水田株间立式除草装置除草机理与试验研究(2)

2.2　工作原理

田间除草作业前，根据不同地域水稻行距与株距环境特征，调整除草圆盘作业间距，测量土质松软程度及水田土壤泥脚深度，调整机具及除草圆盘初始入土深度。避免深度过大导致机具作业效率降低，伤苗率过高；深度过浅导致机具作业质量下降。在机具作业过程中，当行走机具发动机通过链条和锥齿轮传动将动力传至除草旋转轴，驱动立式除草装置旋转运动，如图2所示。

除草圆盘运动由随机具前进直线运动及自身旋转运动复合而成，通过调整前进速度与自身旋转运动比例关系（除草速比），实现除草弹齿株间均匀除草，减少作业伤苗现象。每个除草弹齿在同一旋转周期内与苗行接触2次，可有效防止除草后稻苗单侧倒伏，完成杂草推拉及压埋作业。其中除草弹齿有效工作部位为没入土壤中弯曲弧段，将弯曲弧段两端点标记，即P1点和P2点，得到两端点复合运动作业轨迹，两轨迹所形成区域即为除草区域（图中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区域），通过调节弹齿数量及安装角度可适应不同株距和行距除草作业。

图2　除草装置运动轨迹及除草区域Fig.2　Trajectory and area of weeding device图中Ⅰ、ⅡⅢ区域分别为不同除草弹齿除草区域；A1和A2分别为除草弹齿两端点形成轨迹最宽处距离；A3为两相邻除草弹齿所形成除草区域最窄处距离；S为除草弹齿入土深度Ⅰ,ⅡandⅢregions are respectively the weedingcontrol areas of different spring-tooths in the figure;A1and A2are respectively themaximum ranges of the trajectories caused by two endpoints of spring-tooth;A3is theminimum range of the weedingcontrol areacaused by two adjacent spring-tooths;S is the soil depth of spring-tooth.

3　株间立式除草机理研究

3.1　除草运动学分析

为研究影响立式除草装置作业质量主要因素，分析除草机理，对立式除草弹齿进行运动学分析。工作时除草弹齿随机具前进，自身旋转运动，绝对运动为两种运动合成，运动轨迹为摆线[18]。以除草装置旋转中心为坐标原点O，机具前进方向为X轴，与杂草作物行垂直方向为Y轴，建立直角坐标系XOY，如图3所示。

则除草弹齿端点P（x，y）运动方程为：

式中，R-弹齿安装半径（mm）；vm-机具前进速度（m·s-1）；ω-弹齿旋转角速度（rad·s-1）；t-运动时间（s）。

图3　除草运动学分析Fig.3　Weeding kinematics analysis

对式（1）求导，即可得弹齿端点沿X轴和Y轴运动分速度，将两方向分速度合成，绝对速度为：

分析可知，除草弹齿运动轨迹由弹齿安装半径、旋转角速度及机具前进速度决定。为分析各因素对除草轨迹及除草区域范围影响，本文引入除草速比λ概念，即除草弹齿旋转角速度与机具前：

工作时合理控制机具作业参数，调节除草速比，增加株间除草覆盖面积，使得除草弹齿压埋效果满足农艺除草要求。当除草速比λ<1时，弹齿运动至任何位置，其水平分速度vx皆大于零，即弹齿端点水平分速度与机具前进方向一致，其运动轨迹为短幅摆线，如图3中轨迹Ⅲ所示，此时弹齿对土壤作用力较大，作业区域较分散。当除草速比λ>1时，弹齿运动至任何位置，其水平分速度vx皆小于零，即弹齿端点水平分速度与机具前进方向相反，其运动轨迹为余摆线，此时除草区域较均匀，可有效进行压埋作业，如图3中轨迹Ⅰ所示。

3.2　除草动力学分析

为研究立式除草弹齿压埋机理，分析弹齿作用力对除草作业性能影响，运用材料力学理论建立杂草挠曲线方程，进行除草压埋动力学分析。如图4所示，为弯曲杂草茎秆简化模型，以杂草根系为坐标原点o，弯曲变形前杂草茎秆轴线为y轴，水平土壤界面为x轴，建立直角坐标系xoy，其中xoy平面为茎秆纵对称面。

图4　杂草弯曲挠曲线模型Fig.4　Diagram of flexuralmodel of weeds

根据材料力学原理，将弯曲变形后杂草茎秆轴线简化为挠曲线，其上任意点坐标为（x，y），则挠曲线方程为：

根据平面假设可知，弯曲变形前垂直于轴线横截面，变形后仍垂直于挠曲线，因此其截面夹角θ为y轴与挠曲线法线夹角，即x轴与挠曲线切线夹角为：

在纯弯曲情况下，弯矩与曲率间关系为：

式中，M-杂草茎秆横截面弯矩（N·m）；E-杂草茎秆弹性模量（MPa），I-杂草茎秆截面惯性矩（mm4）。

将式（5）转换为：

其中，ds-两端法线焦点即曲率中心，确定其曲率半径为ρ。

将式（7）和式（8）合并整理得：

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0412/477.html