椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构设计

李永波 张剑锋 张瑞宏 缪 宏 于 虹 奚小波

0 引言

水稻插秧机是由多个部件组成的机械系统，而分插机构是组成该系统的关键部件。它是插秧机插秧动作的主要执行部件，其性能优劣对插秧机的可靠性、插秧效率以及插秧质量的影响很大。因此，一直以来分插机构都是插秧机领域的重点研究对象。开发一种使用后插式分插机构的步行式水稻插秧机将显著提升栽插性能和插秧效率，大幅地降低作业成本，对发展水稻种植机械化有重要意义。

1 椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构工作原理和结构特点

1.1 椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构的工作原理

椭圆齿轮传动后插旋转式分插结构如图1所示。它由三个全等的椭圆齿轮组成，且皆以椭圆齿轮中的两个焦点中的一个作为转轴。安装时，应确保齿轮1和齿轮2在相同的初始相位，中心齿轮1固定在机架上，齿轮2、齿轮3铰接在行星架的相应位置上，并通过键将栽植臂4与齿轮3连接在一起。工作时，中心齿轮1先转动，接着由它带动齿轮2、齿轮3各自转动，齿轮2转动将带动行星架绕中心齿轮1的转轴转动。由于该机构是以椭圆齿轮作为传动元件，传动比是不定的，因此，传动系统中各齿轮将作不等速转动。最终在齿轮2、齿轮3的共同作用下栽植臂4将按要求姿态(轨迹和角位移)往复运动,通过调整结构参数，最后得到插秧要求的取秧角、推秧角和工作轨迹。

1.2 椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构的结构特点

椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构是一种旋转式分插机构，机构主轴旋转一个周期完成一次插秧，适用于步行式插秧机，与现有机构相比，有以下特点：

（1）传动系统简单,仅由三个椭圆齿轮构成,结构小巧、紧凑。

图1 椭圆齿轮传动后插旋转式分插结构示意图

（2）在传动中齿隙变化幅度小，传动平稳，结构简单，可靠性好。同时，运动均匀性较好，动载荷较小，有效地减少了冲击和振动。

（3）在结构上有所创新，能有效避免分秧不均、伤秧及栽插不稳等缺陷，提高工作效率。

2 分插机构动力学分析

对椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构进行动力学分析是为了研究其振动的周期性变化规律以及结构参数对振动作用力的影响，使得该分插机构在满足插秧轨迹及姿态的前提下，具有良好的动力学特性及可靠性，实现高质量插秧，提高市场竞争力。

分插机构工作过程与行星架转角关系如图 2所示。

图2 分插机构工作过程与行星架转角关系

2.1 取秧过程

秧针先运动至毯状秧上方，接着插入土壤取下秧苗，随着秧针进入土壤深度的增大受到的作用力也逐渐增大，而拨叉对凸轮的阻力矩始终保持不变，直到送秧过程完成。

2.2 送秧过程

送秧过程中秧爪持有秧苗，由于秧苗质量较小，故忽略不计，所以送秧和空行程的动力学工况可视为基本一致。拨叉和栽植臂之间没有相对运动，可与栽植臂看作一体。拨叉会对凸轮产生正压力，该正压力会产生摩擦力，而摩擦力会形成阻力矩作用在凸轮上，由于凸轮固定在行星架上，故阻力矩将传递给行星架。

2.3 插秧过程

根据插秧过程中受力工况的不同，可将其分解成推秧与碰撞两个过程。

（1）推秧过程。当拨叉转动至凸轮凹陷处时，拨叉滑离凸轮，受推秧弹簧的作用，加速旋转推动推秧杆，进而作用于秧苗，将其推出，此时，拨叉和栽植臂之间有相对运动，需对拨叉、推秧杆和栽植臂进行单独分析。

（2）碰撞过程。推秧杆推送出秧苗的瞬间，会碰撞位于栽植臂底部的胶垫，产生较大冲击力。该力作用在栽植臂上，将产生振动。

2.4 空运行过程

此时拨叉与凸轮接触，在凸轮推动下转动，压缩弹簧，拨叉作用在凸轮上的力形成阻力矩，当拨叉上升至最高处时，便进入凸轮等圆弧曲线段，阻力矩保持不变。

3 结论

通过对椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构的动力学分析可以看出，与现有的分插机构相比，椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构的结构更加紧凑，动载荷较小，工作更加稳定。

[1]冯丽敏,赵风芹,刘志侠.分插机构的研究现状及最新进展[J].农业机械化与电气,2003.

[2]李革,赵匀,俞高红.椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和优化设计[J].农业工程学报,2000.

[3]陈建能,赵匀,俞高红 等.椭圆齿轮行星系分插机构推秧装置的动力学模型的建立及验证[J].农业工程学报,2003.

[4]陈建能,赵匀.高速插秧机椭圆齿轮行星系分插机构的参数优化[J].农业机械学报,2003.