水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)化思路

李建國(guó)

(尚志市農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣站，黑龍江 尚志 150600)

0 引言

水稻插秧機(jī)是水稻秧苗插植的先進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械，不僅能夠替代人工作業(yè)確保水稻插秧的行距、株距等農(nóng)藝要求，還能利用先進(jìn)機(jī)械功能顯著提高插秧的工作效率。相對(duì)于人工插秧而言，機(jī)插秧的秧苗均勻性更好，水稻后期生長(zhǎng)的通風(fēng)、透光、養(yǎng)分均勻性更為合理，更有利于提高單位面積的水稻產(chǎn)量。分插機(jī)構(gòu)作為水稻插秧機(jī)的核心工作部件，分插機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能和工作能力對(duì)插秧的最終質(zhì)量影響很大，從不同技術(shù)種類(lèi)的分插機(jī)構(gòu)作業(yè)情況進(jìn)行對(duì)比，插秧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行軌跡等因素對(duì)插秧的效率、質(zhì)量、秧苗成活率、緩苗期長(zhǎng)短等因素影響較大，且間接影響水稻的最終產(chǎn)量。可見(jiàn)水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)的優(yōu)化研究對(duì)水稻插秧機(jī)整體技術(shù)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。

1 分插機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)形式

1.1 分插機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)形式

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)水田應(yīng)用的插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)以結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的4連桿或5連桿分插機(jī)構(gòu)為主，部分機(jī)型還應(yīng)用搖臂導(dǎo)桿分插機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂滑道分插機(jī)構(gòu)等類(lèi)似形式，以下統(tǒng)稱(chēng)為曲柄連桿類(lèi)分插機(jī)構(gòu)。因工作過(guò)程可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，現(xiàn)階段我國(guó)很多地區(qū)的水田生產(chǎn)仍然使用曲柄連桿類(lèi)分插機(jī)構(gòu)，例如2ZT-935型水稻插秧機(jī)仍是我國(guó)水田使用最廣泛的插秧機(jī)品種之一。但受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，曲柄連桿類(lèi)分插機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)轉(zhuǎn)速度僅為200 r·min-1，當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大時(shí)，因慣性力的影響，分插機(jī)構(gòu)易產(chǎn)生明顯振動(dòng)，因此很難在高速插秧機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。同時(shí)曲柄連桿類(lèi)分插機(jī)構(gòu)因插植過(guò)程對(duì)土壤刮帶嚴(yán)重，導(dǎo)致秧苗的直立性漂秧率和漏插率相對(duì)較高，多應(yīng)用于作業(yè)速度較慢的手扶式步進(jìn)插秧機(jī)(圖1)使用[1]。

圖1 手扶式步進(jìn)插秧機(jī)

1.2 分插機(jī)構(gòu)的新形式

隨著水稻生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，聯(lián)合生產(chǎn)下的大面積水田需要更高效率的插秧機(jī)來(lái)完成快速插秧的農(nóng)藝任務(wù)，乘坐式高速插秧機(jī)(圖2)在我國(guó)的水田種植區(qū)應(yīng)用量逐漸增多，且發(fā)揮出了很多優(yōu)勢(shì)。為適應(yīng)高速插秧的要求，分插機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行了多個(gè)方向的升級(jí)，產(chǎn)生了齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)、橢圓行星系分插機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)滑道式分插機(jī)構(gòu)、差速式分插機(jī)構(gòu)、偏心鏈輪式分插機(jī)構(gòu)等多種形式的高速分插機(jī)構(gòu)，從現(xiàn)階段我國(guó)水田生產(chǎn)的實(shí)際情況看偏心鏈輪式分插機(jī)構(gòu)、橢圓行星系分插機(jī)構(gòu)因研發(fā)時(shí)間較早，技術(shù)更為成熟，應(yīng)用更為廣泛。總體上看，現(xiàn)階段使用的新型高速分插機(jī)構(gòu)相對(duì)于曲柄連桿類(lèi)分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)，因慣性力引起的振動(dòng)問(wèn)題得到了有效改善，且通過(guò)動(dòng)力輸入端的一次回轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)2次以上的插秧功能，作業(yè)效率顯著提升。但同時(shí)，高速分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，制造成本明顯提高，設(shè)計(jì)過(guò)程更為復(fù)雜，部分分插機(jī)構(gòu)出現(xiàn)軌跡不合理問(wèn)題，在一定程度影響實(shí)際作業(yè)質(zhì)量[2]。

圖2 乘坐式高速插秧機(jī)

