水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：分插機(jī)構(gòu)是水稻插秧機(jī)最關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)之一，其性能直接影響插秧質(zhì)量。目前國內(nèi)企業(yè)主要依靠田間試驗(yàn)驗(yàn)證分插機(jī)構(gòu)性能，周期長、費(fèi)用高。因此，設(shè)計(jì)出一種插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)，可以對(duì)研制出的分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)性能參數(shù)測試，以分析其質(zhì)量好壞。所設(shè)計(jì)的分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)，通過皮帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等將電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)與前進(jìn)，利用傳感器、高速攝像機(jī)采集秧針加速度信號(hào)、秧針動(dòng)靜軌跡信號(hào)，通過設(shè)計(jì)編程將圖形顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，以確定分插機(jī)構(gòu)的性能。

關(guān)鍵詞：分插機(jī)構(gòu)；性能檢測；試驗(yàn)臺(tái)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) S225.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）13-155-03

分插機(jī)構(gòu)是水稻插秧機(jī)最關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)之一，其性能直接影響插秧質(zhì)量[1]，其性能的好壞直接決定了水稻插秧機(jī)的工作可靠性，因此分插機(jī)構(gòu)一直以來都是國內(nèi)外水稻插秧機(jī)研究人員研究的熱點(diǎn)之一[2]。因此，設(shè)計(jì)出一種水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)，可以對(duì)研制出的分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)性能參數(shù)測試，以分析其質(zhì)量好壞，對(duì)提高插秧機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用。

現(xiàn)在國內(nèi)急需采用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論進(jìn)行高速分插機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)研究的開發(fā)工作，以避免我國插秧機(jī)市場被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷[3]。一些大學(xué)在這方面已經(jīng)進(jìn)行了研究工作，在理論上已設(shè)計(jì)完成各種高速分插機(jī)構(gòu)，但目前高速插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)秧針軌跡分析復(fù)雜、要求精度高。完全等待整機(jī)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，其周期長、費(fèi)用高，需采用快速準(zhǔn)確的試驗(yàn)手段加速研究進(jìn)程。

國內(nèi)插秧機(jī)生產(chǎn)企業(yè)基本沒有使用插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)來檢測分插機(jī)構(gòu)的工作性能，而是主要靠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸來保證分插機(jī)構(gòu)質(zhì)量[4]。由于存在設(shè)計(jì)誤差，特別是制造誤差，出產(chǎn)的產(chǎn)品不符合實(shí)際工作要求，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性差。許多企業(yè)依賴插秧機(jī)田間試驗(yàn)來不斷完善機(jī)具，其周期較長，費(fèi)用也較高。

目前國外插秧機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行分插機(jī)構(gòu)的研究和開發(fā)中，主要采用機(jī)械動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡檢測[4]。由于其試驗(yàn)臺(tái)的通用性較強(qiáng)，對(duì)分插機(jī)構(gòu)沒有較高的針對(duì)性，不僅降低了測試分插機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速和秧針運(yùn)動(dòng)軌跡的方便性，也大大減小了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且無法快速測試不同形式分插機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和秧針的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu) 插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)主要由電機(jī)，鏈輪鏈條傳動(dòng)副，防干涉擋板，皮帶輪傳動(dòng)副，支撐架，試驗(yàn)臺(tái)機(jī)體，高速攝像機(jī)等組成，如圖1所示。通過皮帶輪傳動(dòng)副、鏈輪鏈條傳動(dòng)副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而對(duì)秧針加速度信號(hào)，秧針動(dòng)、靜軌跡進(jìn)行采集和分析以確定分插機(jī)構(gòu)的性能。

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圖1 插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)

