水稻缽苗旋轉(zhuǎn)式拔秧機(jī)構(gòu)

鄭鑫， 文學(xué)洙

（延邊大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系，吉林延吉133002）

0 引言

水稻缽苗移栽是一種高產(chǎn)的水稻移栽新技術(shù)，具有缽苗淺栽、無(wú)緩苗期、分蘗早、根系發(fā)達(dá)等優(yōu)點(diǎn)［1］。水稻缽苗移栽機(jī)不僅能夠保證植苗的直立度，而且不傷秧，相比插秧方式能增產(chǎn)10%～15%，目前國(guó)內(nèi)外都在投入研究中。日本研究的水稻缽苗擺栽機(jī)，價(jià)格過(guò)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合中國(guó)的水稻國(guó)情［2］?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)已研究出幾種水稻缽苗移栽機(jī)：多桿式移栽機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，移栽效率低，受機(jī)構(gòu)限制，移栽效率很難再提高；集取苗與栽植功能為一體的水稻缽苗移栽機(jī)機(jī)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)齒輪盒上裝有2個(gè)對(duì)稱的移栽壁，具有平穩(wěn)性［3］，且工作效率高，但是在植入土中有傷秧的可能性；由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的水稻缽苗對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)［4］，該機(jī)構(gòu)的輸秧輥參數(shù)受到育秧盤結(jié)構(gòu)尺寸的影響，且拔秧力呈曲線形態(tài)，不能保持恒定的力。而本文介紹的旋轉(zhuǎn)式拔秧機(jī)構(gòu)結(jié)合國(guó)內(nèi)外缽苗移栽機(jī)的特點(diǎn)，將拔秧過(guò)程與栽植過(guò)程分開(kāi)進(jìn)行，具有價(jià)格低廉、工作效率高的特點(diǎn)，拔秧機(jī)構(gòu)可以保持恒定的拔秧力并且旋轉(zhuǎn)到指定的位置，擺放秧苗。該撥秧機(jī)構(gòu)已獲得國(guó)家發(fā)明專利。

1 旋轉(zhuǎn)式拔秧機(jī)構(gòu)工作原理

本文所研究的缽苗移栽機(jī)是在原有插秧機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝的，所以缽苗秧盤無(wú)需另行配套，使用正交式秧盤即可。為了減小工作量，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)來(lái)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用的送秧機(jī)構(gòu)是由非圓齒輪傳動(dòng)的具有間歇性的簡(jiǎn)易送秧機(jī)構(gòu)，而在樣機(jī)中使用棘輪機(jī)構(gòu)及螺旋軸機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的秧箱進(jìn)行送秧。設(shè)計(jì)拔秧機(jī)構(gòu)前對(duì)水稻秧苗抗拉斷力及穴盤拔秧所需的力進(jìn)行了試驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，秧苗的抗拉斷力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拔秧力，因此采用此拔秧機(jī)構(gòu)將秧苗拔出是可行的［5］。如圖1所示為旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗送秧、拔秧機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 水稻缽苗送秧、拔秧機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該機(jī)構(gòu)是由分秧軌道、撥桿、攏秧簾、拔秧齒輪殼、拔秧爪以及擺秧臺(tái)組成，拔秧部分左、右爪的表面粘有一層彈性材料，以免在夾取秧苗時(shí)損傷秧苗，同時(shí)可以增大秧爪表面的摩擦力。該機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)和拔秧爪兩部分，其工作原理是：非圓行星輪系組成的回轉(zhuǎn)體繞太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)固結(jié)在行星輪軸上的拔秧爪一方面繞行星架作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面隨著行星輪相對(duì)行星架作非勻速間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成下，拔秧爪的尖點(diǎn)形成了特殊的拔秧軌跡。拔秧爪在距秧苗缽體表面一定距離的位置將秧苗拔起，并帶動(dòng)秧苗一起運(yùn)動(dòng)，按著固定的軌跡運(yùn)動(dòng)到擺秧臺(tái)合適的位置，將秧苗擺放到擺秧臺(tái)上，隨后由打移植機(jī)構(gòu)將擺秧臺(tái)上的秧苗打入土中（本文不對(duì)打移植機(jī)構(gòu)介紹）。

旋轉(zhuǎn)式拔秧機(jī)構(gòu)，利用拔取方式取苗，具有秧苗損傷小，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單以及振動(dòng)小的特點(diǎn)。而本文重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè)可以在指定位置拔取秧苗以及擺放秧苗的拔秧爪機(jī)構(gòu)。

2 拔秧爪總成簡(jiǎn)圖

文中所提到的拔秧爪總成簡(jiǎn)圖如圖2所示，當(dāng)左右凸爪在彈簧力的作用下與內(nèi)側(cè)凸輪左側(cè)面、右側(cè)面接觸時(shí)，秧爪被打開(kāi)，隨著拔秧殼繞內(nèi)側(cè)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，左右凸爪轉(zhuǎn)動(dòng)到內(nèi)側(cè)凸輪開(kāi)口的位置，在彈簧力的作用下，左右凸爪焊合件繞著凸爪軸心轉(zhuǎn)動(dòng)同樣大小的角度，秧爪閉合，此時(shí)即為拔秧的位置。而在回轉(zhuǎn)體上裝有在壓片作用下與回轉(zhuǎn)體固結(jié)的可調(diào)的拔秧牙嵌，拔秧牙嵌與內(nèi)側(cè)凸輪牙嵌相結(jié)合，即可控制拔秧爪開(kāi)口的初始位置。

