垄作玉米机械除草装置设计与试验研究

　　摘 要

　　玉米是我国主要粮食作物之一,其不仅可供人们食用,同时还大量被用作畜牧饲料和工 业生产,因此保障玉米产量对于发展畜牧业和工业都具有非常重要的意义.田间草害是导致 玉米产量下降主要因素之一,相关研究表明,严重的草害可使玉米产量下降 50%以上.

　　目前,我国主要除草方法有人工除草、化学除草、机械除草等.人工除草劳动强度大、 效率低,只有极少部分地区采用人工除草方法.化学除草效率高、节省人力,是目前主流的 除草方法,但化学除草方法有效控制杂草的同时也产生诸多不良影响,如大量反复使用除草 剂使田间杂草产生抗药性、严重污染农田环境、农药残留威胁人们饮食健康等.近年来随着 人们环保意识的不断增强,机械除草逐渐受到人们的重视,机械除草具有除草效率高、对环 境污染小等优点,因此开展机械除草相关研究具有重要意义.

　　本文在分析现有机械除草技术基础上,针对我国机械除草装置研究存在的不足,结合粘 重土壤作业环境和玉米垄作种植特点,采用优化设计方法分别设计了凸轮摇杆式摆动型苗间 除草装置和驱动旋转式振动型松土除草装置,将理论分析、虚拟样机设计、软件仿真、土槽 试验优化等多种方法相结合,使设计出的除草装置性能达到最优,研究的主要内容和结论如下:

　　(1)玉米机械除草装置样机设计

　　对玉米小垄种植垄型尺寸及玉米苗物理参数进行测定,根据测定结果对玉米机械除草装 置样机进行设计,该样机可一次性完成中耕除草、松土作业.

　　(2)凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置设计与分析

　　针对现有中耕机作业时苗间除草效率低、伤苗率高等问题,设计了凸轮摇杆式摆动型苗 间除草装置,通过凸轮摇杆机构的设计将电机的连续转动转换为除草刀的往复摆动,从而达 到除草不伤苗的目的.阐述了苗间除草装置的主要结构和工作原理,通过建立和分析除草刀 避苗运动轨迹数学模型,优化除草装置避苗运动轨迹,并在此基础上对凸轮摇杆式摆动型苗 间除草装置的关键部件除草刀、凸轮摇杆机构和弹簧等进行设计.应用 ADAMS 软件对凸轮 摇杆式摆动型苗间除草装置的运动状态进行模拟,得到不同运动参数下除草装置的避苗运动 轨迹,分析运动参数对除草装置避苗轨迹的影响.同时为探究凸轮摇杆式摆动型苗间除草装 置最优运动参数组合,以凸轮轴转速、机器前进速度为试验因素,覆盖率和入侵率为试验指 标,采用多因素二次正交旋转组合设计试验方法,进行虚拟试验研究.结果表明:当凸轮轴 转速 830deg/s、机器前进速度 813mm/s 时,其覆盖率为 92.9%、入侵率为 2.9%,此时的除草 装置运动轨迹最优.应用 ANSYS Workbench 软件对凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置的除草 刀进行有限元静力学分析,结果表明转动中心孔为除草刀薄弱部位,为防止作业过程中出现 应力、应变集中等问题,本文为左、右除草刀各设计了一个刀座,同时适当增加除草刀的厚 度,以期尽量减小应力、应变集中.

　　(3)凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置试验研究

　　为探究凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置的实际作业性能,以前进速度、弹簧刚度和除草 刀转速为试验因素,以除草率、伤苗率为试验指标,进行正交试验研究,同时以最优水平组 合进行验证及对比试验.正交试验结果表明:作业速度和除草刀转速对除草率和伤苗率影响 均为显著,弹簧刚度对除草率和伤苗率影响为极显著,凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置的最 优组合为:弹簧刚度 60N/mm、前进速度 0.6m/s、除草刀转速 130r/min;验证及对比试验结 果表明,除草装置的除草率为 89.8%,伤苗率为 2.1%,所设计的凸轮摇杆式摆动型苗间除草 装置的作业性能优于传统苗间除草机.

　　(4)驱动旋转式振动型松土除草装置设计与分析

　　针对现有旋转中耕机作业时存在除草、碎土效果差,作业功耗大等问题,设计了驱动旋 转式振动型松土除草装置,凸轮轴、弹簧等部件的设计使该型除草装置作业时除草刀柔性振 动切割土壤和杂草,增强碎土性能的同时降低其作业功耗.阐述并分析了驱动旋转式振动型 松土除草装置的结构组成和工作原理,并对其作业机理进行理论分析.通过除草装置的运动 数学模型建立、除草刀切削土壤阻力分析和除草装置减阻机理分析,得到影响装置作业效果 的主要因素为机器前进速度、弹簧刚度和刀辊转速.根据理论分析结果,对驱动旋转式振动 型松土除草装置的除草刀、凸轮轴、外辊筒、弹簧等关键部件进行尺寸设计.应用 ADAMS 软件模拟装置的运动轨迹,验证理论分析结果.应用 ANSYS Workbench 软件对驱动旋转式 振动型松土除草装置的辊筒进行模态分析,以防止共振发生,模态分析结果表明系统激振频 率远小于辊筒的固有频率,发生共振可能性不大.