注：1.試驗(yàn)臺(tái)機(jī)體，2.傳動(dòng)軸二，3.小車，4.放干涉擋板，5.支撐架，6.鏈輪鏈條傳動(dòng)副，7.傳動(dòng)軸一，8.皮帶輪傳動(dòng)副一，9.電機(jī)一，10.高速攝像機(jī)，11.皮帶輪傳動(dòng)副二，12.電機(jī)二。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)工作原理 （1）分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、插苗的穩(wěn)定性，可由秧針加速度圖分析得出，同時(shí)，由加速度圖積分得到的速度圖，可直接反應(yīng)出插秧過程是否滿足農(nóng)藝要求。秧針的動(dòng)、靜軌跡可直接反應(yīng)分插機(jī)構(gòu)分秧、運(yùn)秧、插秧、出土、回程5個(gè)階段的過程，可分析出機(jī)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生干涉。本分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)，通過皮帶輪傳動(dòng)副、鏈輪鏈條傳動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)了分插機(jī)構(gòu)秧針動(dòng)、靜軌跡的產(chǎn)生，可通過高速攝像機(jī)對(duì)動(dòng)、靜軌跡進(jìn)行采集。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，在待測秧針尖端處裝上三軸數(shù)字式加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)了秧針加速度信號(hào)的采集。（2）關(guān)于秧針靜軌跡的采集，僅打開電機(jī)二，動(dòng)力通過皮帶輪傳動(dòng)副二，帶動(dòng)分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，各運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分側(cè)面的高速攝像機(jī)打開，由此，實(shí)現(xiàn)了秧針靜軌跡的采集。（3）關(guān)于秧針動(dòng)軌跡的采集，打開電機(jī)一，動(dòng)力通過皮帶輪傳動(dòng)副一，帶動(dòng)鏈輪鏈條傳動(dòng)副的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪使鏈條向前移動(dòng)，焊合在鏈條上的小車隨著鏈條同步向前移動(dòng)，此時(shí)打開電機(jī)二，分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，打開高速攝像機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)了秧針動(dòng)軌跡的采集。（4）關(guān)于秧針加速度信號(hào)的采集，將三軸數(shù)字式加速度傳感器模塊以一定方式安裝在待測秧針尖端處，同時(shí)，傳感器模塊通過相關(guān)線路與計(jì)算機(jī)連接，分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即有信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。通過Labview語言編程，即可在計(jì)算機(jī)上顯示出圖形。

2 試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵部件選擇與設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)裝置選擇

2.1.1 電動(dòng)機(jī)選擇 采用YL802-2單相異步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩、高效率、高功率因數(shù)等特點(diǎn)，表1為電動(dòng)機(jī)一和電動(dòng)機(jī)二的性能參數(shù)。

表1 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

[名稱＼電動(dòng)機(jī)一＼電動(dòng)機(jī)二＼型號(hào)＼YL802-2＼YL802-2＼功率（kW）＼1.1＼1.1＼額定轉(zhuǎn)速（r/min）＼3 000＼3 000＼額定轉(zhuǎn)矩（N·m）＼1.8＼1.8＼]

2.1.2 變頻器選擇 采用功率為1.1kW的西門子MM440變頻器，表2為變頻器性能參數(shù)。

表2 變頻器性能參數(shù)

[名稱＼變頻器＼型號(hào)＼6SE6440-2UD21-1AA1＼功率（kW）＼1.1＼防護(hù)等級(jí)＼IP20＼環(huán)境溫度（℃）＼-10～+50＼]

2.2 傳動(dòng)裝置選擇

2.2.1 鏈輪鏈條傳動(dòng) 電機(jī)一通過皮帶輪傳動(dòng)副一帶動(dòng)傳動(dòng)軸一運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動(dòng)軸一將動(dòng)力傳遞給鏈輪鏈條傳動(dòng)副的鏈輪，鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏈輪鏈條傳動(dòng)副的鏈條橫向移動(dòng)。鏈輪鏈條傳動(dòng)副的鏈條通過焊接方式與小車裝配在一起，實(shí)現(xiàn)小車的橫向移動(dòng)。分插機(jī)構(gòu)的鏈箱連接在支撐架上。

