稻田株间除草机构除草过程中伤秧影响的试验研究

牛春亮，王金武，安相华，唐继武,马莉莎

(1.大连海洋大学 a.机械与动力工程学院；b.应用技术学院，辽宁 大连　116300;2东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



稻田株间除草机构除草过程中伤秧影响的试验研究

牛春亮1a，王金武2，安相华1a，唐继武1b,马莉莎1a

(1.大连海洋大学 a.机械与动力工程学院；b.应用技术学院，辽宁 大连116300;2东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：稻田杂草是影响大米产量和质量的一个重要因素。鉴于化学除草的负面影响，机械除草技术一直是国内外科研攻关的重点，但如何降低除草过程中工作装置对秧苗的损伤和影响成为研究的难点。为此，对稻田机械式株间除草机构的主要因素的秧苗损伤情况进行了试验研究。试验在机插稻田进行，稻苗行间距28~31cm，株间距14~15cm。试验在秧苗移栽后7天左右进行，该时间为稻田第一个出草高峰期，试验采用二次旋转正交试验方法，应用Design-Expert进行试验分析，获得了株间除草主要工作因素机器前进速度、除草盘转速、除草深度之间单因子及交互作用对伤秧率的影响。移栽7天时，田间试验在保证除草率的前提下确定了低伤秧率株间除草机构的工作参数为机器前进速度为0.38m/s，除草盘转速162.75r/min，除草深度为43.9mm，此时除草率为80.5%、伤秧率为3.8%。

关键词：稻田除草；株间；软轴驱动；伤秧率

0引言

杂草是影响水稻秧苗生长的重要因素[1-2]。综观国内外的稻田除草方式，其主要分为3大类：第1类为人工去除杂草。人力除草技术要求不高、除草效果较好，具有经济、环保、疏松土壤等优点；但除草不易彻底，效率低，效果差。第2类是化学除草。长期使用除草剂，不利于保护土壤环境，还会引起稻田草种的变化。除草剂的残留毒性还会给作物和土壤造成化学污染和环境污染。第3类是机械除草。消灭杂草同时调节土壤水分，保持土壤结构稳定性和通透性，使土壤疏松，提高水分入渗率，加速土壤营养物质分解，提高土壤肥力；但除草过程中可能存在伤秧情况。鉴于人工除草低效率、化学除草负面影响大的前提，采用机械的除草方式，可在满足绿色农业生产需要的同时大大提高劳动效率。事实表明，采用机械式除草不仅顺应了绿色农业的发展趋势，同时也可以获得更大的经济效益[3-4]。

1稻田株间除草机构原理及驱动方式

1.1　稻田株间除草关键部件弹齿的除草原理

目前，稻田除草机械行间杂草去除效果较好，株间杂草的去除成为研究的难点。现有的除草机械从传动方式上主要采用刚性传动，工作可调性较差，而本研究的株间除草工作部件利用软轴驱动，使传动结构简化，在保证可调性好的基础上还提高了工作效率[5-8]。

株间除草机构除草原理：换向器带动软轴转动，软轴另一端驱动除草部件弹齿盘转动，弹齿盘在转动过程中其上面的弹齿进入土壤，通过弹齿把株间杂草从根部挑出，同时依靠旋转带起的泥浆把挑出的杂草覆盖，从而完成除草作业。除草时机选择在稻苗移栽7天后，稻苗根系比杂草发达，调节好除草深度即可除草又疏松田块，但除草工作结束后秧苗会出现稍许伤苗现象。为此，针对秧苗损伤情况进行试验分析，以求得到更好的综合除草效果。

1.2　稻田除草株间机构的驱动方式

除草机结构如图1所示。其中，株间除草机构安装在支撑架上，机构整体通过三点悬挂方式与配套插秧机底盘挂接，靠插秧机液压缸驱动高度调节。作业时，底盘动力经动力输出轴传出，依靠万向联轴器把底盘输出轴动力传给换向器输入轴，由T型换向器把动力垂直换向左输出轴输出；主动链轮与左输出轴固连，动力经链传动到从动链轮，从动链轮轴通过动球铰联轴器驱动弯管内的钢丝软轴组件；钢丝软轴与株间除草弹齿盘固连并驱动其转动，成对使用的弹齿盘在垂直于底盘行走方向的平面内转动，每对除草弹齿盘都由一个反旋左弹齿盘和正旋右弹齿盘组成。