　　(5)驱动旋转式振动型松土除草装置试验研究

　　为了研究驱动旋转式振动型松土除草装置作业性能,在室内土槽分别进行单因素、多因 素、对比试验,以期得到最优作业参数组合.以机器前进速度、刀辊转速及弹簧钢度为试验 因素,作业功耗、碎土率、除草率为性能指标进行试验研究,结果表明:各因素对作业功耗 影响贡献率由大到小依次为刀辊转速、机器前进速度、弹簧刚度,对碎土率影响的贡献率由 大到小依次为弹簧刚度、刀辊转速、机器前进速度,对除草率影响的贡献率由大到小依次为 弹簧刚度、刀辊转速、机器前进速度;最优参数组合为刀辊转速 241~259r/min、机器前进速 度 0.5~0.8m/s、弹簧刚度 10.42~12.16N/mm,作业功耗范围为 1.89~2.0kW、碎土率范围为 92.9%~93.4%,除草率范围为 86.7%~88.5%.在室内土槽进行验证和对比试验,结果表明驱 动旋转式振动型松土除草装置的作业性能优于传统旋转锄式中耕除草装置.田间试验表明, 当刀辊转速为 251r/min、机器前进速度为 0.5m/s、弹簧刚度为 10.5N/mm 时,测得其除草率 为 88.1%,碎土率为 92.8%,作业功耗为 2kW.所设计的驱动旋转式振动型松土除草装置的 作业性能满足中耕机的作业要求.

　　关键词:垄作玉米;中耕机;机械除草;试验研究

　　Abstract

　　Maize is one of the main food crops in China. It is not only edible for people, but also used in animal feed and industrial production. Therefore, ensuring corn production is of great significance for the development of animal husbandry and industry. Field grass damage is one of the main factors leading to the decline of corn yield. Relevant research shows that severe grass damage can reduce corn yield by more than 50%.

　　At present, the main methods of weeding in China include manual weeding, chemical weeding, and mechanical weeding. Manual weeding is labor intensive and inefficient, and only a few areas use manual weeding methods. The chemical weeding machine has high efficiency and saves manpower. It is the current mainstream weeding method, but the chemical weeding method effectively controls the weeds and also has many adverse effects. For example, repeated use of herbicides makes the field weeds resistant and seriously pollutes the farmland environment. Pesticide residues threaten people's diet and health. In recent years, with the increasing awareness of environmental protection, mechanical weeding has gradually attracted people's attention. Mechanical weeding has the advantages of high herbicidal efficiency and low environmental pollution. Therefore, research on mechanical weeding is of great significance.

　　Based on the analysis of the current research status of mechanical weeding technology , this paper designs the cam rocker swing Intra-row weeding device and driving rotary vibration type weeding device according to different soil environments. Combining theoretical analysis, virtual prototype design, software simulation, test optimization and other methods to optimize the performance of the designed weeding device, the main content of the research and conclusion as below:

　　(1)Prototype design of corn mechanical weeding device

　　The ridge size of corn ridge planting and the physical parameters of corn seedlings were measured. According to the measurement results, the corn machinery weeding device prototype was designed. The prototype can complete the cultivating and weeding and loosening operations at one time.

　　(2)Design and operation mechanism of cam rocker swing

　　Intra-row weeding device Aiming at the problem of low efficiency of weeding and the high rate of seedling injury in the  operation of existing cultivators, combined with the characteristics of small ridge planting of corn, a cam rocker swing intra-row weeding device was designed. The core working part of the device is the cam rocker mechanism. The design of this mechanism will be The continuous rotation of the motor is converted into the reciprocating swing of the weeding knife, so as to achieve the purpose of weeding and not hurting the seedling; the paper studies the structure and working principle of cam rocker swing intra-row weeding device, and establishes the path of the weeding knife avoiding seedlings. The mathematical model analyzes and optimizes the model to obtain the optimal trajectory of avoiding seedlings. Based on this, the key components of the cam rocker type oscillating intelligent intra-row weeding device are designed. The key components are mainly designed with weeding knives,Cam rocker mechanism design and spring design. The motion state of the cam rocker swing intra-row weeding device was simulated by ADAMS software. The trajectory of the seedling movement of the weeding device under different motion parameters was obtained, and the influence of the motion parameters on the shape of the weeding device was analyzed. At the same time, in order to explore the optimal motion parameter combination of the cam rocker swing intra-row weeding device, the cam shaft speed and the machine forward speed are used as test factors, the coverage rate and the intrusion rate are the test indicators, and the multi-factor quadratic orthogonal rotation combination design is adopted. The test method was applied to the virtual test study using ADAMS software. The results show that when the cam shaft speed is 830deg/s and the machine forward speed is 813mm/s, the coverage is 92.9% and the intrusion rate is 2.9%. The motion track of the weeding device is optimal. The ANSYS Workbench software was used to perform finite element static analysis on the weed cutter of the cam rocker swing intra-row weeding device to further optimize its structure. The static analysis results show that the rotating center hole is the weak part of the weeding knife, in order to prevent the operation process. The weeding knife has problems such as stress and strain concentration. In this paper, a knife seat is designed for each of the left and right weeding knives, and the thickness of the weeding knives is appropriately increased to minimize stress and strain concentration.

