在水稻生产中,农田杂草是影响作物产量的主要因素之一,而除草又是田间管理的一项重要且繁重的工作,具有季节性较强、除草期短、用工量大等特点。机械除草作为一种环境友好的除草方式,在除草过程中能翻动土壤,增加水稻根系土壤的含氧量,对水稻的生长起到了良好的促进作用。此外,与化学除草、人工除草相比,机械除草具有环境污染小、劳动成本低等优点。然而由于水田环境的复杂性和水稻密植的农艺特点,株间杂草的机械防除是水稻机械除草的最大难点。本文在分析国内外水田机械除草技术研究的基础上,针对株间机械除草存在的技术难点,围绕株间机械除草机理、关键部件与整机结构设计等内容开展理论分析与试验研究工作,创新研制出水田行株间同步除草装置。主要研究内容及结论如下:（1）水稻机械除草关键部件的设计与仿真。根据水田杂草生长特性,研究了株间机械除草机理;通过轮齿运动轨迹分析,确定了除草轮结构参数;利用离散元分析软件EDEM对除草轮与水田土壤的相互作用进行动力学仿真分析,比较相同工作参数下轮齿受力情况和土壤扰动程度,优选出最优的轮齿结构。仿真结果表明:在相同倾角的条件下,8齿除草轮所受的土壤作用力最大值和平均值均小于6齿除草轮;在相同齿数的条件下,除草轮受土壤作用力的平均值随着倾角增大呈增大的趋势。当齿数相同时,除草轮倾角越大,扰动程度越大;当倾角相同时,除草轮齿数越多,扰动程度越大。为选取除草轮最优的因素水平组合,建立一个综合评分标准,得出评分最高的结构参数组合为倾角35°的8齿除草轮,此时与土壤接触作用时最大应力为9.19N,平均应力为4.69N,扰动的土壤图像像素面积为61.87cm~2。在此基础上,探究除草轮工作时不同前进速度对除草效果的影响,以前进速度为影响因子对除草轮与土壤作用进行仿真分析,得到前进速度与土壤扰动程度的影响规律。仿真结果表明土壤扰动程度随前进速度增大而增大,前进速度越大土壤扰动变化越剧烈,当前进速度为0.9m/s时土壤扰动程度最大,受扰动的土壤图像像素面积为73.19cm~2。（2）水田行株间同步除草装置的设计。针对机械除草过程中存在机具适应性差、除草率低和伤苗率高等问题,设计了一种二级仿形机构,用以提高装置适应性;根据水稻机插秧苗带分布特点,结合行间、株间除草部件及二级仿形机构,设计了除草单体,利用离散元分析软件EDEM对除草单体工作部件与水田土壤相互作用进行了动力学仿真分析。仿真结果表明:随着两个株间除草轮相对距离的增加,土壤受扰动程度增大。在相对距离为200mm时,除草单体工作部件产生的土壤扰动程度最大,扰动的土壤图像面积为112.35cm~2。设计了除草机整机结构,整机长度为100cm,宽度为200cm,抬升高度为50cm;整机配备7个单体,一次除草作业6行;该机主要用于大田初期机械除草,除草作业速度为0.7～1.3cm/s,可同时去除行间杂草和株间杂草,减少机具在田间的作业次数,降低对秧苗的损伤。（3）机械除草性能田间试验研究。为探究水田实际环境下机具不同工作参数下的除草效果,以机具前进速度和除草轮类型为试验因素,以除草率与伤苗率为试验指标,采用全因素试验法对除草装置进行了田间试验,分析了影响其工作性能的相关因素,选出较优工作参数组合。试验结果表明:影响除草率和伤苗率的主次顺序均为前进速度＞除草轮类型,随着机具前进速度增加,除草率和伤苗率均先降后升。考虑除草率及性能的稳定性,在三种前进速度下,采用3D打印塑料材质、轮齿长5cm的伞状除草轮A平均除草率最高、性能最稳定;若同时考虑伤苗率的因素,得出伞状除草轮A在1.0m/s的前进速度下为较优的参数组合,此时株间除草率为78.8%,株间伤苗率为0.2%,整机除草率为91.6%。此外,根据机具最优作业速度和幅宽可测得该装置完全配置时（7行）作业效率为0.4～0.6hm~2/h。