(a)　机构左视图　　　　　　　　　　　　　　(b)　机构主视图

2机构稻田除草试验准备

2.1　田间试验条件及设备选取

田间试验在哈尔滨市幸福乡机插水稻田进行，地块环境：泥脚深度为330~380mm，稻田长75m、宽10m，地块面积为750m2。试验时，机选在移栽后第7天稻田杂草发生第一个高峰期时进行，杂草以水稗草、异型莎草和千金子等为主，杂草数多，严重影响秧苗生长[9-12]。稻苗秧龄30~32天，长势叶龄3叶1新至4叶，平均株高110mm。田地移栽后未进行人工除草和化学除草，试验田正常进行田间管理，除草作业时保证土壤湿软，灌水深度符合试验要求。

设备条件：包括久保田S1-600插秧机底盘1台，光电式转速测量仪1部，计时秒表1块，50m纤维卷尺1把。

2.2　田间试验因子及目标函数的选定

2.2.1目标函数的选定

株间除草机构的性能主要根据秧苗损伤情况和除草综合效果来衡量。本试验的目的就是为了寻找影响除草综合效果的因素，分析诸因素和目标之间的函数关系，探求合理的除草方案。因此，选定伤秧率和除草率为本试验研究的目标函数[13-15]。

2.2.2试验因子的选取

经过预备试验，结合农艺上水稻生长情况，在保证除草效果的前提下，从以下因素对伤秧情况进行研究。

1)机器前进速度会影响伤秧情况和除草效果。底盘前进速度提高，除草和伤秧在一定程度上低；机器前进速度慢，在一定程度上，除草效率高但伤秧率大。

2)除草盘转速对除草和伤秧也有影响。除草盘转速快，在同一速度下，翻土的次数多；刀盘转速慢，在同一速度下，翻土的次数少。

在考虑田间试验实际情况和试验中关键影响因子情况下，本试验选择除草盘转速、机器前进速度和除草深度3个因子作为定量试验因子[16-18]。

2.2.3 试验参数的选取

室内预备试验证明，除草盘转速在150~246r/min之间比较适合除草作业。

室内预备试验测得，前进速度在0.36~0.6m/s除草效果较好。

机构除草深度h是指除草弹齿在旋转入土的过程中，弹齿在经过稻苗位置与泥面的距离。除草作业时稻苗移栽7天后，杂草根系长度在15~35mm，因此除草深度选择在15~55mm。此深度可保证将株间杂草和靠近稻苗附近的杂草去除。除草深度如图2所示。

2.2.4试验因子水平选取

除草盘转速根据几次预备试验得出。转速太高，伤秧严重，打伤叶片；转速太低，除草效果不好。因此，除草盘转速取150(A1)、170(A2)、200(A3)、230(A4)、246(A5) r/min这5个水平。由于本除草装置是配合插秧机使用，所以根据当前插秧机工作参数，设计机器前进速度的5个水平为0.38(B1)、0.42(B2)、0.50(B3)、0.55(B4)、0.60(B5) m/s。根据预备试验结果的分析，除草深度的5个水平为1.5(C1)、2.3(C2)、3.5(C3)、4.7(C4)、5.5(C5)cm。

