玉米液態(tài)追肥除草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙建國，趙超凡，李 浩，齊浩凱，馬躍進(jìn)，盧占喜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北雙天機(jī)械制造有限公司，河北 定州 073099）

玉米是我國三大糧食作物之一，其產(chǎn)量對于我國糧食安全起著至關(guān)重要的作用［1］。玉米施肥、除草環(huán)節(jié)是保證其茁壯生長、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要措施。目前大部分農(nóng)戶為了節(jié)省勞力和時(shí)間，種植玉米時(shí)往往實(shí)行一次性施底肥，該方式施肥量大，很難平衡玉米不同生長期對肥量的不同需求，尤其到玉米大喇叭口前后期，肥料供給不足凸顯，且追肥多以施顆粒肥為主，肥料利用率低［2］。針對田間雜草問題，農(nóng)戶多數(shù)采用苗前封閉或苗后施藥的方式，藥液過量施用及利用率低的問題普遍存在，環(huán)境污染大，對玉米生長產(chǎn)生了一定的不利影響。

為實(shí)現(xiàn)玉米田間追肥，歐美國家大多使用大型撒肥或噴肥機(jī)械，如約翰迪爾4730 型噴肥機(jī)［3］可以實(shí)現(xiàn)噴液態(tài)肥和化學(xué)除草劑，工作效率高。由于國外種植面積廣，其大型機(jī)具難以適用我國田間作業(yè)。目前我國現(xiàn)有的追肥機(jī)大部分為低地隙追肥機(jī)，如3ZF-6 型中耕追肥機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)多行開溝、追肥、除草、培土復(fù)合作業(yè)，行距和開溝深度可調(diào)，工作效率高，但離地間隙低，僅適用于玉米幼苗期追肥，在玉米生長中后期難以下地。為提高追肥精度，王金武［4］設(shè)計(jì)了1 種液態(tài)差動(dòng)式雙向噴肥裝置，對玉米根部深施液態(tài)肥，大大提高了肥料利用率，但工作精度要求過高，工作效率低。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械除草，研究者也進(jìn)行了大量研究，但除草鏟多為單翼鏟或雙翼鏟，此類除草結(jié)構(gòu)對土壤擾動(dòng)量較大，且易纏草。3ZCF-7700 型中耕除草機(jī)［5］可實(shí)現(xiàn)追肥、除草一體，其除草采用箭鏟式除草鏟，除草率較低，傷苗率較大。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)顧向陽［6］設(shè)計(jì)了1 種旋轉(zhuǎn)式除草機(jī)，通過性強(qiáng)，除草率高，機(jī)具由7 個(gè)單體構(gòu)成，工作效率較高。

本文為實(shí)現(xiàn)玉米中后期追液態(tài)肥，提高肥料利用率，減少化學(xué)除草劑的使用，研制了1 臺(tái)高地隙玉米追肥除草一體機(jī)。該機(jī)具可以在玉米生長中后期對根部雙側(cè)深施液態(tài)肥，以水帶肥，水肥能迅速到達(dá)根部，更易于根部的吸收，提高化肥利用率［7］。采用機(jī)械除草機(jī)構(gòu)進(jìn)行除草作業(yè)，在減少化學(xué)除草藥劑使用的同時(shí)，還能起到松土透氣、防止表層土壤板結(jié)的作用。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

高地隙玉米追肥除草一體機(jī)如圖1 所示，主要由肥箱、機(jī)架、支撐輪、除草結(jié)構(gòu)、雙側(cè)開溝施肥器、覆土輪構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)開溝、施肥、除草、覆土等功能。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the whole machine structure

機(jī)具的4 個(gè)單體通過U 型螺栓連接在機(jī)架橫梁上，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛帶動(dòng)機(jī)具前進(jìn)。四連桿仿形結(jié)構(gòu)可以保障機(jī)具開溝深度、除草深度穩(wěn)定，彈性結(jié)構(gòu)能夠保證機(jī)具在工作過程中不易被破壞［8］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)除草輪工作，除草架上絲杠結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)除草深度。在單體上焊接橫梁，用來固定雙側(cè)開溝施肥器。2 個(gè)開溝器通過方形口和U 型卡安裝在橫梁的左右兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)開溝器的高度和苗帶間距的調(diào)節(jié)。機(jī)架上安裝有2 個(gè)肥箱，排肥管連接開溝器后端焊接的圓柱輸肥管進(jìn)行施肥。

