稻田株間除草彈齒齒形及安裝方式分析與試驗(yàn)

牛春亮，王金武，唐繼武,胡文靜，安相華

稻田株間除草彈齒齒形及安裝方式分析與試驗(yàn)

牛春亮1a，王金武2，唐繼武1b,胡文靜1b，安相華1a

(1.大連海洋大學(xué) a.機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；b.應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300；2東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

水田機(jī)械除草技術(shù)是提高稻米品質(zhì)的一項(xiàng)重要生產(chǎn)技術(shù)，在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行機(jī)械除草作業(yè)，既去除雜草同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了稻田的中耕管理，降低了長(zhǎng)期以來(lái)化學(xué)除草帶來(lái)的負(fù)面環(huán)境影響。目前，稻田機(jī)械除草技術(shù)在對(duì)行間雜草去除方面的研究較為成熟，株間雜草去除成為重點(diǎn)的研究方向。為此，設(shè)計(jì)了一種株間除草關(guān)鍵部件(即除草盤)，并對(duì)除草盤上彈齒齒形進(jìn)行了選型，對(duì)彈齒安裝方式進(jìn)行分析。按照確定的結(jié)構(gòu)制造了除草盤，進(jìn)行了室內(nèi)土槽試驗(yàn)，表明該種形式的除草盤具有較好的除草效果。

稻田；雜草；彈齒；株間除草

0 引言

機(jī)械除草作為優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)重要技術(shù)，國(guó)內(nèi)外科研人員展開了大量研究。國(guó)外稻田除草機(jī)械研究較為成熟，日本和韓國(guó)等技術(shù)均已進(jìn)入市場(chǎng)，水稻生產(chǎn)機(jī)械化水平領(lǐng)先；而國(guó)內(nèi)通過(guò)多年的研究，在吸收和引進(jìn)國(guó)外除草機(jī)具的成熟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和部件的同時(shí)，研制了多種型號(hào)的稻田除草機(jī)，但大部分僅限于行間除草作業(yè)，對(duì)株間及近秧苗周邊雜草不能較好去除。針對(duì)這種情況，本文根據(jù)稻苗與雜草根系生長(zhǎng)的狀況不同，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)株間及近秧苗周邊雜草的新型除草部件，在稻田中耕的時(shí)候配合行間除草機(jī)構(gòu)完成除草作業(yè)[1-2]；研究完成了株間除草關(guān)鍵部件即除草盤的設(shè)計(jì)，對(duì)除草盤上的彈齒安裝方式進(jìn)行了對(duì)比分析和選型，并對(duì)較優(yōu)結(jié)構(gòu)下的除草盤進(jìn)行了土槽試驗(yàn)，得到了較好的試驗(yàn)效果，為株間除草提供了研究基礎(chǔ)。

1 稻田生長(zhǎng)情況的研究

1.1 水稻生長(zhǎng)特點(diǎn)

水稻根系生長(zhǎng)過(guò)程中，插秧后返青期間，秧苗移栽后由于根系有損傷，需要5～7天時(shí)間才能恢復(fù)生長(zhǎng)，根系萌發(fā)出新根。此時(shí)，根生長(zhǎng)緩慢，以不定根的生長(zhǎng)為主，圖1為秧苗移栽后第7天的根系情況。返青期過(guò)后到分蘗期，根系生長(zhǎng)速度加快，不定根開始迅速生長(zhǎng)，橫向擴(kuò)展較快，使根群分布呈現(xiàn)扁橢圓形，占總根量的90%以上，圖2為水稻移栽后第20天的根系。根數(shù)因水稻品種、田間環(huán)境而異，最多可達(dá)千條，平均在200條左右，且根須較長(zhǎng)。又因?yàn)樵诓逖碇忻垦ú宥嘀暄砻纾沟酶到豢?，根系整體形成較大合力[3-4]。

圖1 插秧后第7天根系

Fig.1 7 days after transplanting root system

圖2 插秧后第20天根系

Fig.2 20 days after transplanting root system

1.2 雜草生長(zhǎng)特點(diǎn)

稻田雜草是影響秧苗生長(zhǎng)的不利因素，而稗草又是稻田中發(fā)生危害、造成水稻產(chǎn)量損失最嚴(yán)重的雜草之一，其它雜草還有光頭稗、異型莎草、碎米莎草及鴨舌草等。本研究重點(diǎn)以危害最大的稗草去除為研究對(duì)象，兼顧去除其它雜草。由于在生長(zhǎng)期內(nèi)稗草和水稻具的親緣性、近似性，且株型及生長(zhǎng)需求等生物學(xué)特性都極為相似，使稗草成為水稻最重要、最難防除的一年生伴生性雜草[5-6]。由于稗草在水稻生產(chǎn)中危害的嚴(yán)重性， 比起其它稻田雜草，稗草的去除一直是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

