小型水稻插秧機設(shè)計與試驗研究

李海連, 羅春陽, 王明旭, 薩義德

(北華大學(xué) 機械工程學(xué)院,吉林 吉林 132021)

0 引言

水稻是我國主要糧食作物之一,種植面積近3億hm2,占全國糧食產(chǎn)量35.19%[1-2]。但水稻種植的機械化水平僅為26%,遠遠低于國家計劃45% 的目標[3-4]。目前,我國山地和丘陵地區(qū)仍占據(jù)水稻種植的很大比重,山區(qū)地帶的水稻種植多為梯田,丘陵地區(qū)則多為分片種植,嚴重制約了大型農(nóng)用機械的使用[5]。據(jù)調(diào)查,目前國內(nèi)市場上多為大中型機動插秧機,價格昂貴、操作靈活性較差,不適合于個體農(nóng)戶在山區(qū)、丘陵地域使用[6-7]。山地、丘陵地區(qū)多采用人工種植的方式,而人工插秧延誤農(nóng)時,降低產(chǎn)量,致使水稻這一高產(chǎn)作物難以發(fā)揮潛力。因此,從實際上解決水稻種植中遇到的瓶頸問題,研發(fā)一種適用于丘陵、山區(qū)地域的小型人力插秧裝置已成為迫切的需求。

目前,現(xiàn)有的小型插秧裝置主要以人力拖拽、搖動手輪的方式完成插秧動作,由于搖輪力與拖拽力的不協(xié)調(diào),極易造成使用者的疲勞。同時,小型插秧機的移箱機構(gòu)普遍采用了齒條棘爪擒縱機構(gòu),磨損快、阻力大,更加加劇了使用者的疲勞感。

本文針對山地及丘陵地區(qū)水稻種植中大型插秧機無法作業(yè),小型插秧機操作不靈活、費力的問題,設(shè)計了一種依靠人力拖拽的葉輪取能式小型插秧機,為小型插秧機的設(shè)計及試驗提供了借鑒和參考。

1 水稻插秧機的工作原理

插秧機的工作原理如圖1所示。工作時,插秧機在田間行走,通過人力拖拽插秧機,取能葉輪通過傳動鏈將動力傳遞給曲柄,曲柄通過連桿帶動插秧爪完成分秧及插秧動作。在一個工作循環(huán)中,插秧爪下行至秧箱,完成分秧動作;插秧爪夾持秧苗繼續(xù)下行,將秧苗插入秧池土壤中;移箱機構(gòu)將秧箱橫移一個步距,將秧盤中下一株秧苗移至分秧工位;插秧爪進入回程階段,插秧爪上移返回工作循環(huán)的起始位置。

1.移箱機構(gòu) 2.秧箱 3.插秧爪 4.連桿 5.曲柄 6.秧苗

2 插秧機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

小型水稻插秧機由分插機構(gòu)、移箱機構(gòu)及輔助機構(gòu)組成,如圖2所示。系統(tǒng)動力由人力拖動插秧機產(chǎn)生,通過取能輪上的葉片插入泥土促使取能葉輪轉(zhuǎn)動,再通過傳動比為2∶1的鏈輪將動力源傳遞到插秧機構(gòu)中,從而保證了秧苗株距的一致性。秧苗垂直置于秧箱內(nèi),插秧秧爪通過曲柄連桿控制進行大曲率圓弧軌跡的擺動,可精準地從秧箱內(nèi)完成分秧動作,進而實現(xiàn)插秧動作。為了防止插秧爪從泥土中抬起時帶出秧苗,造成立苗不穩(wěn)定現(xiàn)象,在插秧爪機構(gòu)中設(shè)置了踢秧裝置。插秧機整機質(zhì)量為5.5kg,帶拉桿長寬高為927mm×625mm×600mm,插秧頻率250次/min。

2.1 插秧機構(gòu)設(shè)計

插秧機構(gòu)的作用是從秧盤中分取一定數(shù)量的秧苗并插入土中[8],圖3為葉輪取能式雙行插秧機構(gòu)。

1.限位器 2.插秧針 3.踢秧器 4.齒形帶 5.大帶輪 6.取能葉輪 7.傳動軸 8.搖桿 9.踢秧連桿 10.觸發(fā)杠桿 11.橫桿 12.連桿 13.曲柄 14.小帶輪

