高速水稻插秧機分插機構(gòu)運動分析

譚 錚

(常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000)

0 引言

水稻是我國最主要的糧食作物，我國水稻種植總面積300多萬hm2，是我國糧食作物總面積的37%，是世界水稻種植總面積的26%，每年稻谷總產(chǎn)量接近3000億kg，是全國糧食總產(chǎn)量的43%，是世界稻谷總產(chǎn)量的32%，水稻生產(chǎn)在我國糧食生產(chǎn)中占有重要的地位。實現(xiàn)水稻生產(chǎn)全程機械化是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要內(nèi)容，然而我國水稻插秧機發(fā)展速度較慢，至2019年，全國水稻使用機械插秧、機械播秧、機械拋秧的面積僅占水稻總面積的21%，與世界上基本實現(xiàn)種植機械化的日本、韓國相比，差距是非常大的。日本的機械化種植在20世紀90年代就已經(jīng)達到90%以上，韓國也達到了85%以上。實現(xiàn)水稻生產(chǎn)機械化，是一項系統(tǒng)的工程，集農(nóng)機技術(shù)、農(nóng)藝技術(shù)和管理技術(shù)于一體，相互依存、相互制約。目前，隨著國家城鄉(xiāng)一體化進程的加快，越來越多的農(nóng)村人口流向城市，使得農(nóng)村的勞動力大大降低，以前依靠體力勞作的方式得以改變，新農(nóng)村使得農(nóng)民的田地被大量的集中，土地集中化使得土地管理更加方便，有利于農(nóng)業(yè)機械的大規(guī)模發(fā)展。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計計算，我國水稻種植機械化水平每提高一個百分點，每年就能增產(chǎn)1.76億kg，低效率的人工插植已經(jīng)不能滿足時代的需求，也阻礙了我國水稻生產(chǎn)機械化水平的提高。

1 分插機構(gòu)運動過程及說明

非圓齒輪行星輪系分插機構(gòu)是高速水稻插秧機的插植機構(gòu)，由兩個栽植臂和一個回轉(zhuǎn)箱組成。回轉(zhuǎn)箱里面有一個太陽輪、兩個中間輪、兩個行星輪及花鍵軸。兩個行星輪和兩個中間輪分別對稱安裝在太陽輪的兩側(cè)，行星輪與消除齒輪間隙裝置通過花鍵軸固定連接，栽植臂通過螺栓與花鍵軸連接。栽植臂由凸輪、彈簧、推秧桿和秧針組成。

分插機構(gòu)在一個工作周期內(nèi)，主要有四個工作過程：取秧過程、送秧過程、插秧過程和回程過程。

取秧過程是分插機構(gòu)開始工作的起點位置，此時的送秧機構(gòu)處于待機狀態(tài)，行程彈簧被壓縮，撥叉與凸輪做相對運動，凸輪受到撥叉的摩擦力和正壓力，行星輪由于摩擦力而產(chǎn)生較大的阻力矩，而凸輪位于行星架上面，所以，阻力矩會傳遞到行星架上面，壓縮彈簧從而產(chǎn)生一個比較大的彈簧力，在取秧苗前一刻的短時間內(nèi)產(chǎn)生一個行星輪阻力矩用來克服這個彈簧力。此時，凸輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，消除齒輪之間的間隙，最終讓齒輪間隙凸輪與齒輪間隙擺臂接觸部位的輪廓逐漸變大，達到最大的輪廓尺寸。在取秧苗的時候，秧針會從秧苗箱取下秧苗，產(chǎn)生一個取苗阻力。整個取秧過程有推秧機構(gòu)的阻力及取秧苗的阻力。

送秧過程是指取秧過程一直到推秧過程，行程比較長，在運動過程中，栽植臂和撥叉相對靜止，如果把栽植臂當做參照物，凸輪和撥叉做相對運動，二者產(chǎn)生摩擦力和正壓力，傳遞到行星架上面形成阻力矩。

