水稻插秧机分插机构的主要形式及研究现状.pdf

水稻插秧机分插机构的主要形式及研究现状柳春柱王金武27水稻插秧机分插机构的主要形式及研究现状柳春柱，王金武(1黑龙江省农垦科学院农业工程研究所，黑龙江佳木斯154007；2东北农业大学工程学院)摘要：介绍了我国水稻插秧机分插机构的主要形式及研究现状，并对不同形式的分插机构的结构原理、性能特占及适用性等进行了比较分析。关键词：插秧机；分插机构；主要形式分插机构是水稻插秧机从秧群中分取一定数量的秧苗并插入土中的机构，它是插秧机的主要工作部件，其性能决定插秧质量、工作可靠性和插秧频率I1。目前使用的插秧机主要是曲柄摇杆式机型，但近几年也陆续出现了一些设有先进分插机构的插秧机。下面具体介绍我国水稻插秧机分插机构的几种主要形式。l传统分插机构传统分插机构主要有摇臂导杆式分插机构、转臂滑道式分插机构、曲柄摇杆式分插机构。a摇臂导杆式分插机构主要用于人(畜)力插秧机上，适用于洗根苗。b转臂滑道式分插机构工作原理是，分插轮的转动与主副滚轮受环形滑道控制的相对摆动相组合，滑道摩擦大，结构复杂_2。C曲柄摇杆式分插机构(参见图1)各构件为平面低副连接，结构简单，在水田的恶劣环境下有很好的工作适应性且便于维护，在日本和我国生产的插秧机中广泛采用，代表机型是2ZT935，适用于毯状苗的插秧；缺点是插秧效率低，振动大。由于曲柄摇杆式分插机构高速栽插时，各构件将产生较大的弹12345671栽植臂体(连杆)2推秧杆3推秧弹簧4推秧拨叉5曲柄6凸轮7摇杆图1曲柄摇杆分插机构示意图收稿日期：2006-051O作者简介：柳春柱(1968一)，男，研究员，在读硕士研究生。通讯作者：王金武(197O一)，男，教授，博士生导师，主要从事田间机械研究。性变形和动应力，影响该型插秧机的栽插性能。对此，可通过弹性动力学分析及计算机程序的运算，优化机构各构件截面尺寸，减小质量。目前可以实现的插秧频率为260270次min。2高速分插机构高速分插机构比传统的分插机构优越，主要是由于采用旋转式分插机构取代了传统的曲柄摇杆式分插机构。日本从2O世纪8O年代开始研究，我国从9O年代开始研究其优点是，旋转式分插机构惯性力小旋转一周插秧2次，插秧质量好、效率高，插秧频率400600次min。旋转式分插机构的研究方向主要集中于在保证插秧质量的前提下实现高速化和轻型化_】。目前的高速分插机构主要有旋转滑道式双分插机构、双控制式分插机构、偏心链轮式分插机构、偏心齿轮行星系分插机构、正齿行星轮式分插机构、椭圆差速分插机构、圆柱齿椭圆齿行星系分插机构、非圆齿轮行星轮系双分插机构。21旋转滑道式双分插机构在借鉴It本旋转式分插机构的基础上，1993年吉林省四平农机化所设计了旋转滑道式双分插机构，分插频率350400次min，适应株距1224cm；不足之处是滑道磨擦阻力大，加工难度大，成本高，质量低。1第一栽植臂2滑道3第二栽植臂图2旋转滑道式双分插机构示意图22双控制式分插机构1998年浙江大学研制的双控制式分插机构获维普资讯28现代化农业2006年第9期(总第326期)得专利，该机构由曲柄摇杆机构和行星齿轮系组合形成。曲柄摇杆机构由曲柄、摇杆、连杆组成，安装在链轮箱中；行星齿轮系由太阳齿轮、对称安置的2个中间齿轮和2个行星齿轮组成，安装在行星齿轮箱中。曲柄由偏心圆盘(偏心圆盘的偏心量即为曲柄长度)代替并与主动链轮做成一体，摇杆与行星齿轮系的中心太阳轮固接，连杆分别与偏心圆盘和摇杆铰接。当曲柄绕主动链轮轴旋转时，由摇杆带动中心太阳轮作往复摆动。行星齿轮箱由被动链轮轴带动旋转，这样行星齿轮系中的行星齿轮的运动由行星齿轮的自转、绕太阳轮的公转和曲柄摇杆机构通过中心太阳轮传递过来的往复运动组成。在每个行星齿轮上固接一个栽植臂，行星齿轮箱转动一周可插秧2次，通过优化参数使栽植臂秧针的运动满足插秧所需的运动轨迹。该分插机构主要用于小苗的插秧作业。通过对秧针尖的速度分析可以发现，其运动速度相对较高，有一定的伤秧现象4。12341摇杆2连杆3曲柄4链条5行星轮6栽植臂7中间轮8太阳轮9中间轮1O栽植臂11行星轮图3双控制式分插机构传动示意图23偏心链轮式分插机构5461行星轮2太阳轮3链条4张紧轮5栽植臂6行星架图4偏心链轮式分插机构示意图偏心链轮式分插机构如图4所示，它采用3个等径的偏心链轮，由其中2个偏心链轮的传动比变化实现分插机构的传动要求。