共轭凸轮正圆齿轮水稻钵苗移栽机构的结构设计

共轭凸轮-正圆齿轮水稻钵苗移栽机构的结构设计摘要I摘 要我国水稻栽种面积常年维持在 3000 万公顷左右，遍及大陆 30 个省，占我国稻谷总种植面积的 30，占世界谷物总种植面积的 20，水稻总产量约 20000 万吨，占我国粮食产量的40，占世界谷物产量的 35%，居世界第一位。提高水稻的生产能力及产量，是保障我国粮食安全的长期战略目标。随着我国城镇化进程的推进，可耕种面积逐年缩少，从事农业劳动人口数量逐年下降，而我国人口的不断增加导致对粮食需求的增长，粮食供给更加困难。所以在有限劳动力及耕种面积的约束下，提高水稻生产机械化水平显得尤为重要。 为提高水稻产量，农艺专家经多年比较试种证明，水稻钵苗移栽技术由于不伤秧根、无缓苗期、秧苗低节位分蘖多，对于提高水稻产量具有明显优势（相对于插秧可以提高产量 10%-20%） ，而且可以实现省种、节肥、节水、节约成本、提高品质和增加粮食产量的目的，并且可以提高复种指数。本文突破移栽机构的传统结构，成功设计出了一种“共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构” ，主要研究内容如下：1）根据移栽机构运动分析及优化软件获得的结果，利用 AutoCAD2010 软件，完成了共轭凸轮正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的结构设计，为后续的样机试制提供基础性文件。2）对共轭凸轮非圆行星轮系水稻钵苗移栽机构各部件设计时所要考虑的因素进行了讨论，并详述了非圆行星轮系牵引机构、摆动共轭凸轮机构及移栽臂的结构设计、安装及可能问题3）为了装配方便，首先将移栽机构转 90作为初始安装位置，根据机构的传动关系确定了机构中共轭凸轮的初始安装角度为 20。关键词：钵苗移栽机构；共轭凸轮；正圆齿轮行星轮系；结构设计AbstractIIStructural Design of Transplanting Mechanism with Non-Circular Gear for Rice Pot SeedlingAbstractRice planting area in China perennial maintain at about 30 million hectares, throughout the mainland 30 provinces, accounting for 30% of the total rice planting area of China, accounting for 20% of the total cultivated area of world grain, rice total output of about 20000 tons, accounting for 40% of Chinas grain output, accounting for 35% of world cereal production, ranking first in the world.engaged in agricultural labor population decreased year by year, and the population of our country is increasing demand for grain growth, So in the limited cultivated area and labor constraints, improve the level of mechanization of rice production is particularly important.In order to improve the yield of rice, agronomic experts after years of comparative plant experimentally demonstrated that rice pot seedling transplanting technology due to not to hurt the seedling root, no slow at seedling stage, low seedling tillering, for improving the rice yield has obvious advantages (compared with transplanting can improve the yield of 10% - 20%), and to achieve provincial, fertilizer saving, water saving, cost saving, improve quality and increase food production, and the increase of the multiple crop index.This