小型机械式插秧机的设计研究

张德俊，李文迪，林蜀云，吉 旭，张太华，徐卫平※

（1.贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳550001；2.贵州省山地农业机械研究所）

0 引言

由于地形原因（特别是贵州喀斯特地区），一些地区农田分散，大型插秧机和其他农业机械的普及受到限制，且山区水稻种植以梯田及零散种植居多[1]，该地区的现行水稻栽培方式还是以地膜水育秧、人工手插为主，生产成本高，劳动强度大，作业条件艰苦且效率低下[2]，使高产水稻作物难以发挥其潜力。针对小型田间秧苗的插秧工作，徐高飞等[3]设计了手扶便携式插秧机，此款插秧机为人力驱动，但工作效率相对较低；邵陆寿等[4]设计了半机动插秧机，采用人力牵引的组合式秧箱，但此款插秧机操作不便；郑银河等[5]设计了2 行手扶式机动水稻插秧机，该机器配备单缸小型汽油机，但此款插秧机发动机易进水，过水渠时可能损坏发动机，同时该插秧机价格昂贵且对环境有污染。针对目前贵州秧苗的栽植现状，设计了一台小型机械式插秧机，旨在为满足贵州小型田间秧苗的栽植提供便利。此款可分离小型机械式插秧机适用于贵州小型田间秧苗的栽植，具有灵活轻便的特点，弥补了市面上对小型插秧机的缺口。

1 插秧机结构及工作原理

1.1 插秧机基本结构

该插秧机主要由链轮传动、自行车、秧盘、秧块、曲柄滑块机构、锥齿轮传动、秧盘前档盘、曲柄插秧机构等组成。整体结构如图1，插秧机背部传动如图2。

此插秧技术可用于小型机械式插秧机的设计中，以期为小型插秧机的设计及试验提供借鉴和参考。

1.2 插秧机工作原理

根据贵州种植习惯及秧苗的农艺规范，采用穗粒兼备的中秆品种钵形毯状苗[6-7]，机械移栽所用苗为中小苗，苗龄为15～20 天，苗高为12～17 cm，秧块标准大小分别为58 cm、28 cm 和2 cm[8-9]，种植程序按农艺规范执行，种植方式为插播、四行单株。基于曲柄滑块机构及自行车驱动的秧苗栽植方式设计了此插秧机，通过研究该栽植方式的关键技术，以期解决当前针对贵州小型田间秧苗栽植面临的机械化困难。

工作时，插秧机在田间行走，踩动自行车踏板驱动插秧机工作，传动链将动力传递给插秧曲柄轴，曲柄通过连杆带动秧爪完成分秧及插秧动作。在一个工作循环中，秧爪下行至秧盘，完成分秧动作；秧爪夹持秧苗继续下行，将秧苗插入田间；传动链将动力传递给锥齿轮轴，锥齿轮轴带动曲柄滑块机构将秧盘横移一个步距，将下一株秧苗移至分秧工位；秧爪进入回程阶段，秧爪上移返回工作循环的起始位置[10-11]。

2 关键部件设计

2.1 秧盘左右移动的曲柄滑块机构设计

秧箱是插秧机的重要部件，担负着定时、定量、均匀送秧的工作[12-14]。目前移箱机构的设计有三种形式：一是齿条式；二是螺旋轴式[15]；三是链式。此款插秧机采用人力踩动自行车踏板驱动曲柄滑块机构实现秧盘的移动，分析横向送秧驱动机构的工作原理，建立曲柄滑块机构的运动学模型。

曲柄滑块机构的位置关系式：

式中Q1=2a；Q2=2ae；Q3=a2-b2+e2。

通过三组两连杆的对应角位置：φ1=22.51°，s1=179.91 mm；φ2=127.44°，s2=30.09 mm；φ3=176.87°，s3=39.91 mm。运用曲柄滑块机构的位置关系式设计出一组参数，a=79.091 mm，b=125.226 mm，e=-35.034 mm。则a杆取79 mm，b杆取125 mm，偏心距e取35 mm，通过设计得出运动分析曲线如图3，由曲柄滑块机构对应的位置曲线可知该机构为往复运动；从对应的速度曲线可知机构的速度呈正弦变化趋势；由加速度曲线可知此机构加速度部分呈余弦变化。

通过设计结果得出的运动分析曲线（图3）可知：驱动秧盘移动的曲柄滑块机构能够进行正常稳定的循环往复工作，曲柄滑块机构的工作行程达到秧苗输送的要求，设计结果满足误差要求。通过计算结果，设计出曲柄滑块机构的3D 模型如图4。

2.2 自行车的设计

基于现有的轮椅三轮车进行设计，重新设计车身的轮子，以适应田间插秧工作，为防止自行车在田间打滑，轮子整周采用开槽处理。由于车架后部宽度过小，不适合插秧机的搭载工作，所以也需重新设计。将车架后部切掉，加宽车架后部的宽度，并增加加强筋，以增加车架的强度，同时也可用来搭载插秧机组件。考虑到田间工作的环境影响，车架作烤漆处理，防止车架由于生锈，影响插秧机的使用寿命。

