1 引言
1.1 研究的背景与意义
秋白菜是农民最大增收来源之一，也是我国北方储存量最多的蔬菜种类。在东北地区，秋白菜是目前培育最广、产量最高的蔬菜种类之一[1-5]。自上世纪 80 年代以后，随着社会的发展，经济的提高，蔬菜产业也得到了有力保障，目前已成为支撑我国农村经济发展的重要产业之一。据统计，2008 年我国蔬菜种植面积与秋收产量各占世界的 43%与 49%[6]，已经成为世界上最大的“菜篮子”。除此之外，2010 年农民通过种植蔬菜人均增收超过 830 人民币[7]，直到 2012 年，蔬菜的年产总量更是达到了 7.02 亿吨，种植面积达 3.05 亿亩[8]。
十七届三中全会中，党中央、国务院提出了农业现代化的战略方针，并对农业机械化方面给予了高度的重视。2012 年 2 月，国家领导人参观了美国的艾奥瓦州金伯利农场，亲身体验了许多农业机械设备。自 2012 年以来，中央颁布相关文件要加快农业机械化的发展速度，并提出要全面开展农业环境管理，提高农业产量质量问题。[9,10]。
我国长江以南地区是白菜的主要产地，种植面积占比很高，达到其他蔬菜种类的 50%左右。上世纪 70 年代以来，我国北方地区开始大面积种植白菜，其消费数量也是国内蔬菜最多的种类。目前，白菜已经是中国人民餐桌上不可缺少的美食，故有“冬日白菜美如笋”的说法。白菜的生物成分如表 1-1 所示。大白菜富含钙元素，中国许多家庭的孩子不喜欢喝牛奶，可通过食用白菜补充一定量的钙；美国植物激素相关研究人员发现，白菜内含有的微量元素钼，可以抑制体内生成亚硝酸铵，且致癌的雌激素可被分解。
杂草是除人类有意培育的植物外自然生长的植物，通常情况下杂草对农作物有害，它会夺取农作物的养分和光照条件，导致农作物不能正常生长。杂草也为草本植物，其中包括少量的蕨类和藻类等植物。从生物学角度出发，杂草是在人类进行干涉条件下产生和进化的植物。它们与农作物和野生植物有很大区别，对农作和人类日常生活有很多影响。田间杂草是生长在田间的植物，不是人类有意栽培的，除了这些有意栽培之外的植物都为杂草。例如夏稗草、狗尾巴草、马齿苋等都属于田间杂草，除此之外，小麦的自生苗也是杂草[11]。
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1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
上世纪 50 年代，欧美等发达国家展开了机械除草方面的研究，到了二十世纪末期较完善的除草机器人系统也开始被报道。目前，国外在机械除草方面经过长期发展，已经可以将不同的除草工艺结合起来。而且随着计算机技术、自动化技术和人工智能的发展，人类已经成功研发了可以代替人工的田间智能机器人。农业机器人中的田间除草机器人属于野外机器人（field robot）。根据 IFR 调查结果，近年来野外机器人（含除草机器人）总的数量不大，但速度大大增加[25]。但目前许多除草智能机器人也只停留在试用阶段，并未正式大批量投入生产。虽然田间机器人无法达到工业机器人一样的智能程度，但在一些地形较复杂的地面仍能够准确地辨别杂草并进行清除。目前国外将各种除草方式像激光除草、化学除草和机械除草与机器人相结合。
研究用机械除草的方式来清理株间杂草，是二十世纪 90 年代来自丹麦的 Melander 等学者。如图 1-3[26]，该机器可满足行间、株间除草。在洋葱实验田进行了试验，来研究在不同的除草刷转速和拖拉机牵引速度对洋葱生长情况的影响。研究结果表明：除草刷的转速与拖拉机的牵引速度对于试验结果的影响较小，但是除草刷入土深度和除草刷之间的距离会对实验结果有一定影响。瑞典的 Fogelberg 等人探讨了除草机工作之后土壤高度的形成原因[27]。研究表明，除草后土壤高度会受多种因素的影响，例如刷子转向、刷齿入土深度和杂草疏密程度等。其中，刷齿入土深度越大，土壤形成的高度越大，因此除草效果也就越好。
Melander 等人在洋葱地和白菜地中将机械除草和智能机械除草两种方式进行了试验对比[28]。如图 1-4 所示，在除草机械上安装了摄像装备，利用图像处理的方法对杂草和农作物进行识别，但是却无法做到完全自动避开农作物。研究结果表明，若在地域宽广的地带作业，两种方法皆可，这样一来具有自动避开作物的除草机就没有优势可言；若杂草距离作物较近，那么能够自动避开作物的除草机械便能发挥其优势，而无需后续人工的修整。但是人工智能除草机械会对幼苗造成一定的损伤，而且效率不高，因此无法显示设备的优势。Lati 等使用Robovator 在生菜实验田中进行试验，实验结果表明，若是杂草种类和数量较大，则 Robovator除草比人工除草能够节省大量的时间[29]。
