稻田株间除草弹齿齿形及安装方式分析与试验

牛春亮，王金武，唐继武,胡文静，安相华

稻田株间除草弹齿齿形及安装方式分析与试验

牛春亮1a，王金武2，唐继武1b,胡文静1b，安相华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)

水田机械除草技术是提高稻米品质的一项重要生产技术，在水稻生长过程中进行机械除草作业，既去除杂草同时又实现了稻田的中耕管理，降低了长期以来化学除草带来的负面环境影响。目前，稻田机械除草技术在对行间杂草去除方面的研究较为成熟，株间杂草去除成为重点的研究方向。为此，设计了一种株间除草关键部件(即除草盘)，并对除草盘上弹齿齿形进行了选型，对弹齿安装方式进行分析。按照确定的结构制造了除草盘，进行了室内土槽试验，表明该种形式的除草盘具有较好的除草效果。

稻田；杂草；弹齿；株间除草

0 引言

机械除草作为优质水稻生产过程中一项重要技术，国内外科研人员展开了大量研究。国外稻田除草机械研究较为成熟，日本和韩国等技术均已进入市场，水稻生产机械化水平领先；而国内通过多年的研究，在吸收和引进国外除草机具的成熟结构设计和部件的同时，研制了多种型号的稻田除草机，但大部分仅限于行间除草作业，对株间及近秧苗周边杂草不能较好去除。针对这种情况，本文根据稻苗与杂草根系生长的状况不同，设计了一种针对株间及近秧苗周边杂草的新型除草部件，在稻田中耕的时候配合行间除草机构完成除草作业[1-2]；研究完成了株间除草关键部件即除草盘的设计，对除草盘上的弹齿安装方式进行了对比分析和选型，并对较优结构下的除草盘进行了土槽试验，得到了较好的试验效果，为株间除草提供了研究基础。

1 稻田生长情况的研究

1.1 水稻生长特点

水稻根系生长过程中，插秧后返青期间，秧苗移栽后由于根系有损伤，需要5～7天时间才能恢复生长，根系萌发出新根。此时，根生长缓慢，以不定根的生长为主，图1为秧苗移栽后第7天的根系情况。返青期过后到分蘖期，根系生长速度加快，不定根开始迅速生长，横向扩展较快，使根群分布呈现扁椭圆形，占总根量的90%以上，图2为水稻移栽后第20天的根系。根数因水稻品种、田间环境而异，最多可达千条，平均在200条左右，且根须较长。又因为在插秧中每穴插多株秧苗，使得根系交织，根系整体形成较大合力[3-4]。

图1 插秧后第7天根系

Fig.1 7 days after transplanting root system

图2 插秧后第20天根系

Fig.2 20 days after transplanting root system

1.2 杂草生长特点

稻田杂草是影响秧苗生长的不利因素，而稗草又是稻田中发生危害、造成水稻产量损失最严重的杂草之一，其它杂草还有光头稗、异型莎草、碎米莎草及鸭舌草等。本研究重点以危害最大的稗草去除为研究对象，兼顾去除其它杂草。由于在生长期内稗草和水稻具的亲缘性、近似性，且株型及生长需求等生物学特性都极为相似，使稗草成为水稻最重要、最难防除的一年生伴生性杂草[5-6]。由于稗草在水稻生产中危害的严重性， 比起其它稻田杂草，稗草的去除一直是重点关注对象。

在生长初期，稗草外形与水稻极为相似。稗草根系发达，再生能力强，而与水稻不同的是在生长初期稗草单株生长，根系少而纤细[7-8]。图3为移栽后第7天稗草生长情况，稗草根系纤细，只有1～2根，茎秆纤细，植株高度约5～8cm。图4为移栽后稗草第15天生长情况，此时须根较多，扎根较深，植株粗壮，植株高度约20～28cm。

图3 稗草7天生长情况

Fig.3 7 days growth of barnyardgrass

图4 稗草15天生长情况

Fig.4 15 days growth of barnyardgrass

1.3 株间除草机理及可行性

移栽后第7天，水稻秧苗和稗草植株生长情况有较大差异。由于水稻秧苗是移栽，秧苗生长早于稗草，移栽后水稻秧苗茎秆粗壮，植株平均高度15cm，根系较粗数目较多，根深40～50mm；稗草茎秆纤细，植株高度30～50mm，根系少且纤细，根深10～30mm。因此，利用移栽后秧苗和稗草的生长初期的生长不同的特点，设计了一种弹齿式株间除草除草部件，采用旋转工作方式，在机具的带动下前进。弹齿在除草过程中深入泥土，在不伤秧苗的前提下，将杂草连根挑出或打折，使之漂浮在水层上或利用泥土的搅动将其覆盖，从而完成秧苗株间除草作业。分析表明：株间除草是可行的[9-10]。