　　(3)Experimental study on the cam rocker swing intra-row weeding device

　　In order to explore the actual working performance of the cam rocker swing intra-row weeding device, the forward speed, spring stiffness and weeding knife speed were taken as the test factors, and the orthogonal test was carried out with the herbicide rate and the injury rate as the test index. The optimal level combination was verified and compared. The results of orthogonal test showed that the working speed and the speed of the weeding knife had significant effects on the herbicide rate and the injury rate. The spring stiffness had a significant effect on the herbicide rate and the injury rate. The optimum combination is: spring stiffness 60N/mm, forward speed 0.6m/s, weeding blade speed 130r/min; verification and comparison test results show that the weeding rate of the weeding device is 89.8%, and the injury rate is 2.1%. The cam rocker swing intra-row weeding device has better performance than the traditional seedling weeder.

　　( 4 ) Study on design and operation mechanism of driving rotary vibration type weeding device

　　In the heavy soil environment, the driving rotary vibration type weeding device is designed to solve the problems of serious rotary teeth and high power consumption during the operation of the rotary cultivator. The design of cams, springs and other components makes the weeding. The weeding knife flexibly vibrates the soil and weeds during the operation of the device, which increases the weeding performance of the weeding teeth while reducing the operating power consumption. The structure and working principle of the driving rotary vibration type weeding device are expounded and analyzed, and the working principle is theoretically analyzed. Through the establishment of the mathematical model of the motion of the weeding device, the analysis of the soil resistance of the weeding cutter and the mechanism of the drag reduction of the weeding device, the main factors affecting the working effect of the device are the machine forward speed, spring stiffness and knife roll speed. According to the theoretical analysis results, the key components such as the weeding blade, camshaft, outer roller, and spring that driving rotary vibration type weeding device are designed.The motion state of the driving rotary vibration type weeding device was simulated by ADAMS software, and the speed and acceleration changes were obtained and analyzed. The modal analysis of the driving rotary vibration type weeding device is carried out by ANSYS Workbench software to prevent resonance. The modal analysis results show that the excitation frequency of the system is much smaller than the natural frequency of the roller, and the possibility of resonance is not high.

　　(5) Experimental study on driving rotary vibration type weeding device

　　In order to study the actual working performance of the driving rotary vibration type weeding device,Single factor, multi-factors and comparison tests were carried out in indoor soil tanks in order to obtain the optimal combination of operation parameters. Taking the machine forward speed, the knife roll speed and the spring steel as the test factors, the operating power consumption and the soil breaking rate are the performance indicators. The power consumption test of the driving rotary vibration type weeding device is carried out in the indoor soil tank. The results show that: The contribution rate of each factor to the operation power consumption is from the largest to the smallest, the speed of the cutter roll, the forward speed of the machine, the spring stiffness, and the contribution rate to the crushing rate is the spring stiffness, the speed of the knife roll, and the forward speed of the machine.The contribution rate to the herbicide rate is, from large to small, spring stiffness, knife roll speed, and machine forward speed. The optimal parameter combination is when the machine advance speed is 0.5~0.8m/s, the cutter roller speed is 241~259r/min,and the spring stiffness is 10.42~12.16N/mm, the operating power consumption range is 1.89~2.0kW, and the grounding rate range is 92.9%~93.4%,Weeding rate range is 86.7%~88.5%. The verification and comparison tests were carried out in the indoor soil trough, and the results showed that the operation performance of the driving rotary vibration type weeding device was better than the conventional device. Field experiments showed that when the speed of the knife roll was 251r/min, the machine forward speed was 0.5m/s, and the spring stiffness was 10.5N/mm, the operating power consumption was 2kW, and the grounding rate was 92.8%,The weeding rate is 88.1% The designed driving rotary vibration type weeding device has the working performance to meet the operation requirements of the cultivator.

