后插式分插機構(gòu)的研究進展與機構(gòu)創(chuàng)新

陳善峰 胡立強 俞高紅 楊自棟

摘要：介紹了后插式分插機構(gòu)——后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)的研究現(xiàn)狀，研制了兩種新型的后插式分插機構(gòu)——橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)和偏置橢圓齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)，編寫了理論模擬程序，并對分插機構(gòu)性能進行了分析比較，結(jié)果表明新設(shè)計的分插機構(gòu)比后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：分插機構(gòu)；后插式；曲柄搖桿式；旋轉(zhuǎn)式

中圖分類號：Ｓ２２３．９１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）16－3607-04

Research Advance and Innovation Design on Rearward Transplanting Mechanism

ＣＨＥＮ Ｓｈａｎ－ｆｅｎｇ１，ＨＵ Ｌｉ－ｑｉａｎｇ２，ＹＵ Ｇａｏ－ｈｏｎｇ３，ＹＡＮＧ Ｚｉ－ｄｏｎｇ１

（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｉｂｏ ２５５０９１， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｙｕｈａｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１1100， Ｃｈｉｎａ；

３． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｓｃｉ－Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｄｖａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｒｗａｒｄ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｎａｍｅｌｙ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｃｒａｎｋ－ｒｏｃｋｅｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｗｏ ｎｅｗ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｒｅａｒｗａｒｄ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｏｖａｌ ｔｏｏｔｈｅｄ－ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｔｏｏｔｈｅｄ ｒｅａｒｗａｒｄ ｒｏｔａｒｙ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｏｆｆｓｅｔ ｏｖａｌ ｔｏｏｔｈｅｄ ｒｅａｒｗａｒｄ ｒｏｔａｒｙ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅｏｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐｉｌｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｗｅｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｃｒａｎｋ－ｒｏｃｋｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； ｒｅａｒｗａｒｄ－ｐｌａｎｔｉｎｇ； ｃｒａｎｋ－ｒｏｃｋｅｒ； ｒｏｔａｒｙ

分插機構(gòu)是水稻插秧機從秧群中分取一定數(shù)量的秧苗并插入土中的機構(gòu)，是水稻插秧機的核心工作部件，其性能的優(yōu)劣直接決定了機械插秧的質(zhì)量和效率，從而決定插秧機的整體水平和競爭力［１］。因此，分插機構(gòu)一直以來都是插秧機研究的重點內(nèi)容之一。目前在高速乘坐式插秧機上，都已經(jīng)用旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)代替了曲柄搖桿式分插機構(gòu)，單位時間插秧次數(shù)達到４００～５００次／ｍｉｎ，運轉(zhuǎn)時振動小，工作穩(wěn)定性好。但在步行式插秧機上仍然使用曲柄搖桿式分插機構(gòu)，該機構(gòu)工作時振動大，穩(wěn)定性較差。由于前插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)沒法直接形成“海豚形”插秧靜軌跡，因此，研制出適用于步行插秧機的后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)顯得尤為重要。本文介紹后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)的研究現(xiàn)狀，以及兩種新型的后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)。

１后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)

根據(jù)分插機構(gòu)、秧箱和人三者在插秧機上的排列方式不同，分插機構(gòu)分為前插式與后插式。若分插機構(gòu)、秧箱與人三者從后向前排列，則稱為前插式，反之則為后插式。對于前插式分插機構(gòu)，要求秧針尖點相對運動軌跡（俗稱靜軌跡）為“腰子形”，其絕對運動軌跡（俗稱動軌跡）近似于擺線，如圖１Ａ所示，其靜軌跡插秧穴口寬度Ｓ必須在３０ ｍｍ以下，秧苗可以保持較好的直立度；而后插式分插機構(gòu)要求靜軌跡形狀上寬下尖，為“海豚形”，如圖１Ｂ所示，其靜軌跡插秧穴口寬度Ｓ必須小于１５ ｍｍ，秧苗可保持較好的直立度。印度的Ｔｈｏｍｓ［２］用Ｇｒａｓｈｏｆ準則對后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)進行了分析綜合，利用可視化分析方法確定機構(gòu)參數(shù)，研制出了后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)（圖２）；陳德俊［３］、龔永堅等［４］利用秧針尖點運動軌跡上的６個特定點對該機構(gòu)運動學(xué)性能作了理論分析與計算機模擬，利用高速攝像對機構(gòu)運動學(xué)分析進行了驗證；劉天祥等［５］利用ＭＡＬＡＢ軟件對機構(gòu)的運動進行了數(shù)值分析和模擬。理論研究雖然在一定程度上改善了該分插機構(gòu)的性能，但不能徹底克服傷秧、取秧不勻、栽插不穩(wěn)的缺陷，更無法進一步提高單位時間插秧次數(shù)。

