王金武 闫东伟 王 奇 唐 汉 王金峰 周文琪

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

水田杂草是农业水田生态系统的重要组成部分，但据联合国粮农组织(FAO)数据显示，近5年中国因草害引起的水稻产量损失率达13%左右[1]。随着绿色农业的发展，常用的化学除草所造成的农药残留和环境污染问题日趋严重，绿色高效的机械除草方式成为提高粮食品质和保证水稻安全的主要途径，行间除草技术和装备经过多年的研究和推广已较为成熟[2-6]，株间除草技术和装备的研制成为完善水田机械化除草的技术难点。

日本对株间除草的研究处于领先水平，日本美善公司和洋马公司研制的株间伞状除草盘，以旋转方式除去株间杂草，作业效率较高，但伤苗率也较高[7-8]。久保田和井关公司研制的摆动梳齿式株间除草部件，作业时除草部件随机具前进方向左右摇摆，对株间杂草进行去除，作业效率较高，但除草率较低，平均除草率仅40%[9]。国内专家学者在水稻株间除草方面也作了相关研究。华南农业大学利用除草爪齿余摆运动原理研制的水田株间机械除草装置[10]，东北农业大学研制的主动式螺旋弹齿株间除草盘[11-12]和农业农村部南京农业机械化研究所研制的主动摆动除草刀齿[13]，分别通过引导换轨旋转、弹齿盘的主动旋转和关键部件主动往复摆动实现株间除草，但上述装置均存在伤苗现象。为降低机械除草的伤苗率，将图像识别和自动控制等技术应用于水田除草装备中，由于水田杂草、秧苗交错生长和水面反光环境等干扰因素，株间除草避苗准确度一直未得到有效解决，且刚性的机械除草部件易造成秧苗损伤[10,14-16]。

针对水田株间除草作业劳动强度大、株间除草率低、易损伤秧苗等问题，本文设计一种射流式水田株间除草装置。根据中耕期水稻植株和杂草物理特性确定射流倾角和喷嘴开口直径，运用动量守恒定律、粘性流体力学和土力学原理建立喷嘴破土临界压力模型，通过台架多因素试验获得装置最优参数组合，并验证其工作性能。

1 水田株间除草作业环境

黑龙江省6月上旬后气温升高，光照足，杂草生长迅速，为杂草的危害高峰期，最佳除草作业时间为水稻移栽后7～14 d。水田除草环境包括稗草、稻苗、土壤、水等，土壤可细分为3层，即泥浆层、泥土层和犁底层，其中泥浆层较为稀软，根据文献[2,5]实际测定的数据可知，泥浆层深度h1为0.02～0.05 m；泥土层深度h2为0.18～0.20 m。黑龙江省水稻种植行距H1为0.3 m，株距H2为0.01～0.15 m，插秧深度h3为0.015～0.02 m，水稻扎根深度h4为0.08～0.10 m；此时稗草多为单根，根部多生长于泥浆层，扎根深度l为0.008～0.03 m。水田株间除草作业环境如图1所示。

2 射流式除草装置结构与工作原理

射流式水田除草装置结构如图2所示。主要由水箱、柱塞泵、供水管路、射流架、喷嘴安装块等部分组成。柱塞泵与水箱通过吸水管进行连接，压力表安装于柱塞泵出水口处，后接输水总管与三通阀，三通阀通过输水支管与装在喷嘴安装块上的喷嘴连接。射流架固定于安装架上，喷嘴安装块对称分布于射流架左右两侧。

工作时，喷嘴以一定倾斜角安装于射流架上，对称置于苗株两侧并临近水层下泥面。柱塞泵在动力源驱动下吸取水箱内水，并进行增压增速，然后经输水管路传递至安装于射流架左右两侧的喷嘴，喷射向株间杂草依附生长的土壤层，土壤层被冲蚀破碎成更小的土块颗粒或直接溶于表层水中，株间杂草根系因依附土壤的消失而失去支撑力，随周边破碎的土壤颗粒沿射流冲蚀方向被水流卷走。之后杂草根系因脱离与水田土壤的连接，在浮力作用下漂浮于水层表面，完成除草作业。由于水田土壤的分层现象以及水稻根系与杂草根系扎根深度的差异，在一定打击力和射流倾角下，射流冲蚀实现对土壤特定深度和宽度的挖掘，即可完成除草作业，又不会影响和破坏水稻苗根系的稳固性。

