新型水稻抛栽工作装置设计

凸轮顶杆式抛栽工作装置是水稻有序抛秧的典型工作装置之-，其基本工作过程是：秧盘放在滚筒上，带有秧苗的秧盘随滚筒间歇地向顶秧杆的顶秧位置送进 ，凸轮组和顶杆组构成了取秧机构，每根顶杆对准苗盘孔穴的底部并在凸轮的推动下将秧苗顶出，脱离孔穴的秧苗又经拨秧轮的作用被输送到导苗管，然后靠自身重力在水田定植。由于塑盘 、输秧机构和凸轮顶杆机构的加工误差与运动误差的积累，使工作过程中的顶杆很难对准秧盘穴孔中心，易损坏软塑穴盘，从而增加使用成本。另外，拨秧轮与滚筒之间的间隙不够合理。

凸轮顶杆式秧苗顶出机构 ，其主轴上的主凸轮直接推动顶秧杆做前伸运动，主凸轮的升程即为顶秧杆的行程，顶杆在弹簧力的作用下退回原来的位置。其凸轮在主轴上按组排列，每组 5个凸轮在圆周上的分布。第 1、第 2、第 3、第 4和第 5个凸轮顺序分布夹角相等，由于这个角度小于秧盘送进角度 ，因此在第 5个凸轮向第 1个凸轮的过渡过程中，造成凸轮整体分布不均匀，使得抛秧株距在理论上是不均匀的。另外 ，为保证顶秧杆有足够的行程完成顶秧作业，凸轮要有足够的升程，凸轮体积质量势必增加，同样也不利于水田作业。

抛秧工作装置(如图 l所示)通过机架与驱动底盘连接，机架的高度决定了秧苗下落时的初始势能的大校传动轴从驱动底盘获取动力，经过锥齿轮的变收稿日期：2012-07-12基金项目：广东势技计划项 目(2004B20601O01)作者简介：王玉兴(1963-)，男，山东莱阳人 ，教授，博士生导师，(E-mail)scauwyx###scau.edu.art。

· 60·速变向之后将动力分配给左右两侧的链轮，经链传动带动左右两侧的抛秧工作装置工作。导苗管的作用是使下落的秧苗按照相应的间距落入水田中，以满足水稻栽植的行距要求。每台抛秧机共有两个工作单元，每个工作单元可同时将 3株钵苗抛出，抛秧机 1次完成 6行抛栽。

1.塑盘 2.输秧机构 3.导 苗管 4.顶出机 构5.防逆转装置 6.支架 7.曲柄轴 8.凸轮 9.秧盘托架图 1 工作装置抛秧机所用育秧盘采用了矩阵式软塑穴盘，这种穴盘的育秧钵体按矩阵排列，行列对齐，结构规则，既便于机械化播种育秧，又利于机械化抛秧。钵体采用了倒锥台式结构，底部设有十字通孔，便于渗水和机械顶秧或气流吹秧。该育秧盘共有钵体 31行，每行15穴，每5穴为1组，怪为3组，各对应导苗管的3条管道，每组之间存在间隔，便于秧盘上机时的扶持定位。

根据育秧工艺和农艺的要求，抛秧所用秧苗采用了穴盘旱育技术，对于优质杂交稻品种，每穴播芽种 l～ 2粒，秧龄为 2～3叶期时进行抛栽。

2013年 2月 农 机 化 研 究 第 2期1 工作原理与主要组成部件工作装置是抛秧机的核心工作部件，主要实现秧盘夹持定位、送秧、取秧和抛秧等多种功能。如图 1所示，工作装置主要由秧盘托架(9)、输秧机构 (2)、导苗管(3)、支架(6)和顶出机构(4)等组成。

当动力从发动机经变速箱、传动轴和锥齿轮减速之后再经过链传动带动曲柄轴做匀速转动。曲柄轴的转动又产生两个运动：-是输秧机构带动秧盘作间歇性进给运动；二是凸轮推动顶出机构作往复直线运动，将秧苗从秧盘中顶出，实现抛栽。

输秧机构中齿盘与滚筒固定连接，由于导苗管将秧盘压靠在滚筒上，滚筒将带动秧盘同步运动，曲柄摇杆机构带动拨爪和齿盘做间歇性转动，实现自动输秧操作。秧盘托架对秧盘起支撑导向的作用，防逆转装置(即止动爪)在摇杆带动拨爪返 回时阻止齿盘发生逆转，使滚筒在间歇性转动中能够精确定位，以保证顶出机构Jl，N将钵苗从秧盘中顶出。

