畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）雜草切割阻力試驗(yàn)

1、全日制普通本科生畢業(yè)論文雜草切割阻力試驗(yàn)the experiment of weeds cutting學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：年級(jí)專(zhuān)業(yè)及班級(jí)：2008級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（1）班指導(dǎo)老師及職稱(chēng)： 學(xué) 部：理工學(xué)部提交日期：2012年5月 全日制普通本科生畢業(yè)論文誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。同時(shí)，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院、指導(dǎo)教師共同

2、擁有。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)論文者簽名： 年 月 日目 錄摘要1關(guān)鍵詞11 前言2 1.1 水力切割的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1.2 水力除草的研究意義52 試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)8 2.1 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成及工作原理8 2.2 試驗(yàn)材料與方法9 2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析10 2.3.1 雜草直徑對(duì)切割阻力的影響10 2.3.2 植物含水率對(duì)切割阻力的影響13 2.3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)切割阻力的影響16 2.3.4 削切角對(duì)切割阻力的影響18 2.3.5 多因素綜合影響試驗(yàn)203 結(jié)論21參考文獻(xiàn)22致謝23雜草切割阻力試驗(yàn)摘 要：水切割技術(shù)化水為刀，通過(guò)加壓水泵的作用使水從一個(gè)極細(xì)的噴嘴噴出

3、，形成高速水射流。本論文論述了水切割技術(shù)的應(yīng)用研究及發(fā)展，并提出了水力切割除草的新概念，與傳統(tǒng)方法比較得出水切割技術(shù)除草具有無(wú)污染，清潔衛(wèi)生，粉塵少，刀具無(wú)磨損，噪音小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。為開(kāi)發(fā)水力除草，通過(guò)切割實(shí)驗(yàn)確定雜草切割阻力及切割因素（植物直徑、含水率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、削切角）對(duì)切割阻力的影響。以蒿草、狗尾草和牛筋草為實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別測(cè)定其莖桿切割阻力、分析其影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雜草切割阻力與電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)數(shù)成反比，與雜草直徑平方成正比,與削切角平方成反比；不同雜草含水率對(duì)切割阻力影響不同，成一定的函數(shù)關(guān)系。同種雜草，直徑、含水率、削切角和電機(jī)轉(zhuǎn)速依次影響切割阻力。為水力除草設(shè)備設(shè)計(jì)提供

4、了一定的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：切割阻力 含水率 直徑 轉(zhuǎn)速 削切角experiment of weeds cutting abstract: water cutting technology for water knife, through the pressure of the water pump role from a very fine nozzle jet, form the water jet. reviewed the application of the water cutting technology research and development; and put forwa

5、rd the hydraulic cutting weeding new concept, and traditional method is concluded water cutting technology weeding non-pollution clean sanitation, little dust, cutting tools, low noise, no wear etc, and has a broad prospect of application. to the development of the water jet, a cutting test was cond

6、ucted to determine the force and the influence such as the diameter, the moisture content, the rate of motor and the angle of the cutting which affected the force. the objects of the test are humilis, setaria and goosegrass. the result suggests that the force was inversely proportional to the index

7、of the rate of the cutting ，was proportional to the square of the diameter and the square of the angle of cutting. different kinds of weeds have different relationships between the force and the moisture content. the diameter, the moisture content, the angle of the cutting and the rate of cutting af

8、fects the force followed by for the same kind of weeds. those provides the basis of the design for equipments of water jet. key words: force; moisture content; diameter; the rate of cutting; the angle of the cutting 1 前言11水力切割的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀水力切割技術(shù)是國(guó)外70年代開(kāi)發(fā)，80年代發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)，醫(yī)療，食品加工等領(lǐng)域水切割技術(shù)化水為刀，通過(guò)加壓水泵的

9、作用使水從一個(gè)極細(xì)的噴嘴噴出形成告訴水射流。這種水流具有極大的能量，能切割木材，紙張，塑料等軟性物質(zhì)。若在水中混入一定比例的石英砂料，這種高速夾砂水射流幾乎可以切割任何物質(zhì)，在切割材料時(shí)，不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)或物理的變化。綜述了水切割技術(shù)的應(yīng)用研究及發(fā)展，并提出了水力切割除草的新概念，與傳統(tǒng)方法比較得出水切割技術(shù)除草具有無(wú)污染，清潔衛(wèi)生，粉塵少，刀具無(wú)磨損，噪音小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。水力切割除草是一種新型機(jī)械除草方式，以水射流的沖擊力切斷雜草莖稈。故雜草切割阻力的研究可為機(jī)械除草設(shè)備設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；減少設(shè)備磨損，提高切割效率等，使設(shè)備達(dá)到最優(yōu)。本試驗(yàn)通過(guò)改進(jìn)苗木切割試驗(yàn)臺(tái)，制出雜草莖桿切

10、割力測(cè)試儀。通過(guò)試驗(yàn)，確定了南方三種常見(jiàn)雜草的切割阻力，分析了影響切割阻力的四種因素及其影響效果。水切割技術(shù)化水為刀，通過(guò)加壓水泵的作用使水從一個(gè)極細(xì)的噴嘴噴出，形成高速水射流。這種水射流具有極大的能量，能切割木材、紙張、塑料等軟性物質(zhì)。若在水中混入一定比例的石英砂料，這種高速夾砂水射流幾乎可以切割任何物質(zhì)。在切割材料時(shí)，不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)或物理的變化，切割時(shí)沒(méi)有機(jī)械切割的噪音，切割成品邊緣平整不毛糙，是一種綠色環(huán)保的切割方式，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、機(jī)械制造、醫(yī)學(xué)和食品加工等領(lǐng)域，而在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。水力切割原理水力切割就是利用超高壓技術(shù)把普通水加壓到250400mpa壓力，通過(guò)內(nèi)