１．１工作原理

圖３為后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，曲柄為主動件，工作時繞Ｏ１點轉(zhuǎn)動，帶動搖桿繞Ｏ２點做小幅擺動，使得栽植臂上的秧針尖點Ｃ按要求的姿態(tài)運動，通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)就可以找到滿足插秧要求的工作軌跡、取秧角和插秧角。

１．２秧針軌跡的理論模擬

利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ語言編寫了后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)秧針軌跡的理論模擬程序和模擬得到的秧針軌跡（圖4）。

利用該程序還可以方便地分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對秧針軌跡及秧針速度的影響，為進一步優(yōu)化參數(shù)和改型機構(gòu)提供了理論依據(jù)。

２橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)

２０世紀８０年代，日本農(nóng)業(yè)機械化研究所研制出了旋轉(zhuǎn)行星齒輪式分插機構(gòu)，它由驅(qū)動部分和栽植臂兩部分組成，齒輪箱內(nèi)的齒輪采用偏心齒輪或橢圓齒輪，其插秧頻率可達４００～６００次／ｍｉｎ，主要應(yīng)用在高速插秧機上［６］。由于現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)受結(jié)構(gòu)限制，僅靠改變參數(shù)不可能形成后插式分插機構(gòu)所需的“海豚形”靜軌跡，若直接用于后插式插秧機，其動軌跡穴口將大于７０ ｍｍ，會產(chǎn)生嚴重的漂秧、倒秧。而研究設(shè)計的兩種新型旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)就能完全滿足后插式分插機構(gòu)所需的姿態(tài)要求。

２．１工作原理

橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖５所示，它由２個全等圓齒輪３、４和２個全等橢圓齒輪１、２組成，２個橢圓齒輪都是以焦點為回轉(zhuǎn)中心，中間橢圓齒輪和中間圓齒輪通過鍵固接于中間軸上，工作時中心橢圓齒輪固定不動，行星架（齒輪箱）在中心軸的帶動下，繞著回轉(zhuǎn)中心Ｏ１轉(zhuǎn)動，由于橢圓齒輪１、２的嚙合，引起傳動比的非線性變化，從而引起行星圓齒輪相對于行星架做非勻速轉(zhuǎn)動［７］。通過定位板固結(jié)于行星軸上的栽植臂一方面隨著行星架做圓周運動，另一方面與行星圓齒輪一起相對于行星架做非勻速轉(zhuǎn)動，通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)就能使栽植臂上的秧針尖點Ｃ實現(xiàn)后插式分插機構(gòu)所需的“海豚形”靜軌跡。

２．２秧針軌跡的理論模擬

利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ語言編寫了橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)秧針軌跡的理論模擬程序，模擬得到秧針軌跡［８］如圖６所示。利用該程序分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對秧針軌跡及秧針速度的影響，結(jié)合專家經(jīng)驗就能優(yōu)化出性能優(yōu)良的參數(shù)組合。利用優(yōu)化得到的參數(shù)制成的成品實物如圖７Ａ所示。

３偏置橢圓齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)

橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)首次實現(xiàn)了將旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)應(yīng)用于步行即后插式插秧機上，克服了曲柄搖桿式分插機構(gòu)振動大、栽插不穩(wěn)等缺陷，能夠進一步提高單位時間插秧次數(shù)。為了進一步減小外形體積，偏置橢圓齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)采用一個橢圓齒輪代替橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)中的兩個圓齒輪，首次偏置使用了橢圓齒輪的初始位置，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了質(zhì)量，提高了性能。

