橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

李永波 張劍鋒 張瑞宏 繆 宏 于 虹 奚小波

0 引言

水稻插秧機(jī)是由多個(gè)部件組成的機(jī)械系統(tǒng)，而分插機(jī)構(gòu)是組成該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它是插秧機(jī)插秧動(dòng)作的主要執(zhí)行部件，其性能優(yōu)劣對(duì)插秧機(jī)的可靠性、插秧效率以及插秧質(zhì)量的影響很大。因此，一直以來分插機(jī)構(gòu)都是插秧機(jī)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。開發(fā)一種使用后插式分插機(jī)構(gòu)的步行式水稻插秧機(jī)將顯著提升栽插性能和插秧效率，大幅地降低作業(yè)成本，對(duì)發(fā)展水稻種植機(jī)械化有重要意義。

1 橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)的工作原理

橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由三個(gè)全等的橢圓齒輪組成，且皆以橢圓齒輪中的兩個(gè)焦點(diǎn)中的一個(gè)作為轉(zhuǎn)軸。安裝時(shí)，應(yīng)確保齒輪1和齒輪2在相同的初始相位，中心齒輪1固定在機(jī)架上，齒輪2、齒輪3鉸接在行星架的相應(yīng)位置上，并通過鍵將栽植臂4與齒輪3連接在一起。工作時(shí)，中心齒輪1先轉(zhuǎn)動(dòng)，接著由它帶動(dòng)齒輪2、齒輪3各自轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)行星架繞中心齒輪1的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于該機(jī)構(gòu)是以橢圓齒輪作為傳動(dòng)元件，傳動(dòng)比是不定的，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)中各齒輪將作不等速轉(zhuǎn)動(dòng)。最終在齒輪2、齒輪3的共同作用下栽植臂4將按要求姿態(tài)(軌跡和角位移)往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后得到插秧要求的取秧角、推秧角和工作軌跡。

1.2 橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)主軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期完成一次插秧，適用于步行式插秧機(jī)，與現(xiàn)有機(jī)構(gòu)相比，有以下特點(diǎn)：

（1）傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,僅由三個(gè)橢圓齒輪構(gòu)成,結(jié)構(gòu)小巧、緊湊。

圖1 橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插結(jié)構(gòu)示意圖

（2）在傳動(dòng)中齒隙變化幅度小，傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)均勻性較好，動(dòng)載荷較小，有效地減少了沖擊和振動(dòng)。

（3）在結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新，能有效避免分秧不均、傷秧及栽插不穩(wěn)等缺陷，提高工作效率。

2 分插機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是為了研究其振動(dòng)的周期性變化規(guī)律以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)作用力的影響，使得該分插機(jī)構(gòu)在滿足插秧軌跡及姿態(tài)的前提下，具有良好的動(dòng)力學(xué)特性及可靠性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量插秧，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

分插機(jī)構(gòu)工作過程與行星架轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖 2所示。

圖2 分插機(jī)構(gòu)工作過程與行星架轉(zhuǎn)角關(guān)系

2.1 取秧過程

秧針先運(yùn)動(dòng)至毯狀秧上方，接著插入土壤取下秧苗，隨著秧針進(jìn)入土壤深度的增大受到的作用力也逐漸增大，而撥叉對(duì)凸輪的阻力矩始終保持不變，直到送秧過程完成。

2.2 送秧過程

送秧過程中秧爪持有秧苗，由于秧苗質(zhì)量較小，故忽略不計(jì)，所以送秧和空行程的動(dòng)力學(xué)工況可視為基本一致。撥叉和栽植臂之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可與栽植臂看作一體。撥叉會(huì)對(duì)凸輪產(chǎn)生正壓力，該正壓力會(huì)產(chǎn)生摩擦力，而摩擦力會(huì)形成阻力矩作用在凸輪上，由于凸輪固定在行星架上，故阻力矩將傳遞給行星架。

2.3 插秧過程

根據(jù)插秧過程中受力工況的不同，可將其分解成推秧與碰撞兩個(gè)過程。

（1）推秧過程。當(dāng)撥叉轉(zhuǎn)動(dòng)至凸輪凹陷處時(shí)，撥叉滑離凸輪，受推秧彈簧的作用，加速旋轉(zhuǎn)推動(dòng)推秧?xiàng)U，進(jìn)而作用于秧苗，將其推出，此時(shí)，撥叉和栽植臂之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需對(duì)撥叉、推秧?xiàng)U和栽植臂進(jìn)行單獨(dú)分析。

（2）碰撞過程。推秧?xiàng)U推送出秧苗的瞬間，會(huì)碰撞位于栽植臂底部的膠墊，產(chǎn)生較大沖擊力。該力作用在栽植臂上，將產(chǎn)生振動(dòng)。

2.4 空運(yùn)行過程

此時(shí)撥叉與凸輪接觸，在凸輪推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮彈簧，撥叉作用在凸輪上的力形成阻力矩，當(dāng)撥叉上升至最高處時(shí)，便進(jìn)入凸輪等圓弧曲線段，阻力矩保持不變。

3 結(jié)論

通過對(duì)橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析可以看出，與現(xiàn)有的分插機(jī)構(gòu)相比，橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，動(dòng)載荷較小，工作更加穩(wěn)定。

[1]馮麗敏,趙風(fēng)芹,劉志俠.分插機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化與電氣,2003.

[2]李革,趙勻,俞高紅.橢圓齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)的機(jī)理分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2000.

[3]陳建能,趙勻,俞高紅 等.橢圓齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)推秧裝置的動(dòng)力學(xué)模型的建立及驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003.

[4]陳建能,趙勻.高速插秧機(jī)橢圓齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2003.