11、孔直徑0.150.35mm的寶石嘴噴射成速度8001000ms的高速射流，俗稱(chēng)水箭，可用軟基性材料；若在水箭中加入適量的磨料則幾乎可以切割所有的軟硬材料。目前所用水刀主要包括供水系統(tǒng)、增壓器、蓄能器、開(kāi)關(guān)、控制系統(tǒng)、磨料添加系統(tǒng)、噴頭及接收器，系統(tǒng)裝置如圖1 所示。供水系統(tǒng)添加磨粒系統(tǒng)噴頭增壓器蓄能器開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)接收器 圖1 水切割系統(tǒng)簡(jiǎn)圖fig.1 water cutting system diagram 水從供水系統(tǒng)輸入增壓器，形成高壓水；在蓄能器的作用下，水壓被維持在一定范圍內(nèi)，便于輸送連續(xù)、穩(wěn)定的水流至開(kāi)關(guān)；控制系統(tǒng)控制增壓器的壓力大小及開(kāi)關(guān)的打開(kāi)、閉合，控制一定壓力的連續(xù)水流至噴頭；

12、磨料添加系統(tǒng)用于在水流中加入石英砂等磨料，若用純水切割，則不需此部分；水流從噴頭射出，完成切割；接收器用來(lái)消除切割后水流的能量。發(fā)展過(guò)程水刀的提出可追溯到1950年，被公認(rèn)為“水刀之父”的nomen franz博士尋找一種高效的大型木材切割方法，他迫使水流通過(guò)極細(xì)噴嘴，第一次獲得了短暫的高壓射流，這種高壓水射流可以切割木材及不太堅(jiān)硬的物質(zhì)；60年代，高壓柱塞泵和增壓器的使用推動(dòng)了水射流的研究工作；1974年美國(guó)flow公司研制出第一臺(tái)水切機(jī)產(chǎn)品；1979年，被稱(chēng)為“加砂水刀之父”mohamed hashish的博士開(kāi)始研究增加水切割能量的方法，1980年他發(fā)明了在普通水刀中添加砂料的方法，幾乎

13、能切割任何物質(zhì)，水切割技術(shù)第一次用于切割金屬、玻璃和混凝土；1984年在美國(guó)首先開(kāi)始采用磨料水切技術(shù)。1996年南京大地水刀公司研制開(kāi)發(fā)出了我國(guó)第一臺(tái)高壓水切割產(chǎn)品。到目前為止，主要在發(fā)展其應(yīng)用范圍發(fā)展。水力切割在工業(yè)上的應(yīng)用：水射流技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用于工業(yè)的初次嘗試是20世紀(jì)50年代末與前蘇聯(lián)發(fā)展水力采煤。經(jīng)過(guò)近年發(fā)展，水射流技術(shù)已廣泛地應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)中。李岳峰、廖勇等總結(jié)水刀切割石材的特點(diǎn)為加工精確、材料利用充分、操作簡(jiǎn)便、無(wú)污染等。在機(jī)械加工中，由于刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量，刀具好壞明顯地表現(xiàn)在產(chǎn)品的加工質(zhì)量上。而且刀具隨加工使用而磨損、變鈍。在切削加工中由于刀具對(duì)工件的摩擦產(chǎn)生切削熱使

14、刀具磨損變鈍。水刀加工特殊的切削方法給制造業(yè)提出了新的加工途徑。張海龍等對(duì)水力切割鈦及鈦合金做了研究，結(jié)果表明用水力切割鈦及鈦合金成本為普通切割的1/3，效率是普通切割的5倍，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 。表1 高壓水刀切割與火焰切割比較table 1 high pressure water knife cutting and flame cutting comparison切割方式切割長(zhǎng)度（m）費(fèi)用合計(jì)（元）切割時(shí)間（h）水刀切割65971.5火焰切割616387.5另外，水刀切割精度高、熱影響區(qū)小、金屬損失少，明顯優(yōu)于火焰切割。水力切割技術(shù)也應(yīng)用于地基處理，它與工程施工技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，具有施工速度快、可靠性

15、高、費(fèi)用低等特點(diǎn)。因其獨(dú)特的的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)近年發(fā)展，亦廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域。1982年，德國(guó)倆位醫(yī)學(xué)教授papachirstou和barters首次將水刀切割技術(shù)引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。他們將水刀設(shè)備（工業(yè)水刀）用于肝臟外科手術(shù)，用水切割將肝臟病變部分洗掉而不損傷肝內(nèi)血管和膽管，成功施行了肝葉切除手術(shù)。1990 年，德國(guó)rau 將醫(yī)用水刀應(yīng)用于臨床，從此水刀在外科手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，目前已用于肝膽外科、泌尿外科、頜面外科、骨科、神經(jīng)外科、耳鼻喉科及眼科手術(shù)等。它的作用是代替手術(shù)刀，與傳統(tǒng)的手術(shù)相比，水刀手術(shù)具有失血少、無(wú)熱效應(yīng)產(chǎn)生的壞死和粘連、切割線平整鮮明、精確控制水壓可精確控制切割深度、選擇

