水稻缽苗旋轉式拔秧機構

鄭鑫， 文學洙

（延邊大學工學院機械工程系，吉林延吉133002）

0 引言

水稻缽苗移栽是一種高產的水稻移栽新技術，具有缽苗淺栽、無緩苗期、分蘗早、根系發達等優點［1］。水稻缽苗移栽機不僅能夠保證植苗的直立度，而且不傷秧，相比插秧方式能增產10%～15%，目前國內外都在投入研究中。日本研究的水稻缽苗擺栽機，價格過高、結構復雜，不適合中國的水稻國情［2］。現國內已研究出幾種水稻缽苗移栽機：多桿式移栽機構，結構較為復雜，移栽效率低，受機構限制，移栽效率很難再提高；集取苗與栽植功能為一體的水稻缽苗移栽機機構，在旋轉齒輪盒上裝有2個對稱的移栽壁，具有平穩性［3］，且工作效率高，但是在植入土中有傷秧的可能性；由中國農業大學研制的水稻缽苗對輥式拔秧機構［4］，該機構的輸秧輥參數受到育秧盤結構尺寸的影響，且拔秧力呈曲線形態，不能保持恒定的力。而本文介紹的旋轉式拔秧機構結合國內外缽苗移栽機的特點，將拔秧過程與栽植過程分開進行，具有價格低廉、工作效率高的特點，拔秧機構可以保持恒定的拔秧力并且旋轉到指定的位置，擺放秧苗。該撥秧機構已獲得國家發明專利。

1 旋轉式拔秧機構工作原理

本文所研究的缽苗移栽機是在原有插秧機的基礎上進行改裝的，所以缽苗秧盤無需另行配套，使用正交式秧盤即可。為了減小工作量，設計了實驗臺來對各參數進行分析。實驗臺使用的送秧機構是由非圓齒輪傳動的具有間歇性的簡易送秧機構，而在樣機中使用棘輪機構及螺旋軸機構傳動的秧箱進行送秧。設計拔秧機構前對水稻秧苗抗拉斷力及穴盤拔秧所需的力進行了試驗。從實驗數據可知，秧苗的抗拉斷力遠遠大于拔秧力，因此采用此拔秧機構將秧苗拔出是可行的［5］。如圖1所示為旋轉式水稻缽苗送秧、拔秧機構簡圖。

圖1 水稻缽苗送秧、拔秧機構簡圖

該機構是由分秧軌道、撥桿、攏秧簾、拔秧齒輪殼、拔秧爪以及擺秧臺組成，拔秧部分左、右爪的表面粘有一層彈性材料，以免在夾取秧苗時損傷秧苗，同時可以增大秧爪表面的摩擦力。該機構包括傳動和拔秧爪兩部分，其工作原理是：非圓行星輪系組成的回轉體繞太陽輪轉動，同時固結在行星輪軸上的拔秧爪一方面繞行星架作勻速圓周運動，另一方面隨著行星輪相對行星架作非勻速間歇轉動，這樣在兩個運動的合成下，拔秧爪的尖點形成了特殊的拔秧軌跡。拔秧爪在距秧苗缽體表面一定距離的位置將秧苗拔起，并帶動秧苗一起運動，按著固定的軌跡運動到擺秧臺合適的位置，將秧苗擺放到擺秧臺上，隨后由打移植機構將擺秧臺上的秧苗打入土中（本文不對打移植機構介紹）。

旋轉式拔秧機構，利用拔取方式取苗，具有秧苗損傷小，機構簡單以及振動小的特點。而本文重點是設計一個可以在指定位置拔取秧苗以及擺放秧苗的拔秧爪機構。

2 拔秧爪總成簡圖

文中所提到的拔秧爪總成簡圖如圖2所示，當左右凸爪在彈簧力的作用下與內側凸輪左側面、右側面接觸時，秧爪被打開，隨著拔秧殼繞內側凸輪的轉動，左右凸爪轉動到內側凸輪開口的位置，在彈簧力的作用下，左右凸爪焊合件繞著凸爪軸心轉動同樣大小的角度，秧爪閉合，此時即為拔秧的位置。而在回轉體上裝有在壓片作用下與回轉體固結的可調的拔秧牙嵌，拔秧牙嵌與內側凸輪牙嵌相結合，即可控制拔秧爪開口的初始位置。

