導(dǎo)語：小型機(jī)械式插秧機(jī)設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對(duì)貴州喀斯特地貌的小型農(nóng)田的栽植環(huán)境，設(shè)計(jì)了一款可分離小型機(jī)械式插秧機(jī)。此裝置采用人力帶動(dòng)鏈輪與錐齒輪聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，通過秧盤底下的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)秧盤橫向移動(dòng)送秧、曲柄插秧機(jī)構(gòu)撥動(dòng)秧盤上的秧塊實(shí)現(xiàn)縱向插秧。通過分析橫向送秧機(jī)構(gòu)的工作原理，建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，計(jì)算得出：連桿1為79mm、連桿2為125mm、偏心距e為35mm。對(duì)關(guān)鍵部件利用有限元仿真進(jìn)行分析評(píng)估。結(jié)果表明：該裝置設(shè)計(jì)合理，秧盤移動(dòng)機(jī)構(gòu)工作可靠，可滿足插秧工作。

關(guān)鍵詞：小型機(jī)械；插秧機(jī)；設(shè)計(jì)；有限元仿真

由于地形原因（特別是貴州喀斯特地區(qū)），一些地區(qū)農(nóng)田分散，大型插秧機(jī)和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械的普及受到限制，且山區(qū)水稻種植以梯田及零散種植居多[1]，該地區(qū)的現(xiàn)行水稻栽培方式還是以地膜水育秧、人工手插為主，生產(chǎn)成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)條件艱苦且效率低下[2]，使高產(chǎn)水稻作物難以發(fā)揮其潛力。針對(duì)小型田間秧苗的插秧工作，徐高飛等[3]設(shè)計(jì)了手扶便攜式插秧機(jī)，此款插秧機(jī)為人力驅(qū)動(dòng)，但工作效率相對(duì)較低；邵陸壽等[4]設(shè)計(jì)了半機(jī)動(dòng)插秧機(jī)，采用人力牽引的組合式秧箱，但此款插秧機(jī)操作不便；鄭銀河等[5]設(shè)計(jì)了2行手扶式機(jī)動(dòng)水稻插秧機(jī)，該機(jī)器配備單缸小型汽油機(jī)，但此款插秧機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)易進(jìn)水，過水渠時(shí)可能損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)該插秧機(jī)價(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境有污染。針對(duì)目前貴州秧苗的栽植現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型機(jī)械式插秧機(jī)，旨在為滿足貴州小型田間秧苗的栽植提供便利。此款可分離小型機(jī)械式插秧機(jī)適用于貴州小型田間秧苗的栽植，具有靈活輕便的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了市面上對(duì)小型插秧機(jī)的缺口。

