水田除草机苗间除草装置的设计与仿真

水田除草机苗间除草装置的设计与仿真I水田除草机苗间除草装置的设计仿真摘 要长期以来在水田苗间的除草都依靠化学除草剂或人力完成，即使借助某些专用工具，仍然劳动强度大，工作效率底，而且使得土壤的土质受到极大的影响使土壤硬化，肥力下降。到目前水稻苗间的除草机械还比较少，虽然其他国家有除草机械但是不适应我国的水田，有些国家的水田除草机械还对我国禁售。为了解决水田苗间除草的劳动强度大、农时紧的问题；提高作业质量，可以一次性完成水田机械除草，而不用化学除草剂。推进水稻生产机械化，提高水稻生产机械化，加强水稻综合生产能力建设，研制一种高效的水田苗间除草装置是很有必要的。本文主要研究苗间除草机的关键部件，针对水稻生长过程中，水稻根部入土深度明显大于杂草根深的特点。采用理论分析，模拟仿真相结合的方法，对苗间除草机的机理与参数进行研究。为苗间除草设备与水田除草机械的研发提供了科学依据和方法。本文主要研究了除草装置的结构设计。除草装置包括动力装置、动力传递部分，除草轮。并运用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 软件的动态仿真清楚观察机构的特点。观察苗间除草装置的三维模型，了解机构的工作情况。关键词 : 除草机，苗间除草，行间除草，仿真水田除草机苗间除草装置的设计与仿真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 Chinas paddy, paddy field weeding machinery in some countries of Chinas 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目录摘 要 I水田除草机苗间除草装置的设计与仿真IIIAbstract .II1.前言 .1 1.1 水田除草装置研究的目的与意义 .11.2 国内外对水田苗间除草机的研究现状及发展趋势 .11.2.1 国外研究现状 11.2.2 国内研究现状 61.2.3 水稻田间机械除草技术发展趋势 71.3 水田机械除草关键部件研究现状 .81.4 本文研究的主要内容 112.结构和工作过程 122.1 工作原理 .122.2 零件设计 .132.2.1 苗间除草部件设计参数几何关系分析 132.2.2 除草盘运动分析 172.2.3 苗间除草刀盘的受力分析 .182.2.4 苗间除草刀盘的材料的选择 .202. 3 深度调节器的设计 212. 4 装置的运动参数分析 223.动态仿真 234.结论 25参考文献 .26致 谢 .27水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 1 -1.前言1.1 水田除草装置研究的目的与意义稻田杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、水、热等资源，影响水稻的生长发育，是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一，每年由草害引起的水稻产量损失率在 15%以上。因此，在水稻的生产过程中，科学有效地控制草害是确保水稻健康生长，实现高产、优质的必不可少的关键环节之一。化学药剂除草是目前应用最广泛的一种除草方式，它具有快速、高效、经济等优点。然而 20 世纪 80 年代以来，世界范围内除草剂的大面积使用，带来了诸多负面问题，如杂草的抗药性、作物药害、生态环境污染等。随着现代农业的发展，以及人们环境保护意识的加强和对食品质量安全问题的重视，除草剂减量防除技术逐渐发展起来，机械除草、农业防除和生物防治等非化学除草技术得到了更多的研究和应用。在水稻田间非化学除草的防治技术中，机械除草技术发展迅速，并有相应的水稻田间除草装备在农业生产中应用。在水稻生长过程中, 除草剂的过量使用不仅降低稻米品质 , 而且污染土壤和水源, 破坏生态环境 。由于人工除草劳动强度大, 除草效率低, 所以机械除草被视为“绿色大米”种植过程中最佳的除草方式。采用机械除草改变了用化学药剂除草的作法, 工作效率比人工作业提高 5 倍。机械中耕除草为幼苗根系生长发育提供了疏松土壤, 避免了使用化学除草剂造成土壤不能有效疏松, 遏制根系延伸的缺点, 促进幼苗的生长。然而, 水稻中耕除草机械在我国还是空白。