两偏心链轮轮心在一个工作周期中的靠近和远离造成链条的松紧变化，由偏心张紧链轮4消除。在对该机构进行理论分析后，采用优化方法，在优化太阳轮2和行星轮参数时，把取秧角、插秧角、秧针轨迹和秧针轨迹高度作为目标函数；在优化张紧轮参数时，把链条处于张紧状态下的长度变化最小作为目标函数。在此基础上用VB平台编制优化软件优化参数，使得该机构能同时满足插大苗和小苗的两种工况要求，链条总长度的变化在3mm之内5。24偏心齿轮行星系分插机构偏心齿轮行星系分插机构由日本率先发明，并在中国申报专利。该机构(参见图5)共有5个半径相同的偏心齿轮，太阳轮4固定不动，两边对称布置2对齿轮，栽植臂1固定在行星轮2上，行星架5与太阳轮共轴。工作时，行星架转动，2个惰轮3(也称中间轮)绕太阳轮转动，带动2个行星轮在周期内摆动，栽植臂随行星架的圆周运动和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动，构成了特殊的运动轨迹，可满足秧爪轨迹和姿态的要求。偏心齿轮行星系分插机构与椭圆齿轮行星系分插机构相比较，加工简单，但齿隙变化引起振动，需增加防振装置，结构较复杂。中国学者也对该机构进行了研究和改进，在对该机构进行运动分析的基础上，用解析法建立了该分插机构的运动学模型6。1栽植臂2行星轮3惰轮4太阳轮5行星架图5偏心齿轮行星系分插机构示意图25正齿行星轮式分插机构图6正齿行星轮式分插机构示意图1栽植臂2行星轮3椭圆中间轮4太阳轮5正圆中间轮6行星架维普资讯水稻插秧机分插机构的主要形式及研究现状柳春柱王金武29正齿行星轮式分插机构如图6所示，它由4个全等正圆齿轮和3个全等椭圆齿轮组成，3个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的焦点上，且初始相位相同。中心椭圆齿轮4(也叫太阳轮)固定不动，工作时行星架6在中心轴的带动下转动，2个椭圆齿轮啮合引起传动比的变化，从而导致对称布置的2个行星圆齿轮作往复摆动；2个栽植臂分别与2个行星圆齿轮固连，它一方面随着行星架作圆周运动，另一方面随着行星圆齿轮作往复摆动，形成秧爪要求的运动轨迹和姿态L7。26椭圆差速分插机构椭圆差速分插机构如图7所示，它由3个全等的椭圆齿轮和2套栽植臂组成，3个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的焦点上且相位相同，并支撑在壳体3(行星架)上，2套栽植臂分别与2个行星轮1、4的轴相固连。工作时壳体作为一个原动件绕太阳轮的回转中心转动，而太阳轮2作为另一个原动体以壳体2倍的转速同向转动，从而2个被动行星轮输出所要求的运动，带动栽植臂形成所要求的轨迹和运动J。41行星轮2太阳轮3行星架4行星轮5栽植臂图7椭圆差速分插机构示意图27圆柱齿椭圆齿行星系分插机构圆柱齿椭圆齿行星系分插机构(参见图8)由浙江理工大学赵匀教授研制，采用圆盘式齿轮盒体中心圆柱齿轮固定不转，与中心圆柱齿轮啮合的2个圆柱齿轮随齿轮盒转动，带动与其同轴的椭圆齿轮转动，该椭圆齿轮与行星椭圆齿轮啮合，导致该椭圆齿轮相对齿轮盒作非匀速运动，合成栽植臂的非匀速栽植轨迹。该机构减小了行星轮轴到中心轴距离，减小了惯性力，同时圆形齿轮盒对秧苗冲击小，可减轻伤苗，秧针的轨迹也能满足插秧要求。l1齿轮盒22圆柱齿轮、椭圆齿轮组3栽植臂3图8圆柱齿椭圆齿行星系分插机构示意图28非圆齿轮行星轮系双分插机构由黑龙江省农垦科学院柳春柱等研制的非圆齿轮行星轮系双分插机构如图9所示(该机构获得国家专利)，它是由壳体及7个非圆齿轮和2个栽植臂构成，太阳轮固定在链箱上不转，两边对称布置了2对行星轮和2个从动轮，动力由链轮轴传至壳体，带动行星轮系作回转运动，将动力经行星轮工、传至从动轮，再经花键轴传递到栽植臂上，利用非圆齿轮的非圆节曲线传递变速比运动，从而控制秧爪的运动轨迹。该机构旋转一周插秧2次，插秧频率400500次rain，振动小，故障少，可以满足高速分插的需要。