圖2 拔秧爪總成簡(jiǎn)圖

2.1 秧爪開(kāi)口大小的確定

在左右凸爪焊合件尺寸不變的情況下，開(kāi)口大小由內(nèi)側(cè)凸輪左側(cè)面到右側(cè)面的距離S決定，內(nèi)側(cè)凸輪如圖3所示。

圖3 內(nèi)側(cè)凸輪

當(dāng)S減小時(shí)，秧爪開(kāi)口增大。然而缽苗秧盤單穴直徑是17 mm，所以在此秧爪開(kāi)口不能超過(guò)20 mm。

圖4 內(nèi)側(cè)凸輪開(kāi)口角度

2.2 秧爪開(kāi)閉爪的確定

如圖4內(nèi)側(cè)凸輪開(kāi)口角度φ，秧爪開(kāi)閉爪早晚隨著φ的增大而增加，所以可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)任意定位在軌跡上擺放秧苗的位置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，取凸輪開(kāi)口角度 φ 為 86°、88°、100°并分別進(jìn)行加工試驗(yàn)，在秧爪每秒 80次、100次、120次下分別進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秧爪都提前開(kāi)爪，齒輪盒旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致秧苗在慣性力及離心力的作用下甩出擺秧臺(tái)。同樣增加開(kāi)口角度達(dá)到126°后，秧苗能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定地被擺放到軌跡中規(guī)定的位置，并且不會(huì)受離心力和慣性力的影響，此時(shí)拔秧爪尖端的力均處于衰減狀態(tài)，也是選擇擺秧位置的依據(jù)。拔秧位置如圖1所示，擺秧位置如圖5所示。

圖5 擺秧位置

2.3 秧爪夾緊力的確定

根據(jù)對(duì)秧苗拔秧力的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到在各種工況下，拔秧力F的范圍為1.4～4 N。在此要使用極端法，取最大的拔秧力，以應(yīng)對(duì)拔取各種秧苗。在秧爪的表面上粘有一層彈性材料（黑色膠皮），通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出材料表面的摩擦因數(shù)μ，再由已知的拔秧力F，可以求出秧抓尖點(diǎn)需要的夾緊力

式中σ為安全系數(shù)。

這樣通過(guò)靜力學(xué)可以計(jì)算出所需的彈簧力Ft。

式中k為彈簧剛度系數(shù)。

依據(jù)式（3）和兩凸爪間垂直距離，確定彈簧的自然長(zhǎng)度L，取得合適的彈簧力，以免彈簧力過(guò)大導(dǎo)致秧爪傷秧，或者彈簧力過(guò)小，拔不出秧苗。

圖6 拔秧殼蓋

2.4 拔秧殼蓋

為了防止秧爪在閉爪的過(guò)程中，產(chǎn)生左右移動(dòng)，同時(shí)限制彈簧的壓縮長(zhǎng)度保持不變，在拔秧殼蓋上左右兩側(cè)，分別設(shè)有兩個(gè)凸臺(tái)，起到限位作用，其中間距離剛好與S相等，拔秧殼蓋如圖6所示。

3 試制與試驗(yàn)

對(duì)旋轉(zhuǎn)式拔秧機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與試制后，經(jīng)過(guò)多次拔取以及擺放秧苗的試驗(yàn)，得到內(nèi)側(cè)凸輪開(kāi)口夾角為128°時(shí)，能在預(yù)定的位置拔取秧苗及擺放秧苗。在對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了錄像記錄，在每秒120次內(nèi)可以準(zhǔn)確地拔秧與擺放秧苗。

4 結(jié)論

1）旋轉(zhuǎn)式拔秧機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確拔秧，并能夠在準(zhǔn)確的位置將秧苗擺放至擺秧臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、振動(dòng)小等特點(diǎn)。

2）容易對(duì)拔秧爪各參數(shù)進(jìn)行更改，使其滿足拔秧與擺秧需要。

3）通過(guò)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及試驗(yàn)分析，確定了機(jī)構(gòu)工作參數(shù)，其中內(nèi)側(cè)凸輪開(kāi)口角度設(shè)定128°,秧爪開(kāi)口角度20°較合適。通過(guò)多次拔取秧苗的試驗(yàn)，可知該機(jī)構(gòu)滿足水稻缽苗拔取要求。

［1］ 張洪程，戴其根，岳楓，等.拋秧稻產(chǎn)量形成的生物學(xué)優(yōu)勢(shì)及高產(chǎn)栽培途徑的研究［J］.江蘇農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，19（3）：11-17.

［2］ 成永芳.日本RX-6型水稻缽苗移栽機(jī)引進(jìn)試驗(yàn)簡(jiǎn)報(bào)［J］.農(nóng)機(jī)與食品機(jī)械，1999（3）：27－31.

［3］ 俞高紅，黃小艷，葉秉良，等.旋轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013,29（3）：16-22.

［4］ 宋建農(nóng)，黃育仕，魏文君，等.水稻缽苗對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006,27(4)：291-294.

［5］ 宋建農(nóng)，王萍，魏文君，等.水稻秧苗抗拉力學(xué)特性及穴盤拔秧性能的力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003,19（6）：10-13.