高速水稻插秧機新型分插機構(gòu)的設(shè)計

郭晨海，陳麗果，葛　晶，曹曉輝，沈　燕

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013;2.常州江蘇大學(xué)工程技術(shù)研究院，江蘇 常州　213164)

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高速水稻插秧機新型分插機構(gòu)的設(shè)計

郭晨海1，陳麗果1，葛晶2，曹曉輝1，沈燕2

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.常州江蘇大學(xué)工程技術(shù)研究院，江蘇 常州213164)

摘要：針對高速水稻插秧機在取秧工作時容易造成傷秧的現(xiàn)象，提出了采用新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)的設(shè)計方案；建立了該機構(gòu)的虛擬樣機模型并進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明：與傳統(tǒng)設(shè)計方案相比，新的設(shè)計方案秧針運動軌跡與秧門的位置關(guān)系得到優(yōu)化；取秧時，秧針運動軌跡與秧盤幾乎垂直，保證了秧苗的質(zhì)量；當(dāng)秧箱導(dǎo)軌夾角變?yōu)?0°、推秧角為78°、推秧角與秧苗和秧針夾角的和接近90°時，優(yōu)化了插植后秧苗直立性，滿足了農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：高速水稻插秧機；直立性；雙偏心卵形齒輪；秧箱導(dǎo)軌夾角

0引言

水稻是我國主要的糧食作物。近幾年，隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，插秧機的使用也越來越普遍，從最初的手扶式插秧機變?yōu)槌俗讲逖頇C[1]，發(fā)展為現(xiàn)在的高速水稻插秧機。高速水稻插秧機具有慣性力小、噪聲小、作業(yè)效率高等特點，提升了水稻產(chǎn)業(yè)高效種植的要求[2]。

高速水稻插秧機分插機構(gòu)工作時，既要實現(xiàn)機構(gòu)的高速運動，又要滿足農(nóng)藝上的要求，故對其機構(gòu)的設(shè)計要求比較高。高速水稻插秧機速度高的特性決定了其在單位時間內(nèi)插秧次數(shù)提高，同時振動也加劇[3]，故傳統(tǒng)的高速水稻插秧機取秧時容易存在秧苗折斷或損傷其他秧苗的問題?；谶@一問題，筆者提出了新的高速水稻插秧機分插機構(gòu)的設(shè)計方案。新型齒輪行星系中的齒輪具有4個變量，分別為長軸半徑、偏心率、焦點在x軸的偏心距及焦點在y軸的偏心距。這4個變量一方面可以使得齒輪系更容易擁有合理的傳動比；另一方面可以優(yōu)化秧針尖點的運動軌跡，得出合理的“海豚曲線”，仿真出更加符合農(nóng)藝要求的秧針尖點運動軌跡。新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)不僅可以使機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，大大提高插秧機的插秧質(zhì)量，還能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)的高速運轉(zhuǎn)，滿足農(nóng)藝要求。

1傳統(tǒng)插秧機設(shè)計要求

對于傳統(tǒng)水稻插秧機分插機構(gòu)的設(shè)計，秧針“海豚曲線”優(yōu)化目標(biāo)[4]：

1)為保持插秧后秧苗的直立性，秧針取秧時與水平線的夾角(取秧角)應(yīng)在10°~25°之間，而推秧角與水平線的夾角(推秧角)應(yīng)在65°~80°之間；

2)為了減少傷根，理想的取秧塊應(yīng)該近似為矩形，秧針軌跡要與秧箱的方向垂直或近似垂直；

3)插植臂的軸心(即行星輪軸心)軌跡不能與已插秧的中部接觸，以免碰傷已插秧秧苗；

4)插秧穴口要盡量小(不大于30mm)，太大會導(dǎo)致秧苗倒伏或者漂秧；

5)栽植臂在取秧時秧針的支撐部位不能碰撞秧門；

6)推秧角與取秧角的角度差為秧箱的傾角；

7)秧針達(dá)到最低點之前完成推秧動作。

為保持插秧后秧苗的直立性，水稻插秧機工作過程中取秧和插秧時其角度關(guān)系如圖1和圖2所示。

傳統(tǒng)水稻插秧機秧箱導(dǎo)軌夾角等于90°，故有下列關(guān)系：取秧角+秧針與秧苗的夾角+秧箱傾角+秧箱導(dǎo)軌夾角=180°；推秧角+秧針與秧苗夾角=90°。