在生長(zhǎng)初期，稗草外形與水稻極為相似。稗草根系發(fā)達(dá)，再生能力強(qiáng)，而與水稻不同的是在生長(zhǎng)初期稗草單株生長(zhǎng)，根系少而纖細(xì)[7-8]。圖3為移栽后第7天稗草生長(zhǎng)情況，稗草根系纖細(xì)，只有1～2根，莖稈纖細(xì)，植株高度約5～8cm。圖4為移栽后稗草第15天生長(zhǎng)情況，此時(shí)須根較多，扎根較深，植株粗壯，植株高度約20～28cm。

圖3 稗草7天生長(zhǎng)情況

Fig.3 7 days growth of barnyardgrass

圖4 稗草15天生長(zhǎng)情況

Fig.4 15 days growth of barnyardgrass

1.3 株間除草機(jī)理及可行性

移栽后第7天，水稻秧苗和稗草植株生長(zhǎng)情況有較大差異。由于水稻秧苗是移栽，秧苗生長(zhǎng)早于稗草，移栽后水稻秧苗莖稈粗壯，植株平均高度15cm，根系較粗?jǐn)?shù)目較多，根深40～50mm；稗草莖稈纖細(xì)，植株高度30～50mm，根系少且纖細(xì)，根深10～30mm。因此，利用移栽后秧苗和稗草的生長(zhǎng)初期的生長(zhǎng)不同的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種彈齒式株間除草除草部件，采用旋轉(zhuǎn)工作方式，在機(jī)具的帶動(dòng)下前進(jìn)。彈齒在除草過(guò)程中深入泥土，在不傷秧苗的前提下，將雜草連根挑出或打折，使之漂浮在水層上或利用泥土的攪動(dòng)將其覆蓋，從而完成秧苗株間除草作業(yè)。分析表明：株間除草是可行的[9-10]。

2 除草盤上彈齒的選型與安裝分析

作為株間除草的關(guān)鍵部件，彈齒除草盤的設(shè)計(jì)尤為重要。為了探究除草盤上彈齒安裝形式及彈齒形狀與除草效果的關(guān)系，研制了幾種不同的彈齒除草盤。在無(wú)秧苗和雜草狀態(tài)下的土槽內(nèi)進(jìn)行幾種除草盤的預(yù)備性試驗(yàn)研究。固定相同的除草盤轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度及除草深度，觀察試驗(yàn)中幾種不同形式除草盤上的彈齒在泥土中所劃過(guò)除草面積。從除草性能角度考慮，將除草面積大的除草盤視為本研究最適宜的除草盤。

2.1 除草盤上彈齒齒形的設(shè)計(jì)

除草盤上彈齒齒型的設(shè)計(jì)分為直齒型彈齒除草盤與圓弧型彈齒除草盤，分別如圖5和圖6所示。

直齒型彈齒除草盤在作業(yè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)雜草或秧苗莖葉纏繞除草盤的現(xiàn)象，且除草盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線性力大，直型彈齒端部對(duì)秧苗的莖葉損傷大。采用圓弧型彈齒除草盤，設(shè)計(jì)半徑為250mm，圓弧彎曲方向與除草盤轉(zhuǎn)向相反?；⌒锡X和直型齒相比，彈齒在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，可在離心力的作用下自行將雜草沿著弧線向外甩出，具有防止纏繞雜草的功能，且弧型彈齒漸入式入土減少了彈齒對(duì)秧苗的損害，故選定弧形彈齒作為實(shí)際齒形。

圖5 直齒彈齒除草盤

Fig.5 Straight spring tooth weeding dish

圖6 弧形彈齒除草盤

Fig.6 Arc spring tooth weeding dish

2.2 除草盤上弧形彈齒安裝方式的確定

弧形彈齒的安裝形式有兩種，即彈齒安裝時(shí)無(wú)后傾角和有后傾角，分別如圖7和圖8所示。

圖7 無(wú)后傾角弧形齒除草盤

Fig.7 Without the obliquity spring tooth weeding dish

圖8 有后傾角弧形齒除草盤

Fig.8 A obliquity spring tooth weeding dish

無(wú)后傾角的彈齒除草盤對(duì)秧苗根部損傷較大，彈齒工作時(shí)與秧苗完全接觸，會(huì)將秧苗挑出，傷秧情況明顯；而采用有后傾角彈齒除草盤，彈齒采用與前進(jìn)速度相反方向的后傾角度β設(shè)計(jì)，能夠減少?gòu)楜X與秧苗的完全接觸機(jī)會(huì)，從而降低傷秧率，同時(shí)還增加了除草面積，提高了除草率。