16、水壓可切除實(shí)體組織而保留血管和神經(jīng)且對(duì)其無(wú)明顯損害,配備抽吸功能可避免污染、使用酒精檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)液體吸入、加磨料微粒增加切割深度和切割硬度大的組織 （如骨）及切割深度等優(yōu)點(diǎn)。李昕晟等提到了水力切割在“5.12”大地震中的應(yīng)用，與其他救援方式比較，水力切割具有切割材料無(wú)選擇、可控性好、操作性強(qiáng)、切割速度快、工作環(huán)境好、安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。水刀切割也應(yīng)用于家具生產(chǎn)中，主要分割和切削各種材料，使得原材料分割精確，削面更光潔；水刀切割不產(chǎn)生切削應(yīng)力，不產(chǎn)生切削熱效應(yīng)，無(wú)需二次加工，減少了加工時(shí)間，降低了制造成本。水力切割在食品加工中可切割各種食物，切割介質(zhì)除水外還可用酒精、甘油等，可純水切割也可

17、加磨料（如鹽、糖）切割。水力切割食物，食品營(yíng)養(yǎng)和功能損失少，提高了加工產(chǎn)品質(zhì)量；食品斷面光滑、形狀規(guī)整，也可切出特殊形狀，作為新的產(chǎn)品造型。水力切割還被用于陶瓷工藝，具有切割速度快、無(wú)熱效應(yīng)、節(jié)約材料、不變形等優(yōu)點(diǎn)。水力切割加工技術(shù)有加工質(zhì)量高、切縫窄、材料利用率高、切口質(zhì)量好、切割面垂直、切削無(wú)火花、無(wú)污染等特點(diǎn)；由于水的冷卻作用，工件溫度較低，適合對(duì)易燃易爆物件如木材、紙張等的加工，提高了操作人員的安全性。加工刀具為高壓高速水流，加工過(guò)程中不會(huì)變鈍，減少了刀具準(zhǔn)備、刃磨等時(shí)間。因其適用范圍廣，操作安全性高，工作環(huán)境好，近年來(lái)已迅速被應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，而在農(nóng)業(yè)方面尚無(wú)相關(guān)應(yīng)用。1.

18、2 水力割草的意義農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,雜草直接影響各種作物產(chǎn)量、品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益，廣義的雜草定義則是指生長(zhǎng)在對(duì)人類(lèi)活動(dòng)不利或有害于生產(chǎn)場(chǎng)地的一切植物。主要為草本植物，也包括部分小灌木蕨類(lèi)及藻類(lèi)。全球經(jīng)定名的植物有三十余萬(wàn)種，認(rèn)定為雜草的植物約八千余種;在我國(guó)書(shū)刊中可查出的植物名稱(chēng)有36000多種，認(rèn)定為雜草的植物有119科1200多種。除可按植物學(xué)方法分類(lèi)外還可按其對(duì)水分的適應(yīng)性分為水生、沼生、濕生和旱生，按化學(xué)防除的需要分為禾草、莎草和闊葉草，此外還可根據(jù)雜草的營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型、生長(zhǎng)習(xí)性和繁殖方式等進(jìn)行分類(lèi)。其生物學(xué)特性表現(xiàn)為：傳播方式多，繁殖與再生力強(qiáng)，生活周期一般都比作物短，成熟的種子隨熟隨落，抗逆性強(qiáng)，

19、光合作用效益高等。農(nóng)田雜草的主要為害為：與作物爭(zhēng)奪養(yǎng)料、水分、陽(yáng)光和空間，妨礙田間通風(fēng)透光，增加局部氣候溫度，有些則是病蟲(chóng)中間寄主，促進(jìn)病蟲(chóng)害發(fā)生；寄生性雜草直接從作物體內(nèi)吸收養(yǎng)分，從而降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。此外，有的雜草的種子或花粉含有毒素，能使人畜中毒。除草方法包括植物檢疫即對(duì)國(guó)際和國(guó)內(nèi)各地區(qū)間所調(diào)運(yùn)的作物種子和苗木等進(jìn)行檢查和處理，防止新的外來(lái)雜草遠(yuǎn)距離傳播。這是一種預(yù)防性措施，對(duì)近距離的交互攜帶傳播無(wú)效，須輔以作物種子凈選去雜、農(nóng)具和溝渠清理以及施用腐熟糞肥等措施，以減少田間雜草發(fā)生的基數(shù)。人工除草包括手工拔草和使用簡(jiǎn)單農(nóng)具除草。耗力多、工效低，不能大面積及時(shí)防除?，F(xiàn)都是在采用其他措施

20、除草后，作為去除局部殘存雜草的輔助手段。機(jī)械除草使用畜力或機(jī)械動(dòng)力牽引的除草機(jī)具。一般于作物播種前、播后苗前或苗期進(jìn)行機(jī)械中耕耖耙與覆土，以控制農(nóng)田雜草的發(fā)生與危害。工效高、勞動(dòng)強(qiáng)度低。缺點(diǎn)是難以清除苗間雜草，不適于間套作或密植條件，頻繁使用還可引起耕層土壤板結(jié)。物理除草利用水、光、熱等物理因子除草。如用火燎法進(jìn)行墾荒除草，用水淹法防除旱生雜草，用深色塑料薄膜覆蓋土表遮光，以提高溫度除草等?；瘜W(xué)除草即用除草劑除去雜草而不傷害作物?；瘜W(xué)除草的這一選擇性，是根據(jù)除草劑對(duì)作物和雜草之間植株高矮和根系深淺不同所形成的“位差”、種子萌發(fā)先后和生育期不同所形成的“時(shí)差”、以及植株組織結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)形態(tài)上的差異

