后插式分插機構的研究進展與機構創新

摘要：介紹了后插式分插機構——后插曲柄搖桿式分插機構的研究現狀，研制了兩種新型的后插式分插機構——橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構和偏置橢圓齒后插旋轉式分插機構，編寫了理論模擬程序，并對分插機構性能進行了分析比較，結果表明新設計的分插機構比后插曲柄搖桿式分插機構性能優良。

關鍵詞：分插機構；后插式；曲柄搖桿式；旋轉式

中圖分類號：Ｓ２２３．９１ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：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

分插機構是水稻插秧機從秧群中分取一定數量的秧苗并插入土中的機構，是水稻插秧機的核心工作部件，其性能的優劣直接決定了機械插秧的質量和效率，從而決定插秧機的整體水平和競爭力［１］。因此，分插機構一直以來都是插秧機研究的重點內容之一。目前在高速乘坐式插秧機上，都已經用旋轉式分插機構代替了曲柄搖桿式分插機構，單位時間插秧次數達到４００～５００次／ｍｉｎ，運轉時振動小，工作穩定性好。但在步行式插秧機上仍然使用曲柄搖桿式分插機構，該機構工作時振動大，穩定性較差。由于前插旋轉式分插機構沒法直接形成“海豚形”插秧靜軌跡，因此，研制出適用于步行插秧機的后插旋轉式分插機構顯得尤為重要。本文介紹后插曲柄搖桿式分插機構的研究現狀，以及兩種新型的后插旋轉式分插機構。

１ 后插曲柄搖桿式分插機構

根據分插機構、秧箱和人三者在插秧機上的排列方式不同，分插機構分為前插式與后插式。若分插機構、秧箱與人三者從后向前排列，則稱為前插式，反之則為后插式。對于前插式分插機構，要求秧針尖點相對運動軌跡（俗稱靜軌跡）為“腰子形”，其絕對運動軌跡（俗稱動軌跡）近似于擺線，如圖１Ａ所示，其靜軌跡插秧穴口寬度Ｓ必須在３０ ｍｍ以下，秧苗可以保持較好的直立度；而后插式分插機構要求靜軌跡形狀上寬下尖，為“海豚形”，如圖１Ｂ所示，其靜軌跡插秧穴口寬度Ｓ必須小于１５ ｍｍ，秧苗可保持較好的直立度。印度的Ｔｈｏｍｓ［２］用Ｇｒａｓｈｏｆ準則對后插曲柄搖桿式分插機構進行了分析綜合，利用可視化分析方法確定機構參數，研制出了后插曲柄搖桿式分插機構（圖２）；陳德俊［３］、龔永堅等［４］利用秧針尖點運動軌跡上的６個特定點對該機構運動學性能作了理論分析與計算機模擬，利用高速攝像對機構運動學分析進行了驗證；劉天祥等［５］利用ＭＡＬＡＢ軟件對機構的運動進行了數值分析和模擬。理論研究雖然在一定程度上改善了該分插機構的性能，但不能徹底克服傷秧、取秧不勻、栽插不穩的缺陷，更無法進一步提高單位時間插秧次數。

１．１ 工作原理

圖３為后插曲柄搖桿式分插機構的結構，曲柄為主動件，工作時繞Ｏ１點轉動，帶動搖桿繞Ｏ２點做小幅擺動，使得栽植臂上的秧針尖點Ｃ按要求的姿態運動，通過選擇合適的結構參數就可以找到滿足插秧要求的工作軌跡、取秧角和插秧角。

１．２ 秧針軌跡的理論模擬

利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ語言編寫了后插曲柄搖桿式分插機構秧針軌跡的理論模擬程序和模擬得到的秧針軌跡（圖4）。