目前, 随着水稻品种及栽培研究的深入, 为适应水稻单产不断提高和机械化种植的需要, 水稻种植行距逐步加大 , 日本、韩国及我国大部分地区采用宽行栽培。对于苗间除草技术的研究, 国内还处于起步阶段, 市场现存大多数除草机只能除去行间杂草, 而对于苗间杂草无法达到理想的除草效果。因此, 现阶段生产的除草机均不能满足农艺要求。所以苗间除草装置的研制对我过绿色农业的发展有这重要的意义。1.2 国内外对水田苗间除草机的研究现状及发展趋势1.2.1 国外研究现状在科技飞速发展的今天。机械化农业也大力的发展。许多国家对水稻种植除草的机械有很大的研究。 1）欧美及澳大利亚欧美（美国、意大利等）及澳大利亚等国家水稻种植方式以直播为主。直播水稻田稻水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 2 -种与草种同时萌发，根系深度无明显差异，杂草个体生长空间大，草量是移栽水稻田自然发生量的数倍；此外，撒播稻田内秧苗无序生长，植保机具无法下田。因此，直播水稻田杂草防治以化学防治为主，即施用高效除草剂灭草，少见机械除草方式。近年来，随着传感器和人工智能技术的发展，杂草视觉识别技术发展迅速，并应用于除草机器人的研究。Lee 等研究出一种应用机器视觉技术的除草机器人，该机器人可以识别株间杂草，并控制喷头定点喷药。Lamm 等建立了一个实时的棉田杂草视觉识别系统，识别杂草并进行喷药。虽然欧美国家智能除草技术的研究主要针对旱田作物，但其技术带动了除草剂变量喷施、减量化学投入技术的发展，为水田智能除草机器人的开发提供了技术基础。2）日 本亚洲国家的水稻种植方式通常以移栽为主，其中日本水稻移栽装备与机械化水平最高。近年来，有机农业在日本发展迅速，有机稻米颇受消费者的青睐，因此，根据市场的需求以及有机稻栽培的生产要求，一些研究机构和农机生产企业开发了水田除草机。市场上出售的水田除草机按照行走方式主要分为步进式和乘坐式 2 种，其中乘坐式又可细分为三轮乘坐式和四轮乘坐式，不同机种除草部件的相应结构如表 1-1 所示。表 1-1 日本主要水田除草机类型行走方式 除草部件 除草部件样式 代表型号 厂家安装位置 行间 株间步进式 拖拉机前方 除草辊 转动弹齿盘 MSJ-4(W) 合同产业（两轮） 转动伞状盘 MSJ-6(W) 美善SMW乘坐式 拖拉机尾部 旋转耙齿 摆动耙齿 SJBP6(S)D 洋马农机（四轮） SJ-6(8)IVZ 久保田摆动梳齿 摆动梳齿 SJ-6(8)IVZ 井关农机耙齿 固定除 LVW-6(8) 三菱农机乘坐式 前后轮之间 除草辊 固定除 MRW-5 三菱农机（三轮） 草钢 RW-40 转动弹 RW-50 实产业齿盘 RW-80（1）步进式水田除草机图 1-1a 所示的和同产业 MSJ-4 型步进式水稻田间除草机，行间除草部件为随动的除草辊，株间除草部件为一对驱动转动的弹齿盘。该机工作时水深为 810 cm，作业速度为 0.20.3 m/s 时，作业效率为为 0.40.6 hm2/h。此外，美善株式会社研发的步进式水田除草机的株间除草部件也具有一定特色，株间除草工作由一对随动转动的伞状除草盘完成，行间除草部件与洋马步进式除草机类似，如图 1-1b 所示。步进式除草机的优点是其在地头转向灵活，伤苗较少，但其工作效率较乘坐式除草机低。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 3 -a. 和同产业 MSJ-4 型 b. 美善 SMW 型图 1 -1 步进式水田除草机（2） 乘坐式水田除草机1998 年至 2000 年期间，日本生研机构、井关和久保田公司合作开发了一种高精度水田除草机，且于 2003 年上市出售。结构相似的产品有洋马 SJVP 系列、久保田 SJ-6(8)N 系列和井关 SJ-6(8)IVZ 系列，如图 1-2 所示。该类产品的行间除草部件为旋转耙齿，株间除草部件为摆动梳齿。以久保田 SJ-8N 为例，机具工作时，驱动高速转动（100200 r/min）的耙齿除去行间杂草，沿机具前进方向左右摆动(频率 3.77.3 Hz)的梳齿完成株间杂草的去除工作。其行间除草作用幅宽为 18 cm，作业深度 46 cm；株间除草作用幅宽 13 cm，作业深度 24 cm。该机作业速度为 0.40.6 m/s，作业效率为 1.32 hm2/h。a. 洋马 SJVP8D 型 b 久保 W SJ-8N c. 井关 SJ-8IVZ 型图 1-2 旋转摆动式水田除草机生研机构还研制了一种行、株间都应用摆动梳齿除草的水田除草机，并由井关公司试制，如图 1- 3 所示。