該插秧機構(gòu)由安裝在插秧機船板上的葉輪獲取回轉(zhuǎn)動能,通過取能帶輪、取能皮帶及傳動帶輪,將回轉(zhuǎn)動能傳遞給曲柄,再通過曲柄連桿機構(gòu)帶動搖桿實現(xiàn)插秧往復(fù)動作。為了控制插秧深度,在插秧搖桿前端設(shè)置了限位器,按照“不漂不倒,越淺越好”的農(nóng)藝生產(chǎn)要求[9],插秧深度可通過調(diào)整限位器的高度來實現(xiàn)栽插深度的控制。為了避免由于淤泥的粘黏作用插秧針將插入的秧苗帶出,插秧機構(gòu)中設(shè)置了踢秧裝置,即搖桿帶動插秧裝置向下擺動至最低點時,插秧針已將秧苗插入土壤,此時觸發(fā)杠桿遇到船板底部的擋塊而發(fā)生轉(zhuǎn)動,由于杠桿及連桿的作用引起橫桿向下平移,從而使踢秧器相對插秧針向下移動,秧苗從插秧針中脫離并留在土壤中。

2.2 移箱機構(gòu)設(shè)計

移箱機構(gòu)的作用是實現(xiàn)秧箱的自動進給及換向[10]。秧箱內(nèi)的秧苗是通過標準的育秧托盤培育出來的, 排列整齊的秧苗平鋪在45°角傾斜的秧箱內(nèi)。插秧機構(gòu)需要與移箱機構(gòu)相配合,實現(xiàn)秧苗的逐行分離栽插[11]。每當完成一次插秧動作,移箱機構(gòu)需要自動橫移一個步距,將下一個秧苗移至插秧工位,保證插秧的連續(xù)性;當一行秧苗被逐個分離插入土壤后,秧盤內(nèi)的秧苗依靠重力會自動下移,完成補苗動作,此時秧盤需要反向移動,將下一行秧苗逐個分離栽插。因此,移箱機構(gòu)需要的兩個動作是步進橫移和換向。

移箱機構(gòu)利用循環(huán)鏈及棘輪機構(gòu)實現(xiàn)了步進控制,利用循環(huán)鏈及滑塊機構(gòu)實現(xiàn)了往復(fù)換向動作,結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,U型槽板固定安裝于插秧機骨架上,為裝置的固定支撐件,其上安裝了一對鏈輪及循環(huán)鏈,穿過槽板裝有棘輪棘齒機構(gòu)及拉桿;在U型槽板上通過4個滑輪與槽板配合,安裝了秧箱托架,秧箱托架可在U型槽板內(nèi)自由滑動;循環(huán)鏈上固定了一個圓柱形滑塊,滑塊與秧箱托架上的滑槽相配合。當循環(huán)鏈帶動滑塊向左側(cè)移動時,由于滑槽的橫移限制,滑塊將帶動秧箱托架向左移動;當滑塊經(jīng)過一側(cè)鏈輪時,滑塊將產(chǎn)生向下(或向上)移動的位移量,此時滑槽將不約束其上下移動,保證滑塊順利移動至另一側(cè)的循環(huán),完成了換向的動作;接著,滑塊將帶動秧箱托架向相反方向移動。棘輪棘齒機構(gòu)及拉桿是用來與插秧動作建立起聯(lián)系,實現(xiàn)步進橫移動作。插秧機構(gòu)完成分秧栽插動作時,會觸發(fā)拉桿向下移動,拉桿通過棘齒撥動棘輪轉(zhuǎn)過一個角度,棘輪與鏈輪1同軸連接,鏈輪1亦轉(zhuǎn)過相同角度,從而通過循環(huán)鏈及滑塊實現(xiàn)秧向一個固定步距的移動。相比較傳統(tǒng)的移箱構(gòu)而言,本文提出的移箱機構(gòu)利用了循環(huán)鏈及棘輪等簡單機構(gòu),工作可靠性高,步進精度滿足需求,使用壽命長,且解決了齒條棘爪擒縱機構(gòu)的磨損快、阻力大的問題,也解決了往復(fù)絲杠造價高及不易維護的問題。

