小型機械式插秧機的設計研究

張德俊，李文迪，林蜀云，吉 旭，張?zhí)A，徐衛(wèi)平※

（1.貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州 貴陽550001；2.貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所）

0 引言

由于地形原因（特別是貴州喀斯特地區(qū)），一些地區(qū)農(nóng)田分散，大型插秧機和其他農(nóng)業(yè)機械的普及受到限制，且山區(qū)水稻種植以梯田及零散種植居多[1]，該地區(qū)的現(xiàn)行水稻栽培方式還是以地膜水育秧、人工手插為主，生產(chǎn)成本高，勞動強度大，作業(yè)條件艱苦且效率低下[2]，使高產(chǎn)水稻作物難以發(fā)揮其潛力。針對小型田間秧苗的插秧工作，徐高飛等[3]設計了手扶便攜式插秧機，此款插秧機為人力驅(qū)動，但工作效率相對較低；邵陸壽等[4]設計了半機動插秧機，采用人力牽引的組合式秧箱，但此款插秧機操作不便；鄭銀河等[5]設計了2 行手扶式機動水稻插秧機，該機器配備單缸小型汽油機，但此款插秧機發(fā)動機易進水，過水渠時可能損壞發(fā)動機，同時該插秧機價格昂貴且對環(huán)境有污染。針對目前貴州秧苗的栽植現(xiàn)狀，設計了一臺小型機械式插秧機，旨在為滿足貴州小型田間秧苗的栽植提供便利。此款可分離小型機械式插秧機適用于貴州小型田間秧苗的栽植，具有靈活輕便的特點，彌補了市面上對小型插秧機的缺口。

1 插秧機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 插秧機基本結(jié)構(gòu)

該插秧機主要由鏈輪傳動、自行車、秧盤、秧塊、曲柄滑塊機構(gòu)、錐齒輪傳動、秧盤前檔盤、曲柄插秧機構(gòu)等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1，插秧機背部傳動如圖2。

此插秧技術(shù)可用于小型機械式插秧機的設計中，以期為小型插秧機的設計及試驗提供借鑒和參考。

1.2 插秧機工作原理

根據(jù)貴州種植習慣及秧苗的農(nóng)藝規(guī)范，采用穗粒兼?zhèn)涞闹卸捚贩N缽形毯狀苗[6-7]，機械移栽所用苗為中小苗，苗齡為15～20 天，苗高為12～17 cm，秧塊標準大小分別為58 cm、28 cm 和2 cm[8-9]，種植程序按農(nóng)藝規(guī)范執(zhí)行，種植方式為插播、四行單株?；谇瑝K機構(gòu)及自行車驅(qū)動的秧苗栽植方式設計了此插秧機，通過研究該栽植方式的關(guān)鍵技術(shù)，以期解決當前針對貴州小型田間秧苗栽植面臨的機械化困難。

工作時，插秧機在田間行走，踩動自行車踏板驅(qū)動插秧機工作，傳動鏈將動力傳遞給插秧曲柄軸，曲柄通過連桿帶動秧爪完成分秧及插秧動作。在一個工作循環(huán)中，秧爪下行至秧盤，完成分秧動作；秧爪夾持秧苗繼續(xù)下行，將秧苗插入田間；傳動鏈將動力傳遞給錐齒輪軸，錐齒輪軸帶動曲柄滑塊機構(gòu)將秧盤橫移一個步距，將下一株秧苗移至分秧工位；秧爪進入回程階段，秧爪上移返回工作循環(huán)的起始位置[10-11]。

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 秧盤左右移動的曲柄滑塊機構(gòu)設計

秧箱是插秧機的重要部件，擔負著定時、定量、均勻送秧的工作[12-14]。目前移箱機構(gòu)的設計有三種形式：一是齒條式；二是螺旋軸式[15]；三是鏈式。此款插秧機采用人力踩動自行車踏板驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)秧盤的移動，分析橫向送秧驅(qū)動機構(gòu)的工作原理，建立曲柄滑塊機構(gòu)的運動學模型。

曲柄滑塊機構(gòu)的位置關(guān)系式：

式中Q1=2a；Q2=2ae；Q3=a2-b2+e2。

通過三組兩連桿的對應角位置：φ1=22.51°，s1=179.91 mm；φ2=127.44°，s2=30.09 mm；φ3=176.87°，s3=39.91 mm。運用曲柄滑塊機構(gòu)的位置關(guān)系式設計出一組參數(shù)，a=79.091 mm，b=125.226 mm，e=-35.034 mm。則a桿取79 mm，b桿取125 mm，偏心距e取35 mm，通過設計得出運動分析曲線如圖3，由曲柄滑塊機構(gòu)對應的位置曲線可知該機構(gòu)為往復運動；從對應的速度曲線可知機構(gòu)的速度呈正弦變化趨勢；由加速度曲線可知此機構(gòu)加速度部分呈余弦變化。

通過設計結(jié)果得出的運動分析曲線（圖3）可知：驅(qū)動秧盤移動的曲柄滑塊機構(gòu)能夠進行正常穩(wěn)定的循環(huán)往復工作，曲柄滑塊機構(gòu)的工作行程達到秧苗輸送的要求，設計結(jié)果滿足誤差要求。通過計算結(jié)果，設計出曲柄滑塊機構(gòu)的3D 模型如圖4。

2.2 自行車的設計

基于現(xiàn)有的輪椅三輪車進行設計，重新設計車身的輪子，以適應田間插秧工作，為防止自行車在田間打滑，輪子整周采用開槽處理。由于車架后部寬度過小，不適合插秧機的搭載工作，所以也需重新設計。將車架后部切掉，加寬車架后部的寬度，并增加加強筋，以增加車架的強度，同時也可用來搭載插秧機組件?？紤]到田間工作的環(huán)境影響，車架作烤漆處理，防止車架由于生銹，影響插秧機的使用壽命。