為實(shí)現(xiàn)均勻追肥，采用GPS 測速的電驅(qū)式玉米精量追肥控制系統(tǒng)，機(jī)具在前進(jìn)過程中，排肥量隨車速的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)精量排肥［9］。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)玉米行距為600 mm，設(shè)計(jì)單體中心距為600 mm。為了避免傷苗，單體的最大寬處為480 mm，機(jī)具的橫梁總長度為2.5 m。

玉米拔節(jié)期的高度約為700 mm，為了實(shí)現(xiàn)高地隙追肥，且考慮到機(jī)具的穩(wěn)定性及對玉米地凹凸不平的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)橫梁的離地高度為850 mm，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 追肥除草一體機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structural parameters of the topdressing and weeding machine

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.3.1 追肥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 追肥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示，主要由肥箱、水泵、流量計(jì)、肥管、開溝器、鎮(zhèn)壓輪等組成。首先由每個(gè)單體兩側(cè)的開溝器在地上開出肥溝，肥箱內(nèi)的液態(tài)肥經(jīng)水泵排出，通過輸肥管流到肥溝內(nèi)，每個(gè)水泵為1 個(gè)單體的2 個(gè)開溝器進(jìn)行供肥。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)對玉米根部雙側(cè)深施肥，通過調(diào)節(jié)開溝器的縱向和橫向位置來調(diào)節(jié)追肥深度和追肥苗帶位置。為避免水肥揮發(fā)，設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓輪，通過連桿結(jié)構(gòu)將鎮(zhèn)壓輪與開溝器連接在一起，使鎮(zhèn)壓軌跡與除草輪開溝軌跡一致，實(shí)現(xiàn)良好的鎮(zhèn)壓效果。

圖2 追肥結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of topdressing

1.3.2 除草結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過田間調(diào)查，在玉米生長中后期，田間雜草平均高度≤300 mm。為避免在除草過程中纏草現(xiàn)象，要保證2πr≥L。式中r為除草輪半徑，mm；L為苗間雜草高度［10］，mm。在半徑為100 mm 的輪轂電機(jī)上焊接刀片，除草輪整體半徑為150 mm，滿足上式要求。參考現(xiàn)有的除草輪尺寸與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)刀齒數(shù)目為6。除草輪轉(zhuǎn)速較高，且機(jī)具前進(jìn)速度較慢，故不會(huì)出現(xiàn)漏除的情況。為保障不傷苗，除草輪寬度即刀片長度為330 mm。

除草結(jié)構(gòu)如圖3 所示，除草輪通過軸銷安裝在除草架上。除草架一端通過軸銷安裝在單體上，另一端通過絲杠結(jié)構(gòu)安裝在單體梁上，通過調(diào)節(jié)螺栓來實(shí)現(xiàn)除草深度的調(diào)節(jié)，彈簧可使除草結(jié)構(gòu)具有一定的仿形能力。

圖3 除草結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of weeding

2 除草輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化試驗(yàn)方案

除草輪在工作過程中，其阻力主要來自于刀片切入土壤過程中受到的阻力，阻力越大耗電量越大，為減小入土阻力，對除草輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

以除草輪刀齒厚度、刀齒寬度、刀齒焊接角度（焊縫與除草輪旋轉(zhuǎn)中心間的夾角）為變量因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)除草輪整體結(jié)構(gòu)，綜合考慮刀片形狀以及使用壽命情況，每個(gè)因素設(shè)置3 個(gè)水平，其因素水平表如下表2 所示?？紤]到各試驗(yàn)因素之間的交互效應(yīng)關(guān)系，采用響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，在Design-Expert 軟件中根據(jù)Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)［11］。

