水稻插秧機分插機構性能檢測試驗臺結構設計

摘 要：分插機構是水稻插秧機最關鍵的機構之一，其性能直接影響插秧質量。目前國內企業主要依靠田間試驗驗證分插機構性能，周期長、費用高。因此，設計出一種插秧機分插機構性能檢測試驗臺，可以對研制出的分插機構進行相關性能參數測試，以分析其質量好壞。所設計的分插機構性能檢測試驗臺，通過皮帶傳動、鏈傳動等將電機產生的動力傳遞給插秧機分插機構，以實現分插機構的運轉與前進，利用傳感器、高速攝像機采集秧針加速度信號、秧針動靜軌跡信號，通過設計編程將圖形顯示在計算機屏幕上，以確定分插機構的性能。

關鍵詞：分插機構；性能檢測；試驗臺；結構設計

中圖分類號 S225.5+1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）13-155-03

分插機構是水稻插秧機最關鍵的機構之一，其性能直接影響插秧質量[1]，其性能的好壞直接決定了水稻插秧機的工作可靠性，因此分插機構一直以來都是國內外水稻插秧機研究人員研究的熱點之一[2]。因此，設計出一種水稻插秧機分插機構性能檢測試驗臺，可以對研制出的分插機構進行相關性能參數測試，以分析其質量好壞，對提高插秧機產品質量具有重要作用。

現在國內急需采用機構設計、優化設計等理論進行高速分插機構基礎研究的開發工作，以避免我國插秧機市場被進口產品壟斷[3]。一些大學在這方面已經進行了研究工作，在理論上已設計完成各種高速分插機構，但目前高速插秧機分插機構秧針軌跡分析復雜、要求精度高。完全等待整機田間試驗驗證，其周期長、費用高，需采用快速準確的試驗手段加速研究進程。

國內插秧機生產企業基本沒有使用插秧機分插機構性能檢測試驗臺來檢測分插機構的工作性能，而是主要靠產品結構和尺寸來保證分插機構質量[4]。由于存在設計誤差，特別是制造誤差，出產的產品不符合實際工作要求，產品質量可靠性差。許多企業依賴插秧機田間試驗來不斷完善機具，其周期較長，費用也較高。

目前國外插秧機生產企業在進行分插機構的研究和開發中，主要采用機械動力學試驗臺進行分插機構運動軌跡檢測[4]。由于其試驗臺的通用性較強，對分插機構沒有較高的針對性，不僅降低了測試分插機構轉速和秧針運動軌跡的方便性，也大大減小了測試結果的準確性，而且無法快速測試不同形式分插機構的轉速和秧針的運動軌跡。

1 試驗臺結構與工作原理

1.1 試驗臺結構 插秧機分插機構性能檢測試驗臺主要由電機，鏈輪鏈條傳動副，防干涉擋板，皮帶輪傳動副，支撐架，試驗臺機體，高速攝像機等組成，如圖1所示。通過皮帶輪傳動副、鏈輪鏈條傳動副等傳動機構將電機產生的動力傳遞給插秧機分插機構，以實現分插機構的運轉，從而對秧針加速度信號，秧針動、靜軌跡進行采集和分析以確定分插機構的性能。

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圖1 插秧機分插機構性能檢測試驗臺

注：1.試驗臺機體，2.傳動軸二，3.小車，4.放干涉擋板，5.支撐架，6.鏈輪鏈條傳動副，7.傳動軸一，8.皮帶輪傳動副一，9.電機一，10.高速攝像機，11.皮帶輪傳動副二，12.電機二。

1.2 試驗臺工作原理 （1）分插機構運轉的平穩性、插苗的穩定性，可由秧針加速度圖分析得出，同時，由加速度圖積分得到的速度圖，可直接反應出插秧過程是否滿足農藝要求。秧針的動、靜軌跡可直接反應分插機構分秧、運秧、插秧、出土、回程5個階段的過程，可分析出機構是否會產生干涉。本分插機構性能檢測試驗臺，通過皮帶輪傳動副、鏈輪鏈條傳動副，實現了分插機構秧針動、靜軌跡的產生，可通過高速攝像機對動、靜軌跡進行采集。試驗進行時，在待測秧針尖端處裝上三軸數字式加速度傳感器，實現了秧針加速度信號的采集。（2）關于秧針靜軌跡的采集，僅打開電機二，動力通過皮帶輪傳動副二，帶動分插機構運轉，各運動進行時，試驗臺機械部分側面的高速攝像機打開，由此，實現了秧針靜軌跡的采集。（3）關于秧針動軌跡的采集，打開電機一，動力通過皮帶輪傳動副一，帶動鏈輪鏈條傳動副的鏈輪轉動，鏈輪使鏈條向前移動，焊合在鏈條上的小車隨著鏈條同步向前移動，此時打開電機二，分插機構運轉，打開高速攝像機，由此實現了秧針動軌跡的采集。（4）關于秧針加速度信號的采集，將三軸數字式加速度傳感器模塊以一定方式安裝在待測秧針尖端處，同時，傳感器模塊通過相關線路與計算機連接，分插機構運轉時，即有信號輸入計算機。通過Labview語言編程，即可在計算機上顯示出圖形。