在生研机构附属农场对以上 2 种除草机的除草性能进行了比较试验，如表 1-2 所示，试验结果表明驱动转动式的除草部件较摆动式除草部件的行间除草效果好，水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 4 -行间平均除草率可达到 85%以上，摆动梳齿式株间除草器的平均除草率在 40%50%之间。图 1-3 摆动式水田除草机表 1-2 种除草机作业性能机具样式 除草位置 除草率 （%）06-20 06-27 07-04 全作业转动 行间 86 86 88 88摆动式 株间 56 11 42 41平均 73 11 57 62摆动式 行间 41 - 95 49株间 - 0 90 43平均 24 - 93 48三菱乘坐式水稻田间除草机有三轮和四轮 2 种，如图 1-4 所示。株间除草部件均为固定机架上的除草钢丝，行间除草部件有随动耙齿和除草辊 2 种。图 1-4a 所示的三菱 LVW-8 型除草机株间除草作业深度为 35 cm，作业幅宽 16 cm。该机作业速度约为 0.8 m/s，作业效率为 3.3 hm2/h 左右。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 5 -a. 三菱 LVW-8 型 b. 三菱 MRW-5 型图 1-4 三菱水田除草机此外，实产业公司生产的三轮乘坐式水稻田间除草机，其株间除草部件为羽轮结构，如图 1-5 所示。三轮乘坐式除草机除草部件在前后两轮之间，在作业过程中，更有利于操作者观察，可减少除草过程中对稻苗的损伤。图 1- 5 RW-50 型水田除草机目前日本市场上出售的水田除草机种类较多，已经在水稻生产中实际应用，但机械除草效果（除草率）仍较化学除草有很大差距，尤其是株间除草率不高，因此，急需加强对株间除草部件的研究和改进，改善株间除草效果。3）亚洲其它主要水稻种植国亚洲一些水稻主产国如印度、印尼、孟加拉等国家，水田杂草防治主要以化学防治为主，辅以简易除草器或人工除草。近年来，印度也有机动水田除草机的研究，仅能进行行间除草，Tajuddin 等研制的水田行间除草机可同时进行 3 行作业，作业效率为 0.075 hm2/h。韩国水稻机械化种植程度较高，目前杂草防治也主要以化学防治为主。部分机械除草水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 6 -设备主要从日本引进，然后结合当地实际，对除草关键部件进行改进，最后通过试验取得了良好的除草效果。1.2.2 国内研究现状我国早在 20 世纪 50 年代开始机动水田中耕除草机的研究，到 20 世纪 80 年代初相继有十余种机型。如浙江省机械科学研究所设计的立旋式水稻中耕除草机；东北农学院研制的 SZD-6 旋耕式水田中耕除草机等，但当时研制的除草机只适用于行间除草，而不能除掉株间杂草。随着除草剂在中国水稻生产中的广泛应用，在相当一段时间内，水田机械除草方式在中国几乎绝迹。近年来，随着人们对环保和健康的重视，减量或无化学药剂除草方式得到提倡，水田机械除草技术又被重新关注，部分研究机构和农机企业研制了新型水田除草机，但目前仍未大面积应用。图 1-6 为南京农业机械化研究所研制的 2BYS-6 型水田中耕除草机，其行间采用旋转部件，株间使用摆动部件除草，经鉴定相对除净率为 78.1%。延吉市农机推广中心研制生产的 3ZS1 水田除草机应用水平旋转的除草刀和起垄部件，把泥水覆盖到杂草上，致使其停止生长，该机既能消灭行间杂草，又能消灭株间杂草。东北农业大学设计了一种株间除草装置，通过钢丝软轴驱动弹齿除草盘转动，将土壤搅动、翻转并连同杂草翻出地表并将其覆盖，完成除草作业，除草率可达 70%以上。中国水田行株间除草机研究尚处在理论和试验研究阶段，尚未完成成熟；高地隙水田拖拉机的研究滞后，也是制约水田中耕除草装备发展的主要原因。目前，日本市场上出售的水田除草机尚未对中国市场开放，因此，急需借鉴国外先进的技术并结合中国水稻生产实际，开发水田中耕除草装备，为中国有机稻米的生产提供技术保障。1.行间旋转除草部件 2.株间摆动除草部件 3.动力传递系统 4.机架 5.液压仿行机构图 1-6 2BYS-6 型水稻田间除草机水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 7 -1.2.3 水稻田间机械除草技术发展趋势水稻田间机械除草装备和技术的研究取得了一些研究进展，但是水稻株间机械除草效果仍然有待提高。