3 土槽試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作

3.1 試驗(yàn)土槽的處理及試驗(yàn)區(qū)劃分

為了更好地模擬真實(shí)種植環(huán)境，試驗(yàn)前要對(duì)土槽環(huán)境進(jìn)行處理。對(duì)土槽中泥土進(jìn)行翻耕，清除沙石、雜草，細(xì)化土壤，以免試驗(yàn)中工作部件損壞。實(shí)際水田整地的標(biāo)準(zhǔn)：地面平整，田塊高低差不超過(guò)3cm，沒有偏臉池；上糊下松，表面泥水融軟活，下部土團(tuán)較大，暄松，通氣性好，泥爛適中，有水有氣，利于插秧和插秧后返青根系的發(fā)育，泥腳深度在13～15cm。

由于試驗(yàn)區(qū)域面積限制，為了充分合理地利用資源，減小試驗(yàn)誤差，對(duì)土槽區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖9所示。

1.秧苗 2.除草盤中心軸位置 3.帶狀除草區(qū)域圖9 試驗(yàn)區(qū)的劃分情況Fig.9 The division of test area

圖9中，數(shù)值單位均為mm,黑點(diǎn)為秧苗位置，依據(jù)土槽的尺寸和機(jī)插稻田的參數(shù)合理設(shè)計(jì)移栽方案。本試驗(yàn)將秧苗分5列種植，列間距30cm，每列130穴秧苗，每穴插5棵苗。圖9中，有5個(gè)斜線填充的帶狀區(qū)域，為除草盤所除草的范圍，帶寬為222mm，帶狀區(qū)域的中間線為除草盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所在位置。經(jīng)多次預(yù)備試驗(yàn)及計(jì)算分析，確定除草盤的中軸線位置距秧苗80mm時(shí)除草效果較好。除草率計(jì)算根據(jù)區(qū)域內(nèi)雜草數(shù)目為基數(shù)進(jìn)行測(cè)取。

在土槽中移栽秧苗時(shí)，每列首位處秧苗距土槽邊緣保留一定距離，避免試驗(yàn)啟動(dòng)除草盤時(shí)損傷秧苗，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 秧苗的移植與栽培

試驗(yàn)采用的水稻品種為東農(nóng)9號(hào)，溫室內(nèi)秧盤育種，圖10為育秧情況。秧苗生長(zhǎng)期25天左右，3葉1心至4葉，平均株高13cm左右。移栽時(shí)，要求秧苗無(wú)病、蟲，藥害，長(zhǎng)勢(shì)良好。在土槽中，為了更好地模擬田間環(huán)境，行列間距均按機(jī)插稻田標(biāo)準(zhǔn)移栽，穴插5株。

圖10 溫室育秧Fig.10 Greenhouse breeding

4 試驗(yàn)因子選取

本研究設(shè)計(jì)的彈齒式株間除草部件旨在清除株間及靠近秧苗附近的雜草。經(jīng)過(guò)多次預(yù)備試驗(yàn)證明，影響株間除草效果的關(guān)鍵因素是過(guò)除草盤回轉(zhuǎn)軸線和秧苗的距離及除草盤的除草深度。如果除草盤距離秧苗近了，除草盤相對(duì)秧苗作業(yè)深度增加，容易造成傷根；距離遠(yuǎn)則不能去除秧苗另一側(cè)的雜草。根據(jù)除草盤的設(shè)計(jì)要求及多次預(yù)備試驗(yàn)，最終距離選取80mm左右，該距離可以對(duì)秧苗兩側(cè)的雜草較好地去除，又能保證除草盤的除草深度不傷根。從雜草根系的生長(zhǎng)情況分析，除草深度選擇在18～30mm范圍內(nèi)從根部徹底清除雜草。當(dāng)除草盤距秧苗在80mm時(shí)，除草深度在18～31mm。

試驗(yàn)臺(tái)架前進(jìn)速度對(duì)除草和傷秧也有影響：前進(jìn)速度快，彈齒的齒跡距長(zhǎng)，作業(yè)的區(qū)域小，除草率和傷秧率較低；前進(jìn)速度慢，彈齒的齒跡距短，除草率和傷秧率提高。由預(yù)備性試驗(yàn)測(cè)取保證較高除草率和較低傷秧率的前進(jìn)速度。

除草盤轉(zhuǎn)速對(duì)除草效果也有影響：除草盤轉(zhuǎn)速快，在前進(jìn)速度固定情況下，彈齒的齒跡短，翻土的次數(shù)多；在前進(jìn)速度固定情況下，除草盤轉(zhuǎn)速慢，彈齒的齒跡長(zhǎng)，翻土的次數(shù)少。由預(yù)備性試驗(yàn)測(cè)取合適的除草盤轉(zhuǎn)速。

