双行水田除草装置的设计与分析.doc

东北农业大学学士学位论文 学号：A07100496双行水田除草装置的设计与分析学生姓名：李超指导教师：所在院系：工程学院所学专业：农业机械化及其自动化研究方向：农业机械化工程 东 北 农 业 大 学中国哈尔滨2014 年 5 月Northeast Agricultural University Bachelor Degree ThesisStudent number：A07100496Design and analysis research on device of weeding between double-lines from paddy fieldsStudent name：Li ChaoSupervisor：Wang JinwuDepartment：College of EngineeringMajor：Agricultural Mechanization and AutomationResearch Direction：Agricultural MechanizationNortheast Agricultural UniversityHarbinChinaMay , 2014 双行水田除草装置的设计与分析摘要 长期以来水田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除草装置是很有必要的。本文主要研究除草机的关键部件，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。对苗间除草机的机理与参数进行研究，采用对除草盘运动分解的方式，设定未知数弹齿的圆周间距、弹齿的有效工作长度、除草盘转一周的水平方向前进距离等参数，进而求解除草盘的尺寸。根据机械种植水稻的行距及实际情况确定除草笼的尺寸。为除草设备与水田除草机械的研发提供了科学依据和方法。除草装置包括动力装置、动力传递部分，除草盘、除草笼。运用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件对除草装置进行三维建模，确定各部件尺寸、材料、加工方法，整机的动力系统。关键词：除草；农业机械；设计；苗间除草；行间除草Design and analysis research on device of weeding between double-lines from paddy fieldsAbstractFor 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 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 use the Pro / ENGINEER Wildfire 5.0 software to observe the three-dimensional model of the seedlings weeding device, understanding the work of the organization.Key words: weeding;Agricultural machinery ;design ;Seedlings weeding;Between weeding I目录摘要IAbstractII1 前言11.1 本研究的目的与意义11.2 国内外对水田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52 关键部件机理研究及其设计82.1 水稻与稗草根部特性及除草时间82.1.1 水稻根部特性82.1.2 稗草根部特性82.1.3 除草时间确定82.2 苗间除草部件设计82.2.1 苗间除草原理82.2.2苗间除草部件设计参数几何关系分析92.2.3除草盘运动分析112.2.4苗间除草刀盘的受力分析122.2.5苗间除草刀盘的材料的选择142.3行间除草部件142.3.1行间部件整体组成142.3.2行间除草部件工作原理152.3.3行间除草笼的设计153机具整体设计方案183.1机具动力底盘选择183.3整机及各部件的三维图193.4整机工作过程及部件材料、尺寸214结论22参考文献23致谢24II1 前言 1.1 本研究的目的与意义水稻是我国最主要的粮食作物，其种植面积近3200万公顷，产量约占粮食总产的44%1。然而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2。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3、作物药害4、生态环境污染等5。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6。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7。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国绿色农业的发展有这重要的意义。1.2 国内外对水田除草机的研究现状及发展趋势1.2.1国外研究现状田间除草作业是保护性耕作的关键技术,国外从20世纪50年代起开始对机械除草技术进行研究经过多年的研究和改进,目前已经拥有一系列成熟的除草作业机具,能较好地满足作业要求。