为了提高除草精度，减少伤苗率，降低能耗，水田机械除草技术应朝着智能化、仿生化和多技术联合化发展，使机械除草技术在水稻生产中得到更多的应用并发挥更大的作用。1）智能机械除草技术智能机械除草技术是指除草机械具有智能识别功能，能够识别或感知杂草的分布信息、位置、密度等生长情况，进而指令除草执行部件精确去除杂草的技术。应用机器视觉技术识别农田杂草的研究较多，比较成熟的专用杂草识别产品如美国 NTech 公司生 产的WeedSeeker。由于杂草与稻株在生长过程中有时相互遮掩，仅利用机器视觉技术并不能完全将杂草识别出来，还需要一种新的智能识别技术作为视觉识别技术的补充。机器触觉技术利用触觉传感器与被测物体的接触感知与接触有关的感觉，不同被测物的触觉不同，可用来补充视觉所不能识别的情况，如杂草与作物的相互遮掩情况。如果将机器视觉技术与机器触觉技术相融合，一定能够提高水田杂草的识别精度。近年来，日本已有水田智能除草机器人的研究，主要应用机器知觉技术识别杂草，实现智能机械除草。如果除草机上配套杂草智能识别系统，一定能够提高除草效果，减少除草过程中对稻株的损伤。2）仿生机械除草技术仿生机械除草技术是指对食草动物和土壤动物的生物性能和行为进行模仿，将其结构特征、运动机理以及行为特征运用到除草机械的设计中，完成仿生机械除草的技术。自然界的生物经过千万年的优胜劣汰的进化过程，形成了具有特殊功能的本领。如土壤动物的遇黏不粘功能，某些食草动物食草不食稻的特殊习性，如果能够应用机械仿生的相关理论，融合土壤动物和食草动物的生物功能，设计仿生除草关键部件，一定能够改善除草效果、降低伤苗率，降低机械能耗、提高工作效率。因此，仿生机械除草技术的研究，也是水稻田间机械除草技术发展方向之一。3）多技术联合除草多技术联合除草方式将多种除草技术，如机械除草技术、化学除草技术、生物除草技术以及其它方式的多种除草技术有机结合在一起，提高除草效果。目前，水田株间机械除草方法的除草精度不高，如果一台除草机上行间杂草采用机械除草方式，株间杂草采用化学除草方式，这样既能提高除草率，又能减少除草剂的施用量。此外，据报道稻糠除草、稻鸭共育、纸膜覆盖等有机稻田草荒控制技术也有较好的除草效果。因此，合理、有效地将机械除草技术与其它各种除草技术有机结合，形成系列化的联合除草技术，也是水田机械除草技术发展趋势之一。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 8 -1.3 水田机械除草关键部件研究现状水田机械除草关键部件通过与稻田泥土、杂草的相互作用，完成杂草拔出、拉断或埋压等除草过程。机械除草技术的关键是除草部件的工作原理和执行效果。目前，水田机械除草关键部件从工作原理上可分为：机械式、机械气力式及机械液力式等。1.）机械式目前，水稻行间杂草机械式除草技术已经相对成熟。由于，水稻行间无稻列干扰，可使用旋转、抛切、拉拔或埋压等机械动作，完成行间除草作业，而不必担心稻苗损伤。常用的行间除草器通常为转动的除草辊或除草齿爪，行间除草部件如图 1-7 所示。a. 笼辊式 b. 麻花齿辊式 c. 双排耙齿式 d. 单耙齿式图 1-7 几种行间除草部件 株间除草主要是根据移栽水稻田杂草与稻株根系深浅差异，控制除草部件工作深度，除去杂草而不损伤稻苗。水田株间除草部件的动作方式一般有 3 种，即对转式、摆动式和固定式，如图 1-8 所示。对转式株间除草通常是由两个作相对转动的弹齿盘，或者其变形形式拔出株间杂草，由于弹齿或其它弹性材料的弹性特征，可减少稻苗损伤；摆动式株间除草即通过与稻列垂直方向作往复摆动的梳齿完成与杂草的相互作用，完成除草工作；固定式株间除草使用固定机架上的除草钢丝，通过调节其倾斜角度和高度改变作业深度，通过调节内侧除草钢丝的上下位置调节除草作业强度，机具工作时，株间除草部件横跨在秧苗列两侧，随着机具前进拖、拔或埋没株间杂草。目前，3 种不同动作方式的株间除草部件的除草效果无明显差异，除草率均在 50%左右。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 9 -a. 对转式b. 摆动式c. 固定式图 1-8 常用株间除草部件2.）机械气力式机械气力式除草技术应用机械式和气力式 2 种除草方式联合除草。一般来说，水稻行间杂草采用机械式方法去除，株间杂草利用高压气体吹除。