2.2.2 皮帶輪傳動(dòng) 本試驗(yàn)臺(tái)采用了兩組皮帶輪傳動(dòng)副，第一組皮帶輪傳動(dòng)副將電機(jī)一的動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸一，傳動(dòng)軸一將動(dòng)力傳遞給鏈輪鏈條傳動(dòng)副的鏈輪，鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏈輪鏈條傳動(dòng)副的鏈條橫向移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)秧針動(dòng)軌跡的產(chǎn)生。第二組皮帶輪傳動(dòng)副將電機(jī)二的動(dòng)力傳遞給分插機(jī)構(gòu)鏈箱的傳動(dòng)軸，鏈箱的傳動(dòng)軸帶動(dòng)分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)秧針靜軌跡的產(chǎn)生。

2.2.3 支撐架 支撐架用于支撐鏈箱，它通過螺栓與分插機(jī)構(gòu)的鏈箱連接在一起，并由小車支撐，小車與鏈條焊合。

2.3 信號(hào)采集裝置選擇與設(shè)計(jì)

2.3.1 傳感器選擇 經(jīng)比較選擇，本試驗(yàn)臺(tái)所用三軸加速度傳感器為MPU-3000。該數(shù)字式傳感器模塊規(guī)格?。?6mm×18mm），精度高，檢測范圍廣（0～250m/s2），價(jià)格適中，與計(jì)算機(jī)連接方便。

2.3.2 傳感器安裝 關(guān)于傳感器模塊的安裝，此處設(shè)計(jì)了一個(gè)方案。即傳感器模塊黏在一個(gè)特制插板上，該插板可與秧針固定，同時(shí)在插板外加一擋環(huán)，起固定作用如圖2、圖3所示。試驗(yàn)進(jìn)行前，在插板、擋環(huán)的縫隙處滴入強(qiáng)力膠水，加強(qiáng)黏性，防止分插機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將傳感器模塊甩出。

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圖2 傳感器安裝示意

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圖3 傳感器安裝位置局部放大

2.3.3 傳感器信號(hào)采集 三軸加速度傳感器MPU-3000，為數(shù)字式加速度傳感器，為IIC數(shù)字接口，由于IIC接口無法與計(jì)算機(jī)直接相連，需使用配套主控板實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)接與配置和讀取模塊數(shù)據(jù)的功能。其中，主控板自帶USB接口，所以可直接使用USB連接線將傳感器模塊與計(jì)算機(jī)相連接。以上元器件的價(jià)格適中。

2.3.4 高速攝像機(jī)選擇 本試驗(yàn)臺(tái)的高速攝像機(jī)采用德國映美精工業(yè)CCD單色攝像機(jī)，其最高頻率為60fps。此高速攝像機(jī)精度較高，拍攝速度較快。

2.3.5 高速攝像機(jī)安裝 高速攝像機(jī)固定在支座上，兩者安放在試驗(yàn)臺(tái)側(cè)面，鏡頭與分插機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸在同一條直線上。

2.3.6 高速攝像機(jī)信號(hào)采集 由于高速攝像機(jī)有USB接線口，因此可使用USB連接線，將高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連。

3 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)涉及到機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，特別采用了鏈輪鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以產(chǎn)生分插機(jī)構(gòu)的秧針運(yùn)動(dòng)軌跡。試驗(yàn)臺(tái)通過電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，由皮帶輪傳動(dòng)副、鏈輪鏈條傳動(dòng)副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)和向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)秧針加速度信號(hào)和秧針動(dòng)、靜軌跡的采集和分析，以確定分插機(jī)構(gòu)的性能。其中秧針加速度信號(hào)由三軸數(shù)字式加速度傳感器采集得到，秧針動(dòng)、靜軌跡由高速攝像機(jī)采集得到。

設(shè)計(jì)的插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺(tái)，彌補(bǔ)了已有技術(shù)的不足，但由于使用了高速攝像機(jī)進(jìn)行秧針動(dòng)靜軌跡的采集，使試驗(yàn)臺(tái)成本較高，需進(jìn)一步尋找方法精確但價(jià)格更低廉的軌跡采集方式，在不影響試驗(yàn)臺(tái)檢測效果的前提下減少成本。

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