利用該程序還可以方便地分析各結構參數的變化對秧針軌跡及秧針速度的影響，為進一步優化參數和改型機構提供了理論依據。

２ 橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構

２０世紀８０年代，日本農業機械化研究所研制出了旋轉行星齒輪式分插機構，它由驅動部分和栽植臂兩部分組成，齒輪箱內的齒輪采用偏心齒輪或橢圓齒輪，其插秧頻率可達４００～６００次／ｍｉｎ，主要應用在高速插秧機上［６］。由于現有的旋轉式分插機構受結構限制，僅靠改變參數不可能形成后插式分插機構所需的“海豚形”靜軌跡，若直接用于后插式插秧機，其動軌跡穴口將大于７０ ｍｍ，會產生嚴重的漂秧、倒秧。而研究設計的兩種新型旋轉式分插機構就能完全滿足后插式分插機構所需的姿態要求。

２．１ 工作原理

橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構的結構如圖５所示，它由２個全等圓齒輪３、４和２個全等橢圓齒輪１、２組成，２個橢圓齒輪都是以焦點為回轉中心，中間橢圓齒輪和中間圓齒輪通過鍵固接于中間軸上，工作時中心橢圓齒輪固定不動，行星架（齒輪箱）在中心軸的帶動下，繞著回轉中心Ｏ１轉動，由于橢圓齒輪１、２的嚙合，引起傳動比的非線性變化，從而引起行星圓齒輪相對于行星架做非勻速轉動［７］。通過定位板固結于行星軸上的栽植臂一方面隨著行星架做圓周運動，另一方面與行星圓齒輪一起相對于行星架做非勻速轉動，通過選擇合適的結構參數就能使栽植臂上的秧針尖點Ｃ實現后插式分插機構所需的“海豚形”靜軌跡。

２．２ 秧針軌跡的理論模擬

利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ語言編寫了橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構秧針軌跡的理論模擬程序，模擬得到秧針軌跡［８］如圖６所示。利用該程序分析各結構參數變化對秧針軌跡及秧針速度的影響，結合專家經驗就能優化出性能優良的參數組合。利用優化得到的參數制成的成品實物如圖７Ａ所示。

３ 偏置橢圓齒后插旋轉式分插機構

橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構首次實現了將旋轉式分插機構應用于步行即后插式插秧機上，克服了曲柄搖桿式分插機構振動大、栽插不穩等缺陷，能夠進一步提高單位時間插秧次數。為了進一步減小外形體積，偏置橢圓齒后插旋轉式分插機構采用一個橢圓齒輪代替橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構中的兩個圓齒輪，首次偏置使用了橢圓齒輪的初始位置，簡化了結構，減輕了質量，提高了性能。

３．１ 工作原理

偏置橢圓齒后插旋轉式分插機構如圖８所示，它由３個全等橢圓齒輪組成，其長軸不在同一條直線上，其回轉中心均在橢圓齒輪的焦點上，中心橢圓齒輪和中間橢圓齒輪的初始相位相同，中間橢圓齒輪和行星橢圓齒輪的回轉中心在連線Ａ１Ｂ１上，工作時中心橢圓齒輪固定不動，行星架在中心軸的帶動下繞中心橢圓齒輪的回轉中心轉動，行星橢圓齒輪做往復擺動。栽植臂一方面隨行星架做圓周運動，另一方面隨著行星橢圓齒輪相對行星架做不等速轉動，秧爪按要求的姿態（角位移和軌跡）做往復運動，通過選擇合適的結構參數就可以找到滿足插秧要求的工作軌跡、取秧角和插秧角。

３．２ 秧針軌跡的理論模擬

圖９是利用Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ語言編寫的偏置橢圓齒后插旋轉式分插機構秧針軌跡的理論模擬程序得到的秧針軌跡，利用該程序分析各結構參數后得知：橢圓齒輪長半軸ａ、橢圓齒輪短長軸比Ｋ、秧針尖點到行星橢圓齒輪旋轉中心的距離Ｓ、δ０（圖８）的變化影響秧針軌跡的高度；ａ、Ｋ、Ｄ點與Ｂ１點連線同ｘ正半軸的夾角α０、φ０（圖８）的變化影響秧針軌跡的寬度；α０、φ０的變化影響秧針軌跡的走向（即軌跡傾斜度）；ａ、α０、φ０的變化影響取秧角、推秧角及兩者的差值。在此分析的基礎上優化出了一組性能優良的參數，根據該參數制成的分插機構實物如圖７Ｂ所示。

