水稻插秧机分插机构技术特点与优化思路

李建国

(尚志市农机化技术推广站，黑龙江 尚志 150600)

0 引言

水稻插秧机是水稻秧苗插植的先进现代化农业机械，不仅能够替代人工作业确保水稻插秧的行距、株距等农艺要求，还能利用先进机械功能显著提高插秧的工作效率。相对于人工插秧而言，机插秧的秧苗均匀性更好，水稻后期生长的通风、透光、养分均匀性更为合理，更有利于提高单位面积的水稻产量。分插机构作为水稻插秧机的核心工作部件，分插机构的机械性能和工作能力对插秧的最终质量影响很大，从不同技术种类的分插机构作业情况进行对比，插秧机构的结构和运行轨迹等因素对插秧的效率、质量、秧苗成活率、缓苗期长短等因素影响较大，且间接影响水稻的最终产量。可见水稻插秧机分插机构的优化研究对水稻插秧机整体技术的发展具有积极的促进作用。

1 分插机构的主要技术形式

1.1 分插机构的传统形式

长期以来，我国水田应用的插秧机分插机构以结构相对简单的4连杆或5连杆分插机构为主，部分机型还应用摇臂导杆分插机构、转臂滑道分插机构等类似形式，以下统称为曲柄连杆类分插机构。因工作过程可靠、结构简单、维修方便，现阶段我国很多地区的水田生产仍然使用曲柄连杆类分插机构，例如2ZT-935型水稻插秧机仍是我国水田使用最广泛的插秧机品种之一。但受到机械结构的限制，曲柄连杆类分插机构的合理运转速度仅为200 r·min-1，当转速进一步增大时，因惯性力的影响，分插机构易产生明显振动，因此很难在高速插秧机上进行应用。同时曲柄连杆类分插机构因插植过程对土壤刮带严重，导致秧苗的直立性漂秧率和漏插率相对较高，多应用于作业速度较慢的手扶式步进插秧机(图1)使用[1]。

图1 手扶式步进插秧机

1.2 分插机构的新形式

随着水稻生产规模的逐步扩大，联合生产下的大面积水田需要更高效率的插秧机来完成快速插秧的农艺任务，乘坐式高速插秧机(图2)在我国的水田种植区应用量逐渐增多，且发挥出了很多优势。为适应高速插秧的要求，分插机构在结构和技术应用方面进行了多个方向的升级，产生了齿轮行星系分插机构、椭圆行星系分插机构、旋转滑道式分插机构、差速式分插机构、偏心链轮式分插机构等多种形式的高速分插机构，从现阶段我国水田生产的实际情况看偏心链轮式分插机构、椭圆行星系分插机构因研发时间较早，技术更为成熟，应用更为广泛。总体上看，现阶段使用的新型高速分插机构相对于曲柄连杆类分插机构的运转更为平稳，因惯性力引起的振动问题得到了有效改善，且通过动力输入端的一次回转可实现2次以上的插秧功能，作业效率显著提升。但同时，高速分插机构的结构更为复杂，制造成本明显提高，设计过程更为复杂，部分分插机构出现轨迹不合理问题，在一定程度影响实际作业质量[2]。

图2 乘坐式高速插秧机

2 分插机构的原理与工作流程

水稻插秧机的分插机构种类很多，总体上讲，其主要的机械结构包括中心轴(动力输入)、传动结构、拨叉、栽植臂、推秧装置、秧针等，水稻插秧机工作过程有横向送秧和纵向送秧两种形式，分插机构在水稻插秧机行驶的过程中做固定运动路线的循环往复动作。取秧时，固定在栽植臂前部的秧针到达秧门位置，移箱机构将秧苗依次调整到适当位置，栽植臂利用运转速度将秧苗取下，并携带秧苗按照固定的路径运动，到达插秧位置后，推秧装置利用弹簧力将秧苗推出，同时栽植臂利用运转力将水稻秧苗栽插到水田的固定深度中。在插秧机田间行驶的过程中，分插机构的运转速度与插秧机行驶速度及移箱机构调整速度呈线性关系，能够保证插秧的间距始终维持在预设范围内[3]。

随着技术的进步，分插机构的结构进行了多方面的优化，传统的曲柄连杆式分插机构由于往复运动过程的冲击载荷过大，已经逐渐被新的分插机构所替代。新分插机构的一个典型特点就是利用行星齿轮传动替代传统的曲柄连杆式分插机构来实现取秧与插秧过程的往复运动要求，设计过程还可通过行星齿轮配合关系的设计来实现更加合理的取秧与插秧路径规划。无论是步进式插秧机还是乘坐式高速插秧机都逐渐通过行星轮系替代了曲柄连杆结构，尽管机具的成本相应提升，但同时改善了传统插秧过程效率低、秧苗不正、机具振动等问题，也有利于插秧机使用寿命的提升[4]。

3 分插机构的技术优化思路

3.1 加强秧苗的保护

现阶段在高速插秧的过程中，栽植臂在取秧和插秧时运转速度很快，在取秧过程中应注意预防秧根损伤问题的发生，这一方面需要栽植臂运动的轨迹更加合理，且需要进一步优化秧针在取秧时的角度，及取秧的方式；另一方面需要做好更精密的配合，确保移箱机构与分插机构配合良好。在插秧的过程中，要充分考虑分插机构插秧过程的运行轨迹，既保证插秧过程不对秧苗造成损伤，还要避免分插机构各个位置的运转不会对已插秧苗造成擦碰损伤。

3.2 做好功能的精确化升级

由于高速分插机构采用行星齿轮结构，因此，设计过程的重点工作之一就是齿轮运动曲线的优化。总体上讲，我国自主研发的水稻插秧机在齿轮运动曲线优化方面的相关工作开展还不够深入，通过轮系运转状态的总体优化实现分插机构功能的升级工作仍有待加强。同时还要重视在设计过程中避免出现两个高速分插机构栽植臂运动干涉问题，运动干涉是现阶段高速插秧机分插机构需解决的另一个主要问题。此外，还应做好推秧机构运行时机的优化，将推秧机构与栽植臂的运行路线形成更好的配合关系[5]。

3.3 加强电子控制技术应用

插秧机分插机构的重点研究和技术升级集中在机械结构和技术方面，从近年来国际上的研究来看，很多插秧机研究机构逐渐将分插机构的传动和控制功能向电气控制方向转变，通过电驱动技术来改变现有的分插功能，并结合电子检测与计算机技术来改善插秧时机，使插秧机技术逐渐向电气自动化及高度智能化转变。

4 结语

分插机构作为水稻插秧机的核心机构，决定着水稻插秧机的工作效率与工作质量。插秧对于水稻最终产量有着深远的影响，随着水稻机械化种植技术的进一步普及，插秧机的应用范围进一步扩大，自主技术下分插机构的工作能力决定着插秧机产品的市场影响力，分插机构的技术优化应在精细化和适用性方面继续增强，并充分结合多学科技术，确保高速插秧机得到全方位的性能提升。

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