水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统设计与应用*

刘兆朋 ，黎 静 ，刘 斌 ，刘俊安 ，刘木华 ，陈雄飞 ，张齐隆 ，侯伟明

（江西农业大学，江西 南昌 330045）

0 引言

虚拟仿真系统因打破了时间和空间等诸多因素的限制，能在作业环境危险、教学资源不充裕、时令调节难以满足的情况下能尽可能地满足教学要求，受到不同学科的重视[1-3]。农业机械实验教学在实践中因受空间、时令、资源的限制，难以较好地保证教学均质化，近年来基于虚拟仿真的实验教学系统不断被开发，取得了良好的教学效应和社会效应[4-6]。

高速乘坐式水稻插秧机是水稻机械化种植的重要作业机械，其结构组成、工作原理及作业调节方法等知识点是农业机械类专业相关课程的重要内容。为加强相关课程教学和实验环节建设，解决插秧机主要结构原理、操作与调节等知识技能的讲授受资源、环境等影响存在“老师难讲、学生难懂”的问题，开发水稻插秧机虚拟仿真实验系统[7-9]。

1 实验原理

1.1 插秧机结构组成

乘坐式插秧机主要由底盘、操纵系统、栽秧台和调整系统四部分组成，如图1 所示。插秧机底盘通过操纵系统实现行驶和栽秧台升降，并通过PTO 向栽秧台传递动力；栽秧台通过横、纵向送秧和分插机构实现插秧，通过调整系统调节送秧量、取秧量、栽插深度、穴距和软硬敏感度等。因此，插秧机的结构组成、传动系统、工作原理较为复杂，知识内容丰富。

1.2 插秧机主要工作原理

栽秧台是实现插秧作业的主要部件，其中横、纵向送秧和分插机构工作原理是难点，学生不容易理解。结合如图2、图3 所示的教材插图[10]，在工作原理上，分析如下。

图1 高速乘坐式水稻插秧机

图2 《农业机械学》教材水稻插秧机横向送秧机构插图

图3 《农业机械学》教材水稻插秧机偏心齿轮行星系分插机构示意图

1）横、纵向送秧机构：横向送秧机构如图2 所示，主要由螺纹轴（螺旋凸轮轴20）、指销（19）、指销座（6）组成。螺纹轴两端有主动凸轮（14），中间为一段两条交叉、方向相反的螺纹槽，端部有过渡槽使两条槽线闭合；指销为一节短销，末端有一截与螺纹槽相配合的螺纹；指销座用以把指销、秧箱和螺纹轴装配在一起，其轴向套在螺纹轴上，径向内嵌指销并约束指销与螺纹槽可靠配合，侧向有连接件与秧箱联接。秧箱起承载毯壮苗作用，其底部有滑台和支撑台以约束秧箱只能左右运动，秧箱上有纵向送秧机构，图2 中的从动凸轮（4、7）即为纵向送秧机构的主传动件。作业时，螺纹轴转动，正向螺纹槽（假设）驱动，与之配合的指销在指销座和秧箱约束下一起沿螺旋轴横向运动；当指销运动到螺纹槽末端，会在过渡螺纹槽引导下向反向螺纹槽切入，在这一过程秧箱上的纵向送秧机构的间歇机构从动凸轮（4、7）正好移动到螺纹轴端部主动凸轮（14）处啮合；主动凸轮（14）此时作为纵向送秧机构的主动件，驱动纵向送秧皮带带动秧箱内的秧盘向下运动一段距离，即在一个横向送秧过程完成时执行一次纵向送秧，随后指销进入反向螺纹槽并驱动秧箱反方向横向运动，主、从动凸轮随即脱离啮合。周期性地，在反向完成一次送秧后再一次执行纵向送秧，指销再切回正向螺纹槽，实现秧箱的左右往复送秧和纵向间隙送秧。