图 1- 9 所示的是日精电机和公司发明的机械气力式水田除草机，行间除草部件为随动转动耙齿，株间采用高压气体配合机械拍打运动除草。株间除草的工作原理是电源带动空气压缩机工作，形成高压气体，通过管路至喷射口吹出，喷射口顶部的压铁材料不断拍打泥土，完成杂草的吹出和打压动作，除去株间杂草，由于移栽稻稻株根系比杂草根系发达，气流仅将稻株吹至变形，却不损坏稻苗。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 10 -1.电源 2.空气压缩机 3.电动机 4.气管 5.压铁 6.喷射口图 1- 9 机械气力式水田除草机3.）机械液力式机械液力式除草技术行间应用机械部件除草，株间由高压液体除草。图 1-10 所示石井农机公司发明的水田除草装置，行间杂草采用除草辊去除，株间杂草使用高压液体冲洗杂草根部，使其漂浮、枯萎。石田恭正等人研究应用高压水流除草技术，研究了压力、喷射距离、喷口直径、喷射角度和机具行驶速度对切断效果的影响。1.浮板 2.液体管路 3.机架 4.行间除草部件 5.株间除草部件图 1-10 机械液力式水田除草机除了上述介绍的几种除草技术外，也有应用电力和热力除草的研究，但目前尚未应用到水田中，仅对旱田进行了试验。电力式除草原理主要依据的是杂草和作物对电流敏感程度的差异，强电流能有效地消除杂草，而对农作物无害；热力除草方法是通过专门器具用水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 11 -丙烷火焰把杂草烧热，使杂草细胞受热膨胀，胀破细胞壁，蛋白质凝固，使杂草枯萎，除草率可达到 80%以上。随着相关技术的成熟和发展，这两种新型的除草技术有望应用于水稻田间除草的实际生产中。1.4 本文研究的主要内容本文主要研究苗间除草机的关键部件，针对水稻生长过程中，水稻根部入土深度明显大于杂草根深的特点。采用理论分析，模拟仿真相结合的方法，对苗间除草机的机理与参数进行研究。为苗间除草设备与水田除草机械的研发提供了科学依据和方法。主要研究的内容如下：(1) 水稻杂草生长过程的分析。本装置主要是利用水稻与杂草在生长过程中根系在土壤中扎根牢固程度的不同进行除草。(2) 除草装置的结构设计。除草装置包括动力装置、动力传递部分，除草轮。动力传递采用钢丝软轴传递。钢丝软轴可以改变动力传递的方向适合于受连续振动的场合以缓和冲击，使除草装置的机构更加紧凑。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 12 -2.结构和工作过程2.1 工作原理图 2-1 苗间除草装置总图图 2-2 除草盘总成 水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 13 -图 2-3 深度调节器总成此水田除草机苗间除草装置主要由除草盘、软轴传动弯管、钢丝软轴、换向装置、深度调节器、联轴器、电动机、机架组成,如图 2-1 所示。电动机固定在机架上。动力从电动机输出，经联轴器通过轴传递给换向装置。换向器把动力分配给弯管内的两个钢丝软轴，而且两钢丝软轴旋转方向相反。最终驱动两个出操盘在垂直于前进方向的平面内转动。左右除草盘对称安装，两盘的旋转方向相反。由钢丝软轴驱动除草盘转动，将土壤搅动、翻转并连同杂草翻出地表并将其覆盖，从而完成除草作业。图 2-1 为苗间除草装置总三维图通过它可以很明了的了解其结构，图 2-2 图 2-3 为其中的一些关键结构的三维图，在工作过程中动力输送，电动机联轴器轴换向器钢丝软轴除草盘。2.2 零件设计2.2.1 苗间除草部件设计参数几何关系分析除草盘随着除草机沿着苗行前进方向平动, 又绕垂直于苗行方向旋转。当除草盘上一水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 14 -个弹齿与地面垂直时, 其除草弹齿的有效部分与机器前进方向呈一定角度。苗间除草部件除草弹齿盘结构如图 2-4 所示。1. 轮毂 2. 弹齿筒盖 3. 弹齿筒 4. 弹齿图 2-4 盘结构示意图图 2-5草盘在工作时参数和位置关系示意图除草盘在工作时参数和位置关系如图 2-5。vf 为除草盘前进速度; v 为除草弹齿的圆周速度; vr 为除草弹齿在最低点的合速度; b 为除草弹齿的有效工作长度, 且垂直于 vr; S 为圆周上的弹齿间距; H 为当除草盘刚好转过一个弹齿的圆周间距 S 时除草盘前进的距离。