试验采用二次旋转正交组合试验，并对试验结果的回归方程用二次响应曲面法分析[19]。

1.秧苗位置　2.弹齿转动轨迹圆

2.3　除草机构性能评价指标

目前，稻田除草作业效果没有专业的技术标准，本试验以获得最低秧苗损伤率和最高除草率为研究指标。

1)机构除草率：试验区域内稻苗株间及两侧各50mm范围内的除掉杂草数量和除前杂草数量比值，则有

式中C—机构除草率(%)；

Q—除草前杂草棵数(株)；

P—除后杂草株数(株)。

2)机构伤秧率：试验内损伤的稻苗数与试验前稻苗数比值。其中，受损稻苗包括除掉的、折断、掩埋的稻苗数量[20-21]，计算公式为

式中S—机构伤秧率(%)；

M1—试验区内总稻苗数(株)；

M2—试验区内损伤的稻苗数(株)。

3株间除草机构技术参数

除草机构工作参数如下：

除草机构外形尺寸(长×宽×高) /mm：1 800×1 500×1 100

行走方式：四轮驱动

配套动力/kW：4.56

工作行数/行：2

行距/cm：30

株距/cm：14～16

挂接方式：三点悬挂

4正交旋转试验研究与分析

科学的试验设计与分析，可以大大节省试验成本和时间，本试验采用Design-Expert软件进行设计与数据分析。该软件是目前应用较广泛的实验设计软件之一，提供二维和三维视图，可更清楚地分析试验结果。采用二次旋转正交设计方法，选取除草盘转速、机器前进速度和除草深度3个因子进行多因子试验，以除草率和伤秧率为目标函数。按三因子五水平安排试验，制定的因子水平编码表如表1所示。第1次除草试验的时间选定在稻苗移栽后的第7~8天，此时稻苗相对于杂草，扎根更深，并且为杂草的一个高发期[22-23]。

表1　因素水平编码表

根据因素水平编码表，编制了二次旋转正交组合设计的试验方案，将试验的结果记录，得到试验方案与结果如表2所示。

表2　二次正交旋转试验方案与试验结果

续表2

4.1　试验数据结果分析

应用Design-Expert软件得出伤秧率的方差分析结果，如表3所示。同时，建立机器前进速度、除草盘转速、除草深度对伤秧率的回归方程模型。

表3　组合参数的因素水平对伤秧率影响的方差分析

续表3

1.06x1x2+0.86x1x3-0.64x2x3

通过分析可知：除草过程中对伤秧率影响显著性的因子为除草深度、除草盘转速和机构前进速度。为了研究各因子对伤秧率的影响程度，在回归模型中，将其中1个因子固定在0水平上，衡量其它两个因子交互作用对目标函数的影响。

1)除草盘转速、机构前进速度对伤秧率的影响。固定除草深度为0水平，得到其它两个因子对伤秧率的回归模型变为

应用Design-Expert软件得到除草盘转速与机构前进速度两者之间交互作用对伤秧率影响的等高线图及响应曲面图，如图3所示。

由图3的等高线图可知：除草盘转速与机器前进速度对伤秧率影响呈相反趋势；除草盘转速增加、机器前进速度减小，伤秧率增大；除草盘转速减小、机器前进速度增加，伤秧率减小；当转速很小，在150~200r/min范围时，随着机器前进速度的增加，伤秧率先增大后减小。伤秧率出现先大后小，说明在转速处在中低速时，机器的前进速度对伤秧率的影响大。由响应曲面图分析可知，除草盘转速与伤秧率函数变化较大，分析得到在除草盘的转速与机构的前进速度交互作用下，除草盘转速对伤秧率影响较大。

2)除草盘转速、除草深度对伤秧率的影响。固定前进速度为0水平，得到其它两个因子与伤秧率的回归模型为

利用Design-Expert软件得到出机构除草深度与除草盘的转速二者之间交互作用对伤秧率影响的等高线图及响应曲面图，如图4所示。

(a)　等高线图　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　响应曲面图

(a)　等高线图　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　响应曲面图

由图4可知：除草盘转速、除草深度增加，伤秧率增加；除草除草盘转速的增加，伤秧率先小后大，最小值出现在除草盘转速185r/min附近，说明在除草盘转速小于185r/min水平时，除草深度对伤秧率的影响较大。当除草盘转速大于185r/min、除草深度在3.5cm水平附近时，随着除草盘转速的增加，伤秧率增加，说明在深度较浅的情况下，除草盘转速对伤秧率有较大的影响。

3)前进速度、除草深度对伤秧率的影响。固定转速为0水平，得到其它两个因子与伤秧率的回归模型为

y2=3.78-1.15x2+1.73x3-0.64x2x3

通过Design-Expert软件得出机构除草深度与机构前进速度两者之间交互作用对伤秧率影响的等高线图及响应曲面图，如图5所示。

由图5可知：当前进速度一定的时候，随着除草深度的增加，伤秧增加；当深度一定时，随着前进速度的增加，伤秧率减小。机器前进速度函数为二次函数，从响应曲面上看，其变化较缓和。所以，除草深度对伤秧率的影响大于机器前进速度对伤秧率的影响。