４ 分插機構性能的比較分析

理想的后插式分插機構的要求：秧針的靜軌跡近似“海豚形”，插秧穴口寬度要小于１５ ｍｍ；秧針水平及豎直方向的速度越小越好，特別是取秧時，秧針水平及豎直方向的速度越小，傷秧率就越低；秧針加速度越小，振動就小，慣性力就越小。以后插曲柄搖桿式分插機構與橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構為例，用編寫的理論模擬程序對以上３個方面進行分析比較。

４．１ 秧針靜軌跡與穴口寬度

由圖１０可知，新設計的橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構的秧針軌跡呈“海豚形”，滿足后插式分插機構秧針的軌跡要求。后插曲柄搖桿式分插機構的秧針靜軌跡的穴口寬度為１０．３ ｍｍ，橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構的穴口長度較窄，僅為６．４ ｍｍ，因此其所插秧的直立度比曲柄搖桿式更好，不易漂秧與倒秧。

４．２ 秧針速度與傷秧率

對于分插機構，秧針速度越低，傷秧率就越低，秧針速度是衡量分插機構性能優劣的重要指標。由圖１１、圖１２可知，橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構的速度無論在ｘ方向還是ｙ方向都比后插曲柄搖桿式分插機構的速度小，特別是取秧時，后插曲柄搖桿式分插機構在機構轉角為１６２°時取秧，此時ｘ方向速度為０．５ ｍ／ｓ，ｙ方向速度為－２．０ ｍ／ｓ，而橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構在機構轉角為３５°時取秧，此時ｘ與ｙ方向的速度分別為０．０５和

－１．７０ ｍ／ｓ，比曲柄搖桿式小，由此可知，新設計的橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構的傷秧率遠低于后插曲柄搖桿式分插機構。

４．３ 秧針加速度與振動性

秧針加速度的大小是反映分插機構工作時秧針振動強弱的指標。如果振動過大，有可能導致秧苗栽插不穩甚至倒伏。由圖１３、圖１４可知，后插曲柄搖桿式加速度最大值：ｘ方向為６０ ｍ／ｓ２，ｙ方向為１１０ ｍ／ｓ２；橢圓齒－圓柱齒式加速度最大值：ｘ方向為３３ ｍ／ｓ２，ｙ方向為６３ ｍ／ｓ２；由于新型的橢圓齒－圓柱齒后插旋轉式分插機構采用旋轉式，相比曲柄搖桿往復式，加速度銳減，減振效果非常明顯。

５ 結論

１）橢圓齒－圓柱齒、偏置橢圓齒后插旋轉式分插機構完全能滿足后插式插秧機的工作要求。

２）橢圓齒－圓柱齒、偏置橢圓齒后插旋轉式分插機構性能比后插曲柄搖桿式分插機構性能優良：穴口寬度更窄，易保持秧苗的直立度；秧針速度更低，傷秧率也更低；秧針加速度更小，振動減少，秧苗不倒伏。

３）旋轉式分插機構是步行即后插式分插機構今后發展的主要方向。

參考文獻：

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

［３］ 陳德俊． 水稻插秧機后插式分插機構研究［Ｊ］． 金華職業技術學院學報，２００１（４）：１－３．

［４］ 龔永堅，劉麗敏，俞高紅，等．水稻插秧機后插式分插機構運動分析與試驗［Ｊ］．農業機械學報，２００５，３６（９）：４２－４３．

［５］ 劉天祥，楊 麗，范武君，等． 基于ＭＡＴＬＡＢ插秧機分插機構秧針運動軌跡分析［Ｊ］．黑龍江八一農墾大學學報，２００６，１８（６）：４７－４９．

［６］ 柳春柱，王金武．水稻插秧機分插機構的主要形式及研究現狀［Ｊ］．現代化農業，２００６（９）：２７－２９．

［７］ 李 革，趙 勻，俞高紅． 橢圓齒輪行星系分插機構的機理分析和計算機優化［Ｊ］．農業工程學報，２０００，１６（４）：７８－８０．

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