高速插秧機(jī)稀植分插機(jī)構(gòu)仿真分析與試驗(yàn)

饒師任，尹建軍，陳樹人

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

高速插秧機(jī)稀植分插機(jī)構(gòu)仿真分析與試驗(yàn)

饒師任，尹建軍，陳樹人

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對超級稻大株距稀植要求，提出一種基于雙轉(zhuǎn)臂式差動(dòng)橢圓齒輪系稀植分插機(jī)構(gòu)，適合栽插株距從200～280mm、秧苗高度小于350mm的毯狀秧苗。使用SolidWorks對提出的稀植分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，檢驗(yàn)其裝配關(guān)系和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。基于ADAMS軟件對該分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出該分插機(jī)構(gòu)的秧針尖點(diǎn)軌跡、速度、加速度，以及齒輪箱各級橢圓齒輪嚙合力和中心輪軸力矩曲線?；趫D像處理對提出的稀植分插機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)測定試驗(yàn)，結(jié)果表明：所得的測試結(jié)果與Adams仿真所得結(jié)果一致。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備及插秧試驗(yàn)臺架對上述空載試驗(yàn)分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行插秧試驗(yàn)，得出取秧率為100%，插秧直立度接近90°。

水稻；分插機(jī)構(gòu)；橢圓齒輪；ADAMS

0 引言

插秧機(jī)的核心工作部件是分插機(jī)構(gòu) ,該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)從秧群中分取一定數(shù)量的秧苗并插入土中,其性能直接決定了機(jī)械插秧的質(zhì)量和效率[1-3]。

旋轉(zhuǎn)式機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)過程中受到的慣性力比較小，以及齒輪盒在1個(gè)周期旋轉(zhuǎn)過程中能夠進(jìn)行多次插秧等優(yōu)點(diǎn)，逐漸代替了原有的曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)[4]?，F(xiàn)用于旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)上傳動(dòng)形式主要有橢圓齒輪、偏心齒輪及偏心變位齒輪等[5-6]。目前，國內(nèi)外對分插機(jī)構(gòu)的研究主要集中在秧苗栽植間距不大的情況下，未發(fā)現(xiàn)針對大株距稀植要求的分插機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究。

本文針對超級稻大株距稀植要求，提出一種基于雙轉(zhuǎn)臂式差動(dòng)橢圓齒輪系的稀植分插機(jī)構(gòu)，適合栽插株距從200～280mm、秧苗高度小于350mm的毯狀秧苗，利用單向軸承消除齒輪箱側(cè)隙造成的栽植臂晃動(dòng)。試驗(yàn)表明：該措施提高了分插機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的準(zhǔn)確性。

1 雙轉(zhuǎn)臂分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

雙轉(zhuǎn)臂式差動(dòng)稀植分插機(jī)構(gòu)主要包括旋轉(zhuǎn)齒輪盒和栽植臂,如圖1所示。其中，旋轉(zhuǎn)齒輪盒由7個(gè)全等橢圓齒輪及殼體組成，栽植臂組件主要由栽植臂殼體、推秧機(jī)構(gòu)及秧爪等組成。

1.中心輪 2.齒輪盒 3.第一中間惰輪 4.第二中間憜輪 5.行星輪 6.推秧凸輪 7.撥叉 8.推秧彈簧 9.栽植臂 10.推秧?xiàng)U 11.秧爪 12.秧爪靜軌跡圖1 雙轉(zhuǎn)臂式差動(dòng)稀植分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure and composition of two-arm type of separating-transplanting mechanism with differential elliptic gear train

1.2 工作原理

分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，旋轉(zhuǎn)齒輪盒隨著中心主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，栽植臂上的凸輪機(jī)構(gòu)同樣通過螺釘與旋轉(zhuǎn)齒輪盒固結(jié)為一整體，且在安裝過程中保證栽植臂的運(yùn)轉(zhuǎn)方向朝向秧箱。旋轉(zhuǎn)齒輪盒內(nèi)的中心橢圓齒輪在中心主軸作用下，以2倍的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，且方向與旋轉(zhuǎn)齒輪盒轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。第1憜輪軸上的橢圓齒輪在中心橢圓齒輪的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪盒轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，同時(shí)隨著齒輪盒軸向進(jìn)行公轉(zhuǎn)。同理，第2惰輪軸上的橢圓齒輪在第1惰輪軸上的橢圓齒輪作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪盒轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，同時(shí)隨著齒輪盒軸向進(jìn)行公轉(zhuǎn)。最后，行星橢圓齒輪在第2惰輪軸上的橢圓齒輪的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與齒輪盒轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，同時(shí)隨著齒輪盒軸向進(jìn)行公轉(zhuǎn)。即分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是：旋轉(zhuǎn)齒輪盒旋轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)1周，則栽植臂與其同步旋轉(zhuǎn)，且相對方向相反自轉(zhuǎn)1周，那么安裝在栽植臂上的秧爪在栽植臂的復(fù)合運(yùn)動(dòng)下，運(yùn)動(dòng)軌跡呈縱長末端“腰型”循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