链传动的设计：自行车速度v=3.016 m/s，踏板轴转速n=10 r/min，功率P=0.18 kW，通过设计计算可得，小链轮齿数z1为44 齿，大链轮齿数z2为22 齿，链号为16A，链条节距p2为25.4，链长节数X为82，中心距a`为613.4 mm，链条定期人工润滑。

2.3 后轮轴的设计校核

自行车后轮轴的直径按照扭转强度为

式中d—后轮轴直径（mm）；C 按[τ]定的系数；P—后轮轴传递的功率（kW）；n—后轮轴的转速（r/min）。

此款插秧机后轮轴功率为0.18kW，转速为20r/min，因为后轮轴材料选用的是45 号钢调质，因此C 为112.5，计算可得d=23.4 mm，考虑到链轮及轮子的周向定位需开一个键槽，将d加大3%后得d=24.1 mm，因此取后轮轴的最小直径d=25 mm。

对自行车后轮轴强度进行校核，轴受到秧盘组件向下的压力，载荷分布如图5。

根据秧盘组件的重量和插播方式在田间工作过程中阻力情况，计算出其集中力为F=962 N，分段弯扭矩如图6、7。

运用弯扭合成强度条件进行校核，即

式中σ—轴计算截面上的工作应力（MPa）；d—轴直径（mm）；M—轴计算截面上的合成弯炬（N·mm）；T—轴计算截面上的转矩（N·mm）；α—根据转应力变化性质定的校正系数；σ-1—许用疲劳应力（MPa）。

图5 为载荷分布示意，图6 为弯矩图，图7 为扭矩图，将转应力脉动循环α=0.7 代入，求最大弯矩和最大扭矩值，得到轴直径为19.4 mm，故所取直径满足强度要求。

2.4 自行车机架静态结构分析

插秧机属于非道路车辆，其在水田工作过程中易受到路面条件差引起的冲击载荷，在载荷冲击下车架易变形[16]。而车架是车辆的装配和承载基体，支承连接着车辆的各总成部件，承受着来自车身及插秧机组件的各种载荷，它的好坏直接关系到车辆的操控、安全、舒适等性能[17]。此外，车架也是插秧机中保证插秧正常工作的关键部件，承担着动力传递及插秧机的搭载，搭载插秧机组件时，易造成车架弯曲变形。为了解决这些问题，对车架进行优化设计，车架长1356mm、宽359mm、高606 mm。车架主要受秧盘等组件的压力，平均压力为350 N。

对图8 的车架进行简化，忽略焊接对机架结构的影响，将圆角、倒角简化为直角，选取材料、添加载荷和约束后，车架特点采取组合网格划分，划分时统一采用SOLID 20 单元，可以忽略考虑不同单元间单元耦合问题，车架有限元模型如图9。

查阅机械设计手册可知，碳素结构钢Q235 的屈服强度为235 MPa，抗拉强度为370～500 MPa，强度安全系数取1.2～3，该钢的许用应力范围为78.33～195.83 MPa。车架受到功能约束及空间尺寸的限制，车架结构直径较小，插秧机组件受向下的载荷，因此车架出现了弯曲变形，如图10。最大变形值为0.375 mm，变形量微小，不会影响插秧精度，变形量可忽略不计，车架刚度参数合格，满足设计误差要求。车架的后部出现了较大的应力集中，如图11。该处应力值为21.25MPa，按照规定弯曲状态屈服强度校核为静态计算应力乘以1.5 倍动荷系数，再乘以2 倍安全系数得出的值为63.75 MPa，该值远小于材料的屈服强度，因此车架在工作条件下强度合格。

3 整机仿真分析

对插秧机进行仿真分析，以验证插秧机工作的可行性。在SolidWorks 中建立三维模型后，对模型进行简化，然后导入至Adams2017 中，进行仿真验证。

通过秧爪轨迹曲线（图12），可知秧苗插入深度为1.2 cm，满足秧苗栽植深度要求。

通过分析生成的秧盘运动位置曲线与插秧轴转角关系曲线（图13），可知曲线呈规律变化，运动过程平缓，插秧轴转过一定的角度，秧盘相应移动一定的距离，秧盘的秧苗移动到插秧口，秧爪刚好运动到插秧口，秧爪带动秧苗继续向下运动，把秧苗插入田间，该装置可满足插秧工作要求。

4 结论

（1）此装置创新设计了曲柄滑块机构驱动秧盘移动与自行车驱动插秧机工作，此插秧机具有结构简单、适用性强及多功能集成等优点。

（2）曲柄滑块机构的连杆1 为79 mm、连杆2 为125 mm，偏心距e为35 mm。该插秧机株距为29 mm、行距为13.96 mm 以及播深为1.2 cm，工作效率为0.175 hm2/h。