　　Key words: ridge maize; cultivator; mechanical weeding; experimental research

　　目 录

　　摘要...............................................................................................................................................................I

　　英文摘要................................................................................................................................................... III

　　1 引言..........................................................................................................................................................1

　　1.1 研究目的与意义............................................................................................................................. 1

　　1.2 苗间除草机械研究现状................................................................................................................ 2

　　1.2.1 国外苗间除草机械研究现状.................................................................................................2

　　1.2.2 国内苗间除草机械研究现状.................................................................................................7

　　1.2.3 苗间除草装置结构类型....................................................................................................... 11

　　1.3 驱动式行间除草机械研究现状..................................................................................................11

　　1.4 振动减阻技术研究现状.............................................................................................................. 13

　　1.5 机械除草装置研究存在的不足..................................................................................................14

　　1.6 课题来源和主要研究内容.......................................................................................................... 14

　　1.7 技术路线........................................................................................................................................17

　　2 玉米机械除草装置整机设计............................................................................................................. 18

　　2.1 玉米垄作种植模式基础参数测定............................................................................................. 18

　　2.1.1 垄型尺寸测定........................................................................................................................18

　　2.1.2 玉米苗物理参数测定........................................................................................................... 19

　　2.2 整机设计........................................................................................................................................19

　　2.2.1 设计要求................................................................................................................................ 19

　　2.2.2 样机组成及工作原理........................................................................................................... 19

　　2.3 本章小结........................................................................................................................................20

　　3 凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置设计与试验研究....................................................................... 21

　　3.1 凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置结构及工作原理................................................................21

　　3.1.1 装置组成................................................................................................................................ 21

　　3.1.2 工作原理................................................................................................................................ 21

　　3.2 凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置运动轨迹规划与分析....................................................... 22

　　3.2.1 除草刀避苗运动轨迹规划...................................................................................................22

　　3.2.2 除草刀运动轨迹数学模型建立.......................................................................................... 23

　　3.3 凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置关键部件设计.................................................................... 24

　　3.3.1 除草刀设计............................................................................................................................ 24

　　3.3.2 凸轮摇杆机构设计............................................................................................................... 25

　　3.3.3 除草刀受力分析及弹簧参数确定...................................................................................... 30

　　3.4 凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置仿真分析.............................................................................32

　　3.4.1 基于 ADAMS 的除草刀运动学仿真分析......................................................................... 32

　　3.4.2 除草装置运动参数优化试验研究...................................................................................... 36

　　3.4.3 除草刀有限元静力学分析...................................................................................................39

　　3.5 凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置试验研究.............................................................................40

　　3.5.1 试验样机设计........................................................................................................................40

　　3.5.2 试验材料................................................................................................................................ 41

　　3.5.3 试验设备与条件....................................................................................................................41

　　3.5.4 正交试验................................................................................................................................ 43

　　3.5.5 试验结果与分析....................................................................................................................43

　　3.5.6 结果验证及对比试验........................................................................................................... 46

　　3.6 本章小结........................................................................................................................................47

　　4 驱动旋转式振动型松土除草装置设计与试验研究....................................................................... 48

　　4.1 驱动旋转式振动型松土除草装置结构组成与工作原理....................................................... 48

　　4.1.1 结构组成................................................................................................................................ 48

　　4.1.2 工作原理................................................................................................................................ 49

　　4.2 驱动旋转式振动型松土除草装置理论分析.............................................................................49

　　4.2.1 除草装置运动方程建立.......................................................................................................49

　　4.2.2 除草装置切削土壤阻力分析...............................................................................................50

　　4.2.3 除草装置减阻机理分析.......................................................................................................52

　　4.3 驱动旋转式振动型松土除草装置关键部件设计.................................................................... 53

　　4.3.1 除草刀设计............................................................................................................................ 53

　　4.3.2 辊筒设计................................................................................................................................ 54

　　4.3.3 压缩杆设计............................................................................................................................ 55

　　4.3.4 凸轮轴设计............................................................................................................................ 56

　　4.3.5 弹簧设计................................................................................................................................ 57

　　4.4 驱动旋转式振动型松土除草装置仿真分析.............................................................................59

　　4.4.1 ADAMS 运动学仿真分析.....................................................................................................59

　　4.4.2 辊筒模态分析........................................................................................................................62

　　4.5 驱动旋转式振动型松土除草装置试验研究.............................................................................65

　　4.5.1 试验样机设计........................................................................................................................65

　　4.5.2 试验材料与设备....................................................................................................................66

　　4.5.3 试验因素及指标选取........................................................................................................... 66

　　4.5.4 单因素试验............................................................................................................................ 67

　　4.5.5 多因素试验............................................................................................................................ 77

　　4.5.6 性能对比试验........................................................................................................................83

　　4.5.7 田间试验................................................................................................................................ 84

　　4.6 本章小结........................................................................................................................................85

　　5 结论与展望...........................................................................................................................................87

　　5.1 结论................................................................................................................................................ 87

　　5.2 创新点............................................................................................................................................88

　　5.3 讨论与展望....................................................................................................................................89

　　致谢............................................................................................................................................................90

　　参考文献................................................................................................................................................... 91

　　攻读博士学位期间的学术论文............................................................................................................. 98

　　1 引言

　　1.1 研究目的与意义

　　近年来,我国玉米种植面积和产量迅速增加,截止到 2016 年,其种植面积超过 3670 万 公顷,产量达到 2.1 亿吨,其稳定生产对于保障国家粮食战略安全具有重要意义[1].我国玉米种植面积和总产量虽然居于世界前列,但是单产却较低.玉米单产量主要受品种、栽培技 术、土壤环境等多因素影响,其中加强田间管理、有效控制杂草是提高玉米单产量的有效途 径之一.