插秧過程包括插秧過程和碰撞過程，當分插機構(gòu)做推秧運動時，撥叉與凸輪脫離接觸，凸輪與撥叉之間沒有力的作用，由于彈簧力的作用，撥叉做旋轉(zhuǎn)運動，推動秧苗前進，在這個過程中，栽植臂與撥叉相對旋轉(zhuǎn)運動。撥叉將秧苗推出的瞬間，為了降低撥叉的速度，栽植臂上面的緩沖墊會阻攔撥叉，并與撥叉產(chǎn)生碰撞，緩沖墊用柔軟結(jié)構(gòu)的材料制成，吸收碰撞產(chǎn)生的能量。

回程過程是一個空運動的狀態(tài)，是為了下次插秧工作的進行而做的復(fù)位過程。這個階段壓縮彈簧的運動很重要，壓縮彈簧逐漸回復(fù)到起始位置，凸輪與撥叉產(chǎn)生接觸，撥叉順時針旋轉(zhuǎn)回到起始位置，對凸輪產(chǎn)生正壓力，凸輪的運動半徑漸漸變大，而由于彈簧力的作用，凸輪與撥叉之間產(chǎn)生阻力矩，撥叉與凸輪做相對旋轉(zhuǎn)，彈簧力逐漸變小直至消失。

2 分插機構(gòu)位移分析

在分插機構(gòu)行星輪系中，通過一系列的初始轉(zhuǎn)角實現(xiàn)預(yù)期的運動軌跡，引入θ1、θ2和θ3作為齒輪轉(zhuǎn)動的初始角度。行星輪系中的每個齒輪可以看作是通過旋轉(zhuǎn)和平移得到，X軸與齒輪曲線的長軸重合，坐標原點是原齒輪的回轉(zhuǎn)中心點。太陽輪沒有平移運動，只存在旋轉(zhuǎn)角度。中間輪的自轉(zhuǎn)包含了兩個部分，第一部分是自轉(zhuǎn)角，需要滿足初始安裝條件，第二部分是在運動過程中，中間輪和太陽輪隨著行星架轉(zhuǎn)動，二者產(chǎn)生的嚙合角

式中γ1—表示太陽輪初始角度，°；

γ2—表示中間輪初始角度，°。

太陽輪位移方程

式中X1—太陽輪X軸初始點；

Y1—太陽輪Y軸初始點；

L—太陽輪中心到行星架中心的距離，cm。

中間輪位移方程

式中X2—中間輪X軸初始點；

Y2—中間輪Y軸初始點；

L—中間輪中心到行星架中心的距離，cm。

栽植臂的位移方程

式中X3—栽植臂X軸初始點；

Y3—栽植臂Y軸初始點；

L—栽植臂中心到行星架中心的距離，cm。

3 分插機構(gòu)速度分析

齒輪的旋轉(zhuǎn)中心是確定齒輪位置的關(guān)鍵參數(shù)，也是確定旋轉(zhuǎn)速度的重要參數(shù)，對插秧機而言，行星架旋轉(zhuǎn)一周，插秧一次，插秧機往前進一個株距。根據(jù)齒輪傳動嚙合比可以得出太陽輪、中間輪的角速度。

太陽輪相對行星架旋轉(zhuǎn)的角速度

式中n—齒輪傳動嚙合比；

γ1—太陽輪初始角度，°；

H—株距，cm。

中間輪相對行星架旋轉(zhuǎn)的角速度

式中n—齒輪傳動嚙合比；

γ2—太陽輪初始角度，°；

H—株距，cm。

4 總結(jié)

(1)分插機構(gòu)是由多個零部件組成的機構(gòu)，其工作過程是一個周期性變速轉(zhuǎn)速的運動過程。

(2)在中、低速狀態(tài)下分插機構(gòu)可以作為剛性整體考慮，在高速運動狀態(tài)下，要充分考慮分插機構(gòu)振動對插秧精度的影響。

(3)為后續(xù)的研究提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。