水田除草装置的轻简化及其仿真

东北农业大学学士学位论文学号：A07110045水田除草装置的轻简化及其仿真学生姓名：宋颖指导教师：王金峰所在院系：工程学院所学专业：机械设计制造及其自动化研究方向：农业机械田间作业东北农业大学中国哈尔滨2015年5月Northeast Agricultural University Bachelor Degree ThesisStudent number：A07110045Simplifieddirect seedingpaddy fieldweeding machineStudent name：Song YingSupervisor： Wang JinfengDepartment：College of EngineeringMajor：mechanical design-manufacture and automation Research Direction：Agricultural machineryfield operation Northeast Agricultural UniversityHarbinChinaMAY ，2015 直播水田除草机的轻简化摘要长期以来在水田苗间的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。到目前水稻苗间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及机械水田除草装置的推广，研制一种精简化的水田苗间除草装置是很有必要的。本文主要研究苗间除草机的关键部件，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。采用理论分析，模拟仿真相结合的方法，对苗间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。本文主要研究了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，苗间除草轮，行间除草轮。并运用Pro/ENGINEERWildfire5.0软件的动态仿真清楚观察机构的特点。观察苗间除草装置的三维模型，了解机构的工作情况。关键词:苗间除草，行间除草，除草机，仿真25Simplifieddirect seedingpaddy fieldweeding machineAbstract For 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 method of combining simulation，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 the use of dynamic simulation clearly observe the characteristics of the Pro / ENGINEER Wildfire 5.0 software. Observe the three-dimensional model of the seedlings weeding device，understanding the work of the organization.Key words： Seedlings weeding；Between weeding；Weeder；Simulation目录摘要1Abstract11前言31.1本研究的目的与意义31.2国内外对水田苗间除草机的研究现状及发展趋势31.2.1国外研究现状31.3国内对水田除草机的研究现状及发展趋势81.3.1国内水田除草机的研究现状81.3.2国内水田除草机的发展趋势的展望91.4本研究的主要内容和研究方法102关键部件机理研究及其设计112.1水稻与稗草根部特性及除草时间112.1.1水稻根部特性112.1.2稗草根部特性112.1.3除草时间确定112.2苗间除草部件设计112.2.1苗间除草原理112.2.2苗间除草部件设计参数几何关系分析122.2.3除草盘运动分析152.2.4苗间除草刀盘的受力分析162.2.5苗间除草刀盘的材料的选择172.3行间除草部件172.3.1行间部件整体组成182.3.2行间除草部件工作原理182.3.3行间除草笼的设计193机具整体设计方案213.1机具动力选择213.2传动系统设计213.3整机工作过程及其他各部件的三维图224结论24参考文献25致谢261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2014年全国稻谷播种面积为3054.9万公顷， 稻谷产量约为2亿吨，占全国粮食总产的36和世界稻谷总产的30。然而,稻田杂草与水稻争夺生长空间、光照、水、热、肥料养分等资源，影响水稻的生长，是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因，每年由于草害引起的水稻产量损失率约在 15%以上2。因此，在水稻的生产过程中，科学而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。使用化学药剂除草是目前为止应用最广泛的除草方式之一，它具有高效、快速、经济等优点。自20世纪80年代以来，在世界范围内除草剂的大面积使用，也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5等。随着现代农业的进步和发展，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、生物防治和农业防除等非化学除草技术得到了更多的研究和应用。在水稻田间非化学性除草的防治技术中，机械除草技术发展迅速，并产生了相应的水稻田间除草装备在农业生产中应用。在水稻生长的过程中，除草剂使用过量不仅降低稻米品质，还会污染土壤和水源,破坏生态环境6。由于人工除草劳动强度大，效率低， 所以机械除草被视为“有机水稻”种植过程中最佳的除草方式。采用机械除草方式改变了用化学药剂除草的传统作法，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，水稻中耕除草机械目前在我国还是空白。 为响应2015年中央一号文件号召，加大改革创新力度加快农业现代化建设。目前，随着水稻品种开发及栽培研究的深入，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都采用宽行栽培。