　　田间杂草是农业生态系统不可分割的一部分,它们不仅与作物争夺养分、水分、生长空 间等,从而导致作物大面积减产;同时杂草的存在也易滋生病虫害,这些病虫害也会影响作 物的产量和品质,因此田间杂草是制约作物高产的主要因素之一[2-3].世界上现有的杂草近 5 万种,其中大部分对农作物有害,全世界每年因杂草而造成的粮食减产损失达到 3 亿吨[4]. 作为农业大国的中国,每年因草害造成粮食减产也有上百亿公斤.因此,杂草防治是农田生 产中重要环节之一,除草技术及装备的研发对于保障粮食增长具有重大意义.

　　目前,世界上除草方法主要有人力除草、化学除草、机械除草、生物技术除草、热电力 除草等[5-7].其中使用最广泛的是人力除草、化学除草和机械除草方法,而其他除草方法由于 成本高、适应性较差等缺点,致使其至今仍然难以大范围推广使用[8-11].人力除草具有环境 污染少、技术要求低、操作简单等优点,人力除草是人类自文明社会以来使用时间最长的除 草方法.但随着经济、技术的发展,人力除草除草效率低、人工成本高等缺点日益突出,人 力除草方法逐渐被高效的其他除草方法所代替[12].目前,最常用的除草方法是使用化学除草 剂去除田间杂草,这种除草方法可以同时去除行、苗间杂草,具有省时省力、快速高效等诸 多优点.但除草剂的长期大量使用也给农业生产带来诸多问题,如污染农业生态环境、使杂 草产生抗药性、威胁人们饮食健康等[13].随着人们环保意识的不断增强,化学除草剂的应用 量逐渐减少.

　　机械除草是使用除草机械去除田间杂草的方法[14-17].机械除草方法具有除草效率高、劳 动强度低、绿色环保等诸多优点.该方法除草的同时还可以改善土壤环境、增强土壤渗透性、 增高地温等.随着现代农业技术的发展,具有自动化控制、智能导航功能的除草机器人应运 而成,且逐渐受到人们的重视[18-19].但是,目前机械除草存在许多问题:一方面虽然传统的 除草机械可高效率的去除行间杂草,但幼苗中的杂草更接近作物,并且难以控制,传统的除 草机械不能满足幼苗间对杂草的控制要求;另一方面随着保护性耕作的不断实施,粘重土壤 日益增多,现有的除草机具在粘重土壤条件下作业时存在除草、碎土效果差,作业功耗大等 问题.因此,针对粘重土壤条件下,设计和开发可同时防治行和幼苗之间杂草、作业功耗较 低的新型机械除草设备,具有重要意义.

　　1.2 苗间除草机械研究现状

　　目前行间除草机械已发展的比较成熟,有大量机型被推广使用.由于幼苗之间的杂草接 近作物,因此作物苗间除草技术难度更大.随着现代农业技术的发展,苗(株)间除草机械 逐渐得到发展.

　　1.2.1 国外苗间除草机械研究现状

　　国外关于苗(株)间机械除草技术的研究较早开始,相关研究始于 20 世纪 50 年代.经 过多年的研究和开发,已有多种类型的机具(如弹簧齿、滚动、除草、梳子和手指等除草机) 被推广使用.如德国开发的爪齿式苗间除草机、日本 RX 系列弹性齿式除草机等,这些苗间 除草机具有除草效率高、伤苗率低等优点,国外对苗间除草机械的研发主要以智能除草机械 为主[20,21].

　　美国加州大学的 W.S.Lee 等[22-24]开发了一种番茄株间除草机器人(见图 1-1).该机器 人的工作原理是通过机器视觉系统实时采集苗草信息,通过分析和处理信息控制机械臂将除 草剂喷洒到杂草上,达到定点点位除草的目的.实际作业证明该种方法可有效地减少除草剂使用量.

　　丹麦奥胡斯大学(University of Aarhus)的 Melander 等[25]设计了一种除草刷盘式株间除草 机(见图 1-2).其作业原理是通过除草刷盘与地面的相对旋转运动去除株间杂草.其试验 结果表明,该型除草机除草效率较高,且除草刷盘转速和拖拉机前进速度对除草效果的影响 不显著.瑞典农业大学的 Fogelberg[26]也研究了一种除草刷式株间除草机.

　　Haff[27]等人开发了基于 X 射线检测系统的株间除草机(见图 1-3),该除草机使用 X 射 线高校识别番茄根茎并指导除草执行部件去除番茄根部区域的杂草.田间试验结果表明,当 机器前进速度为 1.6km/h 时,番茄的识别率为 90.7%.

　　Jeon[28]等人设计了一种精确喷药式除草机器人(见图 1-4),该机器人通过通过除草器 除草的同时将除草剂涂抹到杂草茎杆断口处以完全杀死杂草.

　　Henrik[29]等设计了 Robovator 除草机(见图 1-5).该型除草机的工作原理是靠双谱线扫 描相机定位苗带信息,控制弹齿的运动轨迹以完成除草和避苗动作.