表2 試驗(yàn)因素水平Table 2 Level of test factors

2.2 除草輪離散元仿真與結(jié)果分析

為得到除草輪受力，將每組參數(shù)的除草輪結(jié)構(gòu)通過EDEM 軟件進(jìn)行離散元仿真分析。建立虛擬土槽模擬真實(shí)土壤情況，依據(jù)除草輪結(jié)構(gòu)及入土深度，設(shè)置土槽長×寬×高為2 000 mm×400 mm×200 mm，土壤顆粒形狀為球狀顆粒，顆粒半徑為5 mm。通過參考文獻(xiàn)［12-14］，對顆粒、65Mn 鋼的屬性參數(shù)以及兩者接觸系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)如表3所示。設(shè)置生成顆粒的總時(shí)長為9 s，顆粒的生成數(shù)量為2 000 個(gè)/s，顆粒的掉落速度為-2 m/s，時(shí)間步長為10%，網(wǎng)格尺寸單元為3 倍的最小顆粒半徑。

接觸模型是建立虛擬土槽的關(guān)鍵［15］，接觸模型的建立以及參數(shù)的設(shè)置能夠反映實(shí)際的土壤力學(xué)特性［16］。Hertz-Mindlin with Bonding 模型顆粒之間的粘結(jié)鍵，可以用其來模擬土壤顆粒之間的液橋力，該模型主要用于模擬破碎和斷裂等問題［17］。因此該仿真選擇Hertz-Mindlin with Bonding 接觸模型，其參數(shù)如表3 所示。顆粒粘結(jié)半徑的大小，通過含水率計(jì)算得出，土壤含水率為15%。

表3 仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters

式中，m1為土壤顆粒的質(zhì)量，kg；m2為水分的質(zhì)量，kg；ρ1，ρ2為土壤密度和水的密度，kg/m3；v1為土壤所占體積，m3；v2為水分所占體積，m3；R1為土壤顆粒半徑，mm；R′1為土壤顆粒模型粘結(jié)半徑，mm。

上式聯(lián)立可得土壤粘結(jié)半徑為5.4 mm。

在SolidWorks 中建立三維結(jié)構(gòu)圖，并保存為STEP 格式，導(dǎo)入EDEM 軟件中。為控制變量，入土深度均為30 mm，且初始位置一致。設(shè)置仿真時(shí)間為4 s，仿真Rayleigh 時(shí)間步長為10%，進(jìn)行仿真分析。圖4 中a 為除草輪在仿真過程中顆粒的速度云圖、b 為除草輪的受力云圖。

圖4 除草輪仿真過程圖Fig. 4 Simulation process diagram of weeding wheel

分別將各組除草輪的受力數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將1.0 ～3.0 s的數(shù)據(jù)求平均值得出其平均受力結(jié)果，其結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Scheme and results of the test

應(yīng)用Design-Expert 軟件對表中除草輪所受阻力進(jìn)行回歸方程方差分析［18］，其分析結(jié)果如表5 所示。

表5 受力方差分析Table 5 Analysis of variance force

由表5 可知，模型顯著性檢驗(yàn)P值＜0.000 1，失擬項(xiàng)P值為0.155 5，表示模型極其顯著，試驗(yàn)正確有效，失擬項(xiàng)不顯著，擬合程度高。分析結(jié)果可以清楚的看到每一個(gè)因素對除草輪受力的影響程度，越顯著表明此因素對指標(biāo)的影響越大，相關(guān)度也就越高［19］。結(jié)果表明，一次項(xiàng)焊接角度（A）、刀齒厚度（B）對除草輪受力影響極顯著（P＜0.01）；一次項(xiàng)刀齒寬度（C）對除草輪受力影響顯著（P＜0.05）；交互作用項(xiàng)AB、AC對除草輪受力影響顯著，即焊接角度和刀齒厚度的交互作用項(xiàng)影響顯著、焊接角度和刀齒寬度交互作用項(xiàng)影響顯著，刀齒厚度和刀齒寬度交互作用項(xiàng)影響不顯著。二次項(xiàng)A2對除草輪受力影響顯著。其余各項(xiàng)對除草輪受力影響不顯著。其顯著性順序?yàn)锳、B＞AB＞C＞AC＞A2；剔除顯著性低的因素進(jìn)行方差分析，得到除草輪受力與各因素之間的二次多元方程為：y=188.02+37.65A+24.15B-6.00C-9.27AB-8.07AC+6.99A2