21、、不同種類(lèi)植物之間抗藥性的差異等特性而實(shí)現(xiàn)的。此外，環(huán)境條件、藥量和劑型、施藥方法和施藥時(shí)期等也都對(duì)選擇性有所影響。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的安全劑,用以拌種或與除草劑混合使用,可保護(hù)作物免受藥害，擴(kuò)大了除草劑的選擇性和使用面。由種子萌發(fā)的一年生雜草，一般采用持效期長(zhǎng)的土壤處理劑，在雜草大量萌發(fā)之前施藥于土表，將雜草殺死于萌芽期。防除根狀莖萌發(fā)的多年生雜草，則采用輸導(dǎo)作用強(qiáng)的選擇性除草劑，在雜草營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后期進(jìn)行葉面噴施，使藥劑向下傳導(dǎo)至根莖系統(tǒng)，從而更好地發(fā)揮藥效?；瘜W(xué)除草具有高效、及時(shí)、省工、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，還有利于促進(jìn)免耕法和少耕法的應(yīng)用、水稻直播栽培的實(shí)現(xiàn)以及密植程度與復(fù)種

22、指數(shù)的合理提高等。但大量使用化學(xué)物質(zhì)對(duì)生態(tài)環(huán)境可導(dǎo)致長(zhǎng)遠(yuǎn)的不利影響。這就要求除草劑的品種和劑型向低劑量、低殘留的方向發(fā)展，同時(shí)力求與其他措施有機(jī)地配合，進(jìn)行綜合防除，以減少施藥次數(shù)與用藥量。生物除草利用昆蟲(chóng)、禽畜、病原微生物和競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的置換植物及其代謝產(chǎn)物防除雜草。如在稻田中養(yǎng)魚(yú)、鴨防除雜草，20世紀(jì)60年代中國(guó)利用真菌作為生物除草劑防除大豆菟絲子，澳大利亞利用昆蟲(chóng)造一個(gè)有利于作物生長(zhǎng)而不利于雜草繁生的生態(tài)環(huán)境。如實(shí)行水旱輪作制度，對(duì)許多不耐水淹或不耐干旱的雜草都有良好的控制作用。在經(jīng)常耕作的農(nóng)田中，多年生雜草不易繁衍；在免耕農(nóng)田或耕作較少的茶、桑、果、橡膠園中，多年生雜草蔓延較快，一年生雜草

23、則減少。合理密植與間作、套種，可充分利用光能和空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物群體生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，從而控制雜草發(fā)生數(shù)量與為害程度。綜合防治農(nóng)田生態(tài)受自然和耕作的雙重影響，雜草的類(lèi)群和發(fā)生動(dòng)態(tài)各異，單一的除草措施往往不易獲得較好的防除效果；同時(shí)，各種防除雜草的方法也各有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合防除就是因地制宜地綜合運(yùn)用各種措施的互補(bǔ)與協(xié)調(diào)作用，達(dá)到高效而穩(wěn)定的防除目的。如以化學(xué)防除措施控制作物前期的雜草，結(jié)合栽培管理促成作物生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),可抑制作物生育中、后期發(fā)生的雜草;在茶、桑、果園及橡膠園中，用輸導(dǎo)型除草劑防除多年生雜草，結(jié)合種植綠肥覆蓋地表可抑制雜草繼續(xù)發(fā)生等。20世紀(jì)70年代起，一些國(guó)家以生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)病、蟲(chóng)、雜草等有害

24、生物進(jìn)行綜合治理，研究探索在一定耕作制條件下,各類(lèi)雜草的發(fā)生情況和造成經(jīng)濟(jì)損失的閾值,并將各種除草措施因地因時(shí)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)造合理的農(nóng)業(yè)生態(tài)體系，有可能使雜草的發(fā)生量和危害程度控制在最低的限值內(nèi)，保證作物持續(xù)高產(chǎn)。它們生長(zhǎng)于田間及地邊等農(nóng)作物旁，長(zhǎng)期適應(yīng)當(dāng)?shù)刈魑?、耕作、氣侯、土壤等生態(tài)條件，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，主要特點(diǎn)為傳播方式多，繁殖與再生力強(qiáng)，生活周期短，種子隨熟隨落，抗逆性強(qiáng)等。由于它的這些特點(diǎn)，平均每年給糧食產(chǎn)量帶來(lái)的損失高達(dá)7.5%25%1,2。我國(guó)主要雜草種類(lèi)有60多種，與作物爭(zhēng)光、爭(zhēng)肥、爭(zhēng)水，嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)與發(fā)育，甚至使良田變成荒地3,4。因此清除雜草在農(nóng)業(yè)工程中具

25、有重要意義。目前常用的除草方法有機(jī)械除草、化學(xué)除草及生物除草5，機(jī)械除草效率高、目標(biāo)明確，但是噪聲大、粉塵多，工作環(huán)境惡劣6,7；化學(xué)除草作用迅速、使用方便，易于推廣，但是化學(xué)藥劑的污染問(wèn)題難以解決；生物除草效果持久、成本低，但是除草周期長(zhǎng)，極易造成生物鏈的不平衡8,9,10。雜草切割阻力的試驗(yàn)研究是在針對(duì)目前除草方法的缺點(diǎn)，提出水力切割除草11的基礎(chǔ)上，對(duì)雜草切割阻力影響因素進(jìn)行試驗(yàn)和分析。目前，對(duì)植物的力學(xué)特性研究中，對(duì)于木質(zhì)部較發(fā)達(dá)的植物如棉花12 、芒草13、秸稈14、果樹(shù)苗15,16等有較為詳細(xì)的探討，而對(duì)于木質(zhì)部不發(fā)達(dá)的雜草如狗尾草等尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。另外，當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為人類(lèi)關(guān)