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8，该机器人可以识别株间杂草，并控制喷头定点喷药9。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。 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，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。 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10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/h11。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12。国外的机械除草技术普遍具有科技含量高、研发和生产成本高、对作业人员专业素质要求高等特点。针对我国农村经济不发达、农业作业人员科学技术水平普遍偏低、地块小、人均耕地面积小等特点研发除草机械时,应更多的借鉴一些生产成本低、作业方法简易、易于维护、功耗小、便于存放的机型。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13；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14，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%。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15。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；与发达国家相比,国内自行研制的水田除草机械作业幅宽小,生产效率低、机械除草技术相对落后如东北农大研制的水田中耕除草机能够同时去除行间和苗间杂草,但作业时转向困难、造成大面积乳苗、不适用与山区和丘陵地区作业16。手扶式水田除草机的出现有效地避免了驱动式水田除草机压苗的现象,手扶式水田除草机具有机身小、行动轻便的特点,适用于我国水田。目前国内主要的手扶式水田除草机如图1-7所示 图1-7农丰牌PRH-3 该种除草机采取手扶式前进,依靠除草机构滚动除草。此两种水田除草机作业幅宽较小、功耗小、田间转向容易且驾驶人员位于工作机构之后,能够对工作情况适时掌握,有效降低伤苗率。但这种机具不能对苗间杂草进行去除。结合国内外多种机型的优缺点,本文旨在设计一种能有效降低伤苗率、可实现一机多用、便于维护、便于-存放、造价低、功耗小且能够对苗间和行间杂草同时去除的手扶式水田中耕除草机。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。1.3 本研究的主要内容和研究方法 本文主要通过对水田中耕除草机关键部件的工作原理进行分析，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，三维建模相结合的方法，对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，从而设计出苗间除草部件及行间除草部件。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。研究方法：查阅文献法 采网上査询、文献搜索等多种方法相结合,充分了解国内外研究现状和发展趋势。软件辅助设计法 运用三维软件对水田中耕除草机进行三维实体建模理论分析法 针对具体的工作性能耍求,对关键部件的工作机理进行分析,根据工作原理进行建模从而完成关键部件的设计。2 关键部件机理研究及其设计2.1 水稻与稗草根部特性及除草时间2.1.1 水稻根部特性 水稻是禾本科植物,是我国最主耍、分布最为广泛的粮食作物。水稻喜水性、喜温、喜光。水稻的根属于须根系。在分前期只有一个主根(定根),分蘖后水稻会生长出次生根(不定根)。水稻次生根长出后,主根不再生长,水稻主要依靠次生根吸收养分。水稻需要经过为期三十天的育秧期,才能进行移栽。移栽后水稻秧苗进入返青期,主根不再生长,次生根开始长出。水稻移栽第七天后,次生根已大量生成,横向分布、呈扁椭圆形、高度大约10mm。返青期后水稻进入分蘖期,次生根快速生长、横向分布、呈扁椭圆形、高度大约20mm2.1.2 稗草根部特性 稗草是禾本科植物,是水田中数量最多的杂草。稗草与水稻秧苗极其相近,在水田杂草中最难去除。水田除草作业主耍针对稗草。稗草根部属于须根系,其根部较水稻根部强壮,吸收养分能力更强。水稻移栽前进行的整地作业,会去除大部分田间杂草。水稻移栽后第七天,稻田中的稗草均为整地后新生稗草。此时稗草根系没有进入分蘖期,稗草根系只有一条极为纤细的主根。2.1.3 除草时间确定 水稻移栽后第七天水稻秧苗进入分蘖期,而稗草刚刚长出,此时水稻秧苗的根系相较于同时期稗草的根系强壮,水稻根系与稗草根系所受土壤阻力差距达到最大且稗草生长处于高峰期,因而选择水稻秧苗移栽后第七天为第一次除草时间。在水稻移栽十三天后,稗草数量增长缓慢。因而在第一次除草后第十三天进行第二次除草。经过两次除草之后,新生稗草的高度远低于水稻高度,光合作用无法进行、通风受到影响,已无法与水稻竞争。