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2 白菜中耕除草机的设计
2.1 中耕除草农艺要求
中耕除草的作用在于促使田间土壤疏松、保墒、透气、灭草，促进土壤微生物活动和有机质分解，从而有利于幼苗和成株的健壮生长。东北秋白菜通常在 8 月初，采用穴播的方法播种到菜田里。与移栽相比，穴播不仅能减少育苗移植的用工量、避免秧苗移栽时损伤根系与缓苗过程、减轻劳动强度，还能有效降低秋白菜生长后期软腐病发生的概率。
2.1.1 间苗与定苗
播种后根据出苗状况，及时间苗与定苗。通常幼苗出齐后，第 1 次间苗在 3～4 叶期进行，去歪留正、去弱留强，每穴留苗约 5～6 株；当真叶长到 5～6 片时，进行第 2 次间苗，去除并生、去小留大，每穴留苗 2～3 株；当幼苗长到 7～8 片时，进行定苗，每穴留 1 株健壮秧苗。2.1.2 松土除草
一般于定苗前进行 3~4 次，即分别于第 1、第 2 两次间苗前和定苗前后的雨后进行松土除草作业。其农艺技术要求为：
（1）雨后晴天要及时破除垄表板结层。因白菜幼苗扎根较浅，在第 1 次间苗前后期间，苗带区域以破除板结层为主，保持土壤通透性，适当疏松表层土壤且移位要尽可能小。
（2）第 2 次间苗前后期间，浅松苗带区域表土，避免损伤秧苗根须。深锄苗带两侧，松土同时除掉幼草。
（3）在定苗前后松土除草作业的同时要结合培土作业，为秧苗生长创造有利条件，保证苗齐、苗全、苗壮。
针对上述的农艺技术要求，机具设计上相对应的主要技术要求为：
（1）能够满足不同时期秋白菜松土除草农艺技术要求，由于东北秋白菜根系主要分布在浅土层，拥有比较发达的侧根和须根，所以除草部件入土深度、预留苗带宽度均应可调整。
（2）能够满足不同地块以及同一地块根据杂草分布情况可随时调整松土除草效果需要。
（3）工作时可根据垄表地形仿形，保证苗带区域松土除草深度要浅，避免松土除草作业过程中伤根。而苗带两侧区域松土除草深度相对要深，除草率要高。
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2.2 总体方案设计
根据东北秋白菜种植农艺技术要求，结合农村土地承包现状，种植规模与田间中耕除草作业实际调研，每家农户鲜食玉米收获后复播秋白菜种植规模有限、土地不连片、地块一般不大以及整地条件差异大、杂草分布状况千差万别。所以，作业机具在设计上应能够满足不同地块以及同一地块可根据杂草分布情况具有随时调整松土除草部件作业性能的需要。另外考虑到东北秋白菜根系主要分布在浅土层，拥有比较发达的侧根和须根，故苗带区域松土除草深度要浅，避免松土除草作业过程中伤根。而苗带两侧区域松土除草深度相对要深，除草率要高。苗间与苗侧松土除草部件入土深度、预留苗带宽度均应设计可调。综上，3ZC-2 型白菜中耕除草机的总体设计方案如下：
（1）3ZC-2 型白菜中耕除草机的两个作业单体设计成独立结构，即独立仿形、独立传动。采用两套平行四连杆机构与主机架连接。
（2）苗间与苗侧松土除草机构是 3ZC-2 型白菜中耕除草机的两大核心执行机构。苗间松土除草机构作业部件采用无动力驱动的锄轮组件，位于作业单体前方，主要破垄表板结层，浅松表土。同时利用锄轮组件在垄表的滚动，将其作为垄表仿形轮，控制其后苗侧松土除草机构作业部件的入土深度；位于作业单体最后方的苗侧松土除草机构作业部件采用 8 爪旋转齿盘，每个作业单体均有 2 个旋转齿盘，分别位于苗带两侧相对向外旋转，用于进行苗带两侧的松土除草作业。
（3）由于旋转齿盘位于作业单体最后方，为满足驾驶员能够视田间杂草分布与垄表板结状况对位于苗带两侧的旋转齿盘的转速进行调控的要求。作业单体传动系统采用机—电结合传动设计方案。
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3 作业单体传动系统的设计.............................................27
3.1 作业单体传动系统设计方案........................................27
3.2 动力模块的设计.................................. 27
4 除草机三维建模与运动轨迹仿真..............................38