試驗(yàn)因素交互作用顯著項(xiàng)對除草輪所受阻力的響應(yīng)面如圖5 所示。從圖a 中可以得出，在刀齒寬度一定的情況下，阻力隨著刀齒厚度及焊接角度的增加而增加；從圖b 中可以看出，在刀齒厚度一定的情況下，焊接角度越大，阻力越大，刀齒寬度增加，其阻力增加不明顯。

圖5 試驗(yàn)因素交互作用顯著項(xiàng)對阻力的響應(yīng)面Fig. 5 The response surface of the significant item of experimental factor interaction to resistance

依據(jù)以上結(jié)果，在Design-Expert 軟件中以除草輪所受阻力最低為指標(biāo)，對除草輪刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到除草輪結(jié)構(gòu)工作的最優(yōu)參數(shù)組合為焊接角度0.07°，刀齒厚度3.02 mm，刀齒寬度40.06 mm，考慮實(shí)際加工情況，選擇焊接角0°，刀齒厚度3 mm，刀齒寬度40 mm。以最優(yōu)參數(shù)建立除草輪三維模型，并進(jìn)行EDEM 仿真試驗(yàn)，得到其平均受力為117.325 N。

為了驗(yàn)證除草刀的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否合理，本文采用EDEM 接口，將除草輪在EDEM 仿真過程中與土壤顆粒之間的接觸力導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中［20］。對除草輪進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸3 mm。共劃分22 618 個(gè)單元，得到47 420 個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于刀片是焊接在除草輪電機(jī)上，所以對除草輪電機(jī)兩側(cè)添加固定約束。

分析結(jié)果如圖6 所示，圖a 為除草輪總變形云圖，除草輪的最大變形發(fā)生在除草輪入土刀片上的兩端，且最大變形量為0.161 mm；圖b 為除草輪等效應(yīng)力云圖，除草輪在工作過程中最大應(yīng)力為11.392 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力（150 ～286 MPa）［21］，除草輪在工作狀態(tài)下滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 除草輪有限元分析結(jié)果Fig. 6 Finite element analysis results of weeding wheel

3 室內(nèi)試驗(yàn)與田間試驗(yàn)

依據(jù)DB63/T 1289—2014《中耕除草機(jī)作業(yè)質(zhì)量》、JB/T7864—2013《中耕追肥機(jī)》和GB/T 20346.1—2006《施肥機(jī)械試驗(yàn)方法》中的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行試驗(yàn)。為了驗(yàn)證追肥結(jié)構(gòu)的工作性能，以施肥量偏差、排肥量穩(wěn)定性、各行排肥量一致性為指標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)［22］；為了綜合驗(yàn)證除草結(jié)構(gòu)的工作性能，以除草率、傷苗率為指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)要求施肥量偏差≤5%，各行排肥量一致性變異系數(shù)≤8.0%，除草率≥80%，傷苗率≤5%。

3.1 排肥試驗(yàn)

排肥試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。在肥箱內(nèi)裝有配比好的液態(tài)肥，手轉(zhuǎn)地輪搖把模擬車前進(jìn)，用8 個(gè)相同的水桶在每個(gè)排肥口接肥，并用臺(tái)秤進(jìn)行稱重。