2.2 苗间除草部件设计2.2.1 苗间除草原理弹齿刀盘在动力驱动下同时进行绕旋转运动（即为相对运动）和随机身前进的平移运动（牵连运动），弹齿上所有点的绝对运动都是由相对运动与牵连运动合成的。在机身前进过程中每套弹齿会在秧苗左右两侧位置与秧苗及杂草发生相对位移，从而使杂草受到弹齿的外力，从土壤中打出。由于秧苗与杂草根系情况不同，秧苗不会被打出。原理如图2-1图2-1除草盘盘除草示意图2.2.2苗间除草部件设计参数几何关系分析 苗间除草机构安装在机架上，通过两个链轮、钢丝软轴及连接在弹齿刀盘轴套上的轴共同对除草盘进行驱动。除草盘由轮毂、弹齿、轴套三部分组成，见图2-2。 图2-2除草盘三维图 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2-3所示。图2-3盘结构示意图 图 2-4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2-4。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)式中 除草盘转速,r/min；d1除草盘直径,mm由vf决定和v决定， (3)式中 n除草盘弹齿数 由式(1)(3)得 (4)令，由式(4)得 (5)式中 K除草盘除草速比,K(3,8)(查相关文献得到)由K决定,式(5)为除草盘运动参数间的关系。除草盘的旋转直径 (6)式中 H轴心与地面的最小距离,mmh最大耕作深度,mm为避免试验中除草盘旋转轴缠苗,依据秧苗返青后的高度,H取值为80100mm;最大耕作深度h取值为1530mm,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30mm时,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=280mm。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 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研究。3）刀盘的离地间隙 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Hmin=（85-100）mm经上述分析最终除草盘设计尺寸如图2-51.轮毂 2.弹齿筒盖 3.弹齿筒 4.弹齿图2-5除草盘尺寸示意图 2.2.3除草盘运动分析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（见图2-6），即由除草盘绕轴心旋转的圆周运动和机器直线运动合成。 注：R刀盘的旋转半径；除草盘转动角速度；v机器前进速度图 2-6 左除草盘运动轨迹 除草盘的合成轨迹成螺旋线形，其合成运动按公式计算。 s=vt （7） =t （8） 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。 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2-7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。 注：c弹齿入土点和出土点距离；s两次出土点距离图2-7弹齿工作轨迹2.2.4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2-8所示。1.泥土2.弹齿转动轨迹圆3.弹齿图2-8弹齿受力分析刀盘所受合力F为1520N，盘齿的弯矩。 (9)max= 式中：刀盘齿根所受应力max=查表可知又因为 ，令,，, 得： 又因为 因此，综合上述可知强度满足条件，设计合理。2.2.5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。2.3行间除草部件2.3.1行间部件整体组成 行间除草部件主要由除草笼、支架、轴、弹璜、限位销钉等部件构成,结构如图2-9。行间除草笼由支架和螺栓固定在机架上,从而达到除草笼随机身转动前进的目的;行间除草笼随机身前进时,除草笼绕轴滚动旋转;通过改变限位销钉在支架上的位置,调节除草笼的除草深度;通过弹簧的设计可以使除草笼在行间除草时为柔性连接,避免除草时除草笼发生损坏。水稻秧苗的行间距为300mm,为防止行间除草笼发生轧苗现象,秧行两侧40mm内的杂草由苗间除草盘去除,所以除草笼长度应为220mm。 图2-9行间除草部件的三维图2.3.2行间除草部件工作原理 行间除草笼随除草机底盘向前移动时,依靠泥土施加于除草笼的摩擦力发生转动。在行间除草笼转动前进过程中,除草笼将行间染草碾乱入泥土,使其不能进行光合作从而达到去除行间染草的目的,轮齿工作状态如图2-10所示。 图2-10除草笼工作状态示意图2.3.3行间除草笼的设计 在行间除草笼转动前进过程中,若除草笼轮齿个数较少,会发生漏草现象;轮齿个数过多,会使除草笼重量过大。若除草笼轮齿的转动半径较大,会发生漏草现象。故而行间除草笼需耍确定合理的轮齿转动半径和轮齿个数。(1)行间除草笼轮齿运动轨迹分析图2-11轮齿上任意一点速度示意图轮齿的绝对速度为除草笼前进速度与除草笼转动速度的合成。选取轮齿与Z轴重合时的位置A为初始位置,取任意位置B为研究对象,如图2-11所示。 式中 轮齿角速度,rad/s; 轮齿旋转半径,mm。 式中轮齿旋转线速度,rad/s。由式下面公式得出轮齿转动一周所需时间有下面公式得出相邻两个轮齿转动到相同位置时的时间差; 式中轮齿个数，个。