人力手拉插秧机设计（含三维SW模型）
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新疆农机化2020 年第 6 期doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2020.06.006中图分类号:S233.71文献标识码：A0引言由于地形原因（特别是贵州喀斯特地区），一些地区农田分散，大型插秧机和其他农业机械的普及受到限制，且山区水稻种植以梯田及零散种植居多1，该地区的现行水稻栽培方式还是以地膜水育秧、人工手插为主，生产成本高，劳动强度大，作业条件艰苦且效率低下2，使高产水稻作物难以发挥其潜力。针对小型田间秧苗的插秧工作，徐高飞等3设计了手扶便携式插秧机，此款插秧机为人力驱动，但工作效率相对较低；邵陆寿等4设计了半机动插秧机，采用人力牵引的组合式秧箱，但此款插秧机操作不便；郑银河等5设计了 2 行手扶式机动水稻插秧机，该机器配备单缸小型汽油机，但此款插秧机发动机易进水，过水渠时可能损坏发动机，同时该插秧机价格昂贵且对环境有污染。针对目前贵州秧苗的栽植现状，设计了一台小型机械式插秧机，旨在为满足贵州小型田间秧苗的栽植提供便利。此款可分离小型机械式插秧机适用于贵州小型田间秧苗的栽植，具有灵活轻便的特点，弥补了市面上对小型插秧机的缺口。1插秧机结构及工作原理1.1插秧机基本结构该插秧机主要由链轮传动、自行车、秧盘、秧块、曲柄滑块机构、锥齿轮传动、秧盘前档盘、曲柄插秧机构等组成。整体结构如图1，插秧机背部传动如图2。此插秧技术可用于小型机械式插秧机的设计中，以期为小型插秧机的设计及试验提供借鉴和参考。文章编号：1007-7782（2020）06-0015-005小型机械式插秧机的设计研究张德俊1，李文迪1，林蜀云2，吉 旭1，张太华1，徐卫平1（1.贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550001；2.贵州省山地农业机械研究所）摘要：针对贵州喀斯特地貌的小型农田的栽植环境，设计了一款可分离小型机械式插秧机。此装置采用人力带动链轮与锥齿轮联合驱动，通过秧盘底下的曲柄滑块机构实现秧盘横向移动送秧、曲柄插秧机构拨动秧盘上的秧块实现纵向插秧。通过分析横向送秧机构的工作原理，建立曲柄滑块机构的运动学模型，计算得出：连杆1为79mm、连杆2为125mm、偏心距e为35mm。对关键部件利用有限元仿真进行分析评估。结果表明：该装置设计合理，秧盘移动机构工作可靠，可满足插秧工作。关键词：小型机械；插秧机；设计；有限元仿真ResearchandDesignofSmallMechanicalRiceTransplanterZhang Dejun1,Li Wendi1,Lin Shuyun2,Ji Xu1,Zhang Taihua1,Xu Weiping1(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Guizhou Normal University,Guiyang,550001,Guizhou,China;2.Guizhou MountainAgricultural Machinery Research Institute)Abstract:A detachable small mechanical rice transplanter was designed to the planting environment of small farmland inGuizhou karstlandform.The device adoptsmanpowerto drive the sprocketand the bevel gear joint,the transplanting rice canbe realized by means of the crank slider mechanism at the bottom of the rice tray,and the crank transplanting mechanism canmovetheblocksonthericetraytorealizelongitudinaltransplanting.Thekinematicsmodelofthecrankslidermechanismwasestablished by analyzing the working principle of the transverse seedling feeding mechanism,and the calculation resultsshowed that the connecting rod 1 was 79mm,the connecting rod 2 was 125mm,and the eccentricity E was 35mm.The keycomponents are analyzed and evaluated by finite element simulation.The results show that the device is reasonable and reli-able,andcanmeettherequirementsoftransplantingriceseedlingsKey words:Small mechinery;Rice transplanter;Design;Finite element simulation修回日期：2020-10-26基金项目：黔科合支撑20192388 号通讯作者：徐卫平 开发研究 15新疆农机化2020 年第 6 期1.2插秧机工作原理根据贵州种植习惯及秧苗的农艺规范，采用穗粒兼备的中秆品种钵形毯状苗6-7，机械移栽所用苗为中小苗，苗龄为1520天，苗高为1217cm，秧块标准大小分别为58cm、28cm和2cm8-9，种植程序按农艺规范执行，种植方式为插播、四行单株。