关键词:
水田
机械除草
曲面轮齿斜置式
株间避苗除草
有限元法
试验
摘要:
水稻是中国主要粮食作物之一,其种植面积居三大粮食作物之首,对保障国家粮食安全具有重要意义。水田杂草严重影响水稻产量和质量,在中耕期进行有效的除草作业是水稻生长过程至关重要的一个环节。机械除草作为一项具有避免化学污染、改善土壤物理环境、促进作物生长发育等优点的有效技术措施,已被广泛应用。水田机械除草装置是机械除草技术实施的核心,其性能的优劣直接影响除草作业质量和效率。因此研制高效的机械除草装置,实现水稻生产全程机械化具有重要意义。现有的机械除草装置难以一次性完成行间和株间除草作业,且由于水田复杂环境致使装置除草率低、伤苗率高,难以保证作业质量。针对上述问题,本文采用理论分析、机械结构设计、自动控制技术、虚拟仿真分析和试验研究等方法和手段,结合水田实际田间状况,开展水田自动控制除草装置研究。重点突破设计与研究曲面轮齿斜置式行间除草装置、弧齿式自动避苗株间除草装置等核心装置,最终进行水田自动控制除草装置的集成与试制。本研究为水田机械除草装置的创新设计提供理论支撑与参考。主要研究内容与方法如下:(1)曲面轮齿斜置式行间除草装置设计结合理论分析与机械结构设计,设计一种能够高效稳定进行行间除草作业的曲面轮齿斜置式行间除草装置。通过对除草轮作业时轮齿入土压埋和出土脱附过程进行力学分析,构建土壤颗粒在除草轮齿上的相应力学模型,确定除草轮齿采用曲面结构;通过理论分析结合行间除草农艺要求确定了影响除草轮除草性能的主要结构参数为曲率半径ρ和偏心距e,相应取值范围分别为60~100mm和80~120mm。为提高装置作业稳定性,设计了单铰链结构仿形机构,通过理论分析确定了该机构的主要结构参数。(2)弧齿式自动避苗株间除草装置设计结合机械结构设计和自动控制技术,基于除草执行部件间歇式开闭运动的思想,设计了一种用于去除水田中耕期株间杂草的弧齿式自动避苗株间除草装置。根据中耕除草期稻株生长状态和前期行间除草装置设计幅宽,通过理论分析设计了对置株间除草齿,确定了株间和株侧除草弧齿的主要结构参数,其除草作业区域分别为稻株两侧0~30mm和25~60mm,株间除草总幅宽为120mm。为实现株间避苗除草,运用光电传感器和电动直线推杆协同作用,设计了自动避苗控制系统,当装置需要执行避苗除草作业时,系统控制除草弧齿张开一定间距以躲避秧苗。该株间除草装置配合行间除草装置作业,行、株间除草覆盖率可达94.47%。(3)基于LS-DYNA的除草部件-水-土壤流固耦合仿真试验为确定曲面轮齿斜置式行间除草装置最佳结构参数组合和弧齿式自动避苗株间除草装置最佳入土深度,基于LSDYNA显式动力学软件分别建立了行间除草装置与株间除草装置的部件-水-土壤流固耦合模型。选取曲率半径和偏心距为试验因素,以土壤扰动率和耦合应力为试验指标,利用正交旋转试验开展了行间装置多因素性能优化试验;选取入土深度为试验因素,以土壤扰动率为试验指标,进行了株间除草齿单因素虚拟仿真试验。仿真试验结果表明:行间除草轮最优参数组合为曲率半径65.86mm和偏心距113.27mm,行间除草区域内土壤扰动率和耦合应力分别为88.21%和0.04569MPa;株间除草齿最优入土深度为32mm,株间除草区域内土壤扰动率为90.02%。(4)水田自动控制除草装置配置与田间试验综合前期研究成果,配置了曲面轮齿斜置式行间除草装置、弧齿式自动避苗株间除草装置,对其余装置进行选型,将各装置集成为可一次完成行间除草和株间除草的水田自动控制除草装置,并分别进行了行间、株间除草装置和水田自动控制除草装置田间性能验证试验。田间试验结果表明:行间除草装置平均除草率为89.66%,平均伤苗率为2.10%,作业性能稳定,其综合作业性能优于鼠笼式行间除草装置;株间除草装置平均除草率为86.50%,平均伤苗率为0.20%,除草和避苗性能稳定,可满足株间“避苗除草”作业要求;水田自动控制除草装置作业性能稳定,平均除草率为91.67%,平均伤苗率为2.87%,可同时完成行间和株间除草,除草率高,伤苗率低,株间可进行避苗除草,满足水田中耕除草农艺要求。