2 試驗臺關鍵部件選擇與設計

2.1 驅動裝置選擇

2.1.1 電動機選擇 采用YL802-2單相異步電動機，該電動機具有高轉矩、高效率、高功率因數等特點，表1為電動機一和電動機二的性能參數。

表1 電動機性能參數

[名稱＼電動機一＼電動機二＼型號＼YL802-2＼YL802-2＼功率（kW）＼1.1＼1.1＼額定轉速（r/min）＼3 000＼3 000＼額定轉矩（N·m）＼1.8＼1.8＼]

2.1.2 變頻器選擇 采用功率為1.1kW的西門子MM440變頻器，表2為變頻器性能參數。

表2 變頻器性能參數

[名稱＼變頻器＼型號＼6SE6440-2UD21-1AA1＼功率（kW）＼1.1＼防護等級＼IP20＼環境溫度（℃）＼-10～+50＼]

2.2 傳動裝置選擇

2.2.1 鏈輪鏈條傳動 電機一通過皮帶輪傳動副一帶動傳動軸一運轉，傳動軸一將動力傳遞給鏈輪鏈條傳動副的鏈輪，鏈輪的轉動帶動鏈輪鏈條傳動副的鏈條橫向移動。鏈輪鏈條傳動副的鏈條通過焊接方式與小車裝配在一起，實現小車的橫向移動。分插機構的鏈箱連接在支撐架上。

2.2.2 皮帶輪傳動 本試驗臺采用了兩組皮帶輪傳動副，第一組皮帶輪傳動副將電機一的動力傳遞給傳動軸一，傳動軸一將動力傳遞給鏈輪鏈條傳動副的鏈輪，鏈輪的轉動帶動鏈輪鏈條傳動副的鏈條橫向移動以實現秧針動軌跡的產生。第二組皮帶輪傳動副將電機二的動力傳遞給分插機構鏈箱的傳動軸，鏈箱的傳動軸帶動分插機構運轉，以實現秧針靜軌跡的產生。

2.2.3 支撐架 支撐架用于支撐鏈箱，它通過螺栓與分插機構的鏈箱連接在一起，并由小車支撐，小車與鏈條焊合。

2.3 信號采集裝置選擇與設計

2.3.1 傳感器選擇 經比較選擇，本試驗臺所用三軸加速度傳感器為MPU-3000。該數字式傳感器模塊規格小（26mm×18mm），精度高，檢測范圍廣（0～250m/s2），價格適中，與計算機連接方便。

2.3.2 傳感器安裝 關于傳感器模塊的安裝，此處設計了一個方案。即傳感器模塊黏在一個特制插板上，該插板可與秧針固定，同時在插板外加一擋環，起固定作用如圖2、圖3所示。試驗進行前，在插板、擋環的縫隙處滴入強力膠水，加強黏性，防止分插機構高速運轉時將傳感器模塊甩出。

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圖2 傳感器安裝示意

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圖3 傳感器安裝位置局部放大

2.3.3 傳感器信號采集 三軸加速度傳感器MPU-3000，為數字式加速度傳感器，為IIC數字接口，由于IIC接口無法與計算機直接相連，需使用配套主控板實現接口轉接與配置和讀取模塊數據的功能。其中，主控板自帶USB接口，所以可直接使用USB連接線將傳感器模塊與計算機相連接。以上元器件的價格適中。

2.3.4 高速攝像機選擇 本試驗臺的高速攝像機采用德國映美精工業CCD單色攝像機，其最高頻率為60fps。此高速攝像機精度較高，拍攝速度較快。

2.3.5 高速攝像機安裝 高速攝像機固定在支座上，兩者安放在試驗臺側面，鏡頭與分插機構旋轉軸在同一條直線上。

2.3.6 高速攝像機信號采集 由于高速攝像機有USB接線口，因此可使用USB連接線，將高速攝像機與計算機相連。

3 結論

所設計的分插機構性能檢測試驗臺涉及到機械傳動領域，特別采用了鏈輪鏈條傳動機構，以產生分插機構的秧針運動軌跡。試驗臺通過電機產生動力，由皮帶輪傳動副、鏈輪鏈條傳動副等傳動機構帶動插秧機分插機構運轉和向前移動，從而實現對秧針加速度信號和秧針動、靜軌跡的采集和分析，以確定分插機構的性能。其中秧針加速度信號由三軸數字式加速度傳感器采集得到，秧針動、靜軌跡由高速攝像機采集得到。

設計的插秧機分插機構性能檢測試驗臺，彌補了已有技術的不足，但由于使用了高速攝像機進行秧針動靜軌跡的采集，使試驗臺成本較高，需進一步尋找方法精確但價格更低廉的軌跡采集方式，在不影響試驗臺檢測效果的前提下減少成本。

參考文獻

[1]李寶閥.農業機械學[M].北京：中國農業出版社，2003.

[2]陳建能，趙勻.水稻插秧機分插機構的研究進展[J].農業工程學報，2003.

[3]劉麗敏，李革，趙勻.旋轉式分插機構動力學試驗臺的研制[J].農機化研究，2005.

[4]Ying Yibin，Zhao Yun. Research in dynamic simulation of separating-planting mechanism of rice transplanter[J].AMA，1997，28（3）：15-19.