向承翔

(重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404155)

0 引言

插秧機(jī)作為一種常用的農(nóng)用機(jī)械之一，在我國的水稻行業(yè)起著不可或缺的作用。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷進(jìn)步與發(fā)展，水稻插秧的技術(shù)不斷朝著機(jī)械化、自動化方向發(fā)展。多年來，我國、日本及其他農(nóng)業(yè)國家都不斷致力于插秧機(jī)的技術(shù)與機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，從最初的曲柄搖桿式發(fā)展到非圓齒輪傳動式、曲柄行星輪系式及改變株距插秧等，插秧機(jī)的工作性能在逐步提高，但均為適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖鳂I(yè)場地及土壤條件等而選擇。為適應(yīng)我國當(dāng)?shù)氐乃痉N植與生產(chǎn)的農(nóng)藝要求，對其進(jìn)行核心部件針對性地改進(jìn)，可為提高水稻產(chǎn)量與質(zhì)量及水稻種植提供安全可靠機(jī)具，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 插秧機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

水稻插秧機(jī)主要的組成部件有儲存秧苗裝置、輸送裝置及插秧裝置等組成。工作原理:由發(fā)動機(jī)主要提供動力，供給插秧機(jī)的行走部與插秧部；行走部為四輪驅(qū)動，在液壓無級變速方式下進(jìn)行驅(qū)動整機(jī)轉(zhuǎn)向、前進(jìn)等作業(yè)；插秧部為核心部件，通過機(jī)械自動插秧，實(shí)現(xiàn)插秧的行數(shù)、行距及株距的一致。此過程在齒輪系的作用下通過中心輪、太陽輪、中間輪、行星輪等一系列傳動保證秧針的取送秧及回轉(zhuǎn)避讓等運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)插秧的橫送量控制。

2 核心部件設(shè)計(jì)與改進(jìn)

2.1 插秧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)插秧機(jī)構(gòu)工作時(shí)的各部件動作執(zhí)行先后順序及動作條件，給出插秧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的輪系相關(guān)參數(shù)條件。根據(jù)行星輪系的體積計(jì)算，給定插秧機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)插秧作業(yè)時(shí)各齒輪軌跡形成封閉曲線條件，即

(1)

(2)

同時(shí)，根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對插秧部件各齒輪進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)改進(jìn)，齒面接觸疲勞強(qiáng)度與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及傳動比按照式(3)～式(5)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即

(3)

(4)

(5)

以非圓齒輪運(yùn)動學(xué)機(jī)理為理論模型，為更深入準(zhǔn)確地了解插秧機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)軌跡，選取影響插秧機(jī)軌跡形成及位姿的關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。通過變換各參數(shù)的影響值確認(rèn)最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合插秧機(jī)構(gòu)關(guān)鍵組成部件繪制成三維模型(見圖1)，主要包括各傳動輪系及推秧裝置中的推秧?xiàng)U、秧針及凸輪等。其中，推秧裝置的推秧角度及插秧臂相互之間的位置關(guān)系對于秧苗的正確插入是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

表1 插秧機(jī)插秧機(jī)構(gòu)軌跡與姿態(tài)關(guān)鍵參數(shù)值Table 1 Key parameter values of the track and posture on the transplanting mechanism of the transplanter

圖1 插秧機(jī)插秧裝置三維模型簡圖Fig.1 3D model brief diagram of the planting device of the transplanter

2.2 移箱核心構(gòu)件設(shè)計(jì)

為保證高速插秧機(jī)在準(zhǔn)確插秧的同時(shí)，工作可靠性與移箱機(jī)構(gòu)的核心部件密切相關(guān)，插秧作業(yè)過程中間距的調(diào)整需要由移箱機(jī)構(gòu)來完成。針對移箱的核心構(gòu)件螺旋軸進(jìn)行受力分析，且改進(jìn)參數(shù)，使得所設(shè)計(jì)的插秧機(jī)移箱構(gòu)件能夠精準(zhǔn)靈活地在秧苗箱體內(nèi)部進(jìn)行推秧、取秧等作業(yè)，配合完成插秧的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)螺旋軸利用如下公式，即

(6)

式中τ—螺旋軸所受剪切力(MPa)；

[τ]—最大許用剪切應(yīng)力(MPa)；

d—螺旋軸直徑(mm);

P—軸功率(kW);

n—螺旋軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

通過計(jì)算，選取軸徑d的優(yōu)化取值范圍：18～20mm，并通過查閱相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，得出具體的參數(shù)設(shè)計(jì)值，如表2所示。同時(shí)，并對內(nèi)部轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行選取匹配且經(jīng)過模態(tài)處理，可知已避開共振頻率帶，可實(shí)現(xiàn)移箱機(jī)構(gòu)平穩(wěn)傳送秧苗。