2 分插機(jī)構(gòu)的原理與工作流程

水稻插秧機(jī)的分插機(jī)構(gòu)種類(lèi)很多，總體上講，其主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括中心軸(動(dòng)力輸入)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、撥叉、栽植臂、推秧裝置、秧針等，水稻插秧機(jī)工作過(guò)程有橫向送秧和縱向送秧兩種形式，分插機(jī)構(gòu)在水稻插秧機(jī)行駛的過(guò)程中做固定運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)的循環(huán)往復(fù)動(dòng)作。取秧時(shí)，固定在栽植臂前部的秧針到達(dá)秧門(mén)位置，移箱機(jī)構(gòu)將秧苗依次調(diào)整到適當(dāng)位置，栽植臂利用運(yùn)轉(zhuǎn)速度將秧苗取下，并攜帶秧苗按照固定的路徑運(yùn)動(dòng)，到達(dá)插秧位置后，推秧裝置利用彈簧力將秧苗推出，同時(shí)栽植臂利用運(yùn)轉(zhuǎn)力將水稻秧苗栽插到水田的固定深度中。在插秧機(jī)田間行駛的過(guò)程中，分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與插秧機(jī)行駛速度及移箱機(jī)構(gòu)調(diào)整速度呈線(xiàn)性關(guān)系，能夠保證插秧的間距始終維持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)[3]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面的優(yōu)化，傳統(tǒng)的曲柄連桿式分插機(jī)構(gòu)由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的沖擊載荷過(guò)大，已經(jīng)逐漸被新的分插機(jī)構(gòu)所替代。新分插機(jī)構(gòu)的一個(gè)典型特點(diǎn)就是利用行星齒輪傳動(dòng)替代傳統(tǒng)的曲柄連桿式分插機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)取秧與插秧過(guò)程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)過(guò)程還可通過(guò)行星齒輪配合關(guān)系的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)更加合理的取秧與插秧路徑規(guī)劃。無(wú)論是步進(jìn)式插秧機(jī)還是乘坐式高速插秧機(jī)都逐漸通過(guò)行星輪系替代了曲柄連桿結(jié)構(gòu)，盡管機(jī)具的成本相應(yīng)提升，但同時(shí)改善了傳統(tǒng)插秧過(guò)程效率低、秧苗不正、機(jī)具振動(dòng)等問(wèn)題，也有利于插秧機(jī)使用壽命的提升[4]。

3 分插機(jī)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)化思路

3.1 加強(qiáng)秧苗的保護(hù)

現(xiàn)階段在高速插秧的過(guò)程中，栽植臂在取秧和插秧時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)速度很快，在取秧過(guò)程中應(yīng)注意預(yù)防秧根損傷問(wèn)題的發(fā)生，這一方面需要栽植臂運(yùn)動(dòng)的軌跡更加合理，且需要進(jìn)一步優(yōu)化秧針在取秧時(shí)的角度，及取秧的方式；另一方面需要做好更精密的配合，確保移箱機(jī)構(gòu)與分插機(jī)構(gòu)配合良好。在插秧的過(guò)程中，要充分考慮分插機(jī)構(gòu)插秧過(guò)程的運(yùn)行軌跡，既保證插秧過(guò)程不對(duì)秧苗造成損傷，還要避免分插機(jī)構(gòu)各個(gè)位置的運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)已插秧苗造成擦碰損傷。

3.2 做好功能的精確化升級(jí)

由于高速分插機(jī)構(gòu)采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，因此，設(shè)計(jì)過(guò)程的重點(diǎn)工作之一就是齒輪運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)的優(yōu)化。總體上講，我國(guó)自主研發(fā)的水稻插秧機(jī)在齒輪運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)優(yōu)化方面的相關(guān)工作開(kāi)展還不夠深入，通過(guò)輪系運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的總體優(yōu)化實(shí)現(xiàn)分插機(jī)構(gòu)功能的升級(jí)工作仍有待加強(qiáng)。同時(shí)還要重視在設(shè)計(jì)過(guò)程中避免出現(xiàn)兩個(gè)高速分插機(jī)構(gòu)栽植臂運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)干涉是現(xiàn)階段高速插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)需解決的另一個(gè)主要問(wèn)題。此外，還應(yīng)做好推秧機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)機(jī)的優(yōu)化，將推秧機(jī)構(gòu)與栽植臂的運(yùn)行路線(xiàn)形成更好的配合關(guān)系[5]。

3.3 加強(qiáng)電子控制技術(shù)應(yīng)用

插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究和技術(shù)升級(jí)集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)和技術(shù)方面，從近年來(lái)國(guó)際上的研究來(lái)看，很多插秧機(jī)研究機(jī)構(gòu)逐漸將分插機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)和控制功能向電氣控制方向轉(zhuǎn)變，通過(guò)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)改變現(xiàn)有的分插功能，并結(jié)合電子檢測(cè)與計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)改善插秧時(shí)機(jī)，使插秧機(jī)技術(shù)逐漸向電氣自動(dòng)化及高度智能化轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語(yǔ)

分插機(jī)構(gòu)作為水稻插秧機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，決定著水稻插秧機(jī)的工作效率與工作質(zhì)量。插秧對(duì)于水稻最終產(chǎn)量有著深遠(yuǎn)的影響，隨著水稻機(jī)械化種植技術(shù)的進(jìn)一步普及，插秧機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，自主技術(shù)下分插機(jī)構(gòu)的工作能力決定著插秧機(jī)產(chǎn)品的市場(chǎng)影響力，分插機(jī)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)化應(yīng)在精細(xì)化和適用性方面繼續(xù)增強(qiáng)，并充分結(jié)合多學(xué)科技術(shù)，確保高速插秧機(jī)得到全方位的性能提升。

(05)