水田株间立式除草装置除草机理与试验研究(3)

式（9）为杂草茎秆变形后非线性挠曲线方程。为简化其求解过程，将式（9）进行线性化变换，当杂草茎秆被压埋入土壤层后，其弯曲角度θ较小，即：

当杂草被压入土壤后，其挠曲线较为平坦，即较小，则将式（9）转换为：

式（11）为杂草茎秆被压入土壤后挠曲线近似微分方程。在此基础上，对水平弹齿进行动力学分析，分析影响压埋效果主要因素，如图5所示。将杂草稻苗简化为下端固定，上端自由均质悬臂梁，受到土壤层对其作用力及弯矩作用。

图5　除草动力学模型Fig.5　Diagram of weeding dynamicmodel图中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区域分别为土壤泥浆层、根系密集层和泥土层Ⅰ,ⅡandⅢregions are respectively themud soil layer, the root dense layer and the dirt layer

当除草弹齿以点接触形式（作用点o）与杂草发生碰撞，将其压埋入土壤中时，对杂草根茎任意横截面P皆产生一定力矩，：

式中，F-杂草茎秆所受集中作用力（N）；h-受力点高度（mm）；θ-杂草弯曲角度（°）。

将式（11）与式（12）整理合并得：

对式（13）进行二次积分得：

式中，C、D为积分常数项。当作用点为坐标原点时（x=y=0），得常数项C=D=0。

综上分析，杂草茎秆被压埋入土壤挠曲线方程为：

分析式（15）可知，对于特定杂草类型，其弹性模量E及截面惯性矩I恒定不变，当除草弹齿入土深度一定时，其受力点高度h不变，杂草弯曲角θ随弹齿作用力F增大而减小，即作用力越大其压埋除草效果越好。当弹齿对杂草作用力F一定时，杂草弯曲角θ随受力点高度h增大而增大，即受力点高度越大其压埋除草效果越差。

通过株间立式除草装置运动学及动力学机理分析，其除草性能质量与机具前进速度、除草弹齿旋转速度及弹齿入土深度等因素有关。因此本文选取除草弹齿旋转速度、机具前进速度及弹齿入土深度为试验因素，以回归正交旋转组合试验分析不同工作参数下除草性能规律，计算机具最佳工作组合参数，提高机具作业质量。

4　除草性能试验

4.1　试验条件

试验时间为2015年6月，地点为东北农业大学农具实验室，试验水稻品种为龙阳12号。为模拟实际水田中耕除草作业环境，将哈尔滨市幸福乡水稻田地第一除草时段（移栽后10～13 d）内水稻秧苗及杂草转移至土槽试验台，转移过程中始终保持足够多的泥土裹覆水稻秧苗根系周围，保证根系生长环境与田间一致。测定水稻秧苗平均高度226.5mm，平均茎粗2.1mm，将水稻及杂草移至台架前进方向弹齿切向位置，控制台架前进速度及弹齿转速使其正常作业，台架如图6所示。

图6　除草测试系统Fig.6　Measuring system of weeding1-试验台架；2-行走电机；3-带轮；4-测试台架；5-集流环；6-除草弹齿；7-转动电机1-Test bench;2-Hauling&runningmotor;3-Belt pulley;4-Test-bed;5-Current collector;6-Spring-tooth;7-Rotatingmotor

4.2　试验因素与指标选取

由除草机理分析可知，除草弹齿旋转速度、机具前进速度及弹齿入土深度是影响机具除草质量主要因素，因此选取此三项因素为试验指标。同时选取除草率和伤苗率作为株间除草装置工作性能的主要评价指标。

株间除草率计算公式为：

式中，η1为株间除草率（%）；M1为作业前测试区株间杂草数（株）；M2为作业后测试区株间杂草数（株）。

株间伤苗率计算公式为：

式中，η2为株间除草率（%）；K1为作业前测试区内总稻苗数（株）；K2为作业后测试区伤苗及埋苗数（株）。

4.3　试验内容与方法

分别作除草弹齿旋转速度、机具前进速度及弹齿入土深度单因素预试验，以合理控制因素变化范围。在此基础上，采用3因素5水平2次正交旋转组合设计试验以确定除草装置最佳组合参数，试验因素水平编码见表1。各组试验作3次重复试验，统计处理数据取平均值作为试验结果。

表1　试验水平编码Table 1　Coding of level of single factors编码值Coding 1.682 1 0 -1 -1.682试验因素Factors弹齿转速x1（r·min-1）Rotational speed 80 68 50 32 20前进速度x2（m·s-1）Machine speed 0.70 0.58 0.40 0.22 0.10入土深度x3（mm）Depth of enteringsoil 50 42 30 18 10

4.4　试验结果与分析

试验方案与结果如表2所示，试验参数设计值与实际值误差小于2.2%，可近似以除草装置工作参数设计值分析结果。

通过Design-Expert 6.0.10软件分析试验数据回归，分析因素方差，筛选较为显著影响因素，得出相应的回归方程，其中x1为弹齿转速，x2为前进速度，x3为入土深度，y1为除草率，y2为伤苗率。

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