曲面輪齒斜置式稻田行間除草裝置設計與試驗

王金武 馬驍馳 唐 漢 王 奇 吳亦鵬 張振江

(1.東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.南通富來威農業(yè)裝備有限公司， 南通 158400；3.黑龍江牡丹江農墾向明農業(yè)機械制造有限公司， 虎林 226009)

0 引言

機械除草是一項環(huán)境友好型雜草防控技術[1]，具有無化學污染[2-4]、可改善土壤物理環(huán)境[5]、促進作物生長發(fā)育[6-7]、提高水稻產(chǎn)量[8-9]等優(yōu)點，近年來已被大面積推廣使用。水田土壤、旱田土壤特性不同，水田土壤長期浸水，具有含水量高、強度低、粘性大等特點[10]，使水田除草作業(yè)性能和作業(yè)穩(wěn)定性較難保證，這也是水田機械除草的重點與難點。因此，高效的機械除草是提高水稻品質和保證水稻安全的基礎。

目前，行間機械除草裝置按結構形式主要分為鼠籠式和耙齒式。近年來，國內外相關學者對水田除草裝置進行了結構優(yōu)化設計[11-13]和除草機整機輕簡化設計[14-15]，而鮮見對除草關鍵部件結構的創(chuàng)新性設計，并且缺乏關于除草關鍵部件結構與除草性能間關系的研究?，F(xiàn)有除草裝置的除草輪多為多個金屬板條橫置或豎置焊接于除草輪盤，對土壤擾動不足、易黏附土壤和掛草，導致除草作業(yè)性能不穩(wěn)定；通過減小作業(yè)幅寬可降低除草輪及其安裝架在作業(yè)過程中對稻株莖葉和根系的損傷，但導致其有效除草幅寬和除草率均同時下降；除草輪與安裝架多為剛性連接，其仿形能力差，無法保證作業(yè)性能的穩(wěn)定。因此，需要開發(fā)一種能夠高效、穩(wěn)定的水田行間除草裝置。

針對以上問題，本文設計一種被動式曲面輪齒斜置式稻田行間除草裝置，通過理論分析確定除草輪盤結構形式和影響作業(yè)性能的結構參數(shù)及取值范圍，通過正交旋轉試驗與顯式動力學仿真確定除草輪盤的最優(yōu)參數(shù)組合，通過田間對比試驗驗證該裝置的作業(yè)性能。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

曲面輪齒斜置式稻田行間除草裝置的結構如圖1所示，主要由固定架、壓力調節(jié)彈簧、支架、除草輪安裝架、曲面輪齒除草輪和固定軸承等部件組成。曲面輪齒除草輪是該裝置的關鍵工作部件，由除草輪圓盤和曲面除草輪齒組成，兩個除草輪對稱斜置布置。張緊彈簧兩端掛接在除草輪安裝架和支架上。

1.2 工作原理

該裝置由插秧機機頭提供動力，通過機架掛接在三點懸掛架上，沿插秧機前進方向運動。作業(yè)前，根據(jù)入土深度要求調節(jié)限深滑掌使裝置在恒定深度下運行；根據(jù)不同水田地況調節(jié)仿形機構彈簧擋位，以實現(xiàn)除草裝置遇到田間障礙物或水田地況軟硬不均時仍可穩(wěn)定工作，提高作業(yè)性能穩(wěn)定性。作業(yè)時，除草輪在插秧機拉力和泥土摩擦力的作用下在行間作業(yè)區(qū)域內作被動旋轉；以特定斜置角度對置安裝的兩除草輪圓盤使除草輪整體“上寬下窄”，在保證除草幅寬的同時減小除草輪最下方寬度，有效降低對秧苗根系的損傷；除草輪各輪齒偏移角度與除草輪安裝斜置角度相同，提高輪齒入土面積，為除草輪被動旋轉提供穩(wěn)定驅動力；各曲面除草輪齒順次入土、壓埋雜草并攪動土壤，隨后帶動雜草根部與接觸泥土翻轉并帶出泥土層，使雜草漂浮于水面；曲面除草輪齒出土后，附著在其表面的雜草和泥土在所受合力作用下沿輪齒外表面滑脫，避免掛草現(xiàn)象發(fā)生，從而去除作業(yè)幅寬內生長的雜草，完成稻田行間除草作業(yè)。