（1）施肥量偏差測量

追肥系統(tǒng)安裝變量排肥控制裝置，可實(shí)現(xiàn)每畝地施肥量0 ～90 kg 可調(diào)，規(guī)定每畝地排肥量為60 kg 水肥。為了驗(yàn)證其排肥能力，分別將其調(diào)節(jié)至最高、最低、以及實(shí)際工作時(shí)規(guī)定的排量，測量其60 s 內(nèi)實(shí)際排肥量與理論值的誤差，每組試驗(yàn)進(jìn)行5 次，取平均值。由于添加GPS 系統(tǒng)，其排肥隨車速的變化而變化，從而保證施肥量均勻。此試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，手轉(zhuǎn)地輪搖把模擬車前進(jìn)，搖把轉(zhuǎn)1 圈為直徑450 mm 的地輪轉(zhuǎn)1 周所走過的路程，故其每分鐘排量僅與其搖把轉(zhuǎn)過的圈數(shù)有關(guān)。以車速為0.9 m/s 計(jì)算每分鐘驅(qū)動(dòng)輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)：

式中，s1每分鐘車走過的路程，m；s2地輪轉(zhuǎn)1圈走過的路程，m；v為車速，m/s；n為每分鐘內(nèi)手搖地輪圈數(shù)；D為地輪直徑，m。

經(jīng)計(jì)算，所轉(zhuǎn)圈數(shù)為38 圈。

由于每畝地排肥總量一定，故每分鐘理論排肥值僅車速有關(guān)，以車速為0.9 m/s 計(jì)算每分鐘的理論總排量：

式中，t為當(dāng)車速為0.9 m/s 時(shí)，每畝地的工作時(shí)間，s；S為每畝地的面積，m2；L為拖拉機(jī)作業(yè)幅寬，m；v為車速，m/s；V為每分鐘理論排量值，kg/min。

經(jīng)計(jì)算，以0.9 m/s 車速，每畝地工作時(shí)間為308.8 s，理論值V值的計(jì)算結(jié)果如表中所示。手搖地輪，盡量使速度與實(shí)際車速保持一致，減小誤差。改變其每畝地排肥量，稱重地輪轉(zhuǎn)38 圈的排肥量。每分鐘理論排量值與實(shí)際平均排肥量如表6所示。

表6 排肥能力測量Table 6 Measurement of fertilizer discharge capacity

從表6 中可以看出，當(dāng)排量為10 kg/畝時(shí)，誤差為0.52%，當(dāng)排量為60 kg/畝時(shí)，誤差為3.09%，當(dāng)排量調(diào)節(jié)至最大為90 kg 每畝時(shí)，誤差為2.78%。

（2）排肥穩(wěn)定性測量

將排肥量設(shè)置為每畝地60 kg，測量地輪轉(zhuǎn)38圈的排肥量，試驗(yàn)共進(jìn)行5 次，如表7 所示，通過公式7 ～9 計(jì)算得出其排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.01%。

表7 排肥穩(wěn)定性測量表Table 7 Table of measuring fertilizer stability

式中，x為各次排肥量平均值，kg；xi為各次排肥量，kg；n為測定次數(shù)；sf為各次排量一致性標(biāo)準(zhǔn)差，kg；v為各次排量一致性變異系數(shù)。

（3）各行排肥量一致性測量

將排肥量調(diào)節(jié)至60 kg/畝，稱重各個(gè)排肥口在地輪轉(zhuǎn)38 圈內(nèi)排出的水肥，試驗(yàn)進(jìn)行5 次。表8 為各行排肥一致性測量表，各行排肥量一致性變異系數(shù)為3.45%。

表8 各行排肥一致性測量表Table 8 Measurement table of consistency of fertilizer discharge for each row

3.2 田間除草試驗(yàn)

在河北省龐口鎮(zhèn)的試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)。玉米為拔節(jié)時(shí)期，玉米葉片數(shù)9 個(gè)左右，玉米植株高度約為700 mm，行距為600 mm，株距為230 mm 左右。雜草生長密度及高度不規(guī)律，平均高度為100 ～300 mm。