4.1Solidworks 软件简介...................................... 38
4.2 整机三维建模.............................. 38
5 田间验证.................................... 40
5.1 试验条件.................................40
5.2 试验方法..........................................40
5 田间验证
5.1 试验条件
为验证优化后白菜中耕除草机的作业效果，样机于 2020 年 7 月 26 日和 8 月 3 日在孙吴县西郊进行田间试验。
试验对象为鲜食玉米采收后，经清除秸秆根茬、旋耕起垄镇压后，人工播种的秋白菜。菜地土壤比较松软细碎，无大于 50mm 土块，平均起垄垄台高 164mm、垄台宽 246mm、垄距 630mm，播种平均穴距为 157mm，为保全苗，每穴播种 6~8 粒。根据秋白菜中耕作业农艺要求，第一遍机械松土除草试验为第二次间苗期，秧苗长出 3~4 片真叶，经人工间苗，去除并生、过密以及去歪留正，保留每穴 3~4 株健壮秧苗。因试验在小雨后 2 天进行，垄表有板结，但不严重。因秧苗偏小，为避免破除板结、浅松土壤过程中压埋苗，松土除草作业速度为 3km/h；第二遍机械松土除草试验为定苗期，秧苗生长 6~7 片真叶，经人工间苗，每穴保留 2 株健壮秧苗，垄表板结较重，作业速度为 5km/h；田间试验场景如图 5-1 所示。
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6 结论与展望
6.1 结论
论文以设计一种能满足东北垄作秋白菜定苗前松土除草作业的 3ZC-2 型白菜中耕除草机为研究目标，在参考、分析了国内外松土除草技术与研究成果的基础上，采用理论分析和优化设计相结合的方法，运用模块化设计、三维建模、模拟仿真等设计手段，结合东北垄作秋白菜中耕除草作业农艺要求，确定了各模块中关键部件的结构和参数；利用 Matlab2020 软件对影响苗侧爪齿运动轨迹的主要参数优化设计；应用 EDEM 离散元仿真软件，对苗带松土除草轮的松土原理进行模拟，为苗带松土除草机构结构参数设计提供参考；应用 Keil 软件对调速模块进行编程，并利用 Proteus 软件对电路仿真，实现转速调控要求；通过 Solidworks 软件进行三维建模，以优化后的参数为设计基础，验证优化后苗侧松土除草轮的运动轨迹。
（1）根据东北秋季大白菜的种植模式以及农艺要求，在现有深根旱田作物机械除草机研究的基础上，针对东北垄作白菜定苗前扎根较浅的特性，设计了 3ZC-2 型白菜中耕除草机，重点开展苗带与行间机械松土除草机构的研究。其中苗带松土除草轮属于主动式旋转锄，主要是对土壤疏松，并作为苗侧松土除草机构的限深机构；苗侧松土除草部件由电机驱动，一方面可视田间杂草分布状况，随时改变松土除草部件旋转转数以实现苗带两侧的变速松土除草要求；另一方面简化地轮驱动传动系统，同时避免因地轮打滑导致除草部件入土性能差、拖土、漏锄和转速调整困难等问题。
（2）通过理论分析，确定了苗侧松土除草轮作业时的齿盘倾角为 5°；同时建立其爪齿运动轨迹的数学模型，确定影响其除草性能的主要参数为作业速度、爪齿数目、爪齿回转半径以及爪齿转速；应用 Matlab 软件对其主要参数进行多目标优化，得到最优解为 Va*=3km/h，Z*=8，R*=100mm，n*=140r/min，并用 Matlab 得到这些参数下的余摆线网格。以这些参数为基础，再利用 Solidworks 软件搭建模型进行运动轨迹仿真，形成的余摆线菱形网格与理论分析相吻合，验证了垄侧松土除草轮运动轨迹的可行性。
（3）在 EDEM 软件中模拟苗带松土除草轮上单排锄齿的作业过程，依据其松土能力，确定机构上有 4 组平行的除草轮，除草轮中心的间距 58mm。
（4）应用 Keil 软件对调速模块进行编程，并利用 PROTUES 软进行电路仿真分析，该调速系统可实现爪齿转速在 140~230r/min 范围内的调控。
（5）田间试验表明，设计的松土除草机构在秋白菜秧苗定苗前的作业过程中，苗带平均松土率在 60%以上，与 EDEM 仿真结果向吻合，苗侧平均松土率达到 96%，平均伤苗率低于3%，满足白菜机械除草作业要求，验证了 3ZC-2 型白菜中耕除草机结构设计的合理性。
参考文献（略）