2 關鍵部件設計

2.1 曲面輪齒除草輪

2.1.1除草輪輪齒形式確定

除草輪輪齒結構直接影響除草性能，為探究不同輪齒結構對除草裝置作業(yè)性能的影響，對曲面結構和直面結構除草輪輪齒作業(yè)過程進行力學分析。

(1)入土壓埋過程

將土壤視為質點(以下簡稱土壤顆粒)，建立土壤-輪齒力學分析模型。取除草輪輪齒上一土壤顆粒M，對其入土過程進行力學分析。除草輪作業(yè)時的前進速度和轉速為勻速運動，作業(yè)深度保持穩(wěn)定。如圖2所示，以土壤顆粒中心點為原點O，過土壤顆粒作曲面齒切平面，平行于切平面方向為x軸方向，垂直于切平面方向為y軸方向，建立直角坐標系Oxy。土壤顆粒M受力包括：輪齒對土壤的正壓力N(曲面輪齒和直面輪齒分別用Nq和Nz表示)、摩擦力f和重力mg。在入土過程中，輪齒對土壤施加的正壓力越大，其對雜草壓埋強度越高，因此對正壓力N進行分析。

以輪齒曲面結構為例，土壤顆粒M受輪齒對土壤正壓力為

Nq=mgcosσ1/μ

(1)

式中σ1——入土過程曲面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

μ——土壤與除草輪齒摩擦因數(shù)

同理可得

Nz=mgcosσ2/μ

(2)

式中σ2——入土過程直面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

當輪齒剛接觸土壤時，σ1=σ2。隨著輪齒逐漸入土，σ1<σ2，即Nq>Nz。因此，曲面輪齒對雜草壓埋能力優(yōu)于直面輪齒。

(2)出土脫附過程

取除草輪輪齒上一土壤顆粒Q，對其出土過程進行力學分析。坐標系建立方式與入土過程相同。土壤顆粒Q受力有重力mg、摩擦力f和輪齒對土壤的支持力FN，如圖3所示。出土過程中，土壤在輪齒上所受滑脫合力越大，其滑脫效果越好，越不容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，對土壤滑脫時所受合力Fh進行分析。

以輪齒曲面結構為例，假設土壤顆粒Q沿除草輪齒表面只進行滑動，無跳動和滾動現(xiàn)象。因此，mgsinσ3可分解為向土壤提供向心力的分力F1和用來平衡支持力FN的支反力F2，其中F1又可分解為土壤牽連運動向心力Fe和切向分力Ft，建立土壤顆粒Q力學平衡方程為

Farn=marn=FN-F2=0

(3)

Fe=mae=mω2rQ=Ft/cosξ

(4)

Fart=mart=Ft+mgcosσ3-μFN

(5)

式中Farn——土壤顆粒Q所受法向力，N

arn——土壤顆粒Q法向相對加速度，m/s2

ae——土壤顆粒Q牽連加速度，m/s2

ω——除草輪轉動角速度，rad/s

rQ——土壤顆粒Q與旋轉中心間距離，mm

ξ——土壤顆粒Q和旋轉中心連線與切平面夾角，(°)

Fart——土壤顆粒Q所受切向力，N

art——土壤顆粒Q切向相對加速度，m/s2

σ3——出土過程曲面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

由式(3)～(5)可得

Fhq=mart=mgcosσ3-μmgsinσ3+mω2rQcosξ+μmω2rQsinξ

(6)

式中Fhq——曲面輪齒上土壤滑脫時所受合力，N

同理可得

Fhz=mart=mgcosσ4-μmgsinσ4+mω2rQcosξ+μmω2rQsinξ

(7)

式中Fhz——直面輪齒上土壤滑脫時所受合力，N

σ4——出土過程直面輪齒接觸土壤所受重力方向與切平面方向夾角，(°)