3 射流式水田株间除草装置设计

3.1 射流倾角

射流倾角直接影响射流对土壤冲蚀破坏的区域范围，从而影响除草效果。水田行间的除草作业，受限于水稻根系生长宽度，为避免行间除草轮对水稻根系造成损伤，除草部件的设计宽度在0.2 m以内，剩余0.1 m宽区域即为株间除草范围。插秧两周后，杂草根系为单根，扎根深度l为0.008～0.03 m，根系主要生长于稀软的泥浆层；水稻扎根深度0.08～0.10 m，根系已深入结构更为致密的泥土层。射流式水田除草装置的除草作业过程如图3所示，射流倾角的选择既要满足株间除草作业宽度要求，也要满足除草深度要求。

以O为原点，以泥浆层上表面水平方向为x轴，以地面垂直方向为y轴，建立坐标系，如图3所示。以杂草扎根深度为目标除草深度，射流倾角、除草宽度和除草深度(等于杂草扎根深度)之间的关系为

(1)

式中a——株间除草宽度，m

θ——射流与x轴方向夹角，(°)

已知a=0.1 m，l为0.008～0.03 m，易得

0.04≤tanθ≤0.6

(2)

求解可得射流倾角取值范围为10°≤θ≤31°。杂草扎根深度在0.008～0.03 m之间，为满足除草作业需求，l取最大值0.03 m，此时射流倾角为31°。

3.2 喷嘴直径

射流式水田株间除草装置的射流工作环境为淹没水环境，喷嘴开口直径影响淹没水射流有效靶距范围，选择合适喷嘴直径和靶距范围可大幅提高射流工作效率并减少能耗。

在其他条件相同的工况下，圆形喷嘴比其他异形出口喷嘴喷射的射流速度和湍动能更高，其冲击靶板瞬间产生的隆起区域最广，由此诱导产生的中心冲击压力和打击冲蚀能力更强[17-18]。根据文献[19]，对于圆形喷嘴，在有效靶距范围内，淹没水射流的冲蚀性能随靶距的增加呈现先增大后减小趋势，有效靶距L的范围与喷嘴直径存在关系

5d≤L≤20d

(3)

式中d——喷嘴直径，m

为充分发挥除草装置淹没水射流对杂草根系所在土壤层的冲蚀性能，且本着流量最小原则，淹没水射流冲蚀路径长度应小于淹没水射流有效靶距长度，由图3可知

(4)

c≤15d

(5)

式中c——淹没水射流冲蚀土壤长度，m

将已知参数a=0.1 m，l=0.03 m代入式(3)～(5)可得d≥0.004 mm，喷嘴直径d=0.004 m，有效靶距L≈0.058 m。

3.3 喷嘴出口压力

射流式株间除草装置的水下除草性能取决于淹没水射流的打击力是否大于杂草根系生长土壤层的土壤临界破坏压力。为探究射流式株间除草装置淹没水射流破土所需喷嘴出口压力p0，对淹没水射流除草作业过程进行受力分析。

如图4所示，除草作业过程中，淹没水射流以一定倾斜角度打击土体表面，之后射流方向改变，并损失一部分动量，此部分能量以作用力形式传递到被破坏土壤表面上。水射流对株间生长杂草区域内土壤的冲蚀打击作用，将杂草剥离其生长依附的土壤环境，之后杂草和被破碎的土壤沿着射流冲蚀方向被裹挟冲离，从而完成除草作业。除草作业前后动量的改变是由淹没水射流与土壤间的相互作用力引起的，假设此过程中连续淹没水射流对土壤表面的作用力为F，且此作用力稳定。