　　Astrand[30,31]等设计了一个移动式除草机器人(见图 1-6).除草机器人在顶部配备了两 个摄像头和转向系统.该机器人可自主行走并通过除草执行器进行除草作业.

　　Cordill 和 Grift 等[32]设计了玉米株间除草机(见图 1-7),该机利用激光传感器识别定位 玉米茎秆位置,并控制除草刀绕过玉米植株实现避苗动作.试验证明其伤苗率较低.

　　Nerremark 等[33-38]人研究了多种类型的植物株间除草机器人.图 1-8 是一种具有爪式株间 除草机.该除草机通过匹配机器前进速度和爪齿转速来实现避苗、除草动作.图 1-9 为 Hortibot 株间除草机器人,该机器人带有视觉检测系统和 GPS 导航系统,试验表明这种除草机器人具 有较好的作业效果.

　　英国的 Garford 和 Tillet[39,40]设计了一种作物株间除草机(见图 1-10),该机通过机器视 觉系统采集并处理苗草信息,并实时控制横动机构以对准刀具位置,通过旋转的末端除草器执行除草作业.

　　荷兰瓦赫宁根大学 Bakker 等[41,42]设计了一种新型的自动除草机器人(见图 1-11),该机 器人通过 DGPS 系统可实现田间自主行走,通过机器视觉识别杂草和作物,以控制除草刀去 除苗间杂草.

　　Blasco 等[43]人为蔬菜地设计了一个株间除草平台(见图 1-12),其两个机器视觉系统可 高校定位苗间杂草信息,靠机械手末端释放高压电除草.

　　Perez-Ruiz 等[44,45]人设计了室内除草机器人(见图 1-13),它通过机器视觉技术检测幼 苗位置信息,通过控制两侧除草刀的运动轨迹实现除草避苗动作.

　　Gobor 等[13,46,47]设计了一种电动株间除草机(见图 1-13),该机器在向前行进的同时, 位于机架上方的伺服电机带动除草机构旋转,通过匹配其旋转速度与前进速度来实现作物株 间除草作业的目的.

　　Duerinckx[48]等研究了一种弹齿式株间除草机.日本北海道大学的 Masaki[49]等设计了一 种用于甜菜地的间苗机,如图 1-14 所示.

　　1.2.2 国内苗间除草机械研究现状.

　　国内除草机械的研究起步较晚且主要为行间除草机.对于作物苗间除草机械,特别是智 能化苗间除草机,国内与欧美等发达国家差距相对较大.近年来,随着国内机械、电子、自 动控制等技术的不断发展和成熟,一些大学和研究机构也已开始了对智能除草机械的研究.

　　郭占斌等[50]设计了一种弹性带齿式苗间除机,该除草机采用偏心弹齿作为除草部件.刘 天祥等[51]人进一步改进了弹齿式中耕除草机(见图 1-15).改进后的机器结构小巧、伤害率 低、除草性能更强.

　　魏兆凯等[52]人设计了一种大豆苗间除草机(见图 1-16).其除草部件是多组串联的针齿 板,该机除草的同时还可进行松土作业.田间试验结果表明,该机除草性能较好,使大豆产量平均增加 8%~10%.

　　吉林大学的韩豹等[53,54]分别设计了水平圆盘式(见图 1-17)和组合梳齿式苗间除草机(见 图 1-18).田间试验表明:水平圆盘式除草机伤苗率小于 5%,组合梳齿式除草机在梳齿数 为 6,梳齿间距为 50mm,梳齿速度为 180r/min,前进速度为 2.3m/s 时的除草率达到 87.6%, 伤苗率为 2.73%,其性能也满足间除草作业要求.

　　陈树人等[55-57]设计了一种八爪式苗间除草装置(见图 1-19).其依靠轨道移动的滑块和 带螺旋轨道的套管来实现除草齿上下移动和旋转.同时其还发明了一种六爪除草执行机构和 分体扇式除草装置[58,59].

　　刘继展等[60]发明了激光除草机器人(见图 1-20),该机器人通过视觉识别系统实现杂草 的识别和定位,控制激光光束对准杂草,利用激光热效应烧死杂草.

　　胡炼等[61,62]设计了一种余摆运动的爪齿式株间机械除草装置(见图 1-21),该装置通过 控制算法控制爪齿作余摆线运动以达到避苗和除草的目的.陈勇等[63-65]设计了一种智能除草 机器人(见图 1-22).除草机器人通过除草刀切割杂草并且在断裂处涂抹除草剂以完全消除 杂草.吴建等[66]设计了自动可视除草机器人.

　　张春龙等[67]设计了一种智能锄草机器人.该除草机器人的除草率高达 90%以上.中国农 业大学和苏州博田自动化技术有限公司研制了一种应用于蔬菜大田的智能苗间除草机(见图 1-23),田间试验结果表明,该除草机的除草率为 88.6%,伤苗率为 1.6%[68].