2）分插机构：分插机构主要有曲柄摇杆式和偏心齿轮行星系式两种，后者因具有一个旋转周期可完成两次插秧且高速稳定的特点被广泛采用。如图3 所示，偏心齿轮行星系式分插机构由旋转箱（齿轮箱7）和分插器（1 至6）组成，旋转箱中间为偏心太阳轮即齿轮Ⅰ（10），太阳轮两边对称布置一套中间偏心齿轮和偏心行星齿轮，分别为齿轮Ⅱ（9）与齿轮Ⅲ（8）。作业时，旋转箱旋转、太阳轮固定。在旋转箱带动下，太阳轮两边的中间齿轮和行星齿轮绕太阳轮公转；同时，中间齿轮和行星齿轮各绕自身偏心轴自转，即行星齿轮的运动轨迹为绕太阳轮公转和绕自身偏心轴自转的合成轨迹。行星齿轮与分插器固定连接，驱动分插器完成镰刀型的插秧轨迹。分插器由分插组件和推秧组件组成，分插组件的秧针在镰刀型运动轨迹过程中总体完成分秧（取秧）和插秧，推秧组件完成栽秧。推秧组件由凸轮（推秧凸轮1）、连杆（2拨叉）、弹簧和推秧杆（推秧器5）组成。凸轮与行星轮轴固定绕太阳轮公转，连杆一端铰接并有拨叉与凸轮接触、另一端与推秧杆滑动接触，推秧杆顶端为压缩弹簧。凸轮从下止点起转动，驱动拨叉绕铰接点转动，连杆另一端沿转动方向推动推秧杆向顶端运动并压缩弹簧；当凸轮上止点接触到连杆拨叉时，弹簧被压缩至极限、推杆复位；随后，凸轮因缺口立刻进入下止点并脱离拨叉，弹簧预紧力完全释放并快速推出推秧杆，秧苗被推出秧针栽入泥层，完成栽秧。

通过以上阐述可知，插秧机横、纵向送秧机构和分插机构工作结构和原理较为复杂，仅依靠教材图片难以完整呈现，原理讲解难度大，教学效果欠佳。因此，本虚拟仿真系统着重强化了该部分的结构和原理展示，并适当补充了局部动画，以便学生快速理解和掌握。

1.3 插秧机生产作业调整内容

插秧机生产作业调整内容包括横向送秧量、纵向取秧量、栽插深度、穴距和软硬敏感度5 个部分。其工作原理如下。

1）横向送秧量调节是通过调节栽秧台变速箱挡位改变秧箱的横向移动速度，在分插机构旋转箱旋转速度不变条件下，秧箱横向移动速度越快横向送秧量越小。

2）纵向取秧量调整是通过改变秧箱在纵向与秧针的距离来实现的，秧箱沿纵向上升时纵向取秧量减小。

3）栽插深度调节是通过改变栽秧台的秧船离地间隙实现的，当秧船离地越远，栽秧台越贴近泥面，栽插深度越大。

4）穴距调节是通过改变底盘二级变速箱挡位调节PTO 输出速比来实现的，最终改变的是插秧机前进速度与旋转箱旋转速度之比，二级变速箱输出速比越大，穴距越小。

5）软硬敏感度用以改变栽秧台仿地形的敏感程度，在插秧机栽秧台升降液压系统中体现在仿形控制阀滑阀的有效行程。软泥面田适宜高敏感度，此时仿形升降液压系统会快速跟随栽秧台秧舟的升降同步升降，可防止泥软时秧舟雍泥；硬犁底层适宜低敏感度，此时仿形升降液压系统在秧舟升降一定范围内不响应，可保证插深基本保持一致。

通过分析，插秧机生产作业调整内容所涵盖的结构和原理性知识除了栽秧台之外，还包括插秧机传动系统和液压系统相关知识，因此在虚拟仿真功能模块上需要加强对整机的结构认识和对传动系统的阐述，并辅以液压系统的讲解。

基于上述分析，为向学生完整展示插秧机的结构、工作原理和调整内容，虚拟仿真系统设置了以下模块：1）插秧机整机结构认知；2）插秧机插植部件工作原理；3）插秧机作业流程操作；4）插秧机插植部件调节方法；5）插秧机插植部件拆装。

2 虚拟仿真实验教学系统设计

2.1 系统架构

水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统可依托网络服务器多机运行，也可单机运行。既能保证用户能够随时随地通过浏览器访问，又可单机自主练习。软件系统包括学生端、教师管理端、后台服务端，如图4所示。

1）学生端用于学生、行业内参与学习或培训使用人员的虚拟实验或考核，包括个人中心、课程中心和考核中心三部分。个人中心主要是学生用于管理个人信息，查询个人学习记录和考核记录等；课程中心是依托乘坐式插秧机插植总成结构多功能虚拟仿真实训系统软件，包括三维数字化插秧机结构认知、插秧机插植部件工作原理仿真、插秧机作业流程虚拟操作、插秧机插植部件调节虚拟仿真、插秧机插植部件虚拟拆装，共5个模块。