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，而对于苗间杂草并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当前的农艺要求。 所以开展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国内外对水田苗间除草机的研究现状及发展趋势1.2.1国外对水田苗间除草机的研究现状在科技飞速发展的今天。机械化农业也大力的发展。许多国家对水稻种植除草的机械有很大的研究。1）欧美及澳大利亚欧美及澳大利亚等国家水稻种植方式以直播为主。直播水稻田在稻种和草种同时萌发时，根系深度并无明显差异，杂草个体生长空间大，杂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，直播机具无法下田。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，并在除草机器人的研究中进行了应用和推广。2）日本亚洲国家的水稻种植方式以移栽为主， 其中日本在水稻移栽装备与机械化技术上的平最高。近年来，有机农业在日本发展迅速，有机绿色受到消费者的青睐，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研制开发了水田除草机。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）步进式水田除草机如图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对转除草辊，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8-10cm，作业速度为0.2-0.3m/s时，作业效率为为0.4-0.6hm2/h。此外，由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，株间除草工作部分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，伤苗率较低，但工作效率也较乘坐式除草机相比更低。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、久保田和井关公司合作研发了一系列高精度除草机，并于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。a.洋马SJVP8D型 b久保WSJ-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3-5cm，作业幅宽16cm。该机作业速度约为0.8m/s，作业效率为3.3hm2/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目前日本市场上出售的水田除草机种类较多，且均已经在水稻生产中得到实际应用，但机械除草效果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改进和研究，改善株间部件除草效果。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，水田杂草防治仍以化学防治为主，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0.075hm2/h11。韩国的水稻机械化种植程度较高，目前在杂草防治方面也依然主要依赖化学防治。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科技含量高、生产和研发的成本高、作业人员专业素质的要求也同样较高。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不高、地块小、人均耕地面积小等特点研发除草机械时，应更多的借鉴国外一些生产成本低、作业方法简易、易于维护、功耗小、轻便的机型。1.3国内对水田除草机的研究现状及发展趋势1.3.1国内水田除草机的研究现状我国早在20世纪50年代开始机动水田耕除草机的研究，到20世纪80年代初相继数十种机型。如东北农学院研制的SZD-6旋耕式水田中耕除草机；浙江省机械科学研究所设计的立旋式水稻中耕除草机13等，但上述的除草机只适用于行间除草，没有株间除草的功能设计。随后,除草剂在中国水稻生产中的广泛应用，使得在相当一段时间内，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，有机的除草方式得到提倡，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开始重新研制新型的水田除草机，但就目前仍未能大面积推广应用。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，其行间除草部分采用旋转部件，株间除草部分使用摆动部件除草，经鉴定,其相对除净率为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1-12 BYS-6型水稻田间除草机中国水田行株间除草机研究尚未完全成熟，仍处在理论和试验研究阶段；与发达国家相比，我国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，如东北农大研制的驱动式水田中耕除草机虽然能够同时去除行间和苗间杂草，但在田间作业时转向困难、造成大面积轧苗的现象、不适用与山区和丘陵地区进行作业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1-2所示图1-2 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。依然需要结合国内外多种机型的优缺点进行整合改进。我国在相关方面研究起步较晚，生产技术滞后。因此，急需借鉴国外先进的技术并结合中国水稻生产实际，开发新型的水田中耕除草装备，为中国有机稻米的生产提供技术保障。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。1.3.2国内水田除草机的发展趋势的展望近年来，国内在田间机械除草装备和技术的研究上取得了一些进展，但是水稻株间机械除草的研究仍然有待提高。