　　吉林大学贾红雷等[69]设计了玉米苗间避苗除草装置(见图 1-24),土槽试验表明其平均 伤苗率为 5.9%、平均除草率为 94.7%.李碧青等[70]设计了一种自动识别杂草的除草机器人(见 图 1-25),其靠步进电机带动除草刀盘去除苗间杂草.

　　国内智能除草装置的研究尚处于起步阶段,且其研究大多是针对旋转式除草装置,而针 对摆动式除草装置的研究,国内鲜有报道.

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　5 结论与展望

　　5.1 结论

　　近年来,随着人们环保意识不断增强,机械除草越来越受到人们的重视,本文对国内外 机械除草装置的研究现状进行了总结和归纳,阐述了目前现有机型的优势与不足之处,在分 析和总结现有技术的基础上,针对我国垄作玉米机械除草作业中存在的问题,结合粘重土壤 作业环境,分别设计了凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置和驱动旋转式振动型松土除草装置. 通过理论分析及软件仿真优化其关键部件参数,同时在室内土槽中进行了多因素试验,探究 了各因素对机械除草装置作业性能的影响规律,最后实体加工优化后的机械除草装置并进行 田间试验,以检验装置实的际作业性能.本研究主要结论如下:

　　(1)国内对苗间除草装置的研究以旋转式除草装置为主,而对于摆动式除草装置的研究 却鲜有报道,结合我国北方垄作玉米种植特点,创新设计一种凸轮摇杆式摆动型苗间除草装 置,凸轮摇杆机构的设计,将电机的连续转动转换为除草刀往复摆动,大大缩短了避苗时间, 提高了装置的作业效率.根据玉米苗及其根系空间结构参数,合理规划了除草装置避苗运动 轨迹,将其设计为近"菱形".对凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置的关键部件进行参数设计, 分配其凸轮运动角为:近休止角为 11π/36,推程运动角为 2π/3,回程运动角为 2π/3,远休止 角为 13π/36,为凸轮机构选择正弦加速度曲线运动规律,采用反转法合理的设计了凸轮轮廓 曲线.

　　(2)应用 ADAMS 软件模拟除草装置的运动状态,分析其避苗运动轨迹,得到当前进 速度一定时,随着转速的增加,除草装置避苗轨迹围城的面积减小;当转速一定时,随着前 进速度的增加,除草装置避苗轨迹围成的面积变大的规律,为了进一步优化除草装置运动参 数,以凸轮轴转速、机器前进速度为试验因素,覆盖率和入侵率为试验指标,基于 ADAMS 软件采用多因素二次正交旋转组合设计试验方法进虚拟试验,得到了该装置的最优运动参数 组合:凸轮轴转速 830deg/s、机器前进速度 813mm/s.应用 ANSYS Workbench 软件对凸轮摇 杆式摆动型苗间除草装置的除草刀进行静力学有限元分析,结果表明转动中心孔为除草刀薄 弱部位,为防止作业过程中除草刀出现应力、应变集中等问题,本文为左、右除草刀各设计 了一个刀座,同时适当增加除草刀的厚度,以期尽量减小应力、应变集中.

　　(3)为研究凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置的作业性能,以前进速度、弹簧刚度和除草 刀转速为试验因素,以除草率、伤苗率为试验指标,在室内土槽中进行正交试验 L9(34),通 过极差、方差分析得到:作业速度和除草刀转速对除草率和伤苗率影响均为显著,弹簧刚度 对除草率和伤苗率影响为极显著,该结果与软件仿真结果一致.通过综合加权评分法确定凸 轮摇杆式摆动型苗间除草装置的最优水平组合为:弹簧刚度为 60N/mm、前进速度为 0.6m/s、 除草刀转速 130r/min;以最优水平组合进行验证及对比试,验结果表明凸轮摇杆式摆动型苗 间除草装置的除草率为 89.8%,伤苗率为 2.1%,该装置的作业性能优于传统中耕机.

　　(4)针对现有旋转中耕机作业时存在除草、碎土效果差,功耗较大等问题,结合粘重土壤作业环境,设计了驱动旋转式振动型松土除草装置.除草装置运动学分析得到其除草刀的切削速度与装置的运动参数、振幅和除草刀所处的位置都有关系,随着装置运动参数和振幅的增大,其切削速度也增大.除草刀切削土壤阻力分析得到了影响装置切削阻力的主要因素为土壤特性参数、除草刀外形尺寸、装置的运动参数等,当土壤环境确定后,可通过优化设计除草刀尺寸、选择合适的运动参数来降低除草刀的切削阻力.建立了装置的系统振动微分方程及对方程进行求解,得到机器前进速度、弹簧刚度和刀辊转速影响其作业效果.根据理论分析结果,对驱动旋转式振动型株间松土除草装置的除草刀、凸轮轴、外辊筒、弹簧等关键部件进行尺寸设计.