2 除草盘上弹齿的选型与安装分析

作为株间除草的关键部件，弹齿除草盘的设计尤为重要。为了探究除草盘上弹齿安装形式及弹齿形状与除草效果的关系，研制了几种不同的弹齿除草盘。在无秧苗和杂草状态下的土槽内进行几种除草盘的预备性试验研究。固定相同的除草盘转速、前进速度及除草深度，观察试验中几种不同形式除草盘上的弹齿在泥土中所划过除草面积。从除草性能角度考虑，将除草面积大的除草盘视为本研究最适宜的除草盘。

2.1 除草盘上弹齿齿形的设计

除草盘上弹齿齿型的设计分为直齿型弹齿除草盘与圆弧型弹齿除草盘，分别如图5和图6所示。

直齿型弹齿除草盘在作业时会出现杂草或秧苗茎叶缠绕除草盘的现象，且除草盘转动时线性力大，直型弹齿端部对秧苗的茎叶损伤大。采用圆弧型弹齿除草盘，设计半径为250mm，圆弧弯曲方向与除草盘转向相反。弧形齿和直型齿相比，弹齿在转动过程中，可在离心力的作用下自行将杂草沿着弧线向外甩出，具有防止缠绕杂草的功能，且弧型弹齿渐入式入土减少了弹齿对秧苗的损害，故选定弧形弹齿作为实际齿形。

图5 直齿弹齿除草盘

Fig.5 Straight spring tooth weeding dish

图6 弧形弹齿除草盘

Fig.6 Arc spring tooth weeding dish

2.2 除草盘上弧形弹齿安装方式的确定

弧形弹齿的安装形式有两种，即弹齿安装时无后倾角和有后倾角，分别如图7和图8所示。

图7 无后倾角弧形齿除草盘

Fig.7 Without the obliquity spring tooth weeding dish

图8 有后倾角弧形齿除草盘

Fig.8 A obliquity spring tooth weeding dish

无后倾角的弹齿除草盘对秧苗根部损伤较大，弹齿工作时与秧苗完全接触，会将秧苗挑出，伤秧情况明显；而采用有后倾角弹齿除草盘，弹齿采用与前进速度相反方向的后倾角度β设计，能够减少弹齿与秧苗的完全接触机会，从而降低伤秧率，同时还增加了除草面积，提高了除草率。

3 土槽试验的准备工作

3.1 试验土槽的处理及试验区划分

为了更好地模拟真实种植环境，试验前要对土槽环境进行处理。对土槽中泥土进行翻耕，清除沙石、杂草，细化土壤，以免试验中工作部件损坏。实际水田整地的标准：地面平整，田块高低差不超过3cm，没有偏脸池；上糊下松，表面泥水融软活，下部土团较大，暄松，通气性好，泥烂适中，有水有气，利于插秧和插秧后返青根系的发育，泥脚深度在13～15cm。

由于试验区域面积限制，为了充分合理地利用资源，减小试验误差，对土槽区域进行划分，如图9所示。

1.秧苗 2.除草盘中心轴位置 3.带状除草区域图9 试验区的划分情况Fig.9 The division of test area

图9中，数值单位均为mm,黑点为秧苗位置，依据土槽的尺寸和机插稻田的参数合理设计移栽方案。本试验将秧苗分5列种植，列间距30cm，每列130穴秧苗，每穴插5棵苗。图9中，有5个斜线填充的带状区域，为除草盘所除草的范围，带宽为222mm，带状区域的中间线为除草盘的转动轴线所在位置。经多次预备试验及计算分析，确定除草盘的中轴线位置距秧苗80mm时除草效果较好。除草率计算根据区域内杂草数目为基数进行测取。

在土槽中移栽秧苗时，每列首位处秧苗距土槽边缘保留一定距离，避免试验启动除草盘时损伤秧苗，保证试验数据的准确性。

3.2 秧苗的移植与栽培

试验采用的水稻品种为东农9号，温室内秧盘育种，图10为育秧情况。秧苗生长期25天左右，3叶1心至4叶，平均株高13cm左右。移栽时，要求秧苗无病、虫，药害，长势良好。在土槽中，为了更好地模拟田间环境，行列间距均按机插稻田标准移栽，穴插5株。