鏈傳動的設計：自行車速度v=3.016 m/s，踏板軸轉(zhuǎn)速n=10 r/min，功率P=0.18 kW，通過設計計算可得，小鏈輪齒數(shù)z1為44 齒，大鏈輪齒數(shù)z2為22 齒，鏈號為16A，鏈條節(jié)距p2為25.4，鏈長節(jié)數(shù)X為82，中心距a`為613.4 mm，鏈條定期人工潤滑。

2.3 后輪軸的設計校核

自行車后輪軸的直徑按照扭轉(zhuǎn)強度為

式中d—后輪軸直徑（mm）；C 按[τ]定的系數(shù)；P—后輪軸傳遞的功率（kW）；n—后輪軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

此款插秧機后輪軸功率為0.18kW，轉(zhuǎn)速為20r/min，因為后輪軸材料選用的是45 號鋼調(diào)質(zhì)，因此C 為112.5，計算可得d=23.4 mm，考慮到鏈輪及輪子的周向定位需開一個鍵槽，將d加大3%后得d=24.1 mm，因此取后輪軸的最小直徑d=25 mm。

對自行車后輪軸強度進行校核，軸受到秧盤組件向下的壓力，載荷分布如圖5。

根據(jù)秧盤組件的重量和插播方式在田間工作過程中阻力情況，計算出其集中力為F=962 N，分段彎扭矩如圖6、7。

運用彎扭合成強度條件進行校核，即

式中σ—軸計算截面上的工作應力（MPa）；d—軸直徑（mm）；M—軸計算截面上的合成彎炬（N·mm）；T—軸計算截面上的轉(zhuǎn)矩（N·mm）；α—根據(jù)轉(zhuǎn)應力變化性質(zhì)定的校正系數(shù)；σ-1—許用疲勞應力（MPa）。

圖5 為載荷分布示意，圖6 為彎矩圖，圖7 為扭矩圖，將轉(zhuǎn)應力脈動循環(huán)α=0.7 代入，求最大彎矩和最大扭矩值，得到軸直徑為19.4 mm，故所取直徑滿足強度要求。

2.4 自行車機架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

插秧機屬于非道路車輛，其在水田工作過程中易受到路面條件差引起的沖擊載荷，在載荷沖擊下車架易變形[16]。而車架是車輛的裝配和承載基體，支承連接著車輛的各總成部件，承受著來自車身及插秧機組件的各種載荷，它的好壞直接關(guān)系到車輛的操控、安全、舒適等性能[17]。此外，車架也是插秧機中保證插秧正常工作的關(guān)鍵部件，承擔著動力傳遞及插秧機的搭載，搭載插秧機組件時，易造成車架彎曲變形。為了解決這些問題，對車架進行優(yōu)化設計，車架長1356mm、寬359mm、高606 mm。車架主要受秧盤等組件的壓力，平均壓力為350 N。

對圖8 的車架進行簡化，忽略焊接對機架結(jié)構(gòu)的影響，將圓角、倒角簡化為直角，選取材料、添加載荷和約束后，車架特點采取組合網(wǎng)格劃分，劃分時統(tǒng)一采用SOLID 20 單元，可以忽略考慮不同單元間單元耦合問題，車架有限元模型如圖9。

查閱機械設計手冊可知，碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 的屈服強度為235 MPa，抗拉強度為370～500 MPa，強度安全系數(shù)取1.2～3，該鋼的許用應力范圍為78.33～195.83 MPa。車架受到功能約束及空間尺寸的限制，車架結(jié)構(gòu)直徑較小，插秧機組件受向下的載荷，因此車架出現(xiàn)了彎曲變形，如圖10。最大變形值為0.375 mm，變形量微小，不會影響插秧精度，變形量可忽略不計，車架剛度參數(shù)合格，滿足設計誤差要求。車架的后部出現(xiàn)了較大的應力集中，如圖11。該處應力值為21.25MPa，按照規(guī)定彎曲狀態(tài)屈服強度校核為靜態(tài)計算應力乘以1.5 倍動荷系數(shù)，再乘以2 倍安全系數(shù)得出的值為63.75 MPa，該值遠小于材料的屈服強度，因此車架在工作條件下強度合格。

3 整機仿真分析

對插秧機進行仿真分析，以驗證插秧機工作的可行性。在SolidWorks 中建立三維模型后，對模型進行簡化，然后導入至Adams2017 中，進行仿真驗證。

通過秧爪軌跡曲線（圖12），可知秧苗插入深度為1.2 cm，滿足秧苗栽植深度要求。

通過分析生成的秧盤運動位置曲線與插秧軸轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線（圖13），可知曲線呈規(guī)律變化，運動過程平緩，插秧軸轉(zhuǎn)過一定的角度，秧盤相應移動一定的距離，秧盤的秧苗移動到插秧口，秧爪剛好運動到插秧口，秧爪帶動秧苗繼續(xù)向下運動，把秧苗插入田間，該裝置可滿足插秧工作要求。

4 結(jié)論

（1）此裝置創(chuàng)新設計了曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動秧盤移動與自行車驅(qū)動插秧機工作，此插秧機具有結(jié)構(gòu)簡單、適用性強及多功能集成等優(yōu)點。

（2）曲柄滑塊機構(gòu)的連桿1 為79 mm、連桿2 為125 mm，偏心距e為35 mm。該插秧機株距為29 mm、行距為13.96 mm 以及播深為1.2 cm，工作效率為0.175 hm2/h。