當土壤顆粒開始滑脫時，σ3=σ4。隨著土壤顆粒沿除草輪齒滑脫可得σ3<σ4，于是mgcosσ3>mgcosσ4、μmgsinσ3<μmgsinσ4，即Fhq>Fhz。因此，曲面輪齒滑脫能力優(yōu)于直面輪齒。

綜上所述，輪齒曲面結構相比于直面結構在入土過程對雜草壓埋能力和在出土過程對土壤滑脫能力均更優(yōu)，因此選用曲面結構設計除草輪輪齒。

2.1.2除草輪結構參數(shù)確定

除草輪回轉半徑如圖4所示。

為防止除草輪圓盤出現(xiàn)纏草現(xiàn)象，除草輪圓盤和輪齒數(shù)量需要滿足結構要求[16]

2πr≥l

(8)

(9)

其中

R=r+q

(10)

式中r——除草輪圓盤半徑，mm

l——雜草高度，mm

R——除草輪回轉半徑，mm

q——曲面齒作業(yè)深度(曲面作業(yè)深度等于曲面輪齒投影長度)，mm

i——除草輪輪齒數(shù)量

S——相鄰齒根弦長，mm

采用以除草輪圓盤為圓心的偏心圓的一段圓弧作為曲面輪齒的曲線，構成輪齒曲面結構，如圖5所示。

曲面輪齒曲線的參數(shù)方程為

p2-2epsinδ=ρ2-e2

(11)

式中p——曲面曲線上任一點到除草輪圓盤圓心距離，mm

e——曲面曲線的偏心距，mm

δ——曲線上任一點和除草輪圓盤圓心連線與水平方向夾角，(°)

ρ——曲面曲線的曲率半徑，mm

綜合上述分析，根據(jù)東北地區(qū)除草時期農藝要求，最佳除草時期為插秧后7～20 d，作業(yè)時，泥土深度180～200 mm，返青后控水，泥漿層深度20～50 mm，在插秧后15 d的除草期內水稻秧苗根部深度為80～100 mm，雜草高度一般不超過240 mm[17-18]，雜草根部深度為30～50 mm[19]。綜合以上設計要求，經(jīng)計算，確定除草輪圓盤半徑r=60 mm，曲面輪齒投影長度q為40 mm，除草輪輪齒數(shù)量i為14，曲率半徑ρ取值范圍為60～100 mm，偏心距e取值范圍為80～120 mm。

2.1.3除草輪斜置角度和輪齒結構確定

除草作業(yè)過程中部件使水稻植株傷苗傷根均會影響植株生長和產(chǎn)量[19-20]，為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，本文設計將除草輪斜置從而保證在有效作業(yè)幅寬不變條件下降低對水稻根系的損傷；改變除草輪安裝形式，從而避免安裝架損傷稻株莖葉和掛草現(xiàn)象發(fā)生；將除草圓盤安裝斜置角度和曲面輪齒偏移角度均設置為θ，保證除草輪被動轉動動力和入土深度穩(wěn)定性；設計除草輪齒為梯形結構以便于加工，如圖6所示。

為避免除草輪在作業(yè)過程中出現(xiàn)傷苗傷根現(xiàn)象，應使除草輪最高點幅寬B2不超過兩側秧苗最小間距B1，同時在土壤最低點處幅寬B4小于兩根系最小間距B5，因此，則有

(12)

B4=2b1+d≤B5

(13)

式中d——兩除草輪齒間距離，mm

b1——除草輪齒齒頂寬，mm

綜合上述分析，根據(jù)東北地區(qū)水稻常規(guī)種植要求，種植行距為300 mm。水稻秧苗根系直徑為100 mm[15]，通過實際測量除草期莖葉直徑為40 mm，設計除草輪最上方幅寬B2為250 mm，理論除草幅寬B3為200 mm，除草輪最下方幅寬B4為185 mm，兩除草輪齒間距離d為25 mm。經(jīng)計算并對數(shù)值進行取整，確定除草輪輪齒齒頂寬b1為80 mm、齒底寬b2為15 mm、固裝間距c為10 mm，除草圓盤安裝斜置角度和曲面輪齒偏移角度θ為10°。