26、注的焦點(diǎn)，大氣、土地等環(huán)境污染已嚴(yán)重干擾人類(lèi)的生存與發(fā)展。治理中，植樹(shù)種草等綠化措施可以涵養(yǎng)水源，減少水土流失，改良?xì)夂蚣案纳瓶諝赓|(zhì)量等，因此越來(lái)越受到人們的重視；而草坪雜草的治理也是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，我國(guó)草坪雜草種類(lèi)約有450種，分屬45科、127屬；化學(xué)除草主要是噴灑除草劑等，具有效果迅速、使用方便、易于推廣等優(yōu)勢(shì)，也是目前最普遍的除草方法；但化學(xué)除草一般只是殺滅雜草在地面的部分，若長(zhǎng)期使用會(huì)因作物產(chǎn)生抗藥性而失效；且它易造成誤殺，對(duì)人畜有毒害作用，易造成環(huán)境污染。生物除草指利用寄主范圍較專(zhuān)一的植食性動(dòng)植物或病原微生物將雜草控制在經(jīng)濟(jì)、生態(tài)或環(huán)境美化允許的水平。生物除草控制效果持久，防治成本

27、低廉，作為一種新興的除草方式，越來(lái)越受到人們的重視。然而生物除草效果產(chǎn)生緩慢，從引入原產(chǎn)地的天敵到其與雜草之間形成相互調(diào)節(jié)、相互制約的生態(tài)平衡需要幾年或更長(zhǎng)的時(shí)間。水刀除草屬機(jī)械除草范疇，它以水為切割介質(zhì)，與傳統(tǒng)的機(jī)械除草比較，具有清潔衛(wèi)生、粉塵少、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)；與常用的化學(xué)除草比較，具有無(wú)污染、無(wú)毒副作用等好處；與生物除草比較，具有見(jiàn)效快，不影響生物鏈，適用廣泛等特點(diǎn)。隨著水切割技術(shù)的不斷發(fā)展，水力除草將有廣泛的應(yīng)用前景。水力切割是一種新型的切割方式。它具有適應(yīng)范圍廣、切割效率高、切割精度好、刀具無(wú)消耗、對(duì)材料性質(zhì)無(wú)影響等優(yōu)點(diǎn)，由于它的這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在很多行業(yè)以得到應(yīng)用。而在除草范疇，它沒(méi)有

28、污染，對(duì)環(huán)境影響??；工作時(shí)不產(chǎn)生灰塵及有毒氣體，可提供清潔安全的工作條件；低壓水射流工作時(shí)噪聲小，對(duì)居住密集地區(qū)的居民影響較小；只要解決工作臺(tái)及相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，水力除草將會(huì)大有作為。為開(kāi)發(fā)水力除草，通過(guò)切割實(shí)驗(yàn)確定雜草切割阻力及切割因素（植物直徑、含水率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、削切角）對(duì)切割阻力的影響。以蒿草、狗尾草和牛筋草為實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別測(cè)定其莖桿切割阻力、分析其影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雜草切割阻力與電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)數(shù)成反比，與雜草直徑平方成正比,與削切角平方成反比；不同雜草含水率對(duì)切割阻力影響不同，成一定的函數(shù)關(guān)系。同種雜草，直徑、含水率、削切角和電機(jī)轉(zhuǎn)速依次影響切割阻力。得出自然條件下，切斷三種雜草最小切割線

29、速度為0.08m/s；最大切割力11.10n。為水力除草設(shè)備設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。2 試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)2.1 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成及工作原理試驗(yàn)臺(tái)由電機(jī)、調(diào)速控制和顯示儀、夾持裝置、切割裝置及壓力測(cè)量裝置組成。如圖1所示：電機(jī)為pc-b型帶傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主電機(jī)，功率335w，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速01500r/min。夾持裝置固定于電機(jī)軸線豎直平面，得到雜草切割阻力最大。切割裝置刀柄自制，半徑80mm。壓力測(cè)量裝置由ppm225-ls1型壓力傳感器與ppm-tc1ct壓力顯示儀組成，傳感器量程5kg，數(shù)顯儀精度0.001kg。圖2 植物莖桿切割力測(cè)試儀fig.2 plant st

30、ern cutting force reflector電機(jī)外殼固定與支座軸承上，可與繞轉(zhuǎn)子重合的軸線擺動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，刀柄（阻力力臂l2）轉(zhuǎn)動(dòng)，由于定子與轉(zhuǎn)子之間磁場(chǎng)的相互作用，刀片切割雜草莖稈時(shí)，電動(dòng)機(jī)外殼向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相反方向旋轉(zhuǎn)，其扭矩通過(guò)固定在定子外殼上的傳力臂（扭力力臂l1）傳送到壓力傳感器上，由數(shù)字顯示控制儀讀出。在一般工程計(jì)算中，可忽略空載轉(zhuǎn)矩t0，即可認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩t與轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩td相等17。即：軸上輸出轉(zhuǎn)矩：td=10-2fcl1;電磁轉(zhuǎn)矩:t=10-2q1l2式中fc為切割阻力;q1為數(shù)字顯示控制儀的讀數(shù)；l1為切割阻力力臂（l1=80mm）；l2為扭力力臂（l2=

