徐廷波，李夢(mèng)寒

（江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

水稻作為我國(guó)4 大主要糧食作物之一，產(chǎn)量居世界首位。水稻的種植在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了十分重要的地位。而水稻生產(chǎn)機(jī)械化是向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵一步，從水稻插秧機(jī)的功能和結(jié)構(gòu)入手，優(yōu)化水稻送秧、插秧的實(shí)際效果有利于整機(jī)技術(shù)和可靠性的提升。移栽機(jī)構(gòu)是水稻插秧機(jī)從秧群中分取一定數(shù)量的秧苗并插入土中的機(jī)構(gòu)，它是插秧機(jī)的主要工作部件，其性能決定插秧質(zhì)量、工作可靠性和單位時(shí)間的插次。

1 曲柄連桿移栽機(jī)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)曲柄搖桿移栽機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)曲柄搖桿移栽機(jī)構(gòu)在20 世紀(jì)80 年代已經(jīng)研制成型并投入使用，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好的插秧質(zhì)量而被廣泛使用。在該機(jī)構(gòu)中，曲柄為主動(dòng)件，逆時(shí)針帶著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著凸輪半徑的增大，并且在推秧?yè)懿娴淖饔孟?，推秧彈簧被壓縮也越大；隨后凸輪與推秧?yè)懿娣蛛x，推秧彈簧失去外力，在推秧彈簧的作用下，推秧?xiàng)U被迅速推到最底部，即完成了栽插[1]。

圖1 曲柄搖桿移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of crank rocker transplanting mechanism

研究人員對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題進(jìn)行了研究。趙勻等[2]對(duì)推秧?yè)懿婧屯馆嗊M(jìn)行了設(shè)計(jì)和再優(yōu)化，大大降低了振動(dòng)和凸輪的磨損。白海英等[1]也對(duì)此展開(kāi)了研究，同樣降低了凸輪的磨損和振動(dòng)。任永飛等[3]利用質(zhì)量代換法分析桿件配重平衡，也很好地降低了連桿類(lèi)移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)問(wèn)題。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)[4]和趙勻等[5]將連桿機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)出雙曲柄五桿式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)和擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，如圖2 和圖3 所示。二者均是適用于水稻缽苗的移栽，但是擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)是在雙曲柄五桿式水稻移栽機(jī)構(gòu)改進(jìn)而來(lái)，能夠更加適用于水稻缽苗的移栽，其移栽效率和質(zhì)量相較于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)大幅度提升。

圖2 雙曲柄五桿式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)Fig.2 Double-crank five-bar rice bowl seedling transplanting mechanism

圖3 擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)Fig.3 Fitting gear five-bar rice bowl seedling transplanting mechanism

1.2 曲柄搖桿夾持式移栽機(jī)構(gòu)

蔡金平等[6]提出的曲柄搖桿夾持式水稻移栽機(jī)構(gòu)如圖4 所示，該機(jī)構(gòu)在取秧位置時(shí)秧夾張開(kāi)，夾取秧苗根部，在放秧位置時(shí)打開(kāi)秧夾，秧苗在重力作用下落入輸秧筒中，經(jīng)此掉落在稻田，完成移栽。

圖4 曲柄搖桿夾持式移栽機(jī)構(gòu)Fig.4 Crank-rocker clamping transplanting mechanism

在調(diào)速電機(jī)的作用下，下軸和偏心軸作為原動(dòng)件輸入動(dòng)力，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)；而依靠凸輪的不平整面和兩側(cè)滾珠的共同作用實(shí)現(xiàn)了秧夾的張合；通過(guò)偏心輪和連桿使擺桿臂做前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)取秧和放秧動(dòng)作。

蔡翰等[7]研究表明，在取秧速度為50 株/min 時(shí)，漏秧率和傷秧率分別為3.57%和2.14%，試驗(yàn)結(jié)果略低于行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其漏苗率和傷秧率隨著取秧速度的增加而增加；同時(shí)，該移栽機(jī)構(gòu)采用取秧和送秧，送秧過(guò)程則是將秧苗輸送到輸苗筒中，要靠秧苗自身重力掉落在田地完成移栽，該方式完成的移栽會(huì)出現(xiàn)秧苗直立度無(wú)法保證的問(wèn)題，而直立度越大，水稻產(chǎn)量越高。

針對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)行時(shí)的高振動(dòng)及高噪聲進(jìn)行改進(jìn)或再設(shè)計(jì)，都很難消除這個(gè)固有屬性。水稻移栽機(jī)構(gòu)的研究正在向高速、高質(zhì)量開(kāi)展，曲柄搖桿移栽機(jī)構(gòu)的使用正在逐漸減少，但是在旱地移栽中仍運(yùn)用廣泛[8-9]。

2 行星輪系移栽機(jī)構(gòu)