为了达到良好的除草效果, 应满足(1) (2)tan = =12式中 -除草盘转速,r/min -除草盘直径, mm 1水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 15 -由 vf 和 v 决定, =12(3)=式中 -除草盘弹齿数由式(1)(3)得 (4)sin2令 由式 ( 4)得=(5)sin2式中: 除草弹齿的有效部分；bK- 除草盘除草速比, K ( 3, 8) (试验测得)除草盘直径；d除草盘弹齿数。n由K 决定, 。=12式( 5)为除草盘运动参数间的关系, 除草效果由除草弹齿的有效部分长度、除草盘旋转速度、除草机前进速度、除草盘直径和除草盘上弹齿数等参数的比例关系决定。应用式( 5)可以确定除草盘结构尺寸(图2-4)另外除草盘轮毂由Q235 钢板加工而成,弹齿由弹簧钢制成。除草盘的旋转直径(6) 2(+h)式中 H轴心与地面的最小距离, mmmH)108(minh最大耕作深度, )315(ax为避免试验中除草盘旋转轴缠苗,依据秧苗返青后的高度,在试验中H取值为80100 mm;最大耕作深度h取值为1530 mm,此深度能保证杂草从根部清除。当 H取100 mm、最大耕作深度h 取30 mm 时, D 260 mm。当直径过大时, 会产生振动, 平稳性差;直径过小时,弹齿顶端的切向速度小,影响入土及切向力的大小,所以取D = 280 mm 。弹齿采用弯型设计, 弧度半径约为250 mm, 焊接时弹齿扭过一定角度,且稍稍前倾。1)轮毂的直径及轮毂厚度为保证部件工作时不缠苗, 轮毂周长要大于苗与草高度, 且除草盘轮毂中心距离地面应有一定高度。根据试验时秧苗高度, 选取轮毂直径100mm。轮毂的厚度是指该除草装置除草刀盘轮毂的厚度。厚度太大, 浪费材料, 同时机体笨重; 厚度太小, 在焊接弹齿时, 容易发生变形, 故选用厚度5mm。2)弹齿数水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 16 -为了刀盘工作时不缠苗， 值越小越好，尽量减小刀齿密度。但刀齿密度小，在刀盘z旋转一周，工作齿减小，这样除草率会降低。经查阅相关文献，弹齿的数量为 36 时，可以保证不缠草、不缠苗，且能达到良好的除草效果。因此，本文选择弹齿数 进行试验5z研究。3）刀盘的离地间隙 minH刀盘的离地间隙是指地面与刀盘中心之间的距离，它决定了除草装置的作业深度。太大，则作业深度浅，除草率低；太小，作业深度深，除草率高，但是伤苗率大。本设计mm。min(8510)H4)入土角与出土角的研究入土角是指刀齿即将要入土时，刀齿与地面之间所形成的夹角。出土角是指刀齿即将要出土时，刀齿与地面之间形成的夹角。入土角的设计应保证刀齿在入土时土壤阻力较小；并且在刀齿运动到最低位置过程中，刀齿可以达到一个较大的深度。（a） 入土角分析 （b） 出土角分析图2-6入土角及出土角分析本文的入土角是在确定了刀盘中心距秧苗的距离以及确定了作业深度后，通过作图得出。同时，可以通过调节刀盘的离地间隙，调整入土角及出土角。图2-6（a）为当刀盘离地间隙85mm时的入土角及出土角示意图。图2-6（b）为刀盘离地间隙100mm时的入土角及出土角示意图。设入土角为 ，出土角为 ，从入土到出土摆动的角度为 。由分析可知：.当刀盘半径和离地间隙确定后， 角便为定值，随着离地间隙的增大而减小。据有关水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 17 -资料表明，当出土角超过100时，会影响脱泥，脱草性能。本设计的出土角大于100，在无水的情况下，脱泥，脱草现象严重；在有水的情况下，脱泥，脱水现象能够得到较大的缓解。除草刀盘的弹齿一般作用于水稻秧苗下部，在机器运转的时候，大部分是在秧苗土壤下的一小段距离。这个高度能满足弹齿除草的作用，但是同时对秧苗也有一定的影响。在除草的过程中，可能会打伤秧苗，或由于这个力的存在，在除草过后秧苗会向一侧倾斜，或由于力过大会将秧苗直接打出土壤。2.2.2 除草盘运动分析1)弹齿的运动轨迹除草盘弹齿的绝对运动为2 种运动的合成（图 2-7） ，即由除草盘绕轴心旋转的圆周运动和机器直线运动合成。除草盘的合成轨迹成螺旋线形，其合成运动按公式（6）计算。(6)=式中，弹齿除草盘转动角度，rad；t工作时间，s；S机器前进距离，m。