根据动量守恒定理得

FΔt=mv-mv′

(6)

式中m——水质量，kg

Δt——时间变化量，s

v——淹没水射流冲击土壤前的流速，m/s

v′——淹没水射流冲击土壤后的流速，m/s

假设淹没水射流冲击土壤前后前进方向改变角度为φ，前进速度大小不变，淹没射流作用在土壤表面的力为

F=ρQv-mQv′cosφ=ρQv(1-cosφ)

(7)

式中ρ——水密度，kg/m3

Q——水射流流量，m3/s

根据射流的对称性易得φ≈2θ。由动量定理可得，射流动量J=ρQv，代入公式(7)可得

F=J(1-cos(2θ))

(8)

已知射流式株间除草装置对水田土壤的破坏作用主要取决于淹没水射流对土壤作用断面上单位面积的打击力，故对除草装置淹没水射流沿程不同靶距打击区域内单位面积上的打击力及其分布情况进行分析。装置在水田环境作业，受淹没水射流的扩散以及周围液体阻力等因素影响，沿水射流方向射流半宽b随靶距增加逐渐增大，轴心最大流速vx,max随靶距增加逐渐减小，如图5所示。

通过分析射流沿靶距方向上横截面的动压分布来分析单位面积淹没水射流对水田杂草根系所在土壤层的打击力。根据伯努利能量守恒定律可得淹没水射流断面轴心处的动压分布为

(9)

式中pm——淹没水射流截面上射流轴心动压，MPa

由粘性流体力学理论[20]可得射流轴心最大速度

(10)

其中

式中α——常数

λ0——运动涡黏度，常数

x——靶距，m

联立公式(9)、(10)可得

(11)

由式(11)可知，淹没水射流轴向断面上的轴心动压pm随靶距x的增大而减小。以射流打击杂草所在土体表面时的截面作为研究对象，土壤被冲蚀的区域近似为圆盘形，如图6所示。在打击中心处，射流的轴心动压为pm；而打击范围内其他各点的压力pr，随着与中心径向距离的增大逐渐减小，直至等于周围环境压力，通常可认为是零。

运用量纲分析法[21]表示淹没水射流打击范围内各点压力，即

pr=pmf(η)

(12)

其中

η=r/b

式中η——无量纲参数

r——淹没水射流打击处与轴心距离，m

根据淹没水射流沿轴心到射流边界的动压变化特点，函数f(η)应满足边界条件

(13)

根据泰勒公式和公式(13)可得

f(η)=2η3-3η2+1

(14)

根据淹没水射流的轴对称型，设淹没水射流打击土壤的半径为射流半宽b，如图6所示，将式(11)、(14)代入式(12)，并积分可得

(15)

式中Fb——r=b时淹没水射流断面上对应的作用力，N

依据里夏特经验常数[20]，将α=15.174代入式(15)，可得

(16)

在淹没水射流流动过程中流速逐渐降低，作用面积逐渐增大，由于射流周围环境流体中的压强不变，因此在射流各断面上的压力均相等，等于周围环境流体的压力。在此条件下，总动量遵循动量守恒定理，即总动量J在沿程各个断面上保持常量，即

(17)

式中A——淹没水射流作用断面的面积，m2

vx——淹没水射流靶距x处流速，m/s

R0——喷嘴出口半径，m

v0——喷嘴出口流速，m/s

对于连续射流，喷嘴出口压力p0与射流速度v0存在关系

(18)

联立式(17)、(18)，可得

(19)

联立式(16)、(19)，可得

(20)

当射流倾角为θ时，射流式株间除草装置的淹没水射流实际作用在土壤上的力为

F=Fb(1-cos(2θ))

(21)

(22)

式中Sb——r=b时淹没水射流作用断面面积，m2

淹没水射流对杂草根系所在土壤层的破坏作用不仅与射流各项参数有关，而且与被打击破坏土壤自身的物化性质有着密切的关系，科研人员常借助试验手段对土壤临界破坏压力进行研究，根据文献[22]，单位面积土壤的临界破坏压力Fcr与土壤的抗剪强度、渗透性、土颗粒粒径以及土体的密度等参数有关，即