2.2 仿形機構

除草裝置作業(yè)時需要根據(jù)不同地塊泥土條件設置除草輪入土壓力，使之能夠在合理的入土深度下作業(yè)，從而保證裝置作業(yè)性能穩(wěn)定一致；同時當遇到障礙物時，需要具有越障能力，防止對裝置造成破壞。因此，本文設計了單鉸鏈結構的仿形機構，通過調節(jié)彈簧伸長量調整除草輪初始入土壓力，實現(xiàn)隨地仿形功能。

為確定仿形機構各部件結構參數(shù)，對仿形機構結構進行簡化，建立Oxy平面直角坐標系，如圖7所示。

當轉臂繞O軸轉動角度τ時，轉臂ACB轉至A′C′B′，由幾何關系得

lByB′y=lOBy-lOB′y=l2cosγ-l2cos(γ+τ)=Δh

(14)

lAyA′y=lOAy-lOA′y=l1sinα-l1(α-τ)=Δh′

(15)

(16)

式中l(wèi)ByB′y——By、B′y之間距離，mm

lOBy——O、By之間距離，mm

lOB′y——O、B′y之間距離，mm

lAyA′y——Ay、A′y之間距離，mm

lOAy——O、Ay之間距離，mm

lOA′y——O、A′y之間距離，mm

l1——O、A之間距離，即鉸鏈點左側轉臂長度，mm

l2——O、B之間距離，即除草輪圓心與鉸鏈點之間距離，mm

l3——O、C之間距離，即鉸鏈點右側轉臂長度，mm

l4——C、B之間距離，即除草輪安裝架豎直方向長度，mm

γ——OB與豎直方向夾角，(°)

α——轉臂與水平方向夾角，(°)

τ——轉動后轉臂與轉動前轉臂夾角，(°)

Δh——除草輪遇到障礙物被迫舉起高度，mm

Δh′——仿形安全彈簧被迫壓縮的長度，mm

當部件在相同地況下作業(yè)時，可以認為該部件為剛性結構，彈簧預緊力和彈簧具體參數(shù)計算式為

F3cosβl1cosα=F4l3cosα

(17)

F3=kΔh

(18)

(19)

式中F3——彈簧預緊力，N

F4——所受土壤支持力，N

β——彈簧彈力與垂直方向夾角，(°)

k——彈簧剛度系數(shù)，N/mm

G——彈性系數(shù)，kg/mm2

d1——彈簧線徑，mm

Dc——彈簧中心徑，mm

Nc——彈簧有效圈數(shù)

綜合考慮作業(yè)地況條件和裝置結構配置，確定轉臂參數(shù)l1=110 mm、l3=50 mm、l4=110 mm，選擇彈簧材質為彈簧鋼(彈性系數(shù)為8 000 kg/mm2)，設定彈簧具體參數(shù)為線徑d1=2 mm、中心徑Dc=18 mm、有效圈數(shù)Nc=54，在上述參數(shù)條件下，仿形機構的初始下壓力調節(jié)范圍為33.93～96.13 N，能滿足作業(yè)要求。

3 LS-DYNA虛擬仿真試驗

采用顯式動力學軟件LS-DYNA建立除草輪-水-土壤流固耦合模型，模擬行間除草田間作業(yè)環(huán)境，以土壤擾動率和耦合應力為評價指標，分析影響除草輪作業(yè)性能的主要因素，探尋最優(yōu)結構參數(shù)組合，為后續(xù)田間試驗奠定基礎。

3.1 仿真模型建立

3.1.1除草輪有限元模型

采用Creo3.0軟件建立除草輪三維實體模型。為了縮短仿真運算時間，且合理有效地進行仿真模擬與計算，對除草輪模型進行簡化處理，材料均采用剛性體定義，去除其工作過程中無關的部件。建模后以.stp格式導入hypermesh軟件中，通過六面體網(wǎng)格單元對除草輪模型進行網(wǎng)格劃分，生成k文件后導入到LS-DYNA前后處理軟件LS-PrePost中。除草輪材料采用MAT_RIGID關鍵字進行定義，設置其參數(shù)為：密度0.007 86 g/mm3，彈性模量2.12×105MPa，泊松比0.288[21]。有限元仿真試驗統(tǒng)一使用g-mm-ms單位制。網(wǎng)格劃分后除草輪模型如圖8所示。