paper breakthrough the traditional structure of the transplanting mechanism, designed a kind of “conjugate cam - eccentric gear planetary gear train for rice pot seedling transplanting mechanism“, the main research contents are as follows:1) according to the results obtained by transplanting mechanism motion analysis and optimization software using autocad2010 software, completed the structural design of conjugate cam eccentric gear planetary gear train for rice pot seedling transplanting mechanism, provide the basic documents for subsequent prototype.2) of conjugate cam non circular planetary gear train for rice pot seedling transplanting mechanism of each component design should consider the factors are discussed, and details of Non-circular Planetary gear train traction mechanism, a swing of conjugate cam mechanism and transplanting arm structure design, installation and possible problems3) for ease of assembly. First of all, the transplanting mechanism turn 90 degrees as the initial installation position, according to the mechanism of the transmission relationship determine the conjugate cam mechanism in the initial installation angle of 20 degree.Keywords: pot seedling transplanting mechanism, conjugate cam, circular gear planetary gear train, structural design目录i目 录摘要 .IAbstract .II1 前 言 .- 1 -1.1 水稻移栽机研究的背景及意义 .- 1 -1.2 国内外研究现状 .- 2 -1.2.1 国外研究情况 .- 2 -1.2.2 国内研究情况 .- 3 -1.3 水稻钵苗移栽机的发展趋势 .- 6 -1.4 研究内容 .- 7 -2 机 构 的 工 作 过 程 及 原 理 .- 8 -3 共 轭 凸 轮 正 圆 齿 轮 行 星 轮 系 水 稻 钵 苗 移 栽 机 构 的 结 构 设 计 .- 9 -3.1 移栽机构的整体结构布局 .- 9 -3.2 移栽机构各组成部分的结构设计 .- 10 -3.2.1 正圆齿轮行星轮系牵引机构的结构设计 .- 10 -3.2.2 摆动式共轭凸轮机构的结构设计及安装 .- 11 -3.2.3 移栽臂机构的结构设计及安装 .- 12 -3.3 移栽机构的初始安装位置确定 .- 17 -3.4 部件设计的注意事项 .- 18 -4 结 论 .- 20 -参 考 文 献 .- 21 -致 谢 .- 24 -前言- 1 -1 前 言1.1 水稻移栽机研究的背景及意义 我国水稻种植历史悠久，河南的贾湖、浙江的河姆渡等地的炭化谷物表明，至少为七千年 1，到目前为止，我国的口粮消费量约占粮食消费总量的 55%，在口粮消费中水稻约占 60%。据统计，我国水稻种植面积常年维持在 3000 万公顷左右，占我国谷物种植总面积的 30，遍及大陆30 个省（区、市） ，占世界水稻种植总面积的 20，水稻总产量约 20000 万吨，占我国粮食总产量的 40，占世界稻谷总产量的 35%，居世界第一位。因此，水稻在我国口粮和粮食安全的问题上拥有极其重要的地位 2-3。但是，随着我国城市化进程的推进，青壮年劳动力大量涌入城市，造成农村人口老龄化加剧，从事农业劳动人口的绝对数量下降，并且耕地面积逐年减少，这就会对农业生产造成一定的负担。因此，在有限的耕地面积及劳动力减少的条件下，利用机械来种植水稻是提升工作效率及增加产量的一条必经之路。