由于雙轉(zhuǎn)臂差動(dòng)稀植分插機(jī)構(gòu)正反兩側(cè)齒輪系對稱布置，為方便分析，只對正向側(cè)齒輪進(jìn)行分析，其相關(guān)參數(shù)說明如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)說明

圖2為轉(zhuǎn)過一角度的輪系簡圖。

圖2 行星架轉(zhuǎn)過一定角度后的輪系示意圖Fig.2 The gear train diagram after planet carrier turned a certain Angle

2．1 運(yùn)動(dòng)方程

1)相對運(yùn)動(dòng)位移方程。設(shè)行星架角位移φ1=φH+φ0，得到行星輪軸心O4的相對運(yùn)動(dòng)位移方程為

(1)

栽植臂秧爪尖D點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)位移方程為

(2)

2)絕對運(yùn)動(dòng)位移方程。由于齒輪盒上左右兩端各安裝有1個(gè)栽植臂，因此當(dāng)其旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，分插機(jī)構(gòu)前后栽植臂各進(jìn)行1次插秧過程，整體前進(jìn)兩個(gè)株距距離。所以，得到行星輪軸心O4的絕對運(yùn)動(dòng)位移方程為

(3)

根據(jù)公式(3)，得栽植臂秧爪尖D點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)位移方程為

(4)

2.2 速度和加速度方程

根據(jù)式(3)與式(4)所得行星輪中心點(diǎn)和秧爪尖點(diǎn)位移運(yùn)動(dòng)方程，利用數(shù)值分析法，對時(shí)間t求導(dǎo)計(jì)算出其速度和角速度。

行星輪中心O4速度方程為

(5)

秧爪尖點(diǎn)的速度方程為

(6)

行星輪旋轉(zhuǎn)中心O4加速度方程為

(7)

秧爪尖點(diǎn)的加速度方程為

(8)

3 雙轉(zhuǎn)臂差動(dòng)稀植分插機(jī)構(gòu)仿真

3.1 分插機(jī)構(gòu)三維模型

在SolidWorks中完成所有零件三維模型的建立后，將所有零件模型按照一定的要求進(jìn)行裝配；將SolidWorks中裝配好的分插機(jī)構(gòu)三維模型保存成*.x_t格式，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中，模型如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入到ADAMS中的模型Fig.3 Imported model under ADAMS

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 秧針尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析

仿真結(jié)束后，分別對分插機(jī)構(gòu)上兩支秧爪上的尖點(diǎn)1、2的Z和Y方向的軌跡進(jìn)行跟蹤(仿真過程中設(shè)定的坐標(biāo)為Z—Y面)，通過ADAMS軟件中的數(shù)據(jù)后處理模塊，處理所跟蹤的點(diǎn)，得到秧針尖點(diǎn)軌跡圖，如圖4所示。

圖4 秧針尖軌跡Fig.4 Dynamic and static track of needlepoint

分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程主要由6個(gè)階段組成，包括取秧、送秧、插秧、回轉(zhuǎn)、避讓及回程。在取秧過程中，秧苗在取秧爪的作用下被從秧門中取出，為了減少秧苗在此過程過程中受到的損傷，秧爪與秧箱之間的最佳角度應(yīng)為90°。插秧階段，該過程運(yùn)動(dòng)是一個(gè)合成運(yùn)動(dòng)，包括秧爪的自身運(yùn)動(dòng)及推秧?xiàng)U對秧苗的的推秧運(yùn)動(dòng)，要求秧苗在秧爪作用下垂直插入泥土。插秧完成后，為防止秧苗被秧爪從泥土中帶出，需使秧爪進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而避免漂秧現(xiàn)象出現(xiàn)；在分插機(jī)構(gòu)行走過程中，為了防止秧爪運(yùn)動(dòng)過程中碰傷已栽好的秧苗，秧爪需先朝后上方運(yùn)行一段距離。通過分析圖4可以看出：仿真所得秧爪尖點(diǎn)軌跡符合要求；秧爪與水平方向之間的夾角在0°～65°之間變化，使得取秧及插秧階段可以得到最佳取秧角和推秧角。