基于曲柄滑块机构及自行车驱动的秧苗栽植方式设计了此插秧机，通过研究该栽植方式的关键技术，以期解决当前针对贵州小型田间秧苗栽植面临的机械化困难。工作时，插秧机在田间行走，踩动自行车踏板驱动插秧机工作，传动链将动力传递给插秧曲柄轴，曲柄通过连杆带动秧爪完成分秧及插秧动作。在一个工作循环中，秧爪下行至秧盘，完成分秧动作；秧爪夹持秧苗继续下行，将秧苗插入田间；传动链将动力传递给锥齿轮轴，锥齿轮轴带动曲柄滑块机构将秧盘横移一个步距，将下一株秧苗移至分秧工位；秧爪进入回程阶段，秧爪上移返回工作循环的起始位置10-11。图1插秧机整体结构图2插秧机背部传动图1.链轮传动2.自行车3.秧盘4.秧块5.秧盘前档盘6.曲柄插秧机构 7.曲柄滑块机构8.锥齿轮传动2关键部件设计2.1秧盘左右移动的曲柄滑块机构设计秧箱是插秧机的重要部件，担负着定时、定量、均匀送秧的工作12-14。目前移箱机构的设计有三种形式：一是齿条式；二是螺旋轴式15；三是链式。此款插秧机采用人力踩动自行车踏板驱动曲柄滑块机构实现秧盘的移动，分析横向送秧驱动机构的工作原理，建立曲柄滑块机构的运动学模型。曲柄滑块机构的位置关系式：Q1s1cos1+Q2sin1-Q3=s12Q1s2cos2+Q2sin2-Q3=s22Q1s3cos3+Q2sin3-Q3=s32式中Q1=2a；Q2=2ae；Q3=a2-b2+e2。通过三组两连杆的对应角位置：1=22.51，s1=179.91 mm；2=127.44，s2=30.09 mm；3=176.87，s3=39.91 mm。运用曲柄滑块机构的位置关系式设计出一组参数，a=79.091 mm，b=125.226 mm，e=-35.034mm。则a杆取 79 mm，b杆取 125 mm，偏心距e取 35mm，通过设计得出运动分析曲线如图 3，由曲柄滑块机构对应的位置曲线可知该机构为往复运动；从对应的速度曲线可知机构的速度呈正弦变化趋势；由加速度曲线可知此机构加速度部分呈余弦变化。图3运动分析曲线通过设计结果得出的运动分析曲线（图 3）可知：驱动秧盘移动的曲柄滑块机构能够进行正常稳定的循环往复工作，曲柄滑块机构的工作行程达到秧苗输送的要求，设计结果满足误差要求。通过计算结果，设计出曲柄滑块机构的 3D 模型如图 4。图4曲柄滑块机构3D图2.2自行车的设计基于现有的轮椅三轮车进行设计，重新设计车身的轮子，以适应田间插秧工作，为防止自行车在田间打滑，轮子整周采用开槽处理。由于车架后部宽度过小，不适合插秧机的搭载工作，所以也需重新设计。将车架后部切掉，加宽车架后部的宽度，并增加加强筋，以增加车架的强度，同时也可用来搭载插秧机组件。考虑到田间工作的环境影响，车架作烤漆处理，防止车架由于生锈，影响插秧机的使用寿命。链传动的设计：自行车速度v=3.016 m/s，踏板轴转速n=10 r/min，功率P=0.18 kW，通过设计计算可得，小链轮齿数z1为 44 齿，大链轮齿数z2为 22 齿，123456123YOX1：位置曲线2：速度曲线3：加速度曲线36078 开发研究 16新疆农机化2020 年第 6 期链号为 16A，链条节距p2为 25.4，链长节数X为 82，中心距a为 613.4 mm，链条定期人工润滑。2.3后轮轴的设计校核自行车后轮轴的直径按照扭转强度为dC3P/n姨式中d后轮轴直径（mm）；C 按定的系数；P后轮轴传递的功率（kW）；n后轮轴的转速（r/min）。此款插秧机后轮轴功率为0.18kW，转速为20r/min，因为后轮轴材料选用的是45号钢调质，因此C为112.5，计算可得d=23.4 mm，考虑到链轮及轮子的周向定位需开一个键槽，将d加大3 后得d=24.1 mm，因此取后轮轴的最小直径d=25 mm。对自行车后轮轴强度进行校核，轴受到秧盘组件向下的压力，载荷分布如图 5。图5载荷分布示意根据秧盘组件的重量和插播方式在田间工作过程中阻力情况，计算出其集中力为F=962 N，分段弯扭矩如图 6、7。图6弯矩图图7扭矩图运用弯扭合成强度条件进行校核，即dM2+（T）210姨-13姨式中轴计算截面上的工作应力（MPa）；d轴直径（mm）；M 轴计算截面上的合成弯炬（N mm）；T 轴计算截面上的转矩（N mm）；根据转应力变化性质定的校正系数；-1许用疲劳应力（MPa）。图 5 为载荷分布示意，图 6 为弯矩图，图 7 为扭矩图，将转应力脉动循环=0.7 代入，求最大弯矩和最大扭矩值，得到轴直径为 19.4 mm，故所取直径满足强度要求。2.4自行车机架静态结构分析插秧机属于非道路车辆，其在水田工作过程中易受到路面条件差引起的冲击载荷，在载荷冲击下车架易变形16。而车架是车辆的装配和承载基体，支承连接着车辆的各总成部件，承受着来自车身及插秧机组件的各种载荷，它的好坏直接关系到车辆的操控、安全、舒适等性能17。此外，车架也是插秧机中保证插秧正常工作的关键部件，承担着动力传递及插秧机的搭载，搭载插秧机组件时，易造成车架弯曲变形。为了解决这些问题，对车架进行优化设计，车架长1356mm、宽359mm、高 606 mm。车架主要受秧盘等组件的压力，平均压力为 350 N。