后插式分插机构的研究进展与机构创新

陈善峰 胡立强 俞高红 杨自栋

摘要：介绍了后插式分插机构——后插曲柄摇杆式分插机构的研究现状，研制了两种新型的后插式分插机构——椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构和偏置椭圆齿后插旋转式分插机构，编写了理论模拟程序，并对分插机构性能进行了分析比较，结果表明新设计的分插机构比后插曲柄摇杆式分插机构性能优良。

关键词：分插机构；后插式；曲柄摇杆式；旋转式

中图分类号：Ｓ２２３．９１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）16－3607-04

Research Advance and Innovation Design on Rearward Transplanting Mechanism

ＣＨＥＮ Ｓｈａｎ－ｆｅｎｇ１，ＨＵ Ｌｉ－ｑｉａｎｇ２，ＹＵ Ｇａｏ－ｈｏｎｇ３，ＹＡＮＧ Ｚｉ－ｄｏｎｇ１

（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｉｂｏ ２５５０９１， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｙｕｈａｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１1100， Ｃｈｉｎａ；

３． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｓｃｉ－Ｔｅｃｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｄｖａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｒｗａｒｄ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｎａｍｅｌｙ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｃｒａｎｋ－ｒｏｃｋｅｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｗｏ ｎｅｗ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｒｅａｒｗａｒｄ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｏｖａｌ ｔｏｏｔｈｅｄ－ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｔｏｏｔｈｅｄ ｒｅａｒｗａｒｄ ｒｏｔａｒｙ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｏｆｆｓｅｔ ｏｖａｌ ｔｏｏｔｈｅｄ ｒｅａｒｗａｒｄ ｒｏｔａｒｙ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅｏｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐｉｌｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｗｅｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｃｒａｎｋ－ｒｏｃｋｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； ｒｅａｒｗａｒｄ－ｐｌａｎｔｉｎｇ； ｃｒａｎｋ－ｒｏｃｋｅｒ； ｒｏｔａｒｙ

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，是水稻插秧机的核心工作部件，其性能的优劣直接决定了机械插秧的质量和效率，从而决定插秧机的整体水平和竞争力［１］。因此，分插机构一直以来都是插秧机研究的重点内容之一。目前在高速乘坐式插秧机上，都已经用旋转式分插机构代替了曲柄摇杆式分插机构，单位时间插秧次数达到４００～５００次／ｍｉｎ，运转时振动小，工作稳定性好。但在步行式插秧机上仍然使用曲柄摇杆式分插机构，该机构工作时振动大，稳定性较差。由于前插旋转式分插机构没法直接形成“海豚形”插秧静轨迹，因此，研制出适用于步行插秧机的后插旋转式分插机构显得尤为重要。本文介绍后插曲柄摇杆式分插机构的研究现状，以及两种新型的后插旋转式分插机构。

１后插曲柄摇杆式分插机构

根据分插机构、秧箱和人三者在插秧机上的排列方式不同，分插机构分为前插式与后插式。若分插机构、秧箱与人三者从后向前排列，则称为前插式，反之则为后插式。对于前插式分插机构，要求秧针尖点相对运动轨迹（俗称静轨迹）为“腰子形”，其绝对运动轨迹（俗称动轨迹）近似于摆线，如图１Ａ所示，其静轨迹插秧穴口宽度Ｓ必须在３０ ｍｍ以下，秧苗可以保持较好的直立度；而后插式分插机构要求静轨迹形状上宽下尖，为“海豚形”，如图１Ｂ所示，其静轨迹插秧穴口宽度Ｓ必须小于１５ ｍｍ，秧苗可保持较好的直立度。印度的Ｔｈｏｍｓ［２］用Ｇｒａｓｈｏｆ准则对后插曲柄摇杆式分插机构进行了分析综合，利用可视化分析方法确定机构参数，研制出了后插曲柄摇杆式分插机构（图２）；陈德俊［３］、龚永坚等［４］利用秧针尖点运动轨迹上的６个特定点对该机构运动学性能作了理论分析与计算机模拟，利用高速摄像对机构运动学分析进行了验证；刘天祥等［５］利用ＭＡＬＡＢ软件对机构的运动进行了数值分析和模拟。理论研究虽然在一定程度上改善了该分插机构的性能，但不能彻底克服伤秧、取秧不匀、栽插不稳的缺陷，更无法进一步提高单位时间插秧次数。