3.1.2水-土壤多物質耦合模型

除草輪在實際作業(yè)時的作業(yè)對象為水和土壤的耦合物質。為模擬實際田間作業(yè)狀態(tài)，運用LS-DYNA前后處理軟件LS-PrePost建模功能進行建模。建立兩個長方體實體作為水層模型和土壤模型，將水層模型直接建立在土壤模型上，運用節(jié)點重合命令讓兩個長方體模型進行節(jié)點重合，形成由上至下水-土壤兩物質耦合模型。根據(jù)農藝要求，土壤模型尺寸(長×寬×高)設置為650 mm×300 mm×60 mm，水層模型尺寸(長×寬×高)設置為650 mm×300 mm×30 mm。

土層材料選擇LS-DYNA中的MAT_FHWA_SOIL材料，參數(shù)取值為：土壤密度0.001 61 g/mm3，土粒密度0.002 73 g/mm3，體積模量5.6 MPa，剪切模量1.9 MPa，黏聚力0.015 5 MPa，內摩擦角15°，含水率40%[22]。其他參數(shù)的選取參考MAT147的試驗值[23]。

水層材料選擇LS-DYNA中的MAT_NULL材料，密度0.001 g/mm3，截止壓力-1×10-5MPa。并定義EOS狀態(tài)方程，用于定義土壤和空氣的材料參數(shù)。

采用多物質ALE單元算法的SOLID網(wǎng)格單元來定義水層網(wǎng)格和土層網(wǎng)格單元類型。為實現(xiàn)水與土壤在模型中相互混合，采用多物質耦合關鍵字ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP對模型進行設定，設定該關鍵字命令后，允許一個單元中容納多種ALE物質材料。為模擬真實的水土模型，對水土耦合模型施加重力條件，運用BOUNDARY_NON_REFLECTING關鍵字對水土表面進行約束，對土壤底層施加SPC全約束。后通過CONTROL_ALE關鍵字來對ALE網(wǎng)格光滑化進行激活。虛擬水-土壤復合模型如圖9所示。

3.2 除草輪與水-土壤流固耦合仿真過程

根據(jù)除草輪實際作業(yè)狀態(tài)及除草農藝要求，設置該裝置前進速度為0.8 m/s，入土深度為40 mm。為便于后續(xù)除草輪的運動關鍵字設定，對除草輪設置局部坐標系，并創(chuàng)建向量。除草輪運動可分為勻速直線運動和定軸轉動，因此運用DEFINE_CURVE關鍵字命令對其前進運動速度曲線和旋轉運動速度曲線進行定義。通過BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID關鍵字命令調用速度曲線，對除草輪進行前進運動和旋轉運動的設置。設置CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID流固耦合關鍵字命令，將ALE單元體(水-土壤模型)定義為主結構MASTER，將拉格朗日單元體(除草輪模型)定義為從結構SLAVE，設置罰耦合算法進行流固耦合仿真。仿真狀態(tài)截圖如圖10所示。

3.3 試驗設計

為得到除草輪最優(yōu)結構參數(shù)組合，進行LS-DYNA虛擬仿真試驗。根據(jù)理論分析結果，確定除草輪曲率半徑和偏心距為試驗因素，以作業(yè)后土壤擾動率和耦合應力為試驗指標，采用二因素五水平二次正交旋轉組合試驗設計安排試驗方案，試驗因素編碼如表1所示。

3.4 試驗指標

參照相關文獻，以土壤擾動率和耦合應力作為評價指標。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Levels of experimental factors mm