1.秧箱托架 2.棘齒 3.棘輪 4.拉桿 5.循環(huán)鏈 6.滑輪 7.滑塊導(dǎo)向槽 8.U型槽板 9.鏈輪2 10.滑塊 11.鏈輪1

3 插秧機仿真分析

3.1 插秧機構(gòu)運動仿真分析

插秧機構(gòu)是決定插秧質(zhì)量和作業(yè)效率的關(guān)鍵機構(gòu),本文所設(shè)計的插秧機是人力推拽行進,在行進過程中依靠葉輪獲取回轉(zhuǎn)動能,并將其傳遞給插秧機構(gòu),驅(qū)動插秧機構(gòu)的運動。因此,插秧機構(gòu)運動過程中所需的扭矩是一個關(guān)鍵參數(shù)。為了研究所設(shè)計機構(gòu)的合理性,針對插秧機構(gòu)進行了簡化,利用簡化模型進行了運動仿真分析,簡化模型如圖5所示。

圖5 插秧機構(gòu)簡化模型

簡化模型是一個四桿機構(gòu),連桿1為固定件,連桿4為插秧搖桿,連桿2為動力輸入的曲柄,所有連桿之間均為鉸鏈連接,在連桿2上以鉸鏈1為中心施加一個扭矩,通過連桿3驅(qū)動連桿4產(chǎn)生往復(fù)擺動。

通過運動仿真中的機構(gòu)動畫可以看出,所設(shè)計的插秧機構(gòu)動作完全滿足插秧需求。在連桿4上距離鉸鏈4 243.9mm的位置設(shè)置質(zhì)心點,賦予1.68kg質(zhì)量(質(zhì)心位置與質(zhì)量大小為模型中測量),利用軟件生成插秧機構(gòu)扭矩-時間曲線,如圖6所示。

圖6 插秧機構(gòu)扭矩-時間曲線

根據(jù)仿真分析可知:一個工作循環(huán)中,最大的扭矩出現(xiàn)在第7步長,最大值為509N·mm;最小扭矩出現(xiàn)在第21步長,最小值為24.3N·mm。已知動力傳遞中有2∶1增速環(huán)節(jié),則增速前輸入的扭矩應(yīng)增大1倍,即為1 018N·mm。輸入扭矩由葉輪提供,葉輪半徑為150mm,則

τ=F·r

其中,τ為扭矩(N·mm),F為作用力(N),r為力矩半徑(mm)。

由此得葉輪與淤泥之間的作用力F葉=6.8N。插秧機與淤泥的摩擦力為F摩,已知插秧機滿載狀態(tài)下移機阻力為26.8N,則有F移=26.8N,則拖拽插秧機所受到的阻力為F=F葉+F移=33.6N。

操作插秧機所需的拖拽力為33.6N,根據(jù)國家勞動強度標準,操作本插秧機的施力角度約為操作者體重的20%,操作者按照75kg計算,則符合人機工程的拖拽力為15kg,即為150N,約為實際拖拽力的4.46倍。因此,所設(shè)計的插秧機構(gòu)運動滿足作業(yè)需求,葉輪取能機構(gòu)合理,移機載荷適合人力操作。

3.2 插秧機關(guān)建零件有限元仿真分析

插秧針是插秧機中保證插秧質(zhì)量的一個關(guān)鍵零件,承擔著秧苗分離及栽插任務(wù)[12]。分離秧苗時存在與植質(zhì)秧盤的摩擦,易導(dǎo)致秧針磨損[13];栽插秧苗時存在與土壤短暫拖行的情況,易造成秧針的彎曲變形。為了解決這些問題,針對插秧針進行了優(yōu)化設(shè)計,插秧針整體為U形,材料選取合金彈簧鋼,秧苗拾取部分削平形成刃口,以便于秧苗分離及減少秧針磨損。

為了驗證插秧針結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材的合理性,進行了有限元靜力學(xué)仿真分析,插秧針材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 插秧針材料力學(xué)性能[14]