3.2.2 秧針尖點(diǎn)速度分析

評估分插機(jī)構(gòu)的工作性能指標(biāo)非常之多，而傷秧率的大小是最主要的、最常用的指標(biāo)之一。損傷率的大小主要由兩個(gè)過程共同決定：一是取秧段秧爪對秧苗的作用；二是插秧后秧爪提起過程對秧苗的作用。因此，計(jì)算出秧爪尖與秧苗之間的相對運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系(實(shí)際情況兩者速度一致)，就能夠分析出秧苗受到秧爪碰撞作用的程度。圖5所示為秧針尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的相對速度曲線。

由圖5可以看出：DE為取秧階段，秧爪速度在此階段逐漸變大，并且在此過程中秧爪在Z方向的速度分量大于Y方向的速度，即Z方向上的速度起到主要作用，利于分秧與插秧過程的進(jìn)行。EFG為送秧階段，在此過程中秧爪的速度總體為先變大后變小。秧爪速度變大，此時(shí)秧苗處于下插過程，從而起到快速栽插的效果；秧爪位于G點(diǎn)位置時(shí)，速度最小，秧苗完全插入土中。GH階段為回程段，秧爪速度提高，當(dāng)秧爪速度達(dá)到運(yùn)動(dòng)過程中的最大值時(shí)，開始進(jìn)入下一取秧階段。通過圖5(a)可以看出：機(jī)構(gòu)在取秧階段內(nèi)，秧針尖點(diǎn)在Y方向上的速度速度分量大小大于其在Z軸方向上的速度分量。在整個(gè)過程中，秧爪取秧過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)線速度小于秧爪回程時(shí)段的運(yùn)轉(zhuǎn)線速度。

圖5 秧針尖的相對速度曲線Fig.5 Relative velocity curves of needlepoint

3.2.3 秧針尖點(diǎn)加速度分析

根據(jù)分析秧針尖點(diǎn)所受的加速度的變化情況，可以得出分插機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。通過對取秧之后與插秧之前這一過程中秧針尖所受加速度進(jìn)行分析，可以對秧苗在秧針上時(shí)的加速度情況大概了解。在此過程中，對秧苗進(jìn)行夾持的秧針?biāo)芗铀俣炔荒芴?，否則在所受慣性力的作用下將被夾持的秧苗從秧針上甩出。圖6為秧針尖在Y方向和Z方向上的加速度曲線。

圖6 分插機(jī)構(gòu)秧爪尖加速度曲線Fig.6 Acceleration curves of the needlepoint

由圖6可知：秧針尖點(diǎn)所受到的加速度在Z和Y兩個(gè)方向上均不斷往復(fù)變化，在長時(shí)間呈一定規(guī)律性變化。在取秧段，Z和Y方向上加速度大小均隨取秧過程的進(jìn)行而不斷減小，這樣有利于降低秧針取秧過程對秧苗損傷。取秧后插秧前的運(yùn)秧過程中，Y方向的加速度起主導(dǎo)作用，該過程中加速度變小速度變大，防止秧爪上的秧苗脫離。在推秧階段，秧針尖點(diǎn)速度隨推秧過程的進(jìn)行不斷減小，Y方向加速度分量則不斷增大，當(dāng)秧針尖點(diǎn)接近栽植點(diǎn)時(shí)，Y方向上的加速度增加到極大值處，從而保證了秧苗與秧爪的分離。當(dāng)秧苗從栽植點(diǎn)到與秧爪分離點(diǎn)時(shí)，該過程中秧針尖點(diǎn)加速度方向與原方向相反，平均值增大，從而避免栽植好的秧苗被帶出。通過加速度在分插機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的不斷變化，保證了插秧穩(wěn)定性和被插秧苗的直立性。

4 分插機(jī)構(gòu)樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)過程中使用的設(shè)備主要包括：分插機(jī)構(gòu)設(shè)備、數(shù)碼像機(jī)、亮度調(diào)節(jié)裝置及白色標(biāo)識板等。試驗(yàn)過程如圖7所示。

圖7 分插機(jī)構(gòu)試驗(yàn)過程Fig.7 Experimental process of separating-transplanting mechanism