31、120mm）。切割阻力fc可由式（1）計(jì)算得出。 fc=q1l2/l1=1.5q1 (1)2.2 試驗(yàn)材料與方法試驗(yàn)選取三種南方常見(jiàn)雜草：蒿草(humilis)，狗尾草(setaria )和牛筋草(goosegrass)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。圖分別如下：圖3 蒿草fig.3 humilis圖 4狗尾草 fig.4 setaria圖 5 牛筋草fig.5 goosegrass雜草直徑用游標(biāo)卡尺測(cè)量；削切角通過(guò)水平調(diào)整夾持裝置的位置實(shí)現(xiàn)；含水率分為天然含水率、淹水含水率（將雜草淹沒(méi)于水中24小時(shí)）和風(fēng)干含水率（將雜草置于陰涼通風(fēng)環(huán)境24小時(shí)）；電機(jī)轉(zhuǎn)速由調(diào)速開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)，并可由pc-b型試驗(yàn)臺(tái)數(shù)字顯示儀直接讀

32、數(shù)。切割實(shí)驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)試驗(yàn)室內(nèi)分兩次進(jìn)行，第一次2011年12月3日，為雜草直徑、削切角、電機(jī)轉(zhuǎn)速及天然含水率試驗(yàn)，第二次12月4日，為風(fēng)干含水率和淹水含水率試驗(yàn)及蒿草正交試驗(yàn)。試驗(yàn)分組：測(cè)量直徑并分3組，第一組立即進(jìn)行試驗(yàn)，第二組自然風(fēng)干，第三組淹水，24小時(shí)后進(jìn)行試驗(yàn)。最小切斷轉(zhuǎn)速：分別選取三種雜草最大直徑作為切斷植物最小轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)；接通電源，由小到大調(diào)速；斷電，固定雜草；通電工作，若雜草被切斷，記錄數(shù)字顯示儀讀數(shù)作為雜草切斷最小轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)過(guò)程：接通電源，調(diào)速至雜草最小切斷轉(zhuǎn)速；斷電，固定雜草，調(diào)整夾持裝置；通電切割，記錄壓力顯示儀讀數(shù)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。 2.3

33、試驗(yàn)結(jié)果與分析2.31 雜草直徑對(duì)切割阻力的影響分別選取3種雜草的5種直徑，轉(zhuǎn)速固定為能切割最大直徑的雜草轉(zhuǎn)速不變，分別切割雜草各3次 記錄切割力，分別取其平均值（每種雜草需15顆），如表2所示：蒿草（mm）1.741.781.982.282.322.362.762.822.883.043.043.343.963.883.94切割力f（n）0.960.321.171.292.252.173.272.342.364.143.504.254.204.854.45狗尾草1.221.241.281.441.481.721.781.821.862.022.06f（n）0.250.170.541.241.

34、000.730.952.882.163.133.69牛筋草1.681.741.7822.162.182.342.362.462.682.783.023.24f (n)0.270.740.680.420.910.741.401.341.641.441.432.43.1 表2 三種植物不同直徑所需切割力table 2 three kinds of different diameter cutting force for plant將上表直徑分為大，中，?。ň唧w范圍根據(jù)植物直徑范圍分類(lèi)）3種直徑，即正交試驗(yàn)中的直徑3水平：如表3所示:表 3 正交試驗(yàn)中的直徑3水平 table 3 the diame

35、ter of the orthogonal experiment 3 level蒿草直徑（mm）1.72.52.53.53.54.5f1.443.314.50狗尾草1.21.51.51.91.92.5f0.631.683.41牛筋草1.6222.52.53.5f0.531.212.10切割阻力與蒿草直徑關(guān)系如圖6所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析與擬合，雜草切割阻力與雜草直徑平方呈正比。由于隨著植物的生長(zhǎng)，植物直徑增大，植物內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也趨于成熟，纖維等組織強(qiáng)度增加和植物外表面硬度增加；另外隨著植物直徑的增大，切割面積增大，切割阻力也會(huì)增大。 (a) 蒿草直徑與切割力關(guān)系(a) humilis diamete

36、r and cutting force relationship(b) 狗尾草直徑與切割力關(guān)系(b) setaria diameter and cutting force relationship(c) 牛筋草直徑與切割力關(guān)系(c) goosegrass diameter and cutting force relationship 圖6 植物直徑對(duì)切割阻力的影響fig.6 relationship of the diameter and the force在自然條件下，植物直徑是大小有別的，同一氣候、同一地點(diǎn)的同種類(lèi)同直徑植物，生長(zhǎng)狀況亦各不相同，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)選取實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的最大切割阻力，

37、本實(shí)驗(yàn)中最大切割阻力為7.28n。2.3.2植物含水率對(duì)切割阻力的影響植株含水率測(cè)定: 牛筋草 狗尾草選取被切斷部位以上一節(jié)處，蒿草選取自切斷部位以上10mm。只取主干.步驟：1 分別稱(chēng)重，牛筋草記為a1，狗尾草記為b1，蒿草記為c1 2 放入烘箱，6h以后取出稱(chēng)重 分別記為a2，b2，c2 3 繼續(xù)放入烘箱，8h后取出稱(chēng)重 分別記為a3，b3，c3 。若a2=a3，或b2=b3 或c2=c3則此為干重。若不等 則 4 繼續(xù)放入烘箱，10h后取出稱(chēng)重 分別記為a4，b4，c4。若a4=a3或b4=b3或c4=c3則此為干重。無(wú)需繼續(xù) 若不等，則 5繼續(xù)放入烘箱，10h后取出稱(chēng)重 分別記為a5，