本课题在秧苗顶出机构上的设计借鉴了已有水稻播秧机设计方案，顶杆以简单的直线运动方式穿过秧盘钵体底部十字凶，作用于钵土上，-个动作同时完成取秧、抛秧两项作业，既减少了机械运动部件数量，增加了整机可靠性，又避免了取秧过程中对秧苗的损伤。为了能够保证顶杆有足够行程，将秧苗顺利顶出，同时降低凸轮的升程，缩减凸轮尺寸，在设计中采用了行程放大机构，如图2所示。凸轮(1)逆时针旋转，首先将小顶杆(9)推出，小顶杆(9)推动摇臂(8)绕下方铰链转动，进而推动顶杆(3)，在顶杆支架(4)的导向作用下，克服弹簧(7)作用力顶出，顶杆通过钵体底部十字凶作用在秧苗钵土上，将水稻钵苗从塑盘中顶出，钵苗在自重的作用下沿导苗管落入田中栽植。当凸轮转回到基圆位置之后，顶杆在弹簧回复力的作用下返回原位，摇臂则在 自重的作用下推动小顶杆返回原位。

根据矩阵式育秧软盘每行共 15个穴孔的结构特点，抛秧工作装置的凸轮、顶杆和摇臂等部件也要在轴向分别布置 15件，如图 3所示。15只凸轮在曲柄轴上按每组5只排列，每只凸轮的位置正对秧盘上每个钵体的位置。每组凸轮在圆周上的分布采用了等夹角布置，凸轮之间的夹角均为72。，保证了抛秧株距在理论上是均匀的了。

在设计过程中要保证输秧机构和顶出机构的运动协调性，在曲柄轴转动 1周的过程中，首先摇杆拨爪推动滚筒转动，秧盘随滚筒-起运动，将 1排钵苗· 61·送人正对顶杆的位置。在摇杆返回的过程中，防逆转装置使滚筒保持相对静止，此时每组5个凸轮按照相同的间隔依次推动顶杆，将秧苗从穴盘中顶出。每个工作单元共3组顶?构，因此每次将同时有3株秧苗被顶出，落入对应导苗管的3个管道中。曲柄轴转过 1周后，秧盘中-排共 15株秧苗全部被顶出。曲柄摇杆返回到初始位置，工作装置进入到下-个工作循环。

滚筒两侧的支架上各有3副轴承布置在同-圆周上，与滚筒之间形成滚动副，支架对工作装置的其他部件(如曲柄、摇杆、曲柄轴和导苗管等)起到支撑作用。

图2 顶出机构图3 均布的凸轮相位2 结构参数的确定对于抛秧工作装置的结构参数设计，主要是确定输秧机构和顶出机构的结构参数，即确定两个运动-间歇运动输秧和往复直线运动顶秧的运动学参数。

要保证这两个运动的协调性，也就是要保证在摇杆推动滚筒运动过程中顶杆处在近休止位置不动。

2.1 顶出机构结构参数由于新凸轮顶杆式水稻抛栽工作装置是在原有气力有序水稻抛栽机的基础上改进设计完成的，其支架、滚筒等结构形式以及曲柄轴的布置位置等均采用了原有样机的设计参数。与气力有序抛栽不同的是，20I3年 2月 农 机 化 研 究 第 2期秧苗的抛栽位置选在了钵体回转轴沿水平方向的位置，而不是与水平方向成 45。夹角。因此，顶杆的轴线也就在水平过滚筒中心的方向上，正对钵体底部的十字凶，与钵体回转轴同轴。顶杆直径 6mm，为顺利通过十字凶进入钵体而不损伤塑盘，顶杆端部 3mm处为 37。锥台状，其另-端设计为球面与摇臂-侧平面接触，并且两者之间存在相对滑动。为使秧苗能够被可靠抛出，设计顶杆在被顶出时伸入钵体的深度约为 14mm，考虑到工作装置结构特点加工及装配工艺性，顶杆往复运动的行程为25nlI1。

顶杆回复弹簧的作用是当顶杆完成顶秧作业之后 ，在其回复力的作用下使顶杆快速回到初始位置。

顶杆在返回的过程 中，秧盘十字凶 、顶杆支架导向孔与顶杆之间均存在摩擦作用，特别是当顶杆受到钵土的污染而有泥沙黏附时，顶杆不能正常回位的可能性加大，因此有必要加大弹簧的刚度，在压缩量不变的情况下增大弹簧回复力，确保顶杆在滚筒转动之前可靠复位 ，以此增大工作装置的可靠性。取不同尺寸参数和不同刚度的弹簧进行多次试验，确定了弹簧结构参数。抛秧工作装置顶杆回复弹簧采用了圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧中径 D8 mm，弹簧丝直径 d0.8mm，有效圈数 nl8圈，弹簧自由长度 H60ram，弹簧材料采用了碳素弹簧钢丝65Mn。由于顶杆支架内壁间距设计为 50mm，因此弹簧工作时存在 10mm的预压缩量。

