小型水稻插秧機設計與試驗研究

李海連, 羅春陽, 王明旭, 薩義德

(北華大學 機械工程學院,吉林 吉林 132021)

0 引言

水稻是我國主要糧食作物之一,種植面積近3億hm2,占全國糧食產量35.19%[1-2]。但水稻種植的機械化水平僅為26%,遠遠低于國家計劃45% 的目標[3-4]。目前,我國山地和丘陵地區仍占據水稻種植的很大比重,山區地帶的水稻種植多為梯田,丘陵地區則多為分片種植,嚴重制約了大型農用機械的使用[5]。據調查,目前國內市場上多為大中型機動插秧機,價格昂貴、操作靈活性較差,不適合于個體農戶在山區、丘陵地域使用[6-7]。山地、丘陵地區多采用人工種植的方式,而人工插秧延誤農時,降低產量,致使水稻這一高產作物難以發揮潛力。因此,從實際上解決水稻種植中遇到的瓶頸問題,研發一種適用于丘陵、山區地域的小型人力插秧裝置已成為迫切的需求。

目前,現有的小型插秧裝置主要以人力拖拽、搖動手輪的方式完成插秧動作,由于搖輪力與拖拽力的不協調,極易造成使用者的疲勞。同時,小型插秧機的移箱機構普遍采用了齒條棘爪擒縱機構,磨損快、阻力大,更加加劇了使用者的疲勞感。

本文針對山地及丘陵地區水稻種植中大型插秧機無法作業,小型插秧機操作不靈活、費力的問題,設計了一種依靠人力拖拽的葉輪取能式小型插秧機,為小型插秧機的設計及試驗提供了借鑒和參考。

1 水稻插秧機的工作原理

插秧機的工作原理如圖1所示。工作時,插秧機在田間行走,通過人力拖拽插秧機,取能葉輪通過傳動鏈將動力傳遞給曲柄,曲柄通過連桿帶動插秧爪完成分秧及插秧動作。在一個工作循環中,插秧爪下行至秧箱,完成分秧動作;插秧爪夾持秧苗繼續下行,將秧苗插入秧池土壤中;移箱機構將秧箱橫移一個步距,將秧盤中下一株秧苗移至分秧工位;插秧爪進入回程階段,插秧爪上移返回工作循環的起始位置。

1.移箱機構 2.秧箱 3.插秧爪 4.連桿 5.曲柄 6.秧苗

2 插秧機的結構設計

小型水稻插秧機由分插機構、移箱機構及輔助機構組成,如圖2所示。系統動力由人力拖動插秧機產生,通過取能輪上的葉片插入泥土促使取能葉輪轉動,再通過傳動比為2∶1的鏈輪將動力源傳遞到插秧機構中,從而保證了秧苗株距的一致性。秧苗垂直置于秧箱內,插秧秧爪通過曲柄連桿控制進行大曲率圓弧軌跡的擺動,可精準地從秧箱內完成分秧動作,進而實現插秧動作。為了防止插秧爪從泥土中抬起時帶出秧苗,造成立苗不穩定現象,在插秧爪機構中設置了踢秧裝置。插秧機整機質量為5.5kg,帶拉桿長寬高為927mm×625mm×600mm,插秧頻率250次/min。

2.1 插秧機構設計

插秧機構的作用是從秧盤中分取一定數量的秧苗并插入土中[8],圖3為葉輪取能式雙行插秧機構。

1.限位器 2.插秧針 3.踢秧器 4.齒形帶 5.大帶輪 6.取能葉輪 7.傳動軸 8.搖桿 9.踢秧連桿 10.觸發杠桿 11.橫桿 12.連桿 13.曲柄 14.小帶輪

該插秧機構由安裝在插秧機船板上的葉輪獲取回轉動能,通過取能帶輪、取能皮帶及傳動帶輪,將回轉動能傳遞給曲柄,再通過曲柄連桿機構帶動搖桿實現插秧往復動作。為了控制插秧深度,在插秧搖桿前端設置了限位器,按照“不漂不倒,越淺越好”的農藝生產要求[9],插秧深度可通過調整限位器的高度來實現栽插深度的控制。為了避免由于淤泥的粘黏作用插秧針將插入的秧苗帶出,插秧機構中設置了踢秧裝置,即搖桿帶動插秧裝置向下擺動至最低點時,插秧針已將秧苗插入土壤,此時觸發杠桿遇到船板底部的擋塊而發生轉動,由于杠桿及連桿的作用引起橫桿向下平移,從而使踢秧器相對插秧針向下移動,秧苗從插秧針中脫離并留在土壤中。