38、b5，c5。若a4=a5或b4=b5或c4=c5則此為干重。無(wú)需繼續(xù) 若不等，則繼續(xù)放入，10h后相等，知道an-1=an或bn-1=bn或cn-1=cn為止 6 最終測(cè)得三種雜草干重別為an，bn，cn含水率計(jì)算公式為： =（a1-an）/a1 （2）根據(jù)所得數(shù)據(jù)蒿草和狗尾草含水率與切割阻力呈負(fù)相關(guān)且影響顯著，牛筋草含水率與切割阻力呈正相關(guān)，二者關(guān)系相反。本試驗(yàn)選取雜草直立段以上10cm以內(nèi)為切割位置，蒿草無(wú)匍匐段，狗尾草匍匐段較短，故切割位置靠近根部，木質(zhì)部較發(fā)達(dá)，纖維較結(jié)實(shí)；牛筋草匍匐段較長(zhǎng)，切割位置靠近頂部，莖稈較嫩，且為空心段，導(dǎo)致其切割阻力較小且和蒿草、牛筋草與含水率關(guān)系不同。選取

39、3種雜草各9株，要求每9株雜草直徑相等，各分為3組，每組3株，第一組立即切割，記下切割力，測(cè)出其含水率，各取平均值。第二組淹沒(méi)在室溫下水內(nèi)24小時(shí) 第三組置于室溫下晾干24小時(shí)，分別切割，記下切割力，測(cè)出含水率，各取平均值（每種雜草9顆），得到如下三表：表 4 自然含水率table 4 natural moisture content次數(shù)原始123蒿草5.651.221.201.20狗尾草1.770.790.79牛筋草1.310.340.330.33蒿草含水率：（5.65-1.2）/5.65 100%=78.41%狗尾草含水率：（1.77-0.79）/1.77100%=55.37%牛筋草含水率

40、：（1.31-0.33）/1.31100%=74.80%表 5 晾干含水率 table 5 air dry moisture content次數(shù)原始123蒿草0.680.360.350.35狗尾草0.220.190.19牛筋草0.440.220.22蒿草含水率：(0.68-0.35)/0.68100%=48.53%狗尾草含水率：(0.22-0.19)/0.22100%=13.64%牛筋草含水率：(0.44-0.22)/0.44100%=50%表 6 淹水含水率table 6 flooded moisture content次數(shù)原始123蒿草1.950.370.37狗尾草0.620.190.19

41、牛筋草0.420.100.10蒿草含水率：(1.95-0.37)/1.95100%=81.03%狗尾草含水率：(0.62-0.19)/0.62100%=69.35%牛筋草含水率：(0.42-0.10)/0.42100%=76.19%表7 不同含水率對(duì)切割力的影響 table 7 different of moisture content of the influence of cutting force蒿草81.03%（高）78.41%（中）48.53%（低）f（n）1.793.37，3.777.37狗尾草69.35%55.37%13.64%f (n)0.231.362.28牛筋草76.19%

42、74.80%50%f (n)2.181.531.25植物含水率與切割阻力的關(guān)系如圖7所示，得出蒿草含水率降低將引起切割阻力顯著增大，兩者呈乘冪關(guān)系；狗尾草含水率增大時(shí)，切割阻力顯著減小，呈二次線性關(guān)系；牛筋草含水率增大時(shí)，切割阻力也增大，呈指數(shù)關(guān)系。(a)蒿草含水率與切割力關(guān)系(a) humilis moisture content and cutting force relationship(b) 狗尾草含水率與切割力關(guān)系(b) setaria moisture content and cutting force relationship(c)牛津草含水率與切割力關(guān)系(c) goosegra

43、ss moisture content and cutting force relationship圖7 植物含水率對(duì)切割阻力的影響fig.7 relationship of moisture content and the force2.3.3電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)切割阻力的影響（電機(jī)轉(zhuǎn)速影響水壓流量即為水壓流量對(duì)切割阻力的影響）將主機(jī)由低到高找出能切割3種雜草特定直徑的最小轉(zhuǎn)速，分別選取該直徑3種雜草各顆，分別設(shè)定轉(zhuǎn)速n1n2n3各切割3次，結(jié)果取平均值（需每種雜草9顆）如表8所示：表8 最小轉(zhuǎn)速與切割力關(guān)系table 8 minimum rotational speed and cutting fo

44、rce relationship蒿草轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)每分）最小切斷轉(zhuǎn)速n=2381.2n=2851.5n=357切割力f（n）5.422.121.06狗尾草n=1351.2n=1591.5n=201f (n）1.660.520.11牛筋草n=1721.2n=211.5n=260f (n)2.560.990.34電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)切割阻力的影響如圖8所示，切割阻力與電機(jī)轉(zhuǎn)速呈對(duì)數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)速較低情況下，隨著轉(zhuǎn)速提高，切割阻力有明顯下降；高轉(zhuǎn)速情況下，隨著轉(zhuǎn)速提高，切割阻力緩慢下降。實(shí)踐中，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，可達(dá)到良好的切割效果。切割設(shè)備在pc-b型傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，通過(guò)自制半徑80mm長(zhǎng)刀柄安裝于電動(dòng)機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)而切割