4.2 試驗(yàn)步驟

1)將裝配好的分插機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)臺架上，并對其和試驗(yàn)臺進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，保證測試能夠順利進(jìn)行。

3)將相機(jī)拍攝的照片導(dǎo)入到MatLab中，可以計(jì)算出秧針尖點(diǎn)在試驗(yàn)過程中的位置變化情況，從而可以準(zhǔn)確地標(biāo)定捕捉點(diǎn)的坐標(biāo)及姿態(tài)，本次試驗(yàn)捕捉點(diǎn)為秧針尖點(diǎn)。

4)試驗(yàn)時(shí)稀植分插機(jī)構(gòu)每旋轉(zhuǎn)1個(gè)單位角度，拍照1次，直至機(jī)構(gòu)完成1個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

利用Matlab軟件的圖像處理功能，對所拍攝的圖片進(jìn)行處理如圖8所示，得出秧針尖上所標(biāo)定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8 MatLab界面處理照片F(xiàn)ig.8 Photo processing by Matlab software

分插機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)1個(gè)周期過程中，通過拾取180個(gè)點(diǎn)對秧針尖點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，得到了圖9、圖10所示的仿真軌跡。

通過圖10中的軌跡形狀可以看出：雙轉(zhuǎn)臂橢圓齒輪系分插機(jī)構(gòu)的空載試驗(yàn)結(jié)果與圖9所示的ADAMS中所得到的仿真理論結(jié)果一致，且都為“腰子型”軌跡。由此證明ADAMS軟件中所做的仿真是正確的，所得的仿真結(jié)果是切合實(shí)際的，說明本次所設(shè)計(jì)的分插機(jī)構(gòu)滿足要求。

圖9 虛擬樣機(jī)仿真軌跡圖Fig.9 Virtual prototyping simulation

圖10 秧針尖點(diǎn)試驗(yàn)軌跡結(jié)果Fig.10 The experimental track results of Seedling needlepoint

5 結(jié)論

1)針對目前超級稻秧苗栽植需大株距稀植的要求，提出并設(shè)計(jì)了一種雙轉(zhuǎn)臂式差動(dòng)稀植分插機(jī)構(gòu)，適合栽植株距在200～280mm范圍內(nèi)、秧苗高度小于350mm的毯狀秧苗，并建立了稀植分插機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

2) 在SolidWorks軟件中對提出的稀植分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，檢驗(yàn)其裝配關(guān)系和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。基于ADAMS軟件對該分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出該分插機(jī)構(gòu)的秧針尖點(diǎn)軌跡、速度和加速度。

3)基于圖像處理對提出的稀植分插機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測定標(biāo)定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)，所得的試驗(yàn)結(jié)果與理論分析所得結(jié)果基本一致。

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Simulation and Experimental Research on Rare-planting Separating-transplanting Mechanism of High-efficiency Rice Transplanter

Rao Shiren， Yin Jianjun， Chen Shuren

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education, Jiangsu Unviversity, Zhenjiang 212013，China)

Aiming at the sparse planting requirement of the row spacing, the sparse planting transplanting mechanism based on a double jib arm type of the differential motion elliptical gear transmission was put forward, which is fit for transplanting the row spacing from 200 mm to 280 mm and the seedling height less than 350 mm. The kinematic model of the transplanting mechanism is established, and the angle relation between the gears of the differential elliptic gear train is deduced. According to the established kinematics model of the sparse planting transplanting mechanism.SolidWorks was used for the 3D modeling of the sparse planting transplanting mechanism, and verifying the assembly relations and structural design. The dynamics simulation of the transplanting mechanism is carried out by the ADAMS software, and the trajectory, velocity and acceleration of the seedling pinpoint and the meshing force of the elliptical gears and the center axle torque curve of the gear box are obtained.The motion trajectory and attitude measure experiment of the sparse planting transplanting mechanism prototype are carried out based on the image processing. The experimental results show that the test results obtained are consistent with the theoretical analysis results.

rice; transplanting mechanism； elliptical gear； ADMAS

2016-12-03

鎮(zhèn)江市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(NY2015009);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)([2014]37號)

饒師任(1989-)，男，江西撫州人，碩士研究生,(E-mail)raoshiren@163.com。

陳樹人(1965-)，男，湖南攸縣人，教授，(E-mail)srchen@ujs.edu.cn。

S223.91

A

1003-188X(2018)02-0034-06