１．１工作原理

图３为后插曲柄摇杆式分插机构的结构，曲柄为主动件，工作时绕Ｏ１点转动，带动摇杆绕Ｏ２点做小幅摆动，使得栽植臂上的秧针尖点Ｃ按要求的姿态运动，通过选择合适的结构参数就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角。

１．２秧针轨迹的理论模拟

利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ语言编写了后插曲柄摇杆式分插机构秧针轨迹的理论模拟程序和模拟得到的秧针轨迹（图4）。

利用该程序还可以方便地分析各结构参数的变化对秧针轨迹及秧针速度的影响，为进一步优化参数和改型机构提供了理论依据。

２椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构

２０世纪８０年代，日本农业机械化研究所研制出了旋转行星齿轮式分插机构，它由驱动部分和栽植臂两部分组成，齿轮箱内的齿轮采用偏心齿轮或椭圆齿轮，其插秧频率可达４００～６００次／ｍｉｎ，主要应用在高速插秧机上［６］。由于现有的旋转式分插机构受结构限制，仅靠改变参数不可能形成后插式分插机构所需的“海豚形”静轨迹，若直接用于后插式插秧机，其动轨迹穴口将大于７０ ｍｍ，会产生严重的漂秧、倒秧。而研究设计的两种新型旋转式分插机构就能完全满足后插式分插机构所需的姿态要求。

２．１工作原理

椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构的结构如图５所示，它由２个全等圆齿轮３、４和２个全等椭圆齿轮１、２组成，２个椭圆齿轮都是以焦点为回转中心，中间椭圆齿轮和中间圆齿轮通过键固接于中间轴上，工作时中心椭圆齿轮固定不动，行星架（齿轮箱）在中心轴的带动下，绕着回转中心Ｏ１转动，由于椭圆齿轮１、２的啮合，引起传动比的非线性变化，从而引起行星圆齿轮相对于行星架做非匀速转动［７］。通过定位板固结于行星轴上的栽植臂一方面随着行星架做圆周运动，另一方面与行星圆齿轮一起相对于行星架做非匀速转动，通过选择合适的结构参数就能使栽植臂上的秧针尖点Ｃ实现后插式分插机构所需的“海豚形”静轨迹。

２．２秧针轨迹的理论模拟

利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ语言编写了椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构秧针轨迹的理论模拟程序，模拟得到秧针轨迹［８］如图６所示。利用该程序分析各结构参数变化对秧针轨迹及秧针速度的影响，结合专家经验就能优化出性能优良的参数组合。利用优化得到的参数制成的成品实物如图７Ａ所示。

３偏置椭圆齿后插旋转式分插机构

椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构首次实现了将旋转式分插机构应用于步行即后插式插秧机上，克服了曲柄摇杆式分插机构振动大、栽插不稳等缺陷，能够进一步提高单位时间插秧次数。为了进一步减小外形体积，偏置椭圆齿后插旋转式分插机构采用一个椭圆齿轮代替椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构中的两个圆齿轮，首次偏置使用了椭圆齿轮的初始位置，简化了结构，减轻了质量，提高了性能。

３．１工作原理

偏置椭圆齿后插旋转式分插机构如图８所示，它由３个全等椭圆齿轮组成，其长轴不在同一条直线上，其回转中心均在椭圆齿轮的焦点上，中心椭圆齿轮和中间椭圆齿轮的初始相位相同，中间椭圆齿轮和行星椭圆齿轮的回转中心在连线Ａ１Ｂ１上，工作时中心椭圆齿轮固定不动，行星架在中心轴的带动下绕中心椭圆齿轮的回转中心转动，行星椭圆齿轮做往复摆动。栽植臂一方面随行星架做圆周运动，另一方面随着行星椭圆齿轮相对行星架做不等速转动，秧爪按要求的姿态（角位移和轨迹）做往复运动，通过选择合适的结构参数就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角。

３．２秧针轨迹的理论模拟

图９是利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ语言编写的偏置椭圆齿后插旋转式分插机构秧针轨迹的理论模拟程序得到的秧针轨迹，利用该程序分析各结构参数后得知：椭圆齿轮长半轴ａ、椭圆齿轮短长轴比Ｋ、秧针尖点到行星椭圆齿轮旋转中心的距离Ｓ、δ０（图８）的变化影响秧针轨迹的高度；ａ、Ｋ、Ｄ点与Ｂ１点连线同ｘ正半轴的夹角α０、φ０（图８）的变化影响秧针轨迹的宽度；α０、φ０的变化影响秧针轨迹的走向（即轨迹倾斜度）；ａ、α０、φ０的变化影响取秧角、推秧角及两者的差值。在此分析的基础上优化出了一组性能优良的参数，根据该参数制成的分插机构实物如图７Ｂ所示。