小顶杆的轴线在过曲柄轴轴线的水平面上，两段以球面分别与凸轮轮廓曲面和摇臂-侧平面接触并在其上滑动。由于曲柄轴位置已经确定 ，摇臂的结构尺寸按图4所示设计。

1.顶杆 2.摇臂 3.小顶杆图4 行程放大机构由图4可知，凸轮的升程也即小顶杆往复运动的· 62·行程为6mm。通过摇臂的行程放大作用，由凸轮较小的升程得到了顶杆较大的伸出量。

在对工作装置初步设计时，没有对顶杆完成顶秧过程的运动规律作特别考虑，只需保证顶杆有足够的伸长量即可。凸轮轮廓曲线的初步设计也遵循了尽可能简单的原则，-方面满足其升程的设计要求；另- 方面保证有足够大的推程运动角，以降低压力角，避免凸轮机构自锁。由凸轮回转中心所在位置、凸轮升程以及凸轮与小顶杆等部件之间的位置关系，确定凸轮的基圆半径 To：25ram。另外，由每组凸轮在圆周上的等夹角布置决定了凸轮的推程运动角、远休止角、回程运动角和有效的近休止角之和为72。，因此初步设计凸轮的有效近休止角为38。，远休止角为0。，推程运动角与回程运动角分别为24。和 l0。，其凸轮轮廓曲线如图5所示。

图5 凸轮轮廓曲线凸轮的轮廓曲线是以基圆为基础，增加4段圆弧和两段直线构成，圆话直线之间两两相切。小顶杆位移随凸轮转角变化情况如图6所示。

lt)U U l80 l90凸轮转角/(。)图6 小顶杆位移随凸轮转角变化图2.2 输秧机构结构参数输秧机构中的间歇步进机构所采用齿盘为51齿，拨爪每拨动齿盘转过 1个齿，秧盘向前推进-排秧苗，也即是滚筒转过7.06。。因此，所设计曲柄摇杆机构中，要保证摇杆摆角大于7.O6。。另外，当摇杆转过7.O6。时，曲柄转过的角度要小于凸轮的有效近休201 3年2月 农 机 化 研 究 第2期止角，以确保所有凸轮都处于近休止位置。曲柄摇杆机构在极限位置时结构图，如图 7所示。其中，曲柄长度 为 20ram，连 杆 长 度 为 180mm，摇 杆 长 度 为140mm，机架尺寸为80ram。

n ∥ 图 7 曲柄摇 杆机构 简图由图 8所示的曲柄摇杆机构示意图可知，该机构极位夹角 065.5。，摇杆最大摆角 39.7。。当拨爪推动齿盘转过7.06。，也就是摇杆从图示 C 位置转到C 位置时，曲柄从 ，位置转到 B 位置，转角 0为 37.6。，小于凸轮的有效近休止角，因而能够满足工作装置运动协调性的设计要求。

B图 8 曲柄摇杆机构不恿 图3 工作装置性能试验为验证新型凸轮顶杆式水稻抛栽机工作性能，对工作装置分别进行速度适应性试验和抛栽效果试验。

3.1 速度适应性试验动力学分析和结构分析表明，抛秧机作业速度为0.2～0.8m/s时，抛秧工作装置的各运动构件满足初· 63·步设计的运动学要求，各构件有足够的强度和刚度，能够保证不发生破坏。因此，通过考察不同作业速度下工作装置的工作稳定性和可靠性，验证计算机仿真分析的结果。

如图9所示，抛秧机试验台固定在土槽 台车上，由l台三相异步电机(额定功率为 2.2kW，额定转速为1 440r/rain)通过链传动驱动，电机输出转速由Fuji公司生产的FVR E9S变频器控制。链传动中，电机轴上链轮齿数Z 23，曲柄轴上链轮齿数Z243，则电机转速 n 与曲柄轴转速 之间的关系为n 。 43n (1)图9 抛秧机试验台抛秧机模拟作业速度与变频器控制频率关系如表1所示。

表 1 抛秧机模拟作业速度与变频器控制频率关系试验表明，抛秧机作业速度为0.2-0.8m/s时，工作装置运转稳定，所有构件均未出现破坏失效，滚筒惯性前冲不明显，没有因为惯性前冲而产生滚筒与顶杆之间的干涉，所有顶杆均能及时可靠复位。抛秧机作业速度达到0.6m/s以上时，由于拨爪与齿盘冲击加剧，工作装置振动和噪声增大。

3.2 试验结果利用水旱田通用三轮底盘驱动进行了陆地模拟抛栽试验。育秧所用水稻品种为华南农业大学培育的培杂180优质杂交水稻，每穴秧苗数量为1～2株，无盘根现象发生，抛栽时钵苗秧龄为 2叶左右，钵土含水率约为20% ～25%。抛栽在混凝土地面上进行 ，为防止秧苗落地时发生翻滚以及钵土与地面碰撞而2013年 2月 农 机 化 研 究 第 2期破碎，在地面上铺敷了约 30mm厚的稀泥层。抛栽效果如图 10所示。

际抛栽作业的要求，需经进-步改进设计，并相应提高样机加工精度。