该机械已经进入小批量生产阶段，在黑龙江省已经销售使用700余台，效果较好口。1从动轮2行星轮I3行星轮4太阳轮5栽植臂6壳体图9非圆齿轮行星轮系双分插机构示意图3结论表1曲柄摇杆式分插机构与行星轮系高速分插机构的比较项目曲柄摇杆式分插机构(普通插秧机)行星轮系分插机构(高速插秧机)主要研究方法特点研究领域存在问题加工精度要求应用中的问题市场占有情况推广前景均采用优化方法编写软件来优化机构参数机构惯性力大，实际插频26O270次rain动力学和运动学均有研究精度要求低效率低，可靠性低在我国市场占有率高不好较少采用优化方法编写软件来优化机构参数机构惯性力小，一周插秧2次，实际插频400600次rain主要对运动学进行了研究对动力学特性还未进行系统研究精度要求高，特别是轮系相对位置效率高，但价格较高国外市场(El本、韩国)占有率高前景广阔维普资讯3O现代化农业2006年第9期(总第326期)测土配方施肥与全球卫星定位技术应用王智敏(黑龙江八一农垦大学精准农业技术研究中心，黑龙江大庆163319)为了提高我国农业综合生产能力，提高经济效益，减少环境污染，使农业可持续发展，提出并实施沃土工程。沃土工程的重要内容是推广测土配方施肥，努力提高科学施肥水平，以降低成本、增加效益；不断提高耕地质量，为农业生产提供持续的生产能力；促进农业新技术的发展。1应用全球定位技术提高测土配方施肥的准确度传统的测土配方施肥做法是以地块为管理单元进行取样化验操作，不论地块大小，取其化验结果的平均值代表地块的土壤属性，一切农业技术措施的制定均是以地块为基础，施肥也是以一地块的平均值投入，这种操作实际上存在着很大的盲目性和误差。一块地内不同的地理位置土壤属性存在着差异性，以地块为管理单元进行取样化验操作必然产生土壤属性与地理位置的误差，如果以此为依据制定收稿日期：20060623配方施肥量进行操作，其结果是在一块地里可能会出三种结果，一是“按需分配”，发挥了土壤与产量的潜力；二是施肥量超过作物生长的需要量，过剩的肥料流失会污染环境，并造成经济损失；三是投入肥料量低于作物生长所需要量，影响作物产量潜力的发挥。为了提高测土配方施肥的位置与数量的准确性，土壤取样必须是与全球卫星定位系统联系在一起，也就是每个取样点有确定的地理坐标位置，将土壤属性数据与地理坐标联系起来。与地理坐标联系在一起的土壤属性数据，对发展良好的土壤肥力管理制度是很重要的，在地理坐标的支持下，通过定期土壤取样、化验、分析，找出肥料影响作物生长的变化规律，提高生产管理的科学性，减少盲目性。应用全球卫星定位技术进行测土操作，在地理坐标的支持下土壤属性数据可以纳入地理信息管理系统，建立测土配方施肥数据库，并可利用计算机与专用软件绘制土壤性质层图与配方施肥层图，通过对土壤性质层图与配方施肥层图的分析，找出影响_、!占，!；、，三，；!；，；!，、!；!，!_、!0，0，；!_、!；!一、!；在表1中将曲柄摇杆式分插机构与行星轮系高速分插机构进行了比较，可以看出两者的具体差异。在实际生产中曲柄摇杆式分插机构和行星轮系分插机构都可满足秧爪轨迹和姿态控制的要求，最大的区别就是插秧效率的巨大差异。由于曲柄摇杆机构固有的特点，尽管采用了各种机构优化、平衡和减振办法，其单位时间的实际插秧频率只能在260270次rain；而行星轮系分插机构的插秧频率为400600次rain。可以看出，行星轮系高速分插机构是水稻插秧机分插机构发展的方向6。参考文献E1陈建能，赵匀高速插秧机椭圆齿轮行星系分插机构的参数优化EJ农业机械学报，2003，34(5)：4649E23俞高红，赵匀，赵凤芹，等高速水稻插秧机分插机构研究现状和最新进展J农机化研究，2003(2)：414333李德威，徐凤英高速曲柄摇杆式分插机构的弹性动力综合设计EJ3华南农业大学学报，2001，22(4)：8183E43蒋焕煜，赵匀双控制分插机构的运动特性和优化分析J农业工程学报，2001，17(2)：8891E53陈建能旋转式分插机构的研究进展及其动力学分析方法EJ3福建农林大学学报(自然科学版)。2003，32(3)：390393E63陈建能，赵匀水稻插秧机分插机构的研究进展EJ3农业工程学报，2003，19(2)：2327ET俞高