图2-7 左除草盘运动轨迹水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 18 -图2-8弹齿工作轨迹2)弹齿入土轨迹除草盘上某个弹齿的 2 次入土点在机器前进速度方向上的距离记作 S，mm。c 为某一弹齿入土点和出土点在机器前进方向上的距离，mm。图 2-8 为弹齿入土轨迹图。每条曲线都代表一个弹齿在入土到出土所走过的轨迹。2.2.3 苗间除草刀盘的受力分析弹齿式苗间除草盘在工作时，其上面焊接的弹齿的入土部分上的每一点，均会在入土后受到土壤的作用力，其中最主要的作用力是在机器前进方向上的土壤阻力 F2 和转动方向上的土壤阻力 F1，以左除草盘弹齿上顶点进行分析，如图 2-9 所示。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 19 -1F12231.泥土 2.弹齿转动轨迹圆 3.弹齿图 2-9 弹齿受力分析刀盘所受合力 F 为 1520N，盘齿的弯矩 。2maxDFM因为 (7)Wmaxax式中： 刀盘齿根所受应力。 MPadDFM5.14326.032max 查表可知 Pa80max又因为 水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 20 -， (8)EIFlB3IlB2令 , ， , 得： NF20MPa750m150446mdrd78.B460又因为 mB.因此，综合上述可知强度满足条件，设计合理。2.2.4 苗间除草刀盘的材料的选择弹齿材料的选择尽量考虑生活中常见材料。本次试验弹齿材料的选择为三种材料，并分别对各种材料在除草作业过程中的性能做了比较。第一种材料为镀锌铝合金：此材料为日常常见的自行车辐条。柔软，易弯折，重量轻，在刀盘进行工作旋转时，重量多集中于刀盘轮毂处，所以在齿尖处力量小，可以降低伤苗率。但此种材料，在土壤中，遇到泥土阻力，容易发生变形，所以排除。第二种材料为 Q235：这种材料为碳素结构钢，价格便宜，使用于一般结构钢和工程用热轧钢板、钢带、型钢，用途广泛。但其杂质多，并且在刀盘旋转工作时与轮毂焊接处易断裂。第三种材料为弹簧钢：弹簧钢多用于制造弹簧零件，具有较高的抗拉强度、屈强比和疲劳强度，且具有足够的塑性和韧性，同时弹簧钢较硬，在碰到硬质物体不易变形。弹簧钢综合性能良好。经过几次试验研究，综合考虑，弹齿材料选择弹簧钢。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 21 -2. 3 深度调节器的设计图2-9深度调节装置的低位 图2-10深度调节装置的高位图2-11夹紧螺钉螺母 图2-12压土滚子剖面图现在的水田除草机有一部分不能够调节除草盘与地面的高度，有一些除草机可以调节除草盘与地面的高度，但是不能够自由的调节。如此这样由于除草盘与苗间的高度不能够自由的调节，使得除草盘与苗的高度不适宜，使除草盘上的弹齿不能把苗周围的杂草很好的拨出，从而影响了除草率。也达到不了疏松土壤的效果。本装置在机架的两侧分别安装了支架，支架下部是压土滚。横梁上有夹紧螺丝可以夹水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 22 -紧支架。如图 2-9 图 2-10，分别是不同的高度。除草滚还可以对行间的杂草进行很好的去除达到行间除草的效果。这样两边的支架高度可以自由的调节，使此装置能够更适应不同的地势，达到更好的除草效果.2. 4 装置的运动参数分析通过预备试验可知 ,决定苗间除草质量的关键因素是除草盘回转中心轴与秧苗的水平距离及除草盘的耕作深度。图 2-12 为除草盘距秧苗水平距离及耕作深度示意图 ,O 点为弹齿的入土点。第 1 次试验在秧苗返青后第 7 天进行 ,通过观察 ,此时杂草根系长度为 1020 mm,为了从根部清除杂草,同时避免在除草过程中深度过大 ,造成伤苗 ,所以耕作深度 h 选择为 1530 mm。结合除草盘的设计及多次试验 ,最终确定距离 L 为 80 mm 左右 ,该距离可以有效地清除秧苗两侧的杂草 ,同时能够保证刀齿的耕作深度适宜。当除草盘距秧苗 80 mm 时 ,可清除株间及株旁杂草的距离 S 在 1831 mm。经预备试验,确定除草盘转速 150250 r/min,机器前进速度 0.31.2m/s。h234o图 2-13 除草盘距秧苗距离及入土深度1.除草盘 2.弹齿 3.秧苗 4.根系水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 23 -3.