插秧針工作中分別受到兩個力作用:一是秧苗分離過程中受到的垂直于秧針方向的撕扯力;另一個是秧苗栽插過程中由于插秧機持續(xù)行進,土壤對秧針的反作用力。這兩個力先后作用于插秧針,且作用方向相同,因此只需考慮最大作用力即可。插秧針通過螺釘壓板固定在安裝座上,將安裝座設(shè)置為固定約束,插秧針與安裝座設(shè)置為接觸粘合,在插秧針的秧苗拾取部分施加10N(實驗測得9.6N)的垂直作用力,仿真結(jié)果如圖7所示。

(a) 插秧針應(yīng)變分布圖 (b) 插秧針應(yīng)力分布圖

插秧針受到功能約束及空間尺寸的限制,針體直徑較小,且由于結(jié)構(gòu)上為懸臂布置,因此插秧針出現(xiàn)了彎曲變形,如圖7(a)所示。其最大變形量為0.142mm,變形量微小,不會影響插秧精度,也不會導(dǎo)致機構(gòu)干涉,可認為該插秧針剛度參數(shù)合格。在安裝座的根部出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中,如圖7(b)所示。該處應(yīng)力值為51.45MPa,按照規(guī)定彎曲狀態(tài)屈服強度校核為靜態(tài)計算應(yīng)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154.35MPa,該值應(yīng)小于材料的屈服強度[15]。插秧針所用材料為60Si2Mn,其屈服強度值為1 176MPa,遠大于受到的應(yīng)力,因此插秧針在工作條件下強度合格。

4 試驗測試

設(shè)計加工了插秧機的樣機,未安裝秧箱及船板,如圖8所示。

圖8 插秧機實物圖

利用樣機配合使用測力計及游標卡尺進行了移箱力、移箱精度及葉輪取能力的試驗測試。測試過程如下:

1)將測力計鉤掛到鏈式往復(fù)循環(huán)機構(gòu)的拉桿上,拉動測力計,觸發(fā)循環(huán)機構(gòu)動作,同時讀取最大拉力值;

2)手動拉動鏈式往復(fù)循環(huán)機構(gòu)的拉桿,觸發(fā)循環(huán)機構(gòu)動作,利用卡尺測量橫移機構(gòu)步進距離;

3)將測力計鉤掛到取能葉輪的最高點,水平拉動測力計,驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn),從而帶動插秧機構(gòu)完成完整的分秧、插秧動作,讀取并記錄最大拉力值。

測試結(jié)果如表2所示。

表2 插秧機樣機試驗數(shù)據(jù)表

通過樣機的測試過程可以看出:鏈式往復(fù)循環(huán)機構(gòu)及葉輪取能插秧機構(gòu)完全實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計的功能要求,機構(gòu)動作流暢,無干涉現(xiàn)象,亦無載荷突變情況。由樣機的測試數(shù)據(jù)可以看出:移箱力平均值僅為3.4N,較比齒條棘爪式的移箱力(約9N)大大降低;移箱機構(gòu)由于磨損小,精度保持性更高了,移箱最大誤差僅為4.5% ;葉輪取能負載為7.2N,理論計算值為6.8N,試驗測的數(shù)值與理論計算數(shù)值的偏差僅為5.6%,可認為運動仿真、理論計算與試驗數(shù)據(jù)相符,測試結(jié)果真實可靠。

5 結(jié)論

1)在分析了水稻插秧機的研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,針對丘陵地區(qū)插秧問題,提出了一種小型人力插秧機,重點針對移箱往復(fù)循環(huán)機構(gòu)及插秧機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。采用鏈與滑塊相結(jié)合的機構(gòu)替代了原有的齒條棘爪式循環(huán)機構(gòu),利用拖拽插秧機時取能葉輪的被動旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動插秧機構(gòu)完成插秧動作。

2)利用Siemens NX軟件建立插秧機模型,針對插秧機構(gòu)進行了運動仿真分析,并針對插秧針進行了有限元靜力學(xué)仿真分析,以仿真分析結(jié)果為依據(jù)對模型進行了優(yōu)化設(shè)計。進行了物理樣機的試驗測試,結(jié)果表明:插秧機移箱負載大大降低,移箱精度穩(wěn)定性高,葉輪取能負載小,測試數(shù)據(jù)與仿真分析相吻合,完全符合插秧機結(jié)構(gòu)改進的初衷,證明了改進方案的合理性。