图8车架3D图图9车架有限元模型对图 8 的车架进行简化，忽略焊接对机架结构的影响，将圆角、倒角简化为直角，选取材料、添加载荷和约束后，车架特点采取组合网格划分，划分时统一采用 SOLID 20 单元，可以忽略考虑不同单元间单元耦合问题，车架有限元模型如图 9。图10车架总变形云图Mh/N mmx/mm0430 000370 0000 x/mmL/N mm620 6500.0000.0310.0630.0940.1250.1560.188XYZ0.2190.2500.2810.3130.3440.375YZC 开发研究 17新疆农机化2020 年第 6 期查阅机械设计手册可知，碳素结构钢 Q235 的屈服强度为 235 MPa，抗拉强度为 370500 MPa，强度安全系数取 1.23，该钢的许用应力范围为 78.33195.83 MPa。车架受到功能约束及空间尺寸的限制，车架结构直径较小，插秧机组件受向下的载荷，因此车架出现了弯曲变形，如图 10。最大变形值为 0.375mm，变形量微小，不会影响插秧精度，变形量可忽略不计，车架刚度参数合格，满足设计误差要求。车架的后部出现了较大的应力集中，如图11。该处应力值为21.25MPa，按照规定弯曲状态屈服强度校核为静态计算应力乘以 1.5 倍动荷系数，再乘以 2 倍安全系数得出的值为 63.75 MPa，该值远小于材料的屈服强度，因此车架在工作条件下强度合格。图11车架应力云图3整机仿真分析对插秧机进行仿真分析，以验证插秧机工作的可行性。在 SolidWorks 中建立三维模型后，对模型进行简化，然后导入至 Adams2017 中，进行仿真验证。通过秧爪轨迹曲线（图 12），可知秧苗插入深度为 1.2 cm，满足秧苗栽植深度要求。图12插秧机秧爪轨迹图13秧盘运动位置与插秧轴转角关系通过分析生成的秧盘运动位置曲线与插秧轴转角关系曲线（图 13），可知曲线呈规律变化，运动过程平缓，插秧轴转过一定的角度，秧盘相应移动一定的距离，秧盘的秧苗移动到插秧口，秧爪刚好运动到插秧口，秧爪带动秧苗继续向下运动，把秧苗插入田间，该装置可满足插秧工作要求。4结论（1）此装置创新设计了曲柄滑块机构驱动秧盘移动与自行车驱动插秧机工作，此插秧机具有结构简单、适用性强及多功能集成等优点。（2）曲柄滑块机构的连杆 1 为 79 mm、连杆 2 为125 mm，偏心距e为 35 mm。该插秧机株距为 29 mm、行距为13.96 mm以及播深为1.2 cm，工作效率为0.175hm2/h。参考文献：1李海连，罗春阳.株距可调小型水稻插秧机的研究J.南方农机，2016：31，35.2郭建全，司青明，何天伟等.川北丘陵地区杂交水稻机械化插秧技术及其应用效果J.杂交水稻，2009，24（3）：47-48.3徐高飞，胡光忠，程鹏飞等.手扶便携式插秧机数字建模及运动仿真研究J.农机化研究，2015，37（4）：27-31.4邵陆寿，张念生，孔晓玲等.半机动插秧机的研究与设计J.农业机械学报，1996（S1）：106-110.5郑银河，胡光忠，程鹏飞等.近代插秧机研究现状及其发展趋势J.农机化研究，2015：254-259.6程鹏飞，胡光忠，徐高飞等.新型便携式插秧机设计J.中国农机化学报，2015，36（4）：26-30.7李泽华，马旭，李秀昊等.水稻栽植机械化技术研究进展J.农业机械学报，2018，49（5）：1-20.8黄大明，李有明，刘金波等.水稻机械化插秧的特点与关键农艺技术J.湖北农业科学，2009，48（12）：2 947-2 949.9 Zeng-hong MA,Nan LI,Tao LI,et al.Design and Experimentson a Transplanter with Belt Feeding on Block Seedling J.Journal of China Agricultural University,2015.10李海连，罗春阳，王明旭等.小型水稻插秧机设计与试验研究J.农机化研究，2020，42（9）：76-80.11 Chaitanya DNV,Arunkumar S,Akhilesh GB,et al.Design ofRice TransplanterJ.Iop Conference,2018,377.12姚亚芳，朱德泉，王延庆等.可调宽窄行高速水稻插秧机秧箱系统设计与试验J.机械设计，2016，33（5）：80-85.13 Bao W,Zhu D,Zhu H,et al.Design and Analysis of Moving-box Mechanism for Adjustable Wide-narrow Row HighSpeed Pot-seedling Rice TransplanterJ.Journal of ChineseAgriculturalMechanization,2016.14蒲明辉，宋金环，卢煜海等.水稻插秧机移箱机构中螺旋轴0.51XZYZC-3.642.58-1.574.656.738.8010.8812.9515.0317.1019.1821.25Y0.00.010.020.040.030.050.060.050.0100.0150.050.0100.00.0150.0200.0Length（mm）Angle（deg）Time（sec）ugmechL018_XFORM.YL010_XFORM.THETA秧爪轨迹 开发研究 18新疆农机化2020 年第 6 期的分析与改进J.农机化研究，2015：37-41.15徐飞军，李革，赵匀.水稻插秧机移箱机构的发展研究J.