(1)土壤擾動率

土壤擾動率定義為受破壞導致密度下降的土壤單元數(shù)與土壤復合模型總單元數(shù)的比值，土壤擾動率越大，除草率越高[24]。如圖11所示，后處理軟件LS-PrePost可對不同時刻密度分布進行測定，并對土壤網(wǎng)格單元密度進行導出。通過將數(shù)據(jù)導入Excel軟件中進行整理，得出總網(wǎng)格單元數(shù)與密度下降土壤單元數(shù)，可計算出土壤擾動率Sr。

(2)耦合應力

耦合應力為部件與水-土壤模型作用過程中耦合面上所產(chǎn)生的耦合應力平均值，耦合應力越小，部件所受阻力越小，作業(yè)能耗越小[25]。如圖12所示，后處理軟件LS-PrePost對不同時刻應力分布進行測定和導出，并將數(shù)據(jù)導入Excel軟件中進行整理計算。

3.5 試驗結果分析與優(yōu)化

虛擬試驗操作值與參數(shù)設計值無誤差，可根據(jù)數(shù)據(jù)進行結果分析，具體試驗方案與結果如表2所示，x1、x2為因素編碼值。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Schemes and results of tests

通過Design-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析和因素方差分析，篩選出影響顯著因素，從而得出土壤擾動率y1和耦合應力y2的回歸方程

(20)

(21)

為直觀分析試驗因素與指標間關系，運用Design-Expert軟件得到響應曲面圖，如圖13所示。

根據(jù)上述回歸方程和響應曲面圖可知，除草輪曲率半徑和偏心距對土壤擾動率存在交互作用，如圖13a所示，其中偏心距對土壤擾動率影響比曲率半徑顯著；當偏心距一定時，土壤擾動率隨曲率半徑的增加而增加；當曲率半徑一定時，土壤擾動率隨偏心距的增加而降低。除草輪曲率半徑和偏心距對耦合應力存在交互作用，如圖13b所示，其中偏心距對耦合應力影響比曲率半徑顯著；當偏心距一定時，耦合應力隨曲率半徑增加而增加；當曲率半徑一定時，耦合應力隨偏心距增加而降低。分析上述影響規(guī)律產(chǎn)生的原因可知，除草輪曲率半徑增大，增大了除草輪齒作業(yè)時與土壤接觸面積，從而使土壤擾動率增加，也使耦合應力增加；除草輪的偏心距增大，減小了除草輪齒作業(yè)時與土壤接觸面積，從而使土壤擾動率降低，也使耦合應力降低。

為得到該行間除草裝置最優(yōu)結構參數(shù)組合，對試驗因素進行優(yōu)化設計，遵循提高土壤擾動率、降低耦合應力的原則，采用多目標變量優(yōu)化方法，結合試驗因素邊界條件，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型

(22)

基于Design-Expert軟件中的多目標參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對數(shù)學模型進行分析求解，從優(yōu)化結果中選取一組合理參數(shù)組合，即當曲率半徑為65.86 mm，偏心距為113.27 mm時，行間除草裝置作業(yè)性能較理想，其土壤擾動率為88.21%，耦合應力為0.045 69 MPa。根據(jù)所優(yōu)化的結果進行虛擬仿真驗證，其土壤擾動率為89.63%，耦合應力為0.047 23 MPa，與優(yōu)化結果基本一致。

4 田間試驗

為驗證曲面輪齒斜置式行間除草裝置在田間作業(yè)時工作性能，于2020年6月24日—7月1日在東北農業(yè)大學阿城水稻試驗示范區(qū)進行田間試驗。試驗期間平均氣溫20～25℃，無降雨。試驗田水層深度為20～30 mm，泥腳深度為160～180 mm。水稻秧苗平均高度為220～250 mm，行距為300 mm，株距為150 mm。雜草主要種類有稗草和野慈菇，平均高度100～140 mm。試驗區(qū)平均雜草密度為35株/m2。