近年来，国家逐渐发现农业生产机械化的重要性，并相应出台了多项政策，其中农业部为了大力推进水稻机械化生产，颁布了全国水稻生产机械化十年发展规划（2006-2015） ，规划指出：在 5-10 年内大力发展我国水稻优势产区，并将其作为重点，以水稻种植过程中的育秧、插秧、收获三个主要过程为发展其机械化的核心着力点，进而带动在田间耕整地、田间管理、烘干等过程的全面机械化，实现水稻生产主要环节的机械化水平达到 70以上。力争在 2020 年之前，全国基本实现全程机械化的水稻生产模式 4。目前水稻的种植机械按照不同的农业要求及实现形式大致分为两种，分别是直播机和移栽机。其中，采用机械直播水稻技术可以缩短育苗时间、减少移栽作业工序、降低作业成本、提高生产效率，有利于机械作业，适用于大面积种植水稻，但容易出现草害、倒伏等问题。此外与水稻移栽方式相比，直播方式的用种量大（约为移栽用种量的 8-10 倍） ，对水稻种植的地域、生长期、稻种品质、灌溉技术、整地质量等都有较严格的要求，而其产量优势并不明显 5。所以我国水稻机械化种植还主要采用移栽技术。水稻移栽分为两种形式：插秧和钵苗移栽。插秧采用毯状苗和半钵毯状苗，从秧盘中取出毯状苗置于秧箱上，工作中分插机构从毯状苗上撕下一块秧苗，输送并栽植到地面，这种方式会对秧苗根部造成一定伤害，移栽后需要 7-10 天的缓苗期，对秧苗的健康发育造成不利影响，从而会影响产量；钵苗移栽将育有秧苗的穴孔型塑料秧盘与秧苗一起置于秧箱上，工作中栽植机构从秧盘上取出钵土苗，输送后栽植到地面。水稻农艺专家经多年比较试种证明，钵苗移栽由于不伤秧根而无缓苗期，有利于秧苗低节位的有效分蘖，可实现省种、节肥、节水、节约成本、提高品质、增加粮食产量的目的 6，并可以提高复种指数，水稻钵苗移栽技术对水稻的产量提高具有明显优势，相对于插秧可以提高产量 10%-20%7。与此同时，我国的人口数量以每年 1600 万的进度持续增长，对粮食的需求也在逐年增加，给我国粮食的供应及安全带来了极大的挑战。我国从九十年代初就开始从国外引进先进的移栽设备，其中包括水稻钵苗行抛机、水稻行栽机、水稻摆栽机等 8。但是由于这些机器结构复杂、前言- 2 -效率低且可靠性差等原因，市场没有适应中国农艺要求的低价高效的钵苗移栽机，该项农艺一直未能得到大面积推广，因此研究出适用于我国国情的轻简化、稳定、高效、价格低廉的水稻钵苗移栽机迫在眉睫，并具有深远的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究情况欧美、澳大利亚等一些发达国家通常是采用直播技术，对水稻钵苗移栽机的研究较少。亚洲是水稻的主产区及主要消费区，而日本一直是对水稻钵苗移栽技术研究最早的，也是领先的国家，因此仅对市场上出现的日本钵苗移栽机型进行介绍 9-11。早在上世纪 60 年代，日本率先以纸筒育苗为基础，对纸制钵盘育苗方法进行研究，用来解决其在北方地区水稻插秧时秧苗抵抗寒冷和低温的问题，并解决了水稻秧苗育秧中的根部缠绕粘连问题，使纸质钵盘在技术上得到了突破。人们在此基础上利用其育苗，培育出的秧苗具有根系完整独立的特点，通过借助秧苗的运动学特性，进行人工抛秧，使水稻种植户从弯腰插秧传统方式，变为直立抛秧，经实践证明，此方法在一定程度上提高了产量。但是由于纸盘加工较复杂，且纸质钵盘使用一次不经济，未得到农户的认可 12。到了 1975 年，日本研制出塑料秧盘，用来进行水稻钵苗育秧，为了配合这种秧盘，研究出了一种水稻钵苗移栽机，该机采用顶杆间歇工作的方法，将秧苗从钵盘下面顶出。由于要求定位机构具有一定的准确度，顶杆磨损严重，造成钵苗不能成功脱离钵盘，因此失败。接着日本洋马农机株式会社研制出了一种顶出式水稻钵苗移栽机构，该移栽机构是由顶出式分秧机构和旋转式栽植机构组成 13，顶出式分秧机构的工作过程如图 1-1 所示，当钵盘运动到分秧位置时，顶杆快速伸入小孔，将秧苗顶出后，并迅速退出钵盘，在整个过程中，钵盘处于运动状态，这就要求整个机构协同度高。但在顶针的运动中，自身承受的冲击载荷大，对机构精度要求高，长期工作磨损后，整个机构协同度下降，常出现顶偏，损坏塑料秧盘，顶出时挂住秧苗的现象，且对整地和育秧质量有较高要求 14。1.钵盘下移 2.顶杆运功 3.顶杆顶出秧苗图 1.1 日本有序抛秧机构顶秧过程示意图Fig.1-1 Seeding ejection process sketch of Japanese transplanter2004 年，日本研制出了旋转式栽植机构，其核心部件是由两个行星轮机构串联而成，如图1-2 所示。其齿轮箱相当于行星架，第一齿轮箱由 9 个齿轮（其中 2 个扇形齿轮）和一套摆动凸轮机构构成；第二齿轮箱内装有五个齿轮，并与第一齿轮箱内的行星轮固连。作业过程中，顶出的钵苗通过水平输送带分别送至两侧旋转机构上 15，通过旋转机构将钵苗植入地里，完成钵前言- 3 -苗的移栽，实现带钵秧苗的成行移栽。该机可实现均匀移栽，且作业质量较好。