(23)

式中ζ——修正系数，取1.8×1010[22]

τf——土壤抗剪强度，kPa

d60——土壤颗粒限定粒径，mm

γd——土壤干容重，kN/m3

k——土壤渗透系数，m/s

(24)

根据文献[23-24]，取东北典型地区黏黑土壤参数(τf=25 kPa，d60=0.05 mm，γd=1.43×107kN/m3，k=1.17×10-6m/s)代入。已知喷嘴直径为0.004 m，x=L=0.058 m，得喷嘴临界破土压力pe≥0.53 MPa。根据喷嘴临界破土压力选取欧森OS-80型柱塞泵，额定流量65～85 L/min，额定压力0～6 MPa可调，额定功率4～5.5 kW。

4 台架试验

4.1 试验条件

试验于2021年5月在东北农业大学农牧机械实验室进行，试验装置为射流式株间除草装置，土壤类型为东北典型黏黑土，土槽宽度0.6 m，长度4 m，泥脚深度0.16～0.18 m，水层深度0.02～0.03 m。为保证稗草根系周围土壤结构强度与田间实况接近，移栽杂草均带育苗土壤基质，杂草随机扦插于土槽内除草区域，扦插密度36株/m2，扦插深度0.008～0.03 m。

4.2 试验设计

4.2.1水稻根系抗冲断极限水压试验

为探究水稻根系抗冲断压力上限，为后续试验因素水平选取提供依据，进行单因素试验。因流体管路存在压力损失，试验前，通过在喷嘴出口上端安装压力表与柱塞泵出口处压力对比，进行压力标定。试验情况如图7所示。

试验分别选取插秧后7 d和14 d的秧苗，进行水稻根系抗冲断极限水压试验。因土壤溶于水会造成水体混浊，不便于试验观察，故水稻根系抗冲断极限水压试验在根系脱离附着土壤情况下进行。试验时，将水稻根系淹没于透明玻璃箱水体内，固定水稻植株茎秆端，射流源对称分布于水稻根系两侧，间距0.1 m，射流倾角θ为31°，喷嘴定点静止喷射。根据以往研究经验，装置前进速度选定0.26～0.54 m/s，测量水稻根系水中自然垂落宽度小于等于0.02 m，根据根系垂落宽度和装置前进速度可算出冲蚀最大时间为0.07 s，试验设定为1 s。

4.2.2多因素试验

为探索射流式株间除草装置喷嘴出口压力、前进速度对除草率的影响规律，得到其最佳工作参数，进行台架试验。根据理论分析结果和单因素试验，合理制定前进速度x1和喷嘴出口压力x2取值范围。试验采用二因素五水平二次旋转组合设计，因素编码如表1所示。

表1 试验因素编码Tab.1 Coding of factors

装置工作深度可调，调节射流喷嘴贴近泥面，行走电机和动力电机速度均由变频柜控制。行走电机控制试验台车在土槽导轨上往复运动，动力电机通过带传动控制柱塞泵吸取水箱内水并进行增速增压，经管路流通至射流机构，喷向土槽内作业区域内杂草。当行走电机和动力电机同步进行工作时，即可完成射流式株间除草装置的除草动作。台架试验情况如图8所示。

4.3 试验指标

水射流冲蚀作用位置位于水层下部，直接作用对象为根土复合体，未直接接触上端秧苗，伤苗率作为工作性能考核指标并不准确。目前国内外有评价除草率的统一标准，但尚无评价水田除草伤根率的统一标准。通过查阅相关文献及水田除草作技术要求[25-26]，选定伤根数和除草率作为试验的评价指标。