　　(5)应用ADAMS软件对驱动旋转式振动型松土除草装置的运动状态进行模拟,通过分析对比轨迹曲线得到机器前进速度、刀辊转速对驱动旋转式振动型松土除草装置作业效果均有较大影响,仿真所得轨迹与理论分析相一致.基于ANSYSWorkbench软件对驱动旋转式振动型松土除草装置辊筒进行模态分析,结果表明系统激振频率远小于外辊筒的固有频率,发生共振可能性不大,但在较高工作转速的环境下,发生共振的概率会增大,为进一步防止共振发生,可适当增加辊筒的厚度,以增强其作业的稳定性.

　　(6)为研究驱动旋转式振动型松土除草装置实际作业性能.以机器前进速度、刀辊转速及弹簧钢度为试验因素,选取作业功耗、碎土率、除草率为作业性能指标,分别进行单因素及多因素二次正交旋转组合试验,结果表明各因素对作业功耗影响贡献率由大到小依次为刀辊转速、机器前进速度、弹簧刚度,对碎土率影响的贡献率由大到小依次为弹簧刚度、刀辊转速、机器前进速度,对除草率影响的贡献率由大到小依次为弹簧刚度、刀辊转速、机器前进速度;最优参数组合为刀辊转速241~259r/min、机器前进速度0.5~0.8m/s、弹簧刚度10.42~12.16N/mm,作业功耗范围为1.89~2.0kW、碎土率范围为92.9%~93.4%,除草率范围为86.7%~88.5%.对比试验结果表明:其除草率88.5%、碎土率为93.3%、作业功耗为1.97kW,与传统机型相比其减阻降耗效果明显,可使机器的作业功耗下降30%左右.将试验样机加工进行田间试验,结果表明,当刀辊转速为251r/min、机器前进速度为0.5m/s、弹簧刚度为10.5N/mm时,测得其除草率为88.1%,碎土率为92.8%,作业功耗为2kW,其性能满足中耕机的作业要求.

　　5.2创新点

　　(1)创新设计了一种凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置(已申报国家发明专利:201611240838.3,201611241011.4),填补了国内对摆动式除草装置的研究空白,装置创造性的应用凸轮摇杆机构将电机连续转动转换为除草刀往复摆动,简化了除草装置避苗动作和控制程序,提高了除草装置作业效率.

　　(2)将振动减阻方法引入到中耕机设计中,设计了一种驱动旋转式振动型松土除草装置(发明专利授权:ZL201410545396.8),弹簧、凸轮等部件的设计,使除草装置作业时与土壤构成振动系统,形成对土壤的振动切削作用,降低了装置作业阻力和能耗的同时,增强了其松土、碎土效果.

　　5.3讨论与展望

　　(1)对于凸轮摇杆式摆动型苗间除草装置,今后的研究重点应是开发一套适用于摆动式除草装置的苗草识别定位方法,以期在大田中检验摆动式除草装置的实际作业性能.

　　(2)文章设计的除草刀采用45钢材料,作业过程中出现了泥土粘附刀表面的现象,建议探索一种新的除草刀材质,以增加其表面润滑度,减小土壤粘附量,以期进一步降低除草装置的切削阻力和作业功耗.

　　(3)加工出玉米机械除草装置试验样机整机,进行田间试验研究.

　　致谢

　　转眼间五年的硕博士生涯即将结束,回顾五年的科研生涯,有过迷茫、有过困惑、有过彷徨、有过退缩,但每当我准备放弃的时候,导师周福君教授都会在第一时间找到我,与我谈心并给予我鼓励和关怀,帮助我度过难关.这里要对我的导师周福君教授致以最由衷的感谢,五年来周老师渊博的专业知识、严谨的科研态度和豁达的生活态度深深的感染着我,使我受益终生,整个硕博生涯中,导师在我的博士课题选题、研究方案拟定、试验样机加工、试验方案制定等多方面都倾注了大量的心血,同时在小论文撰写过程中,导师也给予了审阅和修改意见,可以说,整个博士生涯中我的每一份收获都离不开导师的鞭策和指导,您为学生的付出,学生将铭记于心!

　　感谢许春林教授、贾富国教授、王德福教授在开题的过程中对我的指导,感谢老师们提出的宝贵建议,让我在后续的课题研究过程中少走许多弯路.同时感谢杨秀章、余振杰两位老师试验过程中对我的大力支持.感谢黑龙江省农机科学研究院郭兵在试验样机加工中给予的帮助.

　　对于整个博士阶段的科研过程中,要感谢是我们427实验室的全体成员,在博士课题过程中,李小利、孙永利、李天宇、官晓东、赵广阔、朱光强、吴昊、王天元、陈旭等师弟一直帮助我顺利完成相关研究,跟你们在一起的日子充满了欢声笑语.

　　特别的一份感谢还要送给我的父母、姐姐、姐夫.是你们的鼓励和支持才使我顺利完成学业.亲情永远是我人生道路上温暖的港湾,我爱你们.特别是我的妻子王超女士,在我失落沮丧时给予我鼓励和支持,让我的博士生涯倍感温暖.

　　本研究得到国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04)和国家重点研发计划项目(2016YFD0701905)的大力支持,并且在北方寒地现代农业装备与技术省重点实验室完成的,在此表示深深地感谢.
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