为了降低能耗、提高除草精度、减少伤苗率，水田机械除草技术的研究方向应该朝着智能化、仿生化以及多技术联合化方面发展，使机械除草技术在更多的应用到水稻生产中，进而发挥更大的作用。1）智能机械化除草技术智能机械化除草技术主要是指除草机械具有先进的智能识别功能，能够感知和识别所除杂草的生长情况，包括分布，位置、密度等方面的信息，进而通过指令除草执行部件精确去除杂草的技术。由于杂草与稻株在生长过程中可能存在相互遮掩的情况，仅靠机器视觉技术并不能完全将杂草识别出来，因此还需要一种全新的智能识别技术作为视觉识别技术的补充。新兴的机器触觉技术是利用触觉传感器与被测物体的接触感知与接触有关的感觉，通过不同被测物的触觉差别，来识别被测物体。这项技术弥补视觉识别的不足。通过将机器视觉技术与机器触觉技术相融合，提高水田杂草的识别精度。近年来，日本已经开展了关于水田智能除草机器人的研究，主要应用智能机器知觉技术来识别杂草，实现智能机械除草。如果除草机上配套杂草智能识别系统，将能够提高除草效果，从而减少除草过程中对稻株的损伤。2）仿生机械化除草技术仿生机械化除草技术主要是指通过对食草动物和土壤动物的生物性能及行为进行模仿，将其结构特征、运动机理以及行为特征运用到除草机械的设计中，进而完成仿生机械除草的技术。自然界的生物经过上万年的优胜劣汰的进化过程，自身形成了具有一套具有特殊功能的本领。如果能够应用机械仿生的相关理论，通过运用新材料、新技术，融合土壤动物和食草动物的生物功能，设计出仿生除草关键部件，一定能够实现技术突破，改善除草效果、降低伤苗率、降低机械能耗、提高工作效率。因此，仿生机械除草技术的研究，也将是水稻田间机械除草技术发展方向之一。3）多技术联合除草技术多技术联合除草技术是指将多种除草技术，如机械除草技术、化学除草技术、生物除草技术以及其它方式的多种除草技术有机地应用结合在一起，进而提高除草效果。目前，水田株间机械除草方法的除草精度不高，如果一台除草机上行间杂草采用机械除草方式，株间杂草采用化学除草方式，这样既能提高除草率，又能减少除草剂的施用量。此外，据了解，时下应用的稻鸭共育、稻糠除草、纸膜覆盖等有机稻田草荒控制技术也有较好的除草效果。因此，合理、有效地将机械除草技术与其它现存的除草技术有机结合，形成一套系列化的联合除草技术，也将是水田机械除草技术未来的发展趋势之一。1.4本研究的主要内容和研究方法本文主要通过对直播水田中草机关键部件的工作原理进行分析并进行精简化改良，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，从而设计出精简的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。动力传递采用多级减速箱传递。减速箱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水稻的根部特性水稻属于禾本科植物，是我国最主要、分布最广的粮食作物。水稻性喜水、喜温、喜光。水稻的根属于须根系。水稻在分前期只有一个定根，分蘖后方会生长出次生根。在次生根长出后，主根将不再生长，水稻主要依靠次生根吸收养分。传统水稻需要经过为期三十天的育秧期，方可进行移栽。水稻秧苗在移栽后进入返青期，主根将不再生长，次生根继续开始长出。在水稻移栽的第七天后，次生根大量生成，横向分布、呈扁椭圆形、高度约为10mm。在返青期后，水稻进入分蘖期，在这一时期次生根开始快速横向生长分布、呈扁椭圆形、高度约为20mm。2.1.2稗草的根部特性稗草属于禾本科植物，是水田中数量最多的杂草。水田除草作业的主要针对对象就是稗草。由于稗草与水稻秧苗极其相近，稗草也是在水田杂草中最难去除的。稗草根部属于须根系，其根部较水稻根部相比更为强壮，吸收养分能力更强，进而极大的影响的水稻的养分吸收。在水稻移栽前进行的整地作业会去除田间大部分的杂草。水稻移栽后第七天，稻田中的稗草多为整地后新生稗草。由于生长周期不同，此时稗草根系尚没有进入分蘖期，稗草根系只有一条极为纤细的主根。2.1.3除草时间的选择和确定在水稻移栽后的第七天水稻秧苗将进入分蘖期，而在此时，稗草刚刚长出，此时的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的第七天为第一次除草时间。在水稻移栽十三天后，稗草数量将增长缓慢。因而选择在第一次除草后的第十三天进行第二次除草。经过两次除草之后，新生稗草的高度将远低于水稻高度，光合作用无法进行、通风受到影响，已无法与水稻竞争，进而达到除草目的。2.2苗间除草部件设计2.2.1苗间除草原理对转式行间除草器在动力驱动下同时进行绕旋转运动和随机身前进的平移运动，除草笼上所有点的绝对运动都是由绕旋转运动与平移运动合成的。在机身前进过程中除草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器构安装在机架上，通过链轮及连接在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，同时又绕垂直于苗行方向旋转。当除草盘上一个齿与地面垂直时，其除草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除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)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100mm、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。除草齿焊接时弹齿转过一定角度，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5-8时，可以保证不缠草、不缠苗，且能达到良好的除草效果。因此，本文选择齿数8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，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苗间除草盘在工作时，其上面焊接的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，以左除草盘齿上顶点进行分析，如图2-8所示。1.泥土2.齿转动轨迹圆3.