該裝置由南通富來威農業(yè)裝備有限公司加工試制，曲面輪齒斜置式行間除草裝置的結構參數(shù)在優(yōu)化結果基礎上進行取整處理：輪齒曲率半徑為66.00 mm，偏心距為113.00 mm。該裝置通過三點懸掛架與插秧機相連。試驗前，調節(jié)機器限深裝置作業(yè)深度為40 mm。試驗時控制插秧機前進速度為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m/s共5個水平，以除草率和傷苗率作為評價指標進行試驗，田間試驗現(xiàn)場如圖14所示。

每次試驗結束后，對除草率和傷苗率進行統(tǒng)計。各試驗區(qū)長度為15 m，設置試驗區(qū)前后各5 m區(qū)域為緩沖區(qū)用于機器啟停緩沖，以便除草機組穩(wěn)定通過試驗區(qū)。

除草率統(tǒng)計方法為在試驗區(qū)內沿機器前進方向選取5個測試小區(qū)，每個測試小區(qū)間隔1 m，目的是便于觀察作業(yè)后雜草數(shù)量及狀態(tài)并方便統(tǒng)計，其測試小區(qū)大小為0.2 m(除草裝置理論作業(yè)幅寬)×1 m。作業(yè)前記錄每個測試小區(qū)內雜草數(shù)，作業(yè)后統(tǒng)計每個測試小區(qū)內剩余雜草數(shù)。該試驗區(qū)除草率即為每個試驗小區(qū)內已除雜草數(shù)之和占每個試驗小區(qū)內雜草數(shù)之和百分比。其中測試小區(qū)內雜草根莖被拉斷、翻埋、漂起定義為已除雜草；雜草根與泥面相連接，可以繼續(xù)生長定義為未除雜草[26]。

傷苗率統(tǒng)計方法為在試驗前記錄試驗區(qū)兩側總秧苗數(shù)，試驗后統(tǒng)計出試驗區(qū)兩側損傷秧苗數(shù)。傷苗率即為損傷秧苗數(shù)占總秧苗數(shù)百分比。試驗區(qū)內被壓折葉片、連根拔起和倒伏定義為損傷秧苗[27]。

每組水平試驗重復3次，測試結果取平均值作為試驗結果。作業(yè)效果如圖15所示，相關數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，在相同作業(yè)情況下曲面輪齒斜置式行間除草裝置的平均除草率為89.66%，平均傷苗率為2.1%，仿真試驗中土壤擾動率用來表征除草率，通過除草率田間試驗結果與仿真試驗結果進行對比可知，更大的土壤擾動導致了更優(yōu)的除草效果，也驗證了仿真試驗的可行性。田間試驗結果表明，曲面輪齒斜置式行間除草裝置除草作業(yè)性能良好，作業(yè)質量滿足水田中耕行間除草農藝要求。

表3 田間試驗結果Tab.3 Test results

5 結論

(1)設計了一種曲面輪齒斜置式行間除草裝置，該裝置能有效清除水田行間雜草，其除草率高、傷苗率低、工作性能穩(wěn)定，作業(yè)質量滿足水田中耕行間除草作業(yè)要求。

(2)對土壤在輪齒表面上的運動過程進行理論分析，結果表明，曲面輪齒結構除草輪的雜草壓埋效果和脫土效果均優(yōu)于直面輪齒結構的除草輪。通過理論分析和數(shù)值計算得出影響作業(yè)性能的結構參數(shù)為除草輪曲率半徑ρ和偏心距e，確定了ρ取值范圍為60～100 mm，e取值范圍為80～120 mm。

(3)運用顯式動力學軟件LS-DYNA構建部件與水-土壤流固耦合仿真模型，以除草輪曲率半徑和偏心距為試驗因素，以土壤擾動率和耦合應力為試驗指標，采用虛擬正交試驗方法建立了因素與指標間的數(shù)學模型，運用多目標變量優(yōu)化方法建立了優(yōu)化模型，得出除草輪輪齒最優(yōu)結構參數(shù)組合為曲率半徑65.86 mm、偏心距113.27 mm。

(4)田間驗證試驗表明，在最優(yōu)結構參數(shù)組合下，曲面輪齒斜置式行間除草裝置平均除草率為89.66%、平均傷苗率為2.1%，滿足農藝要求。