2.2 移箱機構設計

移箱機構的作用是實現秧箱的自動進給及換向[10]。秧箱內的秧苗是通過標準的育秧托盤培育出來的, 排列整齊的秧苗平鋪在45°角傾斜的秧箱內。插秧機構需要與移箱機構相配合,實現秧苗的逐行分離栽插[11]。每當完成一次插秧動作,移箱機構需要自動橫移一個步距,將下一個秧苗移至插秧工位,保證插秧的連續性;當一行秧苗被逐個分離插入土壤后,秧盤內的秧苗依靠重力會自動下移,完成補苗動作,此時秧盤需要反向移動,將下一行秧苗逐個分離栽插。因此,移箱機構需要的兩個動作是步進橫移和換向。

移箱機構利用循環鏈及棘輪機構實現了步進控制,利用循環鏈及滑塊機構實現了往復換向動作,結構如圖4所示。其中,U型槽板固定安裝于插秧機骨架上,為裝置的固定支撐件,其上安裝了一對鏈輪及循環鏈,穿過槽板裝有棘輪棘齒機構及拉桿;在U型槽板上通過4個滑輪與槽板配合,安裝了秧箱托架,秧箱托架可在U型槽板內自由滑動;循環鏈上固定了一個圓柱形滑塊,滑塊與秧箱托架上的滑槽相配合。當循環鏈帶動滑塊向左側移動時,由于滑槽的橫移限制,滑塊將帶動秧箱托架向左移動;當滑塊經過一側鏈輪時,滑塊將產生向下(或向上)移動的位移量,此時滑槽將不約束其上下移動,保證滑塊順利移動至另一側的循環,完成了換向的動作;接著,滑塊將帶動秧箱托架向相反方向移動。棘輪棘齒機構及拉桿是用來與插秧動作建立起聯系,實現步進橫移動作。插秧機構完成分秧栽插動作時,會觸發拉桿向下移動,拉桿通過棘齒撥動棘輪轉過一個角度,棘輪與鏈輪1同軸連接,鏈輪1亦轉過相同角度,從而通過循環鏈及滑塊實現秧向一個固定步距的移動。相比較傳統的移箱構而言,本文提出的移箱機構利用了循環鏈及棘輪等簡單機構,工作可靠性高,步進精度滿足需求,使用壽命長,且解決了齒條棘爪擒縱機構的磨損快、阻力大的問題,也解決了往復絲杠造價高及不易維護的問題。

1.秧箱托架 2.棘齒 3.棘輪 4.拉桿 5.循環鏈 6.滑輪 7.滑塊導向槽 8.U型槽板 9.鏈輪2 10.滑塊 11.鏈輪1

3 插秧機仿真分析

3.1 插秧機構運動仿真分析

插秧機構是決定插秧質量和作業效率的關鍵機構,本文所設計的插秧機是人力推拽行進,在行進過程中依靠葉輪獲取回轉動能,并將其傳遞給插秧機構,驅動插秧機構的運動。因此,插秧機構運動過程中所需的扭矩是一個關鍵參數。為了研究所設計機構的合理性,針對插秧機構進行了簡化,利用簡化模型進行了運動仿真分析,簡化模型如圖5所示。

圖5 插秧機構簡化模型

簡化模型是一個四桿機構,連桿1為固定件,連桿4為插秧搖桿,連桿2為動力輸入的曲柄,所有連桿之間均為鉸鏈連接,在連桿2上以鉸鏈1為中心施加一個扭矩,通過連桿3驅動連桿4產生往復擺動。

通過運動仿真中的機構動畫可以看出,所設計的插秧機構動作完全滿足插秧需求。在連桿4上距離鉸鏈4 243.9mm的位置設置質心點,賦予1.68kg質量(質心位置與質量大小為模型中測量),利用軟件生成插秧機構扭矩-時間曲線,如圖6所示。

圖6 插秧機構扭矩-時間曲線

根據仿真分析可知:一個工作循環中,最大的扭矩出現在第7步長,最大值為509N·mm;最小扭矩出現在第21步長,最小值為24.3N·mm。已知動力傳遞中有2∶1增速環節,則增速前輸入的扭矩應增大1倍,即為1 018N·mm。輸入扭矩由葉輪提供,葉輪半徑為150mm,則

τ=F·r

其中,τ為扭矩(N·mm),F為作用力(N),r為力矩半徑(mm)。

由此得葉輪與淤泥之間的作用力F葉=6.8N。插秧機與淤泥的摩擦力為F摩,已知插秧機滿載狀態下移機阻力為26.8N,則有F移=26.8N,則拖拽插秧機所受到的阻力為F=F葉+F移=33.6N。

