水稻栽植机秧针部件结构分析与试验设计

杨洪观，郭占斌，刘天祥，张　昆

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319)



水稻栽植机秧针部件结构分析与试验设计

杨洪观，郭占斌，刘天祥，张昆

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：针对水稻植质钵育秧盘的结构特点，设计了一种秧针部件，并分析了其结构特点和工作原理。以洋马VP6型高速插秧机为机型，在不改变原机通用性的情况下，选择秧针部件的3个切割角度为主要因素，以秧针部件取秧力、切块体积为指标，设计正交试验。由此为得到秧针的结构参数最佳组合和后续的试验精确性提供了依据，从而保证了栽植质量。

关键词：水稻；植质钵育秧盘；秧针；正交试验

0引言

水稻是我国主要粮食作物之一，实现水稻机械化栽植已经成为发展趋势。水稻栽植模式大致分为直播和移栽两大类：直播模式分为水直播和旱直播，移栽模式分为浅移栽和深移栽。浅栽模式又划分为有序栽植和无序栽植。目前，有序浅栽机分为精准抛秧机、摆栽机、插秧机等机型，深栽机分为普通插秧机和高速插秧机等机型[1-3]。随着水稻种植机械化的发展，水稻有序栽植成为近几年研究的重点。水稻植质钵育机械化栽培技术是黑龙江八一农垦大学拥有自主知识产权的科研成果，具有无缓苗、苗齐、苗壮、节种、节土、秸秆还田、提高水稻产量及保护农业生态资源等特点[4]。

在国外，日本最早开始研究钵体苗栽植机，井关公司和实产业都生产移栽机产品，其次有尼日利亚、韩国和印度等国家；但钵体苗移栽机使用时存在成本高和结构复杂等综合问题，未能得到全面推广[5]。在我国，最近的钵苗移栽机研究主要有水稻植质钵育秧栽植机、水稻钵体苗插秧机及水稻钵体苗摆栽秧机等，这些机具都具有很强的增产效果[6]。

乘坐式高速插秧机是水稻栽植的主要机具，秧针是取秧作业的主要部件之一，其结构参数和性能决定和影响水稻插秧机的插秧效果。为此，本文以水稻植质钵育有序栽植为依据，洋马VP6型乘坐式高速插秧机为机型，设计了一种结构合理的秧针部件。该部件适用于水稻植质钵育秧栽植作业，可解决秧针部件取秧力小、切块均匀等问题。

1植质育秧盘的结构

水稻植质钵育秧盘结构形式如图1所示。秧盘宽度尺寸为 280mm，钵块与钵数的纵横钵距尺寸规格为20mm，纵向29穴，横向 14 穴；按照经纬线排列组合，共406穴；钵体为截锥型，上口直径为Φ14mm，下口直径为Φ10mm，高 20mm；纸盘壁厚3～4mm，纸钵按纵横向排列组合，秧盘质量为280～300g[7]。

图1　秧盘结构形式

2秧针部件结构设计与工作原理

2.1　秧针部件的设计要求

秧针结构应容易插入秧苗块中，取秧要准确，分秧要彻底，插秧要保证秧苗质量[8]。植质钵育秧栽植最大的特点是定点定量的进给，属于有序栽植，所以要求栽植机构每次要整齐地切下钵穴，保证秧针不易产生伤苗和空穴。秧针结构示意图如图2所示，三维实体图如图3所示。

1)植质钵育栽植机秧针设计包括切割部、安装柄。其特征在于切割部外廓横向宽度尺寸H1，取H1=18mm，与秧门两侧间隙为2mm，可保证秧针顺利通过秧门。

2)切割部前端左右侧上对称设有刃口，其刃口刃前角为α。

3)切割部上平面与安装柄平面之间的前倾角为β。

4)切割部前端左、右侧对称刃口平面之间为刃倾角γ。切割部上的护秧槽横向宽度尺寸H2为8mm，秧针开口长度为66mm。

1.刃前角　2.切割部　3.安装柄

图3　秧针三维实体图

2.2　秧针部件的材料选择

2.2.1秧针部件受力分析

秧针部件插取秧盘时受到秧盘的切割阻力q为分布载荷(N)和安装约束力Fx、Fy(N)，其受力情况如图4所示。

2.2.2不同材质、相同受力秧针部件有限元分析

运用有限元分析软件，分别对材质为不锈钢合金秧针部件和优质碳素钢秧针部件施加相同约束力，处理后可以分别得到应力和位移(变形)云图，如图5和图6所示。

图4　秧针部件受力图

图5　秧针应力云图

图6　秧针部件位移(变形)云图

由图5、图6可知：不锈钢合金材质秧针应力最大值σmax为2 705.93N/mm2，优质碳素钢材质秧针应力最大值σmax为2 711.94N/mm2；而不锈钢合金材质秧针位移(变形)最大值εmax为1.000mm，优质碳素钢材质秧针位移(变形)最大值εmax为1.627mm。对比分析可知，不锈钢合金材质秧针强度优于优质碳素钢材质秧针,所以秧针部件采用不锈钢合金材质比优质碳素刚材质适合[9]。