為驗(yàn)證拖拉機(jī)前進(jìn)車速和除草深度對除草率和傷苗率的影響，進(jìn)行除草試驗(yàn)［24］。在試驗(yàn)前進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)證明：當(dāng)車速超過0.9 m/s 時(shí)，車速過快，拖拉機(jī)前進(jìn)方向掌握不穩(wěn)，導(dǎo)致傷苗率增大，當(dāng)車速低于0.3 m/s 時(shí)，車速過小，工作效率降低，所以車前進(jìn)速度設(shè)置為0.3、0.6、0.9 m/s 3 個(gè)水平。當(dāng)除草輪入土深度超過40 mm 時(shí)，阻力過大，會(huì)出現(xiàn)停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在除草深度低于20 mm 時(shí)，除草輪與土壤接觸不夠，很多草未除到，所以除草深度的水平設(shè)置為20、30、40 mm 3 個(gè)水平，試驗(yàn)共進(jìn)行9 組試驗(yàn)。

（1）除草率測定

在每組試驗(yàn)的試驗(yàn)測區(qū)內(nèi)隨機(jī)選定5 個(gè)測點(diǎn)，由于除草輪寬度為330 mm，故選取每個(gè)測試區(qū)為長2 m，寬330 mm 的長方形區(qū)域統(tǒng)計(jì)除掉雜草根數(shù)和未除掉雜草根數(shù)。按公式（10）計(jì)算除草率：

式中，Cr為除草率，%；Z為除草試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的總雜草數(shù)，株；S為除草后除草試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)剩余雜草數(shù)，株。

（2）傷苗率測定

在每組測區(qū)內(nèi)隨機(jī)選定5 個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)內(nèi)測量10 m 內(nèi)玉米總株數(shù)，以及傷苗的株數(shù)。按公式（3）計(jì)算傷苗率：

式中：Ir為傷苗率，%；M為10 m 內(nèi)的玉米總數(shù)，株；I為10 m 內(nèi)傷苗總數(shù)，株。

除草效果如圖7 所示，其試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。

表9 田間試驗(yàn)Table 9 Field test

圖7 除草效果Fig. 7 Effect of weeding

使用極差分析來評價(jià)各試驗(yàn)因素對評價(jià)指標(biāo)的影響程度，試驗(yàn)因素的主次關(guān)系由極差的大小決定，極差越大，影響程度越大［10］。表中K1、K2、K3為每個(gè)因素對應(yīng)i水平的除草率或傷苗率之和，R為極差，即最大K值與最小K值之差。通過分析可以得出，各因素對除草率的影響順序由高到低為深度、速度；對傷苗率的影響順序由高到低為速度、深度。除草率越高越好，傷苗率越低越好，通過比較各因素的K值，得出除草率的最優(yōu)組合為：0.3 m/s，40 mm，傷苗率最優(yōu)：0.3 m/s，20 mm。通過上表可以看出當(dāng)車速為0.3 m/s 時(shí)，除草深度為40 mm 時(shí)，除草率達(dá)到最高，此時(shí)傷苗率小于5%，綜合考慮，故選擇車速0.3 m/s，除草深度40 mm。

通過計(jì)算9 組試驗(yàn)的平均傷苗率為2.47%，平均除草率為93.91%，除草機(jī)的除草效果良好。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了1 臺(tái)高地隙玉米液態(tài)追肥除草機(jī)，可實(shí)現(xiàn)開溝、追肥、除草、覆土的復(fù)合作業(yè)。對玉米根部雙側(cè)深施液態(tài)肥，更易于根系吸收；以機(jī)械除草代替化學(xué)除草，不僅保護(hù)環(huán)境，且能疏松土壤。

（2）以除草輪入土阻力最小為邊界條件對除草輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)果為：焊接角度0°，刀齒厚度3 mm，刀齒寬度40 mm，其最優(yōu)結(jié)構(gòu)的三維模型平均仿真受力為117.325 N，除草輪的最大變形為0.161 mm，最大應(yīng)力為11.392 MPa。優(yōu)化后阻力變小，且變形量與所受最大應(yīng)力均滿足材料的設(shè)計(jì)要求。

（3）室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)結(jié)果表明，追肥除草一體機(jī)施肥量偏差平均為2.13%、排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.01%、各行排肥量一致性變異系數(shù)為3.45%，平均除草率為93.91%，平均傷苗率為2.47%。其排肥效果較好，施肥量均勻，除草率較高，傷苗率較低，易于玉米生長。