為了研究所選取的除草盤除草效果，結(jié)合前文的分析，本試驗(yàn)選擇除草盤轉(zhuǎn)速、臺(tái)架前進(jìn)速度和除草深度3個(gè)因子作為定量試驗(yàn)因子。

5 土槽試驗(yàn)的臺(tái)架搭建

為了分析所設(shè)計(jì)彈齒式除草部件工作效果，探索方法及新機(jī)型，得到合理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高除草效率，降低傷秧率，為稻田機(jī)械式株間除草提供可靠技術(shù)支撐，本研究進(jìn)行了室內(nèi)的土槽試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)的環(huán)境、所采用的試驗(yàn)工具及試驗(yàn)設(shè)備等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括土槽的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)臺(tái)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

為研究該種結(jié)構(gòu)的除草盤的除草性能，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了除草性能的試驗(yàn)。除草機(jī)構(gòu)及試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。

1.土槽 2.臺(tái)架軌道 3.除草組件 4.可行走臺(tái)架 5.控制系統(tǒng)組件 6.傳動(dòng)鏈 7.支撐滑輪 8.調(diào)速電機(jī)圖11 雙弧形除草盤除草試驗(yàn)臺(tái)組成Fig.11 Composition of double curved spring-tooth weeding test bench

6 除草前后的作業(yè)效果對(duì)比

結(jié)合秧苗生長(zhǎng)情況及雜草出草高峰期，選取稻苗移栽后第7天及第14天共進(jìn)行兩次除草試驗(yàn)，主要雜草稗草基本除凈，除草后的水稻秧苗生長(zhǎng)情況良好。由于除草作業(yè)過(guò)程中彈齒力的作用，部分秧苗在剛除草后有一定的傾斜和輕微損傷(見圖12)，但隨著秧苗生長(zhǎng)可以自我扶正和自愈。

圖12 兩次除草后效果對(duì)比Fig.12 The effect of twice weeding comparison

試驗(yàn)證明：經(jīng)過(guò)該種除草盤組件除草后，既消滅

雜草和害蟲，又抑制雜草生長(zhǎng)。機(jī)械除草的方式還疏松了土壤，改善秧苗根部通透性，增加土壤透氣性，促進(jìn)根部生長(zhǎng)活動(dòng)。經(jīng)過(guò)兩次除草后，可以基本消滅水田雜草，同時(shí)促進(jìn)了秧苗的生長(zhǎng)發(fā)育，減少了化學(xué)除草對(duì)水稻品質(zhì)的影響。

7 結(jié)論

1)針對(duì)株間除草關(guān)鍵部件除草盤上彈齒的齒形和安裝方式進(jìn)行了研究，選取的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為雙弧形除草盤結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了室內(nèi)土槽除草試驗(yàn)，得到了該結(jié)構(gòu)下較好的除草效果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究選取了除草試驗(yàn)的因子，為綜合性除草試驗(yàn)提供了技術(shù)參考。

2)搭建了土槽試驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合控制系統(tǒng)，對(duì)雙弧形除草盤在模擬環(huán)境下的除草效果進(jìn)行了驗(yàn)證，并結(jié)合農(nóng)藝原理探求了合理的除草時(shí)機(jī)，為水田機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展提供了研究基礎(chǔ)。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0176-EA

Analysis and Test on Weed - tooth Type and Installation Mode of Inter - plant Weeds in Rice Field

Niu Chunliang1a, Wang Jinwu2, Tang Jiwu1b, Hu Wenjing1b, An Xianghua1a

(1.Dalian Oceang University a.Mechanical and Power Engineering College; b.Applied Technology College, Dalian 116023,China；2.Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030,China)

Mechanical weeding in paddy field is an important technique to improve the quality of rice. In the process of rice weed weeding, weeding and weeding are also realized, which reduces the negative effect of chemical weeding for a long time. Environmental impact.At present,paddy weeding techniques are more mature in the research of weed removal between rows, and the removal of weeds in plants is the focus of research. In this study, a key component of weed control system was designed. The tooth-shaped tooth was selected, the installation method of the spring-tooth was analyzed, the weeding tray was manufactured according to the optimal installation method, and the experiment of indoor soil-groove was carried out. The experiment results showed that the model had better test effect.

paddy field; weed; spring tooth; weeding among plants; installation mode

2016-10-12

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015020134)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2014274)；黑龍江省科技廳重大攻關(guān)項(xiàng)目(GB07B106)

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

S224.1

A

1003-188X(2017)12-0176-04