３．１工作原理

偏置橢圓齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)如圖８所示，它由３個全等橢圓齒輪組成，其長軸不在同一條直線上，其回轉(zhuǎn)中心均在橢圓齒輪的焦點上，中心橢圓齒輪和中間橢圓齒輪的初始相位相同，中間橢圓齒輪和行星橢圓齒輪的回轉(zhuǎn)中心在連線Ａ１Ｂ１上，工作時中心橢圓齒輪固定不動，行星架在中心軸的帶動下繞中心橢圓齒輪的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，行星橢圓齒輪做往復(fù)擺動。栽植臂一方面隨行星架做圓周運動，另一方面隨著行星橢圓齒輪相對行星架做不等速轉(zhuǎn)動，秧爪按要求的姿態(tài)（角位移和軌跡）做往復(fù)運動，通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)就可以找到滿足插秧要求的工作軌跡、取秧角和插秧角。

３．２秧針軌跡的理論模擬

圖９是利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ語言編寫的偏置橢圓齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)秧針軌跡的理論模擬程序得到的秧針軌跡，利用該程序分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)后得知：橢圓齒輪長半軸ａ、橢圓齒輪短長軸比Ｋ、秧針尖點到行星橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)中心的距離Ｓ、δ０（圖８）的變化影響秧針軌跡的高度；ａ、Ｋ、Ｄ點與Ｂ１點連線同ｘ正半軸的夾角α０、φ０（圖８）的變化影響秧針軌跡的寬度；α０、φ０的變化影響秧針軌跡的走向（即軌跡傾斜度）；ａ、α０、φ０的變化影響取秧角、推秧角及兩者的差值。在此分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化出了一組性能優(yōu)良的參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)制成的分插機構(gòu)實物如圖７Ｂ所示。

４分插機構(gòu)性能的比較分析

理想的后插式分插機構(gòu)的要求：秧針的靜軌跡近似“海豚形”，插秧穴口寬度要小于１５ ｍｍ；秧針水平及豎直方向的速度越小越好，特別是取秧時，秧針水平及豎直方向的速度越小，傷秧率就越低；秧針加速度越小，振動就小，慣性力就越小。以后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)與橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)為例，用編寫的理論模擬程序?qū)σ陨希硞€方面進行分析比較。

４．１秧針靜軌跡與穴口寬度

由圖１０可知，新設(shè)計的橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)的秧針軌跡呈“海豚形”，滿足后插式分插機構(gòu)秧針的軌跡要求。后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)的秧針靜軌跡的穴口寬度為１０．３ ｍｍ，橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)的穴口長度較窄，僅為６．４ ｍｍ，因此其所插秧的直立度比曲柄搖桿式更好，不易漂秧與倒秧。

４．２秧針速度與傷秧率

對于分插機構(gòu)，秧針速度越低，傷秧率就越低，秧針速度是衡量分插機構(gòu)性能優(yōu)劣的重要指標。由圖１１、圖１２可知，橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)的速度無論在ｘ方向還是ｙ方向都比后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)的速度小，特別是取秧時，后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)在機構(gòu)轉(zhuǎn)角為１６２°時取秧，此時ｘ方向速度為０．５ ｍ／ｓ，ｙ方向速度為－２．０ ｍ／ｓ，而橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)在機構(gòu)轉(zhuǎn)角為３５°時取秧，此時ｘ與ｙ方向的速度分別為０．０５和

－１．７０ ｍ／ｓ，比曲柄搖桿式小，由此可知，新設(shè)計的橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)的傷秧率遠低于后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)。

４．３秧針加速度與振動性

秧針加速度的大小是反映分插機構(gòu)工作時秧針振動強弱的指標。如果振動過大，有可能導(dǎo)致秧苗栽插不穩(wěn)甚至倒伏。由圖１３、圖１４可知，后插曲柄搖桿式加速度最大值：ｘ方向為６０ ｍ／ｓ２，ｙ方向為１１０ ｍ／ｓ２；橢圓齒－圓柱齒式加速度最大值：ｘ方向為３３ ｍ／ｓ２，ｙ方向為６３ ｍ／ｓ２；由于新型的橢圓齒－圓柱齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)式，相比曲柄搖桿往復(fù)式，加速度銳減，減振效果非常明顯。

５結(jié)論

１）橢圓齒－圓柱齒、偏置橢圓齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)完全能滿足后插式插秧機的工作要求。

２）橢圓齒－圓柱齒、偏置橢圓齒后插旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)性能比后插曲柄搖桿式分插機構(gòu)性能優(yōu)良：穴口寬度更窄，易保持秧苗的直立度；秧針速度更低，傷秧率也更低；秧針加速度更小，振動減少，秧苗不倒伏。

３）旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)是步行即后插式分插機構(gòu)今后發(fā)展的主要方向。

參考文獻：

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