图10 温室育秧Fig.10 Greenhouse breeding

4 试验因子选取

本研究设计的弹齿式株间除草部件旨在清除株间及靠近秧苗附近的杂草。经过多次预备试验证明，影响株间除草效果的关键因素是过除草盘回转轴线和秧苗的距离及除草盘的除草深度。如果除草盘距离秧苗近了，除草盘相对秧苗作业深度增加，容易造成伤根；距离远则不能去除秧苗另一侧的杂草。根据除草盘的设计要求及多次预备试验，最终距离选取80mm左右，该距离可以对秧苗两侧的杂草较好地去除，又能保证除草盘的除草深度不伤根。从杂草根系的生长情况分析，除草深度选择在18～30mm范围内从根部彻底清除杂草。当除草盘距秧苗在80mm时，除草深度在18～31mm。

试验台架前进速度对除草和伤秧也有影响：前进速度快，弹齿的齿迹距长，作业的区域小，除草率和伤秧率较低；前进速度慢，弹齿的齿迹距短，除草率和伤秧率提高。由预备性试验测取保证较高除草率和较低伤秧率的前进速度。

除草盘转速对除草效果也有影响：除草盘转速快，在前进速度固定情况下，弹齿的齿迹短，翻土的次数多；在前进速度固定情况下，除草盘转速慢，弹齿的齿迹长，翻土的次数少。由预备性试验测取合适的除草盘转速。

为了研究所选取的除草盘除草效果，结合前文的分析，本试验选择除草盘转速、台架前进速度和除草深度3个因子作为定量试验因子。

5 土槽试验的台架搭建

为了分析所设计弹齿式除草部件工作效果，探索方法及新机型，得到合理的试验数据，提高除草效率，降低伤秧率，为稻田机械式株间除草提供可靠技术支撑，本研究进行了室内的土槽试验。对试验的环境、所采用的试验工具及试验设备等进行了设计，包括土槽的设计及试验台行走机构的设计。

为研究该种结构的除草盘的除草性能，在试验台上进行了除草性能的试验。除草机构及试验台如图11所示。

1.土槽 2.台架轨道 3.除草组件 4.可行走台架 5.控制系统组件 6.传动链 7.支撑滑轮 8.调速电机图11 双弧形除草盘除草试验台组成Fig.11 Composition of double curved spring-tooth weeding test bench

6 除草前后的作业效果对比

结合秧苗生长情况及杂草出草高峰期，选取稻苗移栽后第7天及第14天共进行两次除草试验，主要杂草稗草基本除净，除草后的水稻秧苗生长情况良好。由于除草作业过程中弹齿力的作用，部分秧苗在刚除草后有一定的倾斜和轻微损伤(见图12)，但随着秧苗生长可以自我扶正和自愈。

图12 两次除草后效果对比Fig.12 The effect of twice weeding comparison

试验证明：经过该种除草盘组件除草后，既消灭

杂草和害虫，又抑制杂草生长。机械除草的方式还疏松了土壤，改善秧苗根部通透性，增加土壤透气性，促进根部生长活动。经过两次除草后，可以基本消灭水田杂草，同时促进了秧苗的生长发育，减少了化学除草对水稻品质的影响。

7 结论

1)针对株间除草关键部件除草盘上弹齿的齿形和安装方式进行了研究，选取的最优结构为双弧形除草盘结构，并进行了室内土槽除草试验，得到了该结构下较好的除草效果和试验数据。研究选取了除草试验的因子，为综合性除草试验提供了技术参考。

2)搭建了土槽试验台，结合控制系统，对双弧形除草盘在模拟环境下的除草效果进行了验证，并结合农艺原理探求了合理的除草时机，为水田机械除草技术发展提供了研究基础。

[1] 马旭，齐龙，梁柏，等.水稻田间机械除草装备与技术研究现状及发展趋势[J].农业工程学报，2011，27(6)：162-168.

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[3] 牛春亮，王金武.水稻苗间除草装置工作机理分析[J].农业工程学报，2010，26(S1)：51-55．

[4] 陈振歆，王金武，牛春亮,等. 弹齿式株间除草装置关键部件设计与试验[J].农业机械学报，2010,41(6)：81-86.

[5] 牛春亮，王金武，马莉莎，等.双弧形水稻株间除草部件设计及切土轨迹研究[J].农机化研究，2016，38(12)：122-126．

[6] 胡炼，罗锡文，严乙桉，等. 基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验[J].农业工程学报，2012，28(14)：10-16.

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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

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

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

S224.1

A

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