高速水稻插秧機新型分插機構的設計

郭晨海，陳麗果，葛　晶，曹曉輝，沈　燕

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江　212013;2.常州江蘇大學工程技術研究院，江蘇 常州　213164)

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高速水稻插秧機新型分插機構的設計

郭晨海1，陳麗果1，葛晶2，曹曉輝1，沈燕2

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江212013;2.常州江蘇大學工程技術研究院，江蘇 常州213164)

摘要：針對高速水稻插秧機在取秧工作時容易造成傷秧的現象，提出了采用新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構的設計方案；建立了該機構的虛擬樣機模型并進行仿真分析，分析結果表明：與傳統設計方案相比，新的設計方案秧針運動軌跡與秧門的位置關系得到優化；取秧時，秧針運動軌跡與秧盤幾乎垂直，保證了秧苗的質量；當秧箱導軌夾角變為80°、推秧角為78°、推秧角與秧苗和秧針夾角的和接近90°時，優化了插植后秧苗直立性，滿足了農藝要求。

關鍵詞：高速水稻插秧機；直立性；雙偏心卵形齒輪；秧箱導軌夾角

0引言

水稻是我國主要的糧食作物。近幾年，隨著農業機械化水平的不斷提高，插秧機的使用也越來越普遍，從最初的手扶式插秧機變為乘坐式插秧機[1]，發展為現在的高速水稻插秧機。高速水稻插秧機具有慣性力小、噪聲小、作業效率高等特點，提升了水稻產業高效種植的要求[2]。

高速水稻插秧機分插機構工作時，既要實現機構的高速運動，又要滿足農藝上的要求，故對其機構的設計要求比較高。高速水稻插秧機速度高的特性決定了其在單位時間內插秧次數提高，同時振動也加劇[3]，故傳統的高速水稻插秧機取秧時容易存在秧苗折斷或損傷其他秧苗的問題。基于這一問題，筆者提出了新的高速水稻插秧機分插機構的設計方案。新型齒輪行星系中的齒輪具有4個變量，分別為長軸半徑、偏心率、焦點在x軸的偏心距及焦點在y軸的偏心距。這4個變量一方面可以使得齒輪系更容易擁有合理的傳動比；另一方面可以優化秧針尖點的運動軌跡，得出合理的“海豚曲線”，仿真出更加符合農藝要求的秧針尖點運動軌跡。新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構不僅可以使機構運轉平穩，大大提高插秧機的插秧質量，還能夠實現機構的高速運轉，滿足農藝要求。

1傳統插秧機設計要求

對于傳統水稻插秧機分插機構的設計，秧針“海豚曲線”優化目標[4]：

1)為保持插秧后秧苗的直立性，秧針取秧時與水平線的夾角(取秧角)應在10°~25°之間，而推秧角與水平線的夾角(推秧角)應在65°~80°之間；

2)為了減少傷根，理想的取秧塊應該近似為矩形，秧針軌跡要與秧箱的方向垂直或近似垂直；

3)插植臂的軸心(即行星輪軸心)軌跡不能與已插秧的中部接觸，以免碰傷已插秧秧苗；

4)插秧穴口要盡量小(不大于30mm)，太大會導致秧苗倒伏或者漂秧；

5)栽植臂在取秧時秧針的支撐部位不能碰撞秧門；

6)推秧角與取秧角的角度差為秧箱的傾角；

7)秧針達到最低點之前完成推秧動作。

為保持插秧后秧苗的直立性，水稻插秧機工作過程中取秧和插秧時其角度關系如圖1和圖2所示。

傳統水稻插秧機秧箱導軌夾角等于90°，故有下列關系：取秧角+秧針與秧苗的夾角+秧箱傾角+秧箱導軌夾角=180°；推秧角+秧針與秧苗夾角=90°。

根據上面兩個關系式得出：取秧角+秧箱傾角=推秧角，即推秧角-取秧角=秧箱傾角。

某傳統水稻插秧機優化結果中[5]，取秧角為12.96°，推秧角為67.96°，秧箱傾角為55°。從該實例看出：推秧角-取秧角=秧箱傾角，保證了秧苗插植后的直立性。其優化軌跡如圖3所示，由此可以看出秧針“海豚曲線”軌跡與秧箱并不垂直。那么在取秧時，秧針會斜著向秧苗切去，秧苗受到折斷損傷甚至還會傷及其他秧苗，故秧苗栽植質量也就會大大下降。

圖1　取秧角和秧針與秧苗夾角關系

圖2　推秧角和秧針與秧苗夾角關系

圖3　某傳統水稻插秧機優化軌跡

2分插機構仿真分析

高速水稻插秧機的分插機構，由分插器和驅動機構組成，驅動機構一般為橢圓齒輪輪系或是偏心橢圓齒輪輪系[6-9]。為了優化系統設計更加符合農藝上插秧要求[10-15]，本文首次提出了一種雙偏心卵形齒輪行星輪系分插機構。與橢圓齒輪輪系或偏心橢圓齒輪輪系相比，雙偏心卵形齒輪輪系設計變量較多，具有4個變量，分別為長軸半徑、偏心率、焦點在x軸的偏心距及焦點在y軸的偏心距。這4個變量一方面可以使得齒輪系更容易擁有合理的傳動比；另一方面可以優化秧針尖點的運動軌跡，得出合理的“海豚曲線”，仿真出更加符合農藝要求的秧針尖點運動軌跡。

雙偏心卵形齒輪最大缺點是設計困難，節曲線沒有具體的函數表達式，齒廓線也極為復雜。為此，從數學角度出發，利用積分和求導，精確地計算出雙偏心卵形齒輪的結構參數,并且建模，通過調整結構參數和定位關系不斷對分插機構進行改進，使秧針的運動軌跡滿足插秧機的工作要求。