1插秧機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1插秧機(jī)基本結(jié)構(gòu)。該插秧機(jī)主要由鏈輪傳動(dòng)、自行車、秧盤、秧塊、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、錐齒輪傳動(dòng)、秧盤前檔盤、曲柄插秧機(jī)構(gòu)等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1，插秧機(jī)背部傳動(dòng)如圖2。此插秧技術(shù)可用于小型機(jī)械式插秧機(jī)的設(shè)計(jì)中，以期為小型插秧機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)提供借鑒和參考。1.2插秧機(jī)工作原理。根據(jù)貴州種植習(xí)慣及秧苗的農(nóng)藝規(guī)范，采用穗粒兼?zhèn)涞闹卸捚贩N缽形毯狀苗[6-7]，機(jī)械移栽所用苗為中小苗，苗齡為15~20天，苗高為12~17cm，秧塊標(biāo)準(zhǔn)大小分別為58cm、28cm和2cm[8-9]，種植程序按農(nóng)藝規(guī)范執(zhí)行，種植方式為插播、四行單株?；谇瑝K機(jī)構(gòu)及自行車驅(qū)動(dòng)的秧苗栽植方式設(shè)計(jì)了此插秧機(jī)，通過研究該栽植方式的關(guān)鍵技術(shù)，以期解決當(dāng)前針對(duì)貴州小型田間秧苗栽植面臨的機(jī)械化困難。工作時(shí)，插秧機(jī)在田間行走，踩動(dòng)自行車踏板驅(qū)動(dòng)插秧機(jī)工作，傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳遞給插秧曲柄軸，曲柄通過連桿帶動(dòng)秧爪完成分秧及插秧動(dòng)作。在一個(gè)工作循環(huán)中，秧爪下行至秧盤，完成分秧動(dòng)作；秧爪夾持秧苗繼續(xù)下行，將秧苗插入田間；傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳遞給錐齒輪軸，錐齒輪軸帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將秧盤橫移一個(gè)步距，將下一株秧苗移至分秧工位；秧爪進(jìn)入回程階段，秧爪上移返回工作循環(huán)的起始位置[10-11]。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1秧盤左右移動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。秧箱是插秧機(jī)的重要部件，擔(dān)負(fù)著定時(shí)、定量、均勻送秧的工作[12-14]。目前移箱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有三種形式：一是齒條式；二是螺旋軸式[15]；三是鏈?zhǔn)?。此款插秧機(jī)采用人力踩動(dòng)自行車踏板驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)秧盤的移動(dòng)，分析橫向送秧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理，建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系式：Q1s1cosφ1+Q2sinφ1-Q3=s12Q1s2cosφ2+Q2sinφ2-Q3=s22Q1s3cosφ3+Q2sinφ3-Q3=s32式中Q1=2a；Q2=2ae；Q3=a2-b2+e2。通過三組兩連桿的對(duì)應(yīng)角位置：φ1=22.51°，s1=179.91mm；φ2=127.44°，s2=30.09mm；φ3=176.87°，s3=39.91mm。運(yùn)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系式設(shè)計(jì)出一組參數(shù)，a=79.091mm，b=125.226mm，e=-35.034mm。則a桿取79mm，b桿取125mm，偏心距e取35mm，通過設(shè)計(jì)得出運(yùn)動(dòng)分析曲線如圖3，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的位置曲線可知該機(jī)構(gòu)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)；從對(duì)應(yīng)的速度曲線可知機(jī)構(gòu)的速度呈正弦變化趨勢(shì)；由加速度曲線可知此機(jī)構(gòu)加速度部分呈余弦變化。圖3運(yùn)動(dòng)分析曲線通過設(shè)計(jì)結(jié)果得出的運(yùn)動(dòng)分析曲線（圖3）可知：驅(qū)動(dòng)秧盤移動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行正常穩(wěn)定的循環(huán)往復(fù)工作，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作行程達(dá)到秧苗輸送的要求，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足誤差要求。通過計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的3D模型如圖4。2.2自行車的設(shè)計(jì)。基于現(xiàn)有的輪椅三輪車進(jìn)行設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)車身的輪子，以適應(yīng)田間插秧工作，為防止自行車在田間打滑，輪子整周采用開槽處理。由于車架后部寬度過小，不適合插秧機(jī)的搭載工作，所以也需重新設(shè)計(jì)。將車架后部切掉，加寬車架后部的寬度，并增加加強(qiáng)筋，以增加車架的強(qiáng)度，同時(shí)也可用來搭載插秧機(jī)組件。考慮到田間工作的環(huán)境影響，車架作烤漆處理，防止車架由于生銹，影響插秧機(jī)的使用壽命。鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)：自行車速度v=3.016m/s，踏板軸轉(zhuǎn)速n=10r/min，功率P=0.18kW，通過設(shè)計(jì)計(jì)算可得，小鏈輪齒數(shù)z1為44齒，大鏈輪齒數(shù)z2為22齒，鏈號(hào)為16A，鏈條節(jié)距p2為25.4，鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)X為82，中心距a`為613.4mm，鏈條定期人工潤(rùn)滑。2.3后輪軸的設(shè)計(jì)校核。自行車后輪軸的直徑按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為d≥C3姨P/n式中d—后輪軸直徑（mm）；C按[τ]定的系數(shù)；P—后輪軸傳遞的功率（kW）；n—后輪軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。此款插秧機(jī)后輪軸功率為0.18kW，轉(zhuǎn)速為20r/min，因?yàn)楹筝嗇S材料選用的是45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)，因此C為112.5，計(jì)算可得d=23.4mm，考慮到鏈輪及輪子的周向定位需開一個(gè)鍵槽，將d加大3％后得d=24.1mm，因此取后輪軸的最小直徑d=25mm。對(duì)自行車后輪軸強(qiáng)度進(jìn)行校核，軸受到秧盤組件向下的壓力，載荷分布如圖5。圖5載荷分布示意根據(jù)秧盤組件的重量和插播方式在田間工作過程中阻力情況，計(jì)算出其集中力為F=962N，分段彎扭矩如圖6、7。圖6彎矩圖圖7扭矩圖運(yùn)用彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行校核，即d≥M2+（αT）210姨[σ-1]3姨式中σ—軸計(jì)算截面上的工作應(yīng)力（MPa）；d—軸直徑（mm）；M—軸計(jì)算截面上的合成彎炬（N•mm）；T—軸計(jì)算截面上的轉(zhuǎn)矩（N•mm）；α—根據(jù)轉(zhuǎn)應(yīng)力變化性質(zhì)定的校正系數(shù)；σ-1—許用疲勞應(yīng)力（MPa）。將轉(zhuǎn)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)α=0.7代入，求最大彎矩和最大扭矩值，得到軸直徑為19.4mm，故所取直徑滿足強(qiáng)度要求。2.4自行車機(jī)架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。插秧機(jī)屬于非道路車輛，其在水田工作過程中易受到路面條件差引起的沖擊載荷，在載荷沖擊下車架易變形[16]。而車架是車輛的裝配和承載基體，支承連接著車輛的各總成部件，承受著來自車身及插秧機(jī)組件的各種載荷，它的好壞直接關(guān)系到車輛的操控、安全、舒適等性能[17]。此外，車架也是插秧機(jī)中保證插秧正常工作的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著動(dòng)力傳遞及插秧機(jī)的搭載，搭載插秧機(jī)組件時(shí)，易造成車架彎曲變形。為了解決這些問題，對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，車架長(zhǎng)1356mm、寬359mm、高606mm。車架主要受秧盤等組件的壓力，平均壓力為350N。對(duì)圖8的車架進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略焊接對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的影響，將圓角、倒角簡(jiǎn)化為直角，選取材料、添加載荷和約束后，車架特點(diǎn)采取組合網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)統(tǒng)一采用SOLID20單元，可以忽略考慮不同單元間單元耦合問題，車架有限元模型如圖9。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的屈服強(qiáng)度為235MPa，抗拉強(qiáng)度為370～500MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)取1.2～3，該鋼的許用應(yīng)力范圍為78.33～195.83MPa。車架受到功能約束及空間尺寸的限制，車架結(jié)構(gòu)直徑較小，插秧機(jī)組件受向下的載荷，因此車架出現(xiàn)了彎曲變形，如圖10。最大變形值為0.375mm，變形量微小，不會(huì)影響插秧精度，變形量可忽略不計(jì)，車架剛度參數(shù)合格，滿足設(shè)計(jì)誤差要求。車架的后部出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，如圖11。該處應(yīng)力值為21.25MPa，按照規(guī)定彎曲狀態(tài)屈服強(qiáng)度校核為靜態(tài)計(jì)算應(yīng)力乘以1.5倍動(dòng)荷系數(shù)，再乘以2倍安全系數(shù)得出的值為63.75MPa，該值遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，因此車架在工作條件下強(qiáng)度合格。