2.3　栽植机构工作原理

秧针的取秧动作靠栽植机构的运动来实现，也就是说栽植机构的结构形式和运动参数决定秧针速度、加速度及运动轨迹的变化。洋马VP6型高速插秧机采用偏心齿轮栽植机构，如图7所示。

1.推秧凸轮　2.推秧拨杆　3.推秧弹簧

该分插机构配有5个偏心安装的齿轮，半径相同；太阳轮固定不动，两边对称布置两对齿轮，靠近太阳轮的齿轮及两端齿轮构成行星轮，其栽植臂与曲柄摇杆式栽植机构结构形式相似。栽植臂固定在行星齿轮上，推秧凸轮固定在行星系架上，行星系架在转动时，行星齿轮相对行星系架转动；由于栽植臂相对于推秧凸轮旋转，带动推秧杆运动，使弹簧压缩产生的弹力实现推秧动作，驱动推秧杆将钵苗从秧针弹入田中。由于行星轮架转动1周完成2次插秧动作，在中心轴转速降低的情况下，单位时间内插次反而增多，并且取秧瞬间线速度下降，伤苗率随之减少[10]。

3试验因素选择

秧针的切割角度决定秧针部件的主要结构形式，其结构参数和性能决定并影响水稻插秧机的插秧效果，故选取秧针A刃前角α、B前倾角β、C刃倾角γ这3个切割角度为主要因素，秧针部件取秧力、切块体积为指标。由于秧针切割刃倾角对翻倒率和漂秧率影响显著，在50°～55°之间功耗最小[9]，为了进行试验对比，选择切割刃倾角50°、52°、55°为试验角度。刃前角和前倾角试验角度取值区间如试验因素表1所示。

表1　试验因素表

4指标与试验设计

4.1　秧盘育秧

选取植质钵育秧盘为试验秧盘，对水稻种子进行浸种、催芽并将其种植在钵育秧盘内，培育生长至三叶一心，株高12～15cm时，满足栽植要求状态。

4.2　切块体积的计算

切块体积(V)=切块质量(M)/土壤容重

土壤容重是单位体积土壤的干重，通常用g/cm3表示，采用环刀法测定。

4.2.1准备工作

环刀(100cm3)、小铁铲、削土刀、铝盒、凡士林、电子天秤及铝盒若干，将其逐个编号并称量记录每个铝盒的质量(精确到0.1g)，记为M0。

4.2.2科学采样

选择好试验钵育秧盘和土壤，去除秧苗，将钵育秧盘和土壤均匀混合一起；先将环刀平稳全部压入土壤内，用削土刀将环刀周围的多余土壤去除；取出环刀，再小心将环刀的上托取下，用削土刀将环刀两端的土壤进行削平，使得环刀内土壤容积一定,用电子天秤称量环刀及湿土重，记为M。在采样过程，尽量确保不扰动环刀内的土壤，若环刀内的土壤出现亏缺或松动现象，则需要重新采集土样。

4.2.3烘干土壤

将环刀和采集土样带回室内，在环刀内取出20g左右土样放在铝盒内并称其质量，记为M1。放入恒温为105℃烘箱内6～8h烘干至恒重，称量铝盒及烘干土质量，记为M2[11]。

4.2.4精确计算

土壤容重=(M-G)×100/V(100+W)

其中，M为环刀及湿土重(g)；G为环刀质量(g)；V=πr2h，为环刀容积；h为环刀高度；r为环刀刃口内半径。

土壤含水量W=(烘干前铝盒及土样质量M1-烘干后铝盒及土样质量M2)/(烘干后铝盒及土样质量M2-烘干空铝盒质量M0)×100%

4.3　秧针取秧切割力的计算

取秧力=秧针质量×取秧速度

4.3.1试验仪器

高速动态记录仪(高速摄像机)及其配套的视频采集系统、可视化图像监视系统和图像辅助分析软件，如图8所示。该设备主要用来进行栽植机构运动学分析，主要对机构质点速度、加速度和轨迹进行分析与计算。