动态仿真动态仿真过程中无干涉，运行情况良好，仿真情况如下图图 3-1 除草盘 图 3-2 深度调节器图 3-3 联轴器 图 3-4 整机俯视图水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 24 -图 3-5 整机正视图 图 3-6 整机斜视图本设计用的 Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 软件进行的零件设计，整个装置的装配，和动态仿真。在仿真过程中两个弹齿除草轮能够转动，并且在转动过程中没有干涉。两个除草轮相背向装，这样可以防止在除草过程中两个除草轮发生干涉的问题，与此同时还可以达到很好的除草效果。本装置中的高度调节器可以升级，在仿真过程中此功能也得到了验证，并且很实用。通过 Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 软件仿真可以更加清晰地看出机械各部件之间的工作关系，各个部件的运转情况。同时也能够突出本装置的特点，使大家更加容易直观的观察它的结构。通过仿真可以验证本设计的可实用性，能够进行水田的苗间除草。达到了预期的设计目的，完成了设计任务。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 25 -4.结论本文结合水田机械化的实际要求，开展水田除草机苗间除草装置的设计与仿真。现有装置的固化在本次设计中得到了应用，而且还增加了除草高度的调节，实现了除草深度的调节。综合全文取得的主要成果有：1）本文增加了除草装置的深度调节器的设计实现了装置的深度自由调节。使除草装置能够适应更加复杂的地形。2）苗间除草装置的设计减少了化学除草剂的使用，同时大大减轻了农民的劳动强度，提高水稻除草作业速度，争抢农时，推进水稻生产机械化。3）经过装置的 Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 的动态仿真清楚观察机构的特点。观察苗间除草装置的三维模型，了解机构的工作情况。4）研究了系统知识来源，在查阅和整理文献时获得大量的文字图像等资料，并对其进行了详细整理和归纳，为之后的研究和改进做了必要的准备。水田除草机苗间除草装置的设计与仿真- 26 -参考文献1李江国,刘占良,张晋国,等. 国内外田间机械除草技术研究现状 J . 农机化研究, 2006 (10) : 1416.2吴竞仑,周恒昌. 稻田杂草化学防除 M . 北京:化学工业出版社, 2003: 6465.3明玉岗. 水田中耕除草机试验与研究 J . 江苏农机化, 2006 (1) : 1819.4李东升,张莲洁,盖志武,等. 国内外除草技术研究现状 J . 森林工程, 2002, 18 (1) : 1718.5桑正中. 农业机械学 M . 北京:机械工业出版社, 1988.6赵艳忠.机械设计基础 M .东北农业大学出版，2001(6):210-219 341-3507王金忠, 陈琪. 3ZS6 型耕旋联合除草机 J . 农牧与食品机械, 1994(2) : 2223.8明玉岗. 水田中耕除草机试验与研究 J . 江苏农机化, 2006(1): 18.9周良墉. 3ZS 1 型水田除草中耕机 J . 南方农机, 2006(4): 4.10陈振歆 , 王金武, 牛春亮, 等. 弹齿式苗间除草装置关键部件设计与试验 J . 农业机械学报, 2010, 41(6) : 8186.11葛林钦 . 稻田杂草防除技术 J . 云南农业，2001，(1)：11.12王平，赵广鹏，潘胜利. 黑龙江垦区稻田主要杂草种类及发生规律 J . 现代化农业，2004，(4)：4.13吴崇友，张 敏，金诚谦，等. 2BYS-6 型水田中耕除草机设计与试验 J . 农业机械学报，2009，40(7)：515414吴伟伟 ,唐任仲,侯亮,等. 基于参数化的机械产品尺寸变型设计研究与实现 J . 中国机械工程, 2005, 16 (3) : 218222.15周桂霞，汪春，张伟，等. 基于二次正交旋转回归试验的深松铲关键参数建模 J . 农业机械学报，2006，37(10)：878816金澈 . 水田杂草的危害及其防治 J . 农机化研究，1983(5)：4345.17袁兴华，吕作培，彭玉藻. 绿色大米生产技术要点 J . 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