隨著研究的不斷深入，以及對(duì)移栽機(jī)要求的提高，曲柄搖桿式移栽機(jī)構(gòu)的另一個(gè)短板逐漸展現(xiàn)，即單位時(shí)間內(nèi)的插秧頻次不能太高，否則漏秧率和傷苗率會(huì)大大提高。日本率先開(kāi)始了高速移栽機(jī)構(gòu)的研究，也就是行星輪系移栽機(jī)構(gòu)。行星輪系移栽機(jī)構(gòu)有兩個(gè)大類(lèi)：圓齒輪行星輪系和非圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)。

2.1 橢圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)

在現(xiàn)有偏心行星齒輪移栽機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，日本學(xué)者展開(kāi)了對(duì)橢圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)的研究，該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理與偏心行星齒輪移栽機(jī)構(gòu)基本相同，因此不再敘述。二者不同的是橢圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)的橢圓齒輪加工精度要求更高，采用了粉末冶金工藝，成本較高，但是傳動(dòng)更為平穩(wěn)。

劉思勍[10]在橢圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了雙聯(lián)橢圓齒輪移栽機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的橢圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)基本相同，均是由太陽(yáng)齒輪、中間齒輪和行星齒輪組成，分布方式也相同。但是卻創(chuàng)新性地提出將中間齒輪用雙聯(lián)齒輪替換，即由傳統(tǒng)的太陽(yáng)齒輪、中間齒輪和行星齒輪相互嚙合轉(zhuǎn)變?yōu)樘?yáng)齒輪與雙聯(lián)齒輪之一嚙合和行星齒輪與雙聯(lián)齒輪另一部分嚙合的方式。得益于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜插秧軌跡。

圖5 雙聯(lián)橢圓齒輪移栽機(jī)構(gòu)Fig.5 Double elliptic gear transplanting mechanism

2.2 正齒行星輪系移栽機(jī)構(gòu)

正齒行星輪系移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6 所示，由4 個(gè)完全相同的正圓齒輪和3 個(gè)完全相同的橢圓齒輪組成[11]。安裝時(shí)行星齒輪和中間齒輪相對(duì)于太陽(yáng)齒輪對(duì)稱(chēng)布置，并且各個(gè)齒輪的回轉(zhuǎn)中心在同一條直線(xiàn)上，橢圓中間齒輪的回轉(zhuǎn)中心都位于其焦點(diǎn)處。添加動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)各個(gè)齒輪間的嚙合達(dá)到相應(yīng)的軌跡。

圖6 正齒行星輪系移栽機(jī)構(gòu)Fig.6 Transplantation mechanism of spur gear planetary gear train

在現(xiàn)有的正齒行星輪系的移栽性能達(dá)不到要求的情況下，需要對(duì)此進(jìn)行再設(shè)計(jì)。程路超[12]設(shè)計(jì)出不完全齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由3 個(gè)完全圓柱直齒輪、4 個(gè)不完全圓柱直齒輪（2 個(gè)不完全中間輪、2個(gè)不完全行星輪）組成，分為兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置。通過(guò)不完全齒形輪廓的嚙合實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比運(yùn)動(dòng)，與一級(jí)傳動(dòng)、殼體、栽植臂相配合，帶動(dòng)栽植臂前端的秧夾實(shí)現(xiàn)“8”字型移栽軌跡，從而更容易滿(mǎn)足缽苗移栽的栽植農(nóng)藝要求。

2.3 橢圓差速移栽機(jī)構(gòu)

橢圓差速移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7 所示，3 個(gè)橢圓齒輪完全相同，回轉(zhuǎn)中心都在其交點(diǎn)處、相位相同，并且支撐在行星架上[13]。工作時(shí)，行星架（殼體）作為原動(dòng)件做繞太陽(yáng)齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)齒輪作為另一個(gè)原動(dòng)件，其轉(zhuǎn)速是行星架轉(zhuǎn)速的2 倍，并且二者同向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使行星齒輪與移栽臂的軌跡和運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足特定要求。

圖7 橢圓差速移栽機(jī)構(gòu)Fig.7 Elliptical differential transplanting mechanism

2.4 非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)

非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)相較于圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，這是因?yàn)榉菆A齒輪的節(jié)曲線(xiàn)并非是圓形，求解更為復(fù)雜。周脈樂(lè)[14]提出了一種新型非圓齒輪的成型方法，即利用貝塞爾曲線(xiàn)擬合控制點(diǎn)得到非圓齒輪的節(jié)曲線(xiàn)，并將其命名為貝塞爾齒輪。該非圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，太陽(yáng)齒輪位于機(jī)構(gòu)正中間，太陽(yáng)齒輪兩側(cè)各有一對(duì)中間齒輪和行星齒輪，移栽臂與行星齒輪固接。在工作時(shí)，太陽(yáng)齒輪與機(jī)架固接，固定不動(dòng)，動(dòng)力由傳動(dòng)軸直接傳遞到機(jī)構(gòu)外殼，由機(jī)構(gòu)外殼帶動(dòng)中間齒輪和行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)移栽臂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到預(yù)期的經(jīng)典“8”字形軌跡，這種軌跡很巧妙地達(dá)到水稻移栽時(shí)的要求。