2.1　雙偏心卵形齒輪行星系組成及工作原理

雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(見圖4)，共有5個雙偏心卵形齒輪，初始安裝相位相同，齒輪1為太陽輪，太陽輪兩邊對稱布置2對雙偏心卵形齒輪，分別為中間輪2、3和行星輪4、5，栽植臂與行星輪固連，行星架與太陽輪共軸心。工作時，太陽輪固定不動，行星架轉動(為動力源)，中間輪2、3繞太陽輪轉動，帶動行星輪4、5周期性轉動；栽植臂6、7分別和行星輪4、5固結，作復合運動；其牽連運動時隨著齒輪箱作勻速順時針轉動，相對運動時隨著行星齒輪做不等速逆向轉動，實現秧針的取秧、送秧、回轉、避讓和回程這一系列循環運動。

1，5.行星輪　2，4.中間輪　3.太陽輪　6,7.插植臂

2.2　基本參數及結果分析

基本參數如表1所示。

雙偏心卵形齒輪行星系分插機構，根據表1的數據，通過在SolidWorks中虛擬制造和在Adams對虛擬樣機的動態仿真，仿真模型如圖5所示。圖5中：1為秧針，2為雙偏心卵形齒輪輪系，得到秧針的靜軌跡和動軌跡如圖6所示。

表1　基本參數

圖5　仿真模型

圖6　雙偏心卵形齒輪行星系“海豚曲線”

由圖6計算得到：取秧角為38°，秧箱傾角為50°，實際整個曲線中，最大推秧角為78°。秧針軌跡與秧箱的方向垂直或近似垂直，這樣就能避免取秧時造成秧苗的折斷損傷。但是，若根據傳統插植機設計要求中的直立性三角關系：推秧角-取秧角=秧箱傾角，理論計算得出最大推秧角為88°。上述結果表明：實際取秧角變大，推秧角也有所增大；但不再嚴格遵循上述的直立性三角關系，所以進一步對其進行改進。

3分插機構對于秧箱導軌的調整

為了既能做到秧針軌跡與秧箱的方向垂直或近似垂直，又能夠保持秧苗的直立性，本文對秧箱導軌進一步做出改進?；陔p偏心卵形齒輪行星系分插機構，將秧箱導軌夾角從原來的90°分別調整為85°、80°、75°，調整后秧門的位置如圖7所示。

圖7　不同秧箱導軌夾角下秧門位置

當秧箱導軌夾角變化時，秧門的相對位置也會發生變化，這意味著秧苗和秧針的夾角也會發生變化。當秧門導軌夾角小于90°時，由于和秧盤接觸部分是爛泥，具有不可確定性因素，故秧苗和秧針的夾角與秧門導軌夾角的變化不成一定的比例。隨著秧箱導軌夾角的減小，秧苗和秧針的夾角會比原來有所增大。所以，推秧角-取秧角=秧箱傾角這個三角關系也會得到平衡，推秧角加上秧針與秧苗的夾角也可以更接近90°，從理論上保持了秧苗的直立性。通過雙偏心卵形齒輪行星系插秧機“海豚曲線”的結果分析：秧苗和秧針夾角要增大10°，才能夠平衡直立性三角關系，故對秧箱導軌調整的結果：秧箱導軌夾角為80°。其“海豚曲線”如圖8所示。

圖8　秧門導軌夾角為80°時“海豚曲線”

4結論

1) 提出了采用新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構的設計方案，利用雙偏心卵形齒輪行星系代替傳統齒輪行星系。

2) 建立了新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構虛擬樣機模型，仿真結果表明：秧針軌跡與秧箱的方向垂直或近似垂直，避免了取秧時對秧苗的損傷，提高秧苗的栽植質量。

3) 進一步優化雙偏心卵形齒輪行星系分插機構，對秧箱導軌夾角做出調整，得到最合適的秧箱導軌夾角。即秧箱導軌夾角變為80°，推秧角為78°，推秧角與秧苗和秧針夾角的和接近90°。

參考文獻：

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[15]趙勻.機構數值分析與綜合[M].北京：機械工業出版社，2005:2-15.

The Design of High-speed Rice Transplanter New Mechanism

Guo Chenhai1，Chen Liguo1，Ge Jing2，Cao Xiaohui1，Shen Yan2

(1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China; 2.Changzhou Engineering Research Institute of Jiangsu University,Changzhou 213164, China)

Abstract：For the phenomenon of high-speed rice transplanter likely to cause injury when it works in the stage of getting seedling, the new design scheme of double eccentric oval gear planetary with transplanting mechanism system is put forward. Through the design of double eccentric oval gear, establish the system model,get the new type of double eccentric ovate transplanting mechanism with planetary gear of virtual prototype.The virtual prototype model of mechanism is established and simulation analysis is done, the analysis results show that compared with the traditional design scheme, in the new design scheme,the relationship between seedling needle trajectory and the seedling door position was optimized. When taking seedling, seedling needle trajectory and seedling plate are almost vertical, which ensures the quality of the seedlings; when the seedling box guide angle turns to 80 °,seedling angle to 78 °,the sum of seedling pushing angle and seedling or seedling needle angle closes to 90 degrees, seedlings orthostatic is optimized after the planting, and agronomic requirements is meeted .

Key words：high-speed rice transplanter;orthostatic;double eccentric oval gear;seedling box guide angle

中圖分類號：S223. 91

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0113-04

作者簡介：陳麗果(1989-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)clg117@126.com。通訊作者：郭晨海(1959-)，男，江蘇鹽城人，副教授，碩士生導師，(E-mail)jsdxgh@163.com。

基金項目：江蘇高校優勢學科建設工程項目(PAPD)

收稿日期：2015-09-01