45、放置于電動(dòng)機(jī)軸線位置上的雜草。切割力由傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的電動(dòng)機(jī)扭矩讀數(shù)根據(jù)力學(xué)公式換算得來(lái)。夾持植株根部形成植物自然生長(zhǎng)情況下的固定模式。植物品種選取為牛筋草、狗尾草、蒿草3種，切割位置于自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的根部以上垂直距離待定50mm、狗尾草50mm、蒿草100mm范圍內(nèi)。除滑切角實(shí)驗(yàn)外，其余試驗(yàn)切割角度都為90。（a） 蒿草轉(zhuǎn)速與切割力關(guān)系（a） humilis speed and cutting force relationship(b)狗尾草轉(zhuǎn)速與切割力關(guān)系 (b) setaria speed and cutting force relationship(c) 牛筋草轉(zhuǎn)速與切割力關(guān)系(c) go

46、osegrass speed and cutting force relationship圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)切割力的影響fig.8 relationship of the cutting rate and the force2.3.4削切角對(duì)切割阻力的影響同一直徑，同一含水率，各取其最小切斷轉(zhuǎn)速。調(diào)整滑切角分別為45，60，75分別切割3次，取平均值（每種雜草需9顆）制作下表格：表 9 不同切削角對(duì)切割力關(guān)系table 9 different cutting angle on cutting force relationship蒿草456075切割力f狗尾草456075切割力f牛筋草456075切割

47、力f由于狗尾草和牛筋草在削切角試驗(yàn)中切割阻力很小，在本次試驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)相對(duì)切割阻力很小，在本次試驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)相對(duì)誤差較大，結(jié)論真實(shí)性不高，本文中僅對(duì)蒿草的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。削切角取45、60和75，得到削切角對(duì)蒿草切割阻力的影響關(guān)系如圖9，分析圖中數(shù)據(jù)可知，在4575范圍內(nèi)，削切角越小，切割阻力越大，切割阻力與削切角平方呈反比。得到如下表格：表 10 蒿草削切角與切割力關(guān)系table 10 relationship of the cutting angle and force蒿草角度456075f1.551.200.11圖9 蒿草削切角與切割力關(guān)系fig.9 relationship of t

48、he cutting angle and force3.5 多因素綜合影響試驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)采取正交試驗(yàn)法，以蒿草作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，探索雜草切割阻力影響因素（含水率、削切角、直徑、轉(zhuǎn)速）的影響程度。在切割率為100%前提下，試驗(yàn)以切割阻力為指標(biāo)。試驗(yàn)因素及水平如表11。試驗(yàn)選用l9（34）正交表，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12：表11 實(shí)驗(yàn)因素及水平table 11 the influence factors and levels of test水平(a)含水率（%）(b)削切角（）(c)直徑（mm）(d)電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）148.53751.72.5238255.37602.53.5285374.80453.5

49、4.5357表12 蒿草切割阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果 table 12 result of the force試驗(yàn)號(hào)(a)含水率（%）(b)削切角（）(c)直徑（mm）(d)轉(zhuǎn)速（r/min）切割阻力（n）11(48.53)1(75)1(1.7-2.5)1(238)0.0621(48.53)2(60)2(2.5-3.5)2(285)2.14531(48.53)3(45)3(3.5-4.5)3(357)3.1542(55.37)1(75)2(2.5-3.5)3(357)0.6952(55.37)2(60)3(3.5-4.5)1(238)2.3162(55.37)3(45)1(1.7-2.5)2(285)0.

50、5773(74.80)1(75)3(3.5-4.5)2(2851.39583(74.80)2(60)1(1.7-2.5)3(357)0.22593(74.80)3(45)2(2.5-3.5)1(238)0.24總 計(jì)10.545根據(jù)表12，用spss軟件進(jìn)行回歸分析，得到其回歸方程為z=-0.047x+1.049y(置信系數(shù)a=0.05)。其中x為含水率，y為雜草直徑，單位mm。9次試驗(yàn)中，最小切割阻力為第一組0.06n，最大切割阻力為第三組3.15n。各因素k值如表13 ： 表13 蒿草切割阻力正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析table 13 analysis of the experiment指標(biāo)因素k值

51、切割阻力f（n）abcdk15.3552.1450.8552.61k23.574.683.0754.11k31.863.966.8554.065k11.7850.1750.2850.87k21.191.561.0251.37k30.621.322.2851.355r1.1650.84520.5分析較優(yōu)水平a3b1c1d1主次因素c、a、b、d最優(yōu)方案a1b2c3d2分析表13，對(duì)雜草切割阻力影響顯著性依次為雜草直徑、雜草含水率、刀片削切角、電機(jī)轉(zhuǎn)速。選出最優(yōu)方案為a1b2c3d2。在實(shí)際切割中，雜草直徑和雜草含水率不可變，電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高對(duì)電機(jī)及其配套設(shè)施要求高，實(shí)際運(yùn)用難度大，故應(yīng)盡量增大刀片

52、削切角，適當(dāng)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速。3 結(jié)論本試驗(yàn)研究表明：1.雜草切割阻力與直徑平方正比 f=a1d2+b1d-c1 （a，b，c已知，d，n未知,下同）；(1).蒿草直徑與切割力的關(guān)系 f=0.0057d2+0.5874d-0.4486，極差r2=0.882； (2).狗尾草直徑與切割力的關(guān)系 f=0.0466d2-0.1455d+0.5542 ，極差r2=0.8758； (3).牛筋草直徑與切割力的關(guān)系 f=0.0236d2-0.1019d+0.8814 ，極差r2=0.8714；2. 雜草切割阻力與削切角平方成反比 f=-a22+b2+c2； 蒿草切削角與切割力關(guān)系f=-0.44622+1.9087-0.42，極差r2=1；3. 雜草切割阻力與電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)數(shù)成反比 f=a3ln(n)+b3 ； (1). 蒿