根據(jù)上面兩個關(guān)系式得出：取秧角+秧箱傾角=推秧角，即推秧角-取秧角=秧箱傾角。

某傳統(tǒng)水稻插秧機優(yōu)化結(jié)果中[5]，取秧角為12.96°，推秧角為67.96°，秧箱傾角為55°。從該實例看出：推秧角-取秧角=秧箱傾角，保證了秧苗插植后的直立性。其優(yōu)化軌跡如圖3所示，由此可以看出秧針“海豚曲線”軌跡與秧箱并不垂直。那么在取秧時，秧針會斜著向秧苗切去，秧苗受到折斷損傷甚至還會傷及其他秧苗，故秧苗栽植質(zhì)量也就會大大下降。

圖1　取秧角和秧針與秧苗夾角關(guān)系

圖2　推秧角和秧針與秧苗夾角關(guān)系

圖3　某傳統(tǒng)水稻插秧機優(yōu)化軌跡

2分插機構(gòu)仿真分析

高速水稻插秧機的分插機構(gòu)，由分插器和驅(qū)動機構(gòu)組成，驅(qū)動機構(gòu)一般為橢圓齒輪輪系或是偏心橢圓齒輪輪系[6-9]。為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計更加符合農(nóng)藝上插秧要求[10-15]，本文首次提出了一種雙偏心卵形齒輪行星輪系分插機構(gòu)。與橢圓齒輪輪系或偏心橢圓齒輪輪系相比，雙偏心卵形齒輪輪系設(shè)計變量較多，具有4個變量，分別為長軸半徑、偏心率、焦點在x軸的偏心距及焦點在y軸的偏心距。這4個變量一方面可以使得齒輪系更容易擁有合理的傳動比；另一方面可以優(yōu)化秧針尖點的運動軌跡，得出合理的“海豚曲線”，仿真出更加符合農(nóng)藝要求的秧針尖點運動軌跡。

雙偏心卵形齒輪最大缺點是設(shè)計困難，節(jié)曲線沒有具體的函數(shù)表達(dá)式，齒廓線也極為復(fù)雜。為此，從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，利用積分和求導(dǎo)，精確地計算出雙偏心卵形齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù),并且建模，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)和定位關(guān)系不斷對分插機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使秧針的運動軌跡滿足插秧機的工作要求。

2.1　雙偏心卵形齒輪行星系組成及工作原理

雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)(見圖4)，共有5個雙偏心卵形齒輪，初始安裝相位相同，齒輪1為太陽輪，太陽輪兩邊對稱布置2對雙偏心卵形齒輪，分別為中間輪2、3和行星輪4、5，栽植臂與行星輪固連，行星架與太陽輪共軸心。工作時，太陽輪固定不動，行星架轉(zhuǎn)動(為動力源)，中間輪2、3繞太陽輪轉(zhuǎn)動，帶動行星輪4、5周期性轉(zhuǎn)動；栽植臂6、7分別和行星輪4、5固結(jié)，作復(fù)合運動；其牽連運動時隨著齒輪箱作勻速順時針轉(zhuǎn)動，相對運動時隨著行星齒輪做不等速逆向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)秧針的取秧、送秧、回轉(zhuǎn)、避讓和回程這一系列循環(huán)運動。

1，5.行星輪　2，4.中間輪　3.太陽輪　6,7.插植臂

2.2　基本參數(shù)及結(jié)果分析

基本參數(shù)如表1所示。

雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，通過在SolidWorks中虛擬制造和在Adams對虛擬樣機的動態(tài)仿真，仿真模型如圖5所示。圖5中：1為秧針，2為雙偏心卵形齒輪輪系，得到秧針的靜軌跡和動軌跡如圖6所示。

表1　基本參數(shù)

圖5　仿真模型

圖6　雙偏心卵形齒輪行星系“海豚曲線”

由圖6計算得到：取秧角為38°，秧箱傾角為50°，實際整個曲線中，最大推秧角為78°。秧針軌跡與秧箱的方向垂直或近似垂直，這樣就能避免取秧時造成秧苗的折斷損傷。但是，若根據(jù)傳統(tǒng)插植機設(shè)計要求中的直立性三角關(guān)系：推秧角-取秧角=秧箱傾角，理論計算得出最大推秧角為88°。上述結(jié)果表明：實際取秧角變大，推秧角也有所增大；但不再嚴(yán)格遵循上述的直立性三角關(guān)系，所以進(jìn)一步對其進(jìn)行改進(jìn)。