1)高速动态记录仪。型号：Trouble Shooter HR高速动态记录仪，主要参数：拍摄速度为500F/sec；标准记忆时间为5帧/s；图像规定输出格式为NFF、BMP、AVI等；最大分辨率为480×640。

2)视频数据采集系统。

3)可视化图像监视系统。

4)图像辅助分析软件。

4.3.2试验方法与步骤

利用高速摄像技术分析系统对栽植机构运动学特性进行分析。

1)对高速摄像机采样频率进行调整，保证其与高速栽植机构作业时分差频率相匹配；

2)在栽植机构上做好标记，以便分析时进行标定，并以此作为分析基准；

3)调整高速摄像机的重放频率，使得与视频采集的频率相匹配，以避免由于丢失数据而造成分析结果失真；

4)启动栽植机，使栽植机构的转速达到300r/min，在高速级状态下进行图像采集[8]。

图8　TroubleShooter HR高速动态记录仪

4.4　正交试验

正交试验是一种针对多因素试验设计的科学试验方法，可将多个试验因素，按照水平间的组合均匀搭配,安排合理、试验周期短，可以有效地减少试验次数。其试验结果获得信息多，是一种多水平、多因素、效率较高的试验方法[12]。

选取秧针刃前角α、前倾角β、刃倾角γ这3个切割角度为主要因素，以秧针部件取秧力、切块体积为指标，根据三因素三水平，采用L9(34)正交设计，正交试验如表2所示。

表2　三因素三水平正交试验表

5结论

在分析了水稻植质钵育秧盘的结构特点基础上，设计了一种秧针部件，并分析了秧针部件的结构特点和工作原理。以洋马VP6型高速插秧机为机型，在不改变原机通用性情况下，采用正交试验法，选择秧针部件的刃前角α、前倾角β、刃倾角γ这3个切割角度为主要因素，以秧针部件取秧力、切块体积为指标，设计了正交试验，得到了秧针的结构参数最佳组合，旨在对后续试验的精确性提供依据 。

参考文献：

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[3]孙继东.水稻机械化移栽育秧技术的发展[J].农业机械化与电气化,2001(2):32.

[4]张冬梅，汪春. 水稻钵育机械化栽培技术研究现状及发展趋势[J].长春理工大学学报：高教版,2009(7):175-176.

[5][日]木谷收.21世纪农业机械化[J].农业机械学会志,1997,59(6)：4-9．

[6]马旭,李泽华,梁仲维,等.我国水稻栽植机械化研究现状与发展趋势[J].现代农业装备,2014(1):30-36.

[7]陈恒高,董晓威,张吉军.水稻植质钵育秧盘的研制[J].现代化农业，2005(9):31-32.

[8]庹洪章,谢祖琪,应婧,等.插秧机秧爪结构对秧苗栽插质量的影响[J].西南农业学报，2012，25(1):63-68.

[9]郭占斌.水稻植质钵育高速栽植机关键部件性能分析与试验研究[D].大庆:黑龙江八一农垦大学,2014.

[10]俞高红,赵匀,赵凤芹,等.高速水稻插秧机分插机构研究现状和最新进展[J].农机化研究,2003(2):41-43.

[11]孔凡伟.如何精测土壤容重[J].黑龙江农业科学，2010(10)：178.

[12]刘瑞江,张业旺,闻崇炜,等.正交试验设计和分析方法研究[J].实验技术与管理,2010(9):52-55.

The Structural Analysis and Experiment Design of Rice Planting Machine Cutter Parts

Yang Hongguan， Guo Zhanbin， Liu Tianxiang， Zhang Kun

(College of Information Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319,China)

Abstract：For the structure characteristics of rice boards planting quality , a kind of seedling needle parts is designed, the structure characteristics and working principle are analyzed. The YangMa VP6 is been the type of high-speed transplanter for models. In the cases of being not changed about the original machine general, the seedling needle parts of three cutting angles are the main factors. Rail force of seeding needle parts and cutting volume are as the indicators.The orthogonal experiment is designed. For getting the structure parameters optimal combination of the seedling needle and providing the basis for subsequent test accuracy, the quality of planting is been sure.

Key words：rice; bowl of rice transplanting； seedling needle； orthogonal test

中图分类号：S223.91

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0145-05

作者简介：杨洪观(1990-)，男(柯尔克孜族)，黑龙江富裕人，硕士研究生，(E-mail)593398495@qq.com。通讯作者：郭占斌(1966-)，男，黑龙江宝清人，教授，硕士生导师，博士。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B01)

收稿日期：2015-09-24