3整機(jī)仿真分析

對(duì)插秧機(jī)進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證插秧機(jī)工作的可行性。在SolidWorks中建立三維模型后，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后導(dǎo)入至Adams2017中，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過秧爪軌跡曲線（圖12），可知秧苗插入深度為1.2cm，滿足秧苗栽植深度要求。圖12插秧機(jī)秧爪軌跡圖13秧盤運(yùn)動(dòng)位置與插秧軸轉(zhuǎn)角關(guān)系通過分析生成的秧盤運(yùn)動(dòng)位置曲線與插秧軸轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線（圖13），可知曲線呈規(guī)律變化，運(yùn)動(dòng)過程平緩，插秧軸轉(zhuǎn)過一定的角度，秧盤相應(yīng)移動(dòng)一定的距離，秧盤的秧苗移動(dòng)到插秧口，秧爪剛好運(yùn)動(dòng)到插秧口，秧爪帶動(dòng)秧苗繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，把秧苗插入田間，該裝置可滿足插秧工作要求。

4結(jié)論

（1）此裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)秧盤移動(dòng)與自行車驅(qū)動(dòng)插秧機(jī)工作，此插秧機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)及多功能集成等優(yōu)點(diǎn)。（2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連桿1為79mm、連桿2為125mm，偏心距e為35mm。該插秧機(jī)株距為29mm、行距為13.96mm以及播深為1.2cm，工作效率為0.175hm2/h。

作者:張德俊 李文迪 林蜀云 吉旭 張?zhí)A 徐衛(wèi)平 單位:1.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 2.貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所