如图2-12所示,线段AB为杂草落部,长度为40mm; C为线段AB中点;1、2为相邻两个轮齿转动一周的运动轨迹,轨迹1为前一个轮齿的运动轨迹。图2-12相邻轮齿轨迹除草示意图 当相邻两个轮齿中的第一个轮齿恰好接触到杂草茎部底端B时,若第二个轮齿的运动轨迹与线段AB相交点高于C点或不相交时,除草笼会产生漏草现象。相邻两个轮齿中的第一个轮齿恰好接触到杂草基部底端B时,第二个轮齿的运动轨迹与线段AB相交于C点,则除草笼既不会漏草、且重量最小。利用上面公式得到一个关于轮齿个数、除草深度、轮齿半径、前进速度函数关系式。根据查阅相关相关资料得出轮齿个数为12、除草深度为42mm、前进速度为0.43m/s,得出轮齿半径100mm。轮齿外径为l0mm、内径为6mm。3机具整体设计方案3.1机具动力底盘选择 我国水田作业环境复杂、地面凹凸不平和地块小的特点决定了除草机不应为大幅宽、大功率的机具,而应为小幅宽、小质量、低功耗的小型机具本文设计的中耕除草机选用一种两轮式手扶拖拉机作为机具底盘及动力装置。此动力输出底盘具备以下优点：由于我国水田地块小,田间作业时除草机转向多,会发成压苗现象。因而水田除草机应具有转向灵活、作业幅宽小的特点。两轮底盘转向轻便自如,压苗现象远小于四轮底盘。水田地面凹凸不平、泥土松软,除草机在作业时会产生下陷。除草机下陷越深,作业中越不易控制、伤苗率越高。本机选用的底盘质量小、下陷小,对降低伤苗率有显著作用。本机底盘体积小,可以与其他农具相连接进行相关作业,可满足一机多用、存放方便、成本较低的要求。拖拉机作业时更换水田轮，拖拉机底盘上方焊接机架，与除草机采用三点悬挂的方式连接。最终选择拖拉机如图3-1： 图3-1 SF101拖拉机手扶拖拉机具体参数如表3-1：表3-1手扶拖拉机参数行走方式 长*宽*高 引擎功率 轮距 档位 名称 cm3 /Kw /cm 6个前进档 SF101 230*93*128 5.88 68 2个倒退档 3.2传动系统设计 本文设计的水田中耕除草机同时进行行间和苗间除草作业,行间除草主要依靠行间除草笼完成,苗间除草主要依靠弹齿除草盘完成。行间除草笼随机机具前进时依靠与土壤的摩擦力即可达到旋转前进作业的目的。行间除草笼无需外输动力。弹齿除草盘则需要动力驱动才能达到旋转作业的目的。本机具体传动系统设计方案为动力经拖拉机上的皮带轮2传出,带轮2与除草机带轮1相连并减速,小链轮3通过轴与带轮4相连,再经过钢丝软轴5传动至弹齿刀盘进行除草作业,如图3-2所示。 图3-2 传动系统简图3.3整机及各部件的三维图 水田中耕除草机主要部件由动力底盘部件、传动部件、苗间除草部件、行间除草部件、仿生限深部件等组成,除草部件通过悬挂装置以三点悬挂方式连接在动力底盘部件上,由仿生限深部件调节除草深度。具体机构如下图： 图3-3除草笼 图3-4联轴器 图3-5除草盘 图3-6仿形机构 图3-7限深器 图3-8传动部分 图3-9三点悬挂 图3-10除草机整机3.4整机工作过程及部件材料、尺寸本机通过拖拉机获得动力，动力经过机器的皮带轮，皮带轮经过轴将动力传给链轮，链轮带动链子将动力传给另一个链轮，链轮经过轴将动力传给联轴器，联轴器再将动力传给钢丝软轴，钢丝软轴将动力传至除草盘，两只除草盘一个正转，一个反转进行苗间除草。同时机器前进会带动除草笼转动，进行行间除草。整机尺寸及作业宽度如下表3-2：表3-2部件材料、尺寸 部件 材料 尺寸 备注 架体 方钢 60*60mm2 厚度4mm 钢丝软轴 弹簧钢丝直径 6mm 配套的金属软管规格为内径20mm,外径 30mm限深部件 聚四氟乙稀苯板 托板内镶有4个长200mm、直径5mm的钢条 4结论本文设计了一种新型的手扶式水田中耕除草机。本文在查阅、借鉴大量中外文献、机型的基础上对其工作原理进行分析,对关键部件进行分析、仿真,最终通过理论分析和试验研究等方法得到主耍结论如下:1)本文通过对水稻秧苗根部与稗草根部的结构差异、生长周期的区别、确定了最佳的除草作业时间。2）本文对苗间除草和行间除草的作业原理进行了分析。设计出苗间除草部件、行间除草部件。3）通过Pro/ENGINEER Wildfire 5.0建立三维模型，确定各部件尺寸、材料、加工方法、动力系统，以及装配方案。 参考文献 1王金武, 牛春亮, 张春建, 等. 3ZS-150型水稻中耕除草机设计与试验J. 农业机械学报, 2011, 42(2): 75-79.2 于改莲. 稻田除草剂的正确施用方法J. 农药，2001，12(40)：4345.3杨彩宏，田兴山，岳茂峰，等. 农田杂草抗药性概述J.中国农学通报，2009，25(22)：236240.4 赵学平，王秀梅，王强，等. 农美利等除草剂对水稻药害的研究J. 浙江农业学报，2000，12(6)：368373.5 Rebich R A, Coupe R H, Turman E M. Herbicide concentrations in the Mississippi River Basin-The importance of chloroacetanilide herbicide degradatesJ. Science of the Total Environment, 2004, 321(1/3): 13.6 金连登,许立,朱智伟.我国现行有机、绿色、无公害食品大米的异同点及生产发展策略研究J.粮食与饲料工业,2005(5): 13.7 TurkM A, Ta