗. 水田中耕除草機試驗與研究 J . 江蘇農(nóng)機化, 2006(1): 18.9周良墉. 3ZS 1 型水田除草中耕機 J . 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偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，王金峰老師。我不是您最出色的學生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。同時，我也要感謝所有在我四年的求學生活中，曾經(jīng)教導過我，幫助過我的老師和同學們，因為您們的教導和幫助，我才能順利的走位了四年的求學之路。我還要感謝我的父母，是他們辛辛苦苦把我養(yǎng)育成人，供我完成學業(yè)， 養(yǎng)育之恩，無以為報。我只有以優(yōu)異的成績回報他們。畢業(yè)后我要好好工作，回報社會，回報國家。另外我還要感謝本文“參考文獻”中列出的各類期刊、出版物的作者，因為我曾經(jīng)站在你們的肩膀上。最后衷心感謝對我論文進行評審和答辯的各位專家教授，感謝對此篇論文的指導和提出的寶貴意見。最后向所有關(guān)心和幫助過我的人們致以衷心的感謝！祝你們身體健康，萬事如意！