3分插機構(gòu)對于秧箱導(dǎo)軌的調(diào)整

為了既能做到秧針軌跡與秧箱的方向垂直或近似垂直，又能夠保持秧苗的直立性，本文對秧箱導(dǎo)軌進(jìn)一步做出改進(jìn)?；陔p偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)，將秧箱導(dǎo)軌夾角從原來的90°分別調(diào)整為85°、80°、75°，調(diào)整后秧門的位置如圖7所示。

圖7　不同秧箱導(dǎo)軌夾角下秧門位置

當(dāng)秧箱導(dǎo)軌夾角變化時，秧門的相對位置也會發(fā)生變化，這意味著秧苗和秧針的夾角也會發(fā)生變化。當(dāng)秧門導(dǎo)軌夾角小于90°時，由于和秧盤接觸部分是爛泥，具有不可確定性因素，故秧苗和秧針的夾角與秧門導(dǎo)軌夾角的變化不成一定的比例。隨著秧箱導(dǎo)軌夾角的減小，秧苗和秧針的夾角會比原來有所增大。所以，推秧角-取秧角=秧箱傾角這個三角關(guān)系也會得到平衡，推秧角加上秧針與秧苗的夾角也可以更接近90°，從理論上保持了秧苗的直立性。通過雙偏心卵形齒輪行星系插秧機“海豚曲線”的結(jié)果分析：秧苗和秧針夾角要增大10°，才能夠平衡直立性三角關(guān)系，故對秧箱導(dǎo)軌調(diào)整的結(jié)果：秧箱導(dǎo)軌夾角為80°。其“海豚曲線”如圖8所示。

圖8　秧門導(dǎo)軌夾角為80°時“海豚曲線”

4結(jié)論

1) 提出了采用新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)的設(shè)計方案，利用雙偏心卵形齒輪行星系代替?zhèn)鹘y(tǒng)齒輪行星系。

2) 建立了新型雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)虛擬樣機模型，仿真結(jié)果表明：秧針軌跡與秧箱的方向垂直或近似垂直，避免了取秧時對秧苗的損傷，提高秧苗的栽植質(zhì)量。

3) 進(jìn)一步優(yōu)化雙偏心卵形齒輪行星系分插機構(gòu)，對秧箱導(dǎo)軌夾角做出調(diào)整，得到最合適的秧箱導(dǎo)軌夾角。即秧箱導(dǎo)軌夾角變?yōu)?0°，推秧角為78°，推秧角與秧苗和秧針夾角的和接近90°。

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The Design of High-speed Rice Transplanter New Mechanism

Guo Chenhai1，Chen Liguo1，Ge Jing2，Cao Xiaohui1，Shen Yan2

(1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China; 2.Changzhou Engineering Research Institute of Jiangsu University,Changzhou 213164, China)

Abstract：For the phenomenon of high-speed rice transplanter likely to cause injury when it works in the stage of getting seedling, the new design scheme of double eccentric oval gear planetary with transplanting mechanism system is put forward. Through the design of double eccentric oval gear, establish the system model,get the new type of double eccentric ovate transplanting mechanism with planetary gear of virtual prototype.The virtual prototype model of mechanism is established and simulation analysis is done, the analysis results show that compared with the traditional design scheme, in the new design scheme,the relationship between seedling needle trajectory and the seedling door position was optimized. When taking seedling, seedling needle trajectory and seedling plate are almost vertical, which ensures the quality of the seedlings; when the seedling box guide angle turns to 80 °,seedling angle to 78 °,the sum of seedling pushing angle and seedling or seedling needle angle closes to 90 degrees, seedlings orthostatic is optimized after the planting, and agronomic requirements is meeted .

Key words：high-speed rice transplanter;orthostatic;double eccentric oval gear;seedling box guide angle

中圖分類號：S223. 91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0113-04

作者簡介：陳麗果(1989-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)clg117@126.com。通訊作者：郭晨海(1959-)，男，江蘇鹽城人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)jsdxgh@163.com。

基金項目：江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(PAPD)

收稿日期：2015-09-01