齿图2-8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=MW=F*D/2*d3/32=20*300/33.14*63/32=141.5MPa查表可知=800MPa又因为，令，E=750000MPa，I=150mm，I=d464=64mm4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。第三种材料为尼龙：机械强度高，韧性好，有较高的抗拉抗压强度。拉伸强度高于金属，压缩强度与金属不相上下，对冲击、应力的吸收能力强，冲击强度比一般塑料高了许多，耐疲劳性突出，表面光滑摩擦系数小，耐磨性耐腐蚀性强。适合水田环境，且成本低廉，重量小。经过几次试验研究，综合考虑，苗间除草器选用材料尼龙。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、弹簧、限位销钉等部件构成，结构如图2-9，2-10。行间除草笼通过支架和螺栓固定在机架上，进而达到除草笼随机身转动前进的效果；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，来调节除草笼的除草深度；除草笼在行间除草时通过弹簧实现柔性连接，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行间除草部件的示意图图2-10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在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进行转动。在行间除草笼转动前进过程中，除草笼将行间的杂草碾入泥土，使其不能进行光合作进而达到去除行间杂草的目的，轮齿工作状态如图2-11所示。图2-11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，会发生漏草的现象；轮齿个数过多，会使除草笼重量过大，降低效率。若除草笼轮齿的转动半径过大，会发生漏草现象。所以行间除草笼需要确定合理的轮齿运动半径及轮齿个数。(1)行间除草笼轮齿的运动轨迹分析图2-12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。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2-13相邻轮齿轨迹的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机具动力选择我国水田作业环境复杂、地块小和地面凹凸不平的特点决定了除草机机型设计不应为大幅宽、大功率的机具，而是偏向小质量、小幅宽、精简化的锄草装置。故本次设计参照日本善美公司SGL型号水田除草机动力系统，如图3-1所示，在动力选择上手扶式作业。图3-1佳美SGL直播水田除草机此设计具备以下优点：由于我国水田地块小，田间作业时除草机转向多，机械作业会发成轧苗现象。因而水田除草机应具有转向灵活、作业幅宽小等特点。独轮底盘转向便于移动，轧苗现象远小于双轮底盘。水田地面泥土松软、凹凸不平，除草机在田间作业时会产生下陷。除草机下陷越深，在作业中就越不易控制、伤苗率相对越高。本机选用的材质的质量小、机体下陷小，对降低伤苗率有显著作用。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，苗间除草主要依靠对转式除草盘完成。苗间除草盘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。苗间除草盘无需外输动力。行间除草笼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发动机输入，通过二级蜗轮蜗杆圆柱齿轮减速器完成传动。发动机1通过联轴器2传输至齿轮进行一级变速，再次通过联轴器传送至蜗轮蜗杆达到变速要求，将动力传输至行间除草笼进行除草作业，如图3-2所示图3-2动力系统简图3.3整机工作过程及其他各部件的三维图本机通过外置发动机获得动力，通过二级蜗轮蜗杆圆柱齿轮减速器完成传动。发动机1通过联轴器2传输至齿轮进行一级变速，再次通过联轴器传送至蜗轮蜗杆达到变速要求，将动力传输至行间除草笼进行除草作业。同时机器前进会带动除草笼转动，进行行间除草。水田中耕除草机主要部件由传动部件、机动锄草整体部分部件组成，其中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，如下图3-3，3-4：图3-3锄草器机架链接结构三维图图3-4水田中耕除草机机动锄草部分三维图4结论本文通过研究、分析和设计，对当前市场上的直播水田中耕除草机做出了精简化改良。本文在查阅、借鉴大量中外文献、研究市面现有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、借鉴和仿真，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）本文首先通过了解水稻秧苗根部与稗草根部的结构差异、及其不同的生长周期、经过计划确定了最佳的除草作业时间。2）本文对水田除草装置的苗间除草和行间除草的作业原理进行了分析。研究设计出苗间除草部件、行间除草部件。3）通过Pro/ENGINEERWildfire5.0工具建立三维模型，以确定各部件尺寸、材料、加工方法、动力系统及装配方案。参考文献12014年中国稻谷（大米）产业报告D.2014，1.2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)：368373.5RebichRA，CoupeRH，TurmanEM.HerbicideconcentrationsintheMississippiRiverBasin-TheimportanceofchloroacetanilideherbicidedegradatesJ.ScienceoftheTotalEnvironment，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):13.7TurkMA，TawahaAM.WeedcontrolincerealsinJordanJ.CropProtection，2003，22(2):239246.8LeeWS，SlaughterDC，GilesDK.Roboti