操作插秧機所需的拖拽力為33.6N,根據國家勞動強度標準,操作本插秧機的施力角度約為操作者體重的20%,操作者按照75kg計算,則符合人機工程的拖拽力為15kg,即為150N,約為實際拖拽力的4.46倍。因此,所設計的插秧機構運動滿足作業需求,葉輪取能機構合理,移機載荷適合人力操作。

3.2 插秧機關建零件有限元仿真分析

插秧針是插秧機中保證插秧質量的一個關鍵零件,承擔著秧苗分離及栽插任務[12]。分離秧苗時存在與植質秧盤的摩擦,易導致秧針磨損[13];栽插秧苗時存在與土壤短暫拖行的情況,易造成秧針的彎曲變形。為了解決這些問題,針對插秧針進行了優化設計,插秧針整體為U形,材料選取合金彈簧鋼,秧苗拾取部分削平形成刃口,以便于秧苗分離及減少秧針磨損。

為了驗證插秧針結構設計及選材的合理性,進行了有限元靜力學仿真分析,插秧針材料的力學性能如表1所示。

表1 插秧針材料力學性能[14]

插秧針工作中分別受到兩個力作用:一是秧苗分離過程中受到的垂直于秧針方向的撕扯力;另一個是秧苗栽插過程中由于插秧機持續行進,土壤對秧針的反作用力。這兩個力先后作用于插秧針,且作用方向相同,因此只需考慮最大作用力即可。插秧針通過螺釘壓板固定在安裝座上,將安裝座設置為固定約束,插秧針與安裝座設置為接觸粘合,在插秧針的秧苗拾取部分施加10N(實驗測得9.6N)的垂直作用力,仿真結果如圖7所示。

(a) 插秧針應變分布圖 (b) 插秧針應力分布圖

插秧針受到功能約束及空間尺寸的限制,針體直徑較小,且由于結構上為懸臂布置,因此插秧針出現了彎曲變形,如圖7(a)所示。其最大變形量為0.142mm,變形量微小,不會影響插秧精度,也不會導致機構干涉,可認為該插秧針剛度參數合格。在安裝座的根部出現了較大的應力集中,如圖7(b)所示。該處應力值為51.45MPa,按照規定彎曲狀態屈服強度校核為靜態計算應力乘以1.5倍動荷系數,再乘以2倍安全系數得出的值為154.35MPa,該值應小于材料的屈服強度[15]。插秧針所用材料為60Si2Mn,其屈服強度值為1 176MPa,遠大于受到的應力,因此插秧針在工作條件下強度合格。

4 試驗測試

設計加工了插秧機的樣機,未安裝秧箱及船板,如圖8所示。

圖8 插秧機實物圖

利用樣機配合使用測力計及游標卡尺進行了移箱力、移箱精度及葉輪取能力的試驗測試。測試過程如下:

1)將測力計鉤掛到鏈式往復循環機構的拉桿上,拉動測力計,觸發循環機構動作,同時讀取最大拉力值;

2)手動拉動鏈式往復循環機構的拉桿,觸發循環機構動作,利用卡尺測量橫移機構步進距離;

3)將測力計鉤掛到取能葉輪的最高點,水平拉動測力計,驅動葉輪旋轉,從而帶動插秧機構完成完整的分秧、插秧動作,讀取并記錄最大拉力值。

測試結果如表2所示。

表2 插秧機樣機試驗數據表

通過樣機的測試過程可以看出:鏈式往復循環機構及葉輪取能插秧機構完全實現了預期設計的功能要求,機構動作流暢,無干涉現象,亦無載荷突變情況。由樣機的測試數據可以看出:移箱力平均值僅為3.4N,較比齒條棘爪式的移箱力(約9N)大大降低;移箱機構由于磨損小,精度保持性更高了,移箱最大誤差僅為4.5% ;葉輪取能負載為7.2N,理論計算值為6.8N,試驗測的數值與理論計算數值的偏差僅為5.6%,可認為運動仿真、理論計算與試驗數據相符,測試結果真實可靠。

5 結論

1)在分析了水稻插秧機的研究現狀基礎上,針對丘陵地區插秧問題,提出了一種小型人力插秧機,重點針對移箱往復循環機構及插秧機構進行了優化設計。采用鏈與滑塊相結合的機構替代了原有的齒條棘爪式循環機構,利用拖拽插秧機時取能葉輪的被動旋轉來驅動插秧機構完成插秧動作。

2)利用Siemens NX軟件建立插秧機模型,針對插秧機構進行了運動仿真分析,并針對插秧針進行了有限元靜力學仿真分析,以仿真分析結果為依據對模型進行了優化設計。進行了物理樣機的試驗測試,結果表明:插秧機移箱負載大大降低,移箱精度穩定性高,葉輪取能負載小,測試數據與仿真分析相吻合,完全符合插秧機結構改進的初衷,證明了改進方案的合理性。