圖2 拔秧爪總成簡圖

2.1 秧爪開口大小的確定

在左右凸爪焊合件尺寸不變的情況下，開口大小由內側凸輪左側面到右側面的距離S決定，內側凸輪如圖3所示。

圖3 內側凸輪

當S減小時，秧爪開口增大。然而缽苗秧盤單穴直徑是17 mm，所以在此秧爪開口不能超過20 mm。

圖4 內側凸輪開口角度

2.2 秧爪開閉爪的確定

如圖4內側凸輪開口角度φ，秧爪開閉爪早晚隨著φ的增大而增加，所以可以通過實驗來任意定位在軌跡上擺放秧苗的位置。實驗過程中，取凸輪開口角度 φ 為 86°、88°、100°并分別進行加工試驗，在秧爪每秒 80次、100次、120次下分別進行試驗，發現秧爪都提前開爪，齒輪盒旋轉導致秧苗在慣性力及離心力的作用下甩出擺秧臺。同樣增加開口角度達到126°后，秧苗能夠準確穩定地被擺放到軌跡中規定的位置，并且不會受離心力和慣性力的影響，此時拔秧爪尖端的力均處于衰減狀態，也是選擇擺秧位置的依據。拔秧位置如圖1所示，擺秧位置如圖5所示。

圖5 擺秧位置

2.3 秧爪夾緊力的確定

根據對秧苗拔秧力的力學實驗，得到在各種工況下，拔秧力F的范圍為1.4～4 N。在此要使用極端法，取最大的拔秧力，以應對拔取各種秧苗。在秧爪的表面上粘有一層彈性材料（黑色膠皮），通過實驗測出材料表面的摩擦因數μ，再由已知的拔秧力F，可以求出秧抓尖點需要的夾緊力

式中σ為安全系數。

這樣通過靜力學可以計算出所需的彈簧力Ft。

式中k為彈簧剛度系數。

依據式（3）和兩凸爪間垂直距離，確定彈簧的自然長度L，取得合適的彈簧力，以免彈簧力過大導致秧爪傷秧，或者彈簧力過小，拔不出秧苗。

圖6 拔秧殼蓋

2.4 拔秧殼蓋

為了防止秧爪在閉爪的過程中，產生左右移動，同時限制彈簧的壓縮長度保持不變，在拔秧殼蓋上左右兩側，分別設有兩個凸臺，起到限位作用，其中間距離剛好與S相等，拔秧殼蓋如圖6所示。

3 試制與試驗

對旋轉式拔秧機構實驗臺的設計與試制后，經過多次拔取以及擺放秧苗的試驗，得到內側凸輪開口夾角為128°時，能在預定的位置拔取秧苗及擺放秧苗。在對實驗過程進行了錄像記錄，在每秒120次內可以準確地拔秧與擺放秧苗。

4 結論

1）旋轉式拔秧機構可實現準確拔秧，并能夠在準確的位置將秧苗擺放至擺秧臺，具有結構簡單、穩定性好、振動小等特點。

2）容易對拔秧爪各參數進行更改，使其滿足拔秧與擺秧需要。

3）通過該機構的運動及試驗分析，確定了機構工作參數，其中內側凸輪開口角度設定128°,秧爪開口角度20°較合適。通過多次拔取秧苗的試驗，可知該機構滿足水稻缽苗拔取要求。

［1］ 張洪程，戴其根，岳楓，等.拋秧稻產量形成的生物學優勢及高產栽培途徑的研究［J］.江蘇農學院學報，1998，19（3）：11-17.

［2］ 成永芳.日本RX-6型水稻缽苗移栽機引進試驗簡報［J］.農機與食品機械，1999（3）：27－31.

［3］ 俞高紅，黃小艷，葉秉良，等.旋轉式水稻缽苗移栽機構的機理分析與參數優化［J］.農業工程學報，2013,29（3）：16-22.

［4］ 宋建農，黃育仕，魏文君，等.水稻缽苗對輥式拔秧機構［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2006,27(4)：291-294.

［5］ 宋建農，王萍，魏文君，等.水稻秧苗抗拉力學特性及穴盤拔秧性能的力學實驗研究［J］.農業工程學報，2003,19（6）：10-13.