但由于是两套机构完成移栽过程，且轨迹和机构较为复杂，可靠性低，设计和制造成本较高，所以该机器未能得到应用。如图 1-4，是日本井关农机株式会社生产的一台有序水稻钵苗移栽机 16。该机器具有不伤秧和栽植精度较高的特点，但其分秧、输送、栽植分别是由三套不同的机构完成，结构复杂，加工精度高、需要专配钵盘，整机价格昂贵（26 万左右） 。图 1-2 钵苗移栽机构 图 1-3 日制水稻钵苗有序移栽机Fig.1-2 Seedling transplanting mechanism Fig.1-3 The rice seedling orderly transplanting machine1.2.2 国内研究情况1990 年代以来，我国的科研工作者们也逐渐开始了对水稻钵苗移栽机械的研究，在吸收国内外先进技术的基础上，中国农业大学、南京农业机械研究所、浙江大学、浙江理工大学、东北农业大学和黑龙江省八一农垦大学等国内各大高校、科研院所、企事业单位中的许多专家学者都相继开始了对钵苗育秧技术与移栽技术的研究 17，并陆续研制出了一些移栽机器及模型。其中较为典型的机型如下：黑龙江八一农垦大学在 1992 年研制出的 2SP-4 型水稻抛秧机 18，如图 1-4（a）所示。该机器是由机械手滚筒机构与纵向、横向进给机构等组成。其核心部件的工作原理为：如图 1-4（b）所示，套筒 4 固定在滚筒 6 上，随滚筒 6 旋转，伸缩凸轮 5 置于滚筒 6 内，固定不动，用来控制伸缩杆 3 的伸缩，伸缩杆 3 位于套筒 4 内，其一端伸入滚筒 6 内与伸缩凸轮 5 接触，另一端伸出套筒 4 并装有秧钳。在滚筒 6 运动至取秧位置前，由于伸缩凸轮 5 的作用，伸缩杆3 逐渐伸出，当机构运动至取秧位置时，伸缩杆 3 达到最大行程，使秧钳 1 能够夹到钵苗，与此同时，套筒 4 上夹秧凸轮 7 刚好触碰到机架上的取秧挡铁，从而控制秧钳 1 的夹紧，在完成夹秧动作后，伸缩杆 3 由伸缩凸轮 5 的最高点运动至最低点，并通过压缩弹簧 2 的作用，伸缩杆3 立即收回，从而将秧苗拔出钵盘。滚筒转过 180后，机构运动至推秧位置，夹秧凸轮 7 触碰机架上的推秧挡铁 8，使秧钳 1 张开，将钵苗抛入地里，从而实现水稻的移栽。且在滚筒 6 上可装多个套筒 4，机器旋转一周可实现多次移栽。前言- 4 -(a)整体结构 (b)核心工作部件图 1-4 2SP-4 型机械手式水稻抛秧机总体结构图Fig.1-4 2SP - 4 type manipulator rice seedlings machine overall structure该机构在取秧时，通过凸轮控制夹秧苗茎部，秧爪的预留间距和秧苗的粗细相互矛盾，会有漏秧、伤秧的情况发生，在栽秧时由秧钳通过机构回转产生的惯性力和秧苗本身的重力共同作用将秧苗抛向地面。但由于秧苗的个体大小不同，导致脱离钳口的时间很难控制，即很难实现精确移栽，并且秧苗直立度差，很容易出现倒伏及漂秧现象，没有得到大面积推广。2002 年中国农业大学在 2ZPY 系列旋转锥盘式水稻抛秧机 19-20的基础上，研制出 2ZPY-H530 型水稻钵苗行栽机 21-24，如图 1-5 所示。该机器的移栽部分主要由输秧辊 4、压秧板6、上拔秧辊 8 和下拔秧辊 9 组成。采用双辊式的拔秧方式，人为的将秧盘放到托板上并将其喂入输秧辊 4，通过上下拔秧辊 8、9 沿相反方向旋转，使其上的夹秧板逐渐将钵苗从钵盘中拔出。两夹秧板随着拔秧辊的转动而脱开，秧苗在通过重力的作用进入导苗管并落入田中。该机构构思巧妙、结构简单，接近产业化，但由于钵苗依靠重力通过管道落入田中，株距的均匀性难以保证。2003 年沈阳农业大学通过空气整根气吸方法研究出了一套水稻钵苗空气整根气吸式移栽机 25，如图 1-6 所示，该机构利用了水稻钵苗空气整根育秧、气吸取苗、投苗的有序移栽方法。其工作原理为：当钵苗秧盘大口向下时，机器自动将其由移箱机构输送至吸气口上端，与此同时吸气阀门开启，钵苗在负压作用下脱盘并加速下落；当抵达至空气室时，落苗阀门打开，吸气阀门关闭，钵苗落入田地，完成移栽。该机构的限制在于只有 4 个投苗机构，机构通过间歇运动完成送秧、吸苗、落苗的移栽过程，限制了作业速度。1.机架 2.托盘 3.拨杆 4.输秧辊 5.秧苗 6.压盘板 7.支座 8.上拔秧辊 9.下拔秧辊图 1-5 对辊式拔秧机构Fig.1-5 The roller pulling seedling图 1-6 气吸式有序移栽机整机总体配置示意图Fig.1-6 Gas suction orderly transplanting machine machine overall configuration diagram前言- 5 -2007 年，延吉光华机械厂发明了一种水稻钵苗移栽机构 26，并进行了试验应用。如图 1-7 所示，该机构是由动力传送齿轮箱 10、移栽四轩机构和稳定三连杆机构组成。其中移栽四杆机构是由上驱动曲柄 7、移栽臂连杆 6、移栽臂杆 23、摇杆 14 顺次铰接而成，在移栽臂杆23 上装有夹秧装置；稳定三连杆机