农机化研究，2008（5）：1-4.16扈凯，张文毅，纪要等.插秧机车架的动力学特性分析J.中国农机化学报，2018：78-82.17 Covill D,Allard P,Drouet JM,et al.An Assessment of BicycleFrame Behaviour Under Various Load Conditions UsingNumerical SimulationsJ.Procedia Engineering,2016,147:665-670.doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2020.06.007中图分类号:S223文献标识码：A0引言新疆是我国最大的优质棉生产基地，数据显示，20122019 年，新疆省的棉花年产量比我国其余所有省的产量总和还高，且产量逐年增长，如图 1。棉花产业是新疆经济发展的重要组成部分1。影响棉花产量的首要环节就是播种，播种质量的文章编号：1007-7782（2020）06-0019-006精量穴播器排种性能检测方法研究分析及展望曹 叶1，王旭峰2，王 龙2，赵鹏飞2，杨广召1，郭文松2（1.塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学机械电气化工程学院）摘 要：棉花是新疆经济发展的支柱产业，播种装置的精量水平影响棉花的产量，精量播种最主要的方式之一是穴播，而播种器最主要的部位就是穴播器。因此，在播种机出厂前就要对穴播器的性能进行鉴定检测。本文综述分析了穴播器排种性能检测的四种方法，包括人工数种检测法、光电传感器检测法、高速摄像检测法和机器视觉检测法。通过对比这四种穴播器排种性能检测方法，分别提出了四种检测方法的优缺点，并指出依靠机器视觉法检测穴播器的排种性能任然是未来发展的趋势，对于提高精量穴播器排种性能的检测水平、推进穴播器的研制具有重要意义。关键词：机器视觉；排种检测；精量穴播器Reaserch and Propect of Seed Metering Performance ofPrecise DibblerCao Ye1,Wang Xufeng2,Wang Long2,Zhao Pengfei2,Yang Guangzhao1,Guo Wensong2(1.Collage of Information Engineering,Tarim University,Alar,843300,Xinjiang,China;2.Collage of mechanical electrificationengineering,Tarim University)Abstract:CottonisthepillarindustryofXinjiangseconomicdevelopment.Theprecisionlevelofseedingequipmentwilldefi-nitelyaffecttheoutputofcotton.Oneofthemostimportantmethodsofprecisionseedingisholesowing,andthemostimportantpartoftheseederistheholeseeder.Therefore,beforetheplanterleavesthefactory,theperformanceofthedrillshouldbetested.Thisarticlesummarizesandanalyzesthefourmethodsofseedingperformancetestingoftheholeplanter,includingseveralman-ualtestingmethods,photoelectricsensortestingmethods,high-speedcameratestingmethodsandmachinevisiontestingmeth-ods.Bycomparingthesefourhole-seedingperformancedetectionmethods,theadvantagesanddisadvantagesofthefourdetec-tion methods are proposed respectively,and it is pointed out that relying on machine vision method to detect the seed-seedingperformanceofthehole-seedingdeviceisstillafuturedevelopmenttrend,whichisimportantforimprovingprecisionhole-seed-ingThedetectionlevelofseedmeteringperformanceandtheadvancementofthedevelopmentofseeddrillsareofgreatsignifi-cance.Key words:Machine vision;Automatic detection;Precise dibbling修回日期：2020-09-24基金项目：新疆兵团中青年领军人才项目（S2019CB1616）；塔里木大学校长基金项目（TDZKQN201803）；塔里木大学科研创新项目（TDGRI201924）通讯作者：郭文松 开发研究 19
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