表2 高速插秧機(jī)移箱螺旋軸關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)值Table 2 Key parameter design values of the screw axis of the moving box in the high-speed transplanter

2.3 輔助軟件程序優(yōu)化

為進(jìn)一步改進(jìn)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)上各核心部件選取參數(shù)的性能協(xié)調(diào)及優(yōu)化度，選取輔助軟件MatLab軟件進(jìn)行算法比較，選擇FMINCON進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化求解，算法流程簡圖如圖2所示。通過多次計(jì)算比較修正函數(shù)矩陣，得出最理想的參數(shù)值。此處給出部分程序段：

for i=1∶1.5;

rhoz(i)=p2/(1-E*cos(n1*l1(i)));

Rhoz(i)=sqrt(rhoz(i)^2+2*rhoz(i)*(CX*cos(l1(i))+

CY*sin(l1(i))+CX^2+CY^2);

fr=@(x)sqrt((QL(i)*cos(angle)*(cos(x)+x*sin(x))-

QL(i))^2;

…

…

Flot(fy,[-60,60]);

qqz(i)=fzero(fy,[-5,12]);

end

rhot6(i)= sqrt(rho5(i)^2+2*rho5(i)*(CX*cos(l1(i))+

CY*sin(l1(i))+CX^2+CY^2);

end

…

…

圖2 插秧機(jī)最優(yōu)值優(yōu)化算法流程簡圖Fig.2 Optimization algorithm brief diagram of the most optimal value of the transplanter

3 仿真試驗(yàn)分析

3.1 仿真條件

仿真系統(tǒng)的環(huán)境及相關(guān)參數(shù)條件設(shè)置對于仿真試驗(yàn)的接近性與可參考性起決定性作用，筆者選取ADAMS進(jìn)行材料屬性及關(guān)鍵求解所需約束條件的設(shè)置：

1)取秧角度的選取，宜為15°～35°左右；

2)保證推秧角度與取秧角度之間的關(guān)系；

3)仿真初始位置選取；

4)待獲取數(shù)據(jù)前置條件給定；

5)單位設(shè)置統(tǒng)一等。

3.2 過程分析

通過從不同角度、不同轉(zhuǎn)動副與移動副角度施加載荷等相關(guān)參數(shù)，模擬仿真插秧機(jī)在實(shí)地進(jìn)行插秧作業(yè)過程各作用部件所受的接觸力、嚙合力及傳動力等；著重考慮轉(zhuǎn)速與加速度的變化情況，并通過截取放大關(guān)鍵秧針尖點(diǎn)A的MARKET，分析其相對于行星架的相對運(yùn)動速度與相對位移之間的軌跡情況，并繪制出曲線，如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可看出：該尖點(diǎn)的運(yùn)動仿真情況與前期所做的理論計(jì)算相吻合，符合實(shí)際的插秧尖點(diǎn)運(yùn)動，模擬仿真有效。

圖3 插秧機(jī)插秧尖點(diǎn)相對位移曲線Fig.3 Relative displacement curves of the planting device sharp point of the transplanter

圖4 插秧機(jī)插秧尖點(diǎn)相對運(yùn)動速度曲線Fig.4 Relative movement speed curves of the planting device

sharp point of the transplanter

由圖5可以看出：插秧機(jī)的插秧裝置呈腰子狀曲線運(yùn)動，亦符合實(shí)地作業(yè)規(guī)律。經(jīng)按照機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算與對比發(fā)現(xiàn)，較進(jìn)行核心部件改進(jìn)前的插秧機(jī)整機(jī)質(zhì)量減輕15%左右，且各結(jié)構(gòu)間的協(xié)調(diào)能力得到整體提高，設(shè)計(jì)參數(shù)及仿真試驗(yàn)可行。

圖5 插秧機(jī)插秧裝置運(yùn)動軌跡仿真簡圖Fig.5 Dynamic trajectory simulation brief diagram of the planting device of the transplanter

4 結(jié)論

1)在高速插秧機(jī)工作原理基礎(chǔ)上對其插秧機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)研究，利用運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)相結(jié)合方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并得出三維模型。

2)對插秧機(jī)移箱運(yùn)動裝置進(jìn)行改進(jìn)，分析螺旋軸的運(yùn)動規(guī)律并結(jié)合優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

3)通過利用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出設(shè)計(jì)研究的可行性與合理性，為插秧機(jī)的改進(jìn)提供一定理論依據(jù)與優(yōu)化思路。

4)建議下一步將機(jī)械設(shè)計(jì)與PID機(jī)械部件智能化控制相結(jié)合，更好地實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)機(jī)械自動化作業(yè)。