４分插机构性能的比较分析

理想的后插式分插机构的要求：秧针的静轨迹近似“海豚形”，插秧穴口宽度要小于１５ ｍｍ；秧针水平及竖直方向的速度越小越好，特别是取秧时，秧针水平及竖直方向的速度越小，伤秧率就越低；秧针加速度越小，振动就小，惯性力就越小。以后插曲柄摇杆式分插机构与椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构为例，用编写的理论模拟程序对以上３个方面进行分析比较。

４．１秧针静轨迹与穴口宽度

由图１０可知，新设计的椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构的秧针轨迹呈“海豚形”，满足后插式分插机构秧针的轨迹要求。后插曲柄摇杆式分插机构的秧针静轨迹的穴口宽度为１０．３ ｍｍ，椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构的穴口长度较窄，仅为６．４ ｍｍ，因此其所插秧的直立度比曲柄摇杆式更好，不易漂秧与倒秧。

４．２秧针速度与伤秧率

对于分插机构，秧针速度越低，伤秧率就越低，秧针速度是衡量分插机构性能优劣的重要指标。由图１１、图１２可知，椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构的速度无论在ｘ方向还是ｙ方向都比后插曲柄摇杆式分插机构的速度小，特别是取秧时，后插曲柄摇杆式分插机构在机构转角为１６２°时取秧，此时ｘ方向速度为０．５ ｍ／ｓ，ｙ方向速度为－２．０ ｍ／ｓ，而椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构在机构转角为３５°时取秧，此时ｘ与ｙ方向的速度分别为０．０５和

－１．７０ ｍ／ｓ，比曲柄摇杆式小，由此可知，新设计的椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构的伤秧率远低于后插曲柄摇杆式分插机构。

４．３秧针加速度与振动性

秧针加速度的大小是反映分插机构工作时秧针振动强弱的指标。如果振动过大，有可能导致秧苗栽插不稳甚至倒伏。由图１３、图１４可知，后插曲柄摇杆式加速度最大值：ｘ方向为６０ ｍ／ｓ２，ｙ方向为１１０ ｍ／ｓ２；椭圆齿－圆柱齿式加速度最大值：ｘ方向为３３ ｍ／ｓ２，ｙ方向为６３ ｍ／ｓ２；由于新型的椭圆齿－圆柱齿后插旋转式分插机构采用旋转式，相比曲柄摇杆往复式，加速度锐减，减振效果非常明显。

５结论

１）椭圆齿－圆柱齿、偏置椭圆齿后插旋转式分插机构完全能满足后插式插秧机的工作要求。

２）椭圆齿－圆柱齿、偏置椭圆齿后插旋转式分插机构性能比后插曲柄摇杆式分插机构性能优良：穴口宽度更窄，易保持秧苗的直立度；秧针速度更低，伤秧率也更低；秧针加速度更小，振动减少，秧苗不倒伏。

３）旋转式分插机构是步行即后插式分插机构今后发展的主要方向。

参考文献：

［１］ 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［Ｊ］．农业机械学报，２００３，３４（５）：４６－４９．

［２］ ＴＨＯＭＡＳ Ｅ Ｖ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｒｉｃｅ ｓｅｅｄｌｉｎｇ［Ｊ］． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｈｅｏｒｙ，２００２，３７（４）：３９７－４１０．

［３］ 陈德俊． 水稻插秧机后插式分插机构研究［Ｊ］． 金华职业技术学院学报，２００１（４）：１－３．

［４］ 龚永坚，刘丽敏，俞高红，等．水稻插秧机后插式分插机构运动分析与试验［Ｊ］．农业机械学报，２００５，３６（９）：４２－４３．

［５］ 刘天祥，杨丽，范武君，等． 基于ＭＡＴＬＡＢ插秧机分插机构秧针运动轨迹分析［Ｊ］．黑龙江八一农垦大学学报，２００６，１８（６）：４７－４９．

［６］ 柳春柱，王金武．水稻插秧机分插机构的主要形式及研究现状［Ｊ］．现代化农业，２００６（９）：２７－２９．

［７］ 李革，赵匀，俞高红． 椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和计算机优化［Ｊ］．农业工程学报，２０００，１６（４）：７８－８０．

［８］ 王景义．中文Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ实例全解教程［Ｍ］．海口：南方出版社，２００３．１４８－１５１．