4.2　各项参数的优化方案

试验研究的目标是选取合理的工作参数来减少秧苗的损伤，获取较好的除草效果。试验优化就是为了探求除草机构的主要因素，即机构前进速度、机构除草深度和弹齿盘转速在满足作业要求下的较优参数组合。研究采用多目标优化的方法，采用主目标函数法，根据除草的综合性能要求，利用Design-Expert试验软件对模型进行优化分析与处理。

4.2.1设计变量

4.2.2目标函数建立

在除草作业的考察指标里，伤秧率(%)、除草率(%)是最重要的指标，根据除草性能的要求，指标的目标函数为

1.75x1x2+1.75x1x3-1.75x2x3

1.06x1x2+0.86x1x3-0.64x2x3

4.2.3约束条件的选取

本研究选项取试验因子变量的区间为约束条件。得到的约束条件为

4.2.4优化研究结果

运用Design-Expert软件进行数据优化，由表4和图6分析得到满足响应变量区间的因子最佳的参数组合方案。在确定最优方案时，充分考虑除草率和伤秧率数值。

表4　最优参数组合方案

由表4中可以看出：第6号方案结果为最优组合；在第6号方案中，除草盘转速为162.75r/min，即除草盘的转速为170r/min；机器前进速度为0.38m/s,除草深度为4.39cm。得出最优方案图，如图6及表5所示，图6中条形区域是所求得较优组合方案区域。

图6　最优方案图

除草盘转速/r·min-1机构前进速度/m·s-1机构除草深度/cm除草率/%伤秧率/%数值162.750.384.3980.53.8

4.2.5验证试验

通过Design-Expert试验软件得出的优化结果：除草盘转速162.75r/min、机器前进速度0.38m/s、除草深度4.39cm，进行8组验证试验，结果如表6所示。

表6　验证试验方案

由试验结果得出数据与通过软件分析得出的数据结果基本一致。说明本研究选择的优化参数组合是可行的。

5结论

1)除草过程中，对秧苗损伤影响显著性的因子顺序依次为机构除草深度、除草盘的转速及机构前进速度。

2)采用田间试验能客观反映出株间除草装置的工作效果。除草作业后，水稻秧苗生长情况良好，在作业时损伤的秧苗茎杆及叶片，经过一段时间生长后可以逐渐恢复。

3)试验验证，机构工作参数较优组合为：除草盘转速162.75r/min、机器前进速度0.38m/s、除草深度4.39cm。在此组合下，除草装置伤秧率为3.8%、除草率为80.5%，机构伤秧率低、除草效果好，有实际应用前景。

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Experimental Study on Inter-agency Paddy Strains Weeding Weeding Process Slander Affected Seedlings

Niu Chunliang1a, Wang Jinwu2, An Xianghua1a, Tang Jiwu1b, Ma Lisha1a

(1.a.Mechanical and Power Engineering College；b.Applied Technology College，Dalian Oceang University,Dalian 116300， China；2.Engineerin College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030, China)

Abstract：Paddy weeds is an important factor affecting the yield and quality of rice, in view of the negative impact of chemical weed control and mechanical weed control technology has been the focus of scientific research at home and abroad, but how to reduce the damage and influence the course of work means weeding seedlings become research difficulty. In this paper, the main factors of mechanical strain between paddy weed seedlings damage mechanism experimental study. Test the machine plugged paddy carried rice seedlings line spacing 28-31cm, spacing plants 14-15 cm. Test after transplanting seedlings about 7 days, the first time the grass paddy peak, test uses orthogonal rotation test method, the test application design-expert analysis, obtained strains between main factors weeding machine forward speed, Mower speed, between herbicidal depth interaction on a single factor and seedling injury rate.Transplanting 7 day field trial except under the premise of sloppy work parameters determined seedling injury rate among low strain weeding mechanism to ensure the machine forward speed of 0.38m/s, mower speed 162.75rpm, weeding a depth of 43.9mm, this time weeding was 80.5%, 3.8% seedling injury, research provides a reference for the paddy mechanical weed control techniques.

Key words：paddy field weeding; between strains; drive shaft; seedling injury rate

中图分类号：S224.1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0190-08

作者简介：牛春亮(1983-)，男，黑龙江牡丹江人，讲师，(E-mail)clniu@qq.com。

基金项目：辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014274)；辽宁省自然科学基金项目(2015020134)；黑龙江省科技厅重大攻关项目(GB07B106)

收稿日期：2015-11-03