2）教师管理端主要是协助教师进行简单的教学管理，包括学生权限的管理、组织结构管理、课程类别和模块管理、考核管理等等。

3）后台服务端主要是面向系统管理员或软件技术服务人员对虚拟实训系统的数据维护。

图4 水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统总体设计示意图

2.2 系统主要功能模块

2.2.1 知识模块

水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统上的知识模块展示如图5所示。

1）三维数字化插秧机整机结构虚拟认知。主要利用虚拟现实技术的真实再现让学生对高速乘坐式插秧机整机结构进行沉浸式的认知学习，帮助学生了解插秧机的外形、结构，并对关键部件进行文字说明，使学生在虚拟环境中了解插秧机的送秧机构、插植机构、传动机构及其他部件的构造与工作原理。

2）插秧机插植部件工作原理仿真。该仿真模块主要通过动态仿真演示并结合虚拟透视观察，让学生在虚拟动画的慢镜头下明确插秧机构的取秧、插秧的工作过程，帮助学生理解其结构和工作原理。

3）插秧机作业流程虚拟操作。该仿真模块主要模拟操作插秧过程，熟悉机械化插秧作业的操作流程，了解插秧过程中需要注意的问题，进而达到让学生基本掌握机械化插秧操作规范的目标。

4）插秧机插植部件调节方法虚拟仿真。该模块主要是帮助学生了解插秧机作业过程是如何根据作业要求和作业速度调节秧苗的株距、插植深度、取秧量和软硬地面适应调节任务的，以掌握调节方法和工作原理。

5）插秧机插植部件虚拟拆装。主要是让学生掌握高速乘坐式插秧机插值总成结构的正确拆装步骤、必要的拆装工具。实现插秧机关键功能零部件的拆装，进而深入地学习典型农业机械的结构与工作原理。

2.2.2 考核模块

1）结构认知考核。主要考核插秧机操纵机构、传动系统、栽秧台结构、辅助机构4 类27 个零部件，采用对具体部件填写部件名称代号的形式考查学生对零部件的认知水平。

2）工作原理考核。主要考核插秧机操纵、栽秧台横纵向送秧和插植机构的工作原理。其中，对插秧机操纵考核采用的是考查操纵零部件的顺序和规范，对栽秧台横纵向送秧和插植机构的工作原理考核采用的是问答判断考核方式。

3）调整方法考核。主要考核5 大调整内容，通过设定场景，学生可判断、计算获得不同调整内容的调整目标，并通过调节虚拟操纵杆完成考核。

3 教学应用

水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统已应用于江西农业大学农业机械化及其自动化专业本科生“农业机械学”“农业机械化生产学”“农业机械生产综合实习”等课程的实验教学，已在江西省高校虚拟仿真实验教学共享服务平台运行，并通过江西省省级认定。

图5 水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统内容截图

在日常教学中，依托虚拟仿真平台，将视频、动画、仿真有机集成，丰富了教学资源，拓展了课堂设计空间和教学手段，显著增强了学生对课堂设计的参与感。在“农业机械学”“农业机械化生产学”课程的考试成绩分析中，设计插秧机工作结构和工作原理的考试得分明显提高，在“农业机械生产综合实习”课程的实操教学中，通过事先仿真实验温习显著提高了学生对实操的接受能力和操作水平，取得了积极的教学效果和应用效应。

本系统上线以来，已面向在校学生3 个年级共计300 多人次，社会人员400 多人次开放，取得了良好的教学效果和社会效应，水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统应用统计图如图6所示。

图6 水稻插秧机虚拟仿真实验教学系统应用统计图

4 结语

1）本项目通过创建基于虚拟仿真的乘坐式插秧机插植总成结构原理与拆装实训系统，通过三维动画视频演示、仿真实训操作、在线考评、课件资源等教学功能，对插秧机插植总成和送秧、分插秧机构的工作原理与模拟拆装过程进行综合实训教学，可以缩短插秧机插植总成的拆装实训课时，加强学员对插秧机工作原理和拆装流程及工艺的认识和理解，减少对真实农机实训拆装的磨损，降低学员实训事故风险，提高教学效率。

2）该软件项目使用可有效提升学习者关于水稻插秧机的专业知识、实践能力，有利于综合素质的协调发展。在承担正常教学应用的同时，通过借助江西省虚拟仿真共享平台可实时面向社会服务，社会价值和效用良好。