圖8 非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)Fig.8 Planetary gear train transplanting mechanism with non-circular gears

俞高紅等[15]提出一種不同于上述的非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)，即不完全齒輪—非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)；由不完全非圓齒輪 （簡(jiǎn)稱(chēng)太陽(yáng)齒輪）、偏心圓齒輪 （簡(jiǎn)稱(chēng)行星齒輪）、凸鎖止弧、凹鎖止弧及行星架組成；除了保證移栽機(jī)構(gòu)在工作時(shí)能夠有不均勻傳動(dòng)比特點(diǎn)之外，還有間歇傳動(dòng)的特點(diǎn)。同樣還有很多研究者對(duì)于非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究[16-19]。

2.5 偏心齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)

該移栽機(jī)構(gòu)由日本學(xué)者提出，其結(jié)構(gòu)如圖9 所示，由5 個(gè)全等的偏心齒輪組成，其中太陽(yáng)齒輪相對(duì)機(jī)架固定不動(dòng)，太陽(yáng)齒輪兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置中間齒輪和行星齒輪。在工作時(shí)，太陽(yáng)齒輪固定不動(dòng)，行星架旋轉(zhuǎn)，中間齒輪繞軸旋轉(zhuǎn)同時(shí)自轉(zhuǎn)帶動(dòng)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，插秧臂與行星齒輪固定，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)即得到特定的移栽軌跡。

圖9 偏心齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)Fig.9 Eccentric gear planetary gear train transplanting mechanism

由于該機(jī)構(gòu)是偏心機(jī)構(gòu)，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)大幅度振動(dòng)現(xiàn)象，因此需要增加防振裝置，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。

2.6 雙偏心卵形行星輪系移栽機(jī)構(gòu)

談梅蘭等[20]對(duì)橢圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)存在的傷秧等問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，提出雙偏心卵形行星輪系移栽機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)同時(shí)擁有偏心齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)和橢圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，提出以標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪齒廓方程為基礎(chǔ)，運(yùn)用二分法、無(wú)約束優(yōu)化方法及坐標(biāo)變換等輔助方式，在Matlab 中近似優(yōu)化出該雙偏心卵形齒輪的齒廓。

雙偏心卵形行星輪系由5 個(gè)偏心齒輪組成，如圖10所示，2 個(gè)行星齒輪全等且對(duì)稱(chēng)布置于太陽(yáng)齒輪兩側(cè)，2 個(gè)中間齒輪全等且布置于太陽(yáng)齒輪兩側(cè)。太陽(yáng)齒輪固定不動(dòng)，行星架繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，在太陽(yáng)齒輪、中間齒輪、行星齒輪和凸輪的作用下，與凸輪聯(lián)接的移栽臂能夠做到特定軌跡的運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

圖10 雙偏心卵形齒輪行星系裝配Fig.10 Assembly drawing of double eccentric oval gear planetary system

3 偏心鏈輪移栽機(jī)構(gòu)

偏心鏈輪移栽機(jī)構(gòu)如圖11 所示，由1 個(gè)太陽(yáng)輪、1 對(duì)行星輪和1 對(duì)張緊輪5 個(gè)偏心鏈輪組成。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，行星輪繞太陽(yáng)輪做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)自身自轉(zhuǎn)帶動(dòng)插秧臂回轉(zhuǎn)，在兩種軌跡的共同作用下，得到特定的插秧軌跡。趙勻等[21]也對(duì)該機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪和行星輪進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，在鏈條張緊條件下，將取秧角、插秧角、秧針軌跡和軌跡高度作為目標(biāo)函數(shù)；優(yōu)化張緊輪時(shí)，將鏈條長(zhǎng)度的最小變化量作為目標(biāo)函數(shù)。

圖11 偏心鏈輪移栽機(jī)構(gòu)Fig.11 Eccentric sprocket transplanting mechanism

4 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)水稻插秧機(jī)移栽機(jī)構(gòu)的研制已經(jīng)由傳統(tǒng)的低速移栽機(jī)構(gòu)過(guò)渡到高速移栽機(jī)。高速移栽機(jī)構(gòu)即輪系移栽機(jī)構(gòu)，按照其核心部件傳動(dòng)齒輪的不同分為6 種不同類(lèi)的輪系移栽機(jī)構(gòu)，其中橢圓行星輪系移栽機(jī)構(gòu)和非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu)被廣泛研究。對(duì)于輪系移栽機(jī)構(gòu)主要有兩種研究方向：完全非圓齒輪系移栽機(jī)構(gòu)和不完全非圓齒輪系移栽機(jī)構(gòu)。但是由于連桿移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等因素，其市場(chǎng)保有量仍然可觀。