(1)伤根数

水射流冲击水稻根系1 s后，对玻璃水槽内水稻断根数量进行统计，每组试验重复进行5次并求平均值，出现断根即判定为伤根。

(2)除草率

选取试验矩形水槽区域为测试区，本文对未除去杂草的定义为根系完整，杂草茎叶折断损伤不严重，能够继续成活的杂草。除草率计算公式为

(25)

式中y——除草率，%

Q1——除草前测试区杂草总数，棵

Q2——除草后测试区杂草总数，棵

4.4 试验结果

4.4.1水稻根系抗冲断极限水压试验

水稻根系抗冲断极限水压试验结果如图9所示。插秧7 d后水稻根系出现断根时压力为1.5 MPa，插秧14 d后水稻根系出现断根时压力为2 MPa，之后水稻断根数量皆随着压力的增加而增加。根据文献[27-28]，水稻根系的根土共生结构更为稳固，根系抗剪抗拉强度小于根土共生结构下的抗剪抗拉强度。试验所获水稻根系脱离附着土壤下抗冲断极限水压小于水稻根系在根土共生状态下抗冲断极限水压，故选定喷嘴出口压力上限为1.5 MPa即可满足不伤根要求。

4.4.2多因素试验结果与分析

试验方案与结果如表2所示。除草前后效果如图10所示。

表2 台架试验结果Tab.2 Results of bed test

借助Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行分析，进而得到相应的回归方程

(26)

为了直观地分析各试验因素与除草率指标间的关系，运用Design-Expert 8.0.6软件得各因素对性能指标影响的响应曲面，如图11所示。

根据二次回归模型(式(26))和图11可知，前进速度和喷嘴出口压力对除草率的影响极显著，前进速度和喷嘴出口压力存在交互作用。当前进速度一定时，除草率随着喷嘴出口压力的减小而降低。当喷嘴出口压力一定且处于低位时，随着前进速度的增加除草率先降低后升高，产生该现象的主要原因是：前进速度在0.3～0.4 m/s范围内变化时，单位面积土壤受冲蚀时间下降，除草率随之降低；当前进速度在0.4～0.5 m/s范围内变化时，由于前进速度增大，台架振动增大，导致株间除草装置的横向和纵向振幅增大，射流受振幅变化影响出现横向和纵向脉冲性喷射，冲蚀运移性能增强，故而除草率升高。当喷嘴出口压力一定且处于高位时，射流冲蚀能力强，随着台架前进速度的升高，除草区域内单位面积土壤受射流冲蚀的时间较少，对杂草根系生长土壤层剥离程度降低，除草率随之降低。

4.5 优化及验证

为得到试验因素最优组合，结合各因素边界条件建立数学模型。对式(26)进行分析，其数学模型为

(27)

运用Design-Expert 8.0.6软件中数据优化模块对回归方程模型进行优化求解，得到装置最优作业参数为：前进速度0.3 m/s和喷嘴出口压力1.5 MPa，此参数组合下除草率为92.78%。根据数据优化获得的参数进行台架试验验证。试验结果表明，除草率平均值为90.62%，与优化结果基本一致。

5 结论

(1)提出了一种水射流除草方法，基于此种方法设计了一种射流式水田株间除草装置，能有效清除水田株间杂草，该装置除草率高，伤苗率低，工作性能稳定，作业质量满足水田中耕除草作业要求。

(2)通过对水稻秧苗和杂草根系以及淹没水射流结构特点分析，结合动量守恒定理、粘性流体力学和土力学原理，获得射流倾角为31°、喷嘴直径为0.004 m，喷嘴临界破土压力为0.7 MPa。

(3)进行水稻根系抗冲断极限水压试验，由试验结果可知喷嘴出口压力上限为1.5 MPa。进行了台架试验，采用二因素五水平二次旋转组合设计方案进行试验设计，运用Design-Expert 8.0.6软件对回归模型进行优化、验证，在前进速度0.3 m/s、喷嘴出口压力1.5 MPa时得到最优组合，除草率为92.78%。台架验证试验除草率为90.62%，试验值与理论值基本一致，除草作业指标均达到国家和行业标准要求。