拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构的机理分析与试验.pdf

东北农业大学工程学院， 哈尔滨 ??????； ?? 东北农业大学电气学院， 哈尔滨 ??????）??： 钵苗移栽具有提高产量， 增大精品粮种植面积等优点， 该文作者基于双曲柄五杆水稻钵苗移栽机的结构形式， 针对 重要传动部件进行改进?开发了基于 ? 样条拟合曲线的轻简化水稻钵苗移栽机构———拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构 对 该机构进行拟合齿轮节曲线传动分析， 建立移栽机构运动学模型， 运用 ?????? ?????????? （??????） 中 ??? 平台开发出了水 稻钵苗移栽机构辅助分析与参数优化软件， 通过软件优化得出一组能够满足钵苗移栽要求的结构参数建立三维模型， 并 通过 ????????? ??????? ???????? ?? ?????????? ??????? （?????） 进行虚拟样机仿真， 初步验证机构的合理性加工移栽机构 核心部件， 装配并在试验台架上进行试验研究 通过对移栽机构的试验台架试验， 验证了移栽机构参数的合理性和有效性 以秧夹开口开度、 秧夹夹持力、 取秧频率为因素， 以伤秧率和漏秧率为评价指标， 选取二次回归正交旋转组合试验的方案， 运用 ????????????? ??? 软件进行分析， 得到的分析结果进一步验证了拟合齿轮五杆移栽机构的合理性。

???： ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? ????????????????????????????????? （????） ?????????????，???，??，???，??，??? ?????????????????????????? ????? ?，????，?? （??） ：??????????????????????????????????????????????????????????????????????? ???? ??? ???????? ??? ?????? ???? ?????? ???? ?????? ????? ???? ????????? ???????? ??? ?????????? ?? ????????????? ????????? ???? ??????? ???? ???????? ??? ???? ??? ???????????? ???????????? ?? ??? ??????? ??????? ?? ???????????? ??????????? ????????????? ?? ??? ????） ? ????? ??????? ?????? ??? ??????? ???? ??????? ????????????： ????????????????????????????????????? ????????????????????收稿日期： ??????????修订日期： ?????????? 基金项目： 国家自然科学基金青年科学基金项目 （????????） ； 国家科技 支撑计划课题 （???????????????） ； 哈尔滨市科技局科技成果转化项目 （????????????） ； 东北农业大学研究生科技创新项目 （??????????） 作者简介： 赵匀 （?????） ， 男， 教授， 博导， 主要从事农业机械设计和理 论分析与机构动力学和优化方面研究。

哈尔滨东北农业大学工程学 院， ?????? ?????????????????????????? ????????第 ?? 卷 ???? 年农 业 工 程 学 报 ???????????? ?? ??? ??????? ??????? ?? ???????????? ???????????第 ? 期 ? 月???水稻钵苗移栽具有缓苗期短、 返青快、 对气候具有补 偿作用等特点， 可以有效地实现省种、 增产增收、 提高稻米 品质等目的因而， 水稻钵苗移栽在未来将有很好发展前 景， 但目前我国推广应用的水稻钵苗移栽机型较少?????在 国际上， 日本在 ?? 年代开发水稻钵苗移栽装备时， 完全借 鉴了欧共体的旱田移栽机的结构形式和技术， 依靠 ? 套装 置分别完成取秧， 输送和栽植 ? 个动作其中取秧装置采 用杆机构， 是由机械手、 电磁阀、 单片机、 气泵等系列机电 一体化部件组成， 结构复杂， 成本高， 其秧盘的价格在生产 费用中甚至超过了钵苗移栽机装备本身，核心工作部件 仍处于杆机构的初级阶段??????国内亚美柯公司引进了这 项技术， 通过消化吸收国产化， 大大降低了成本， 其可靠性 也达到了生产要求， 已经在中国批量生产， 但是成本依旧 是困扰其推广的因素。

本课题组与鑫华裕公司合作， 开发 了双曲柄五杆机构水稻钵苗移栽机，已形成较大批量的 生产， 其优点是用一个双曲柄五杆机构完成取秧， 输送和 栽植 ? 个动作，其核心工作部件属于杆机构的高级阶段该机构的结构简单， 成本低， 但由于机构中的正圆齿轮传 动比固定， 变化范围非常有限， 使其轨迹和姿态仍未达到 理想状态???????本文作者在此基础上为了进一步提高水稻 钵苗移栽取秧和栽植的质量，将双曲柄中的传动齿轮由 正圆齿轮改为 ? 样条拟合非圆齿轮，由于非圆齿轮的瞬 时传动比按一定规律发生周期性变化，可以实现不等速 传动， 因此通过优化后， 移栽机构比使用正圆齿轮传动更 容易达到理想的轨迹和姿态 本文结合农业生产的实际需要，基于 ? 样条拟合曲 线，开发了一种轻简化钵苗移栽机构———拟合齿轮五杆 水稻钵苗移栽机构， 通过对机构的运动学分析， 开发计算 机辅助优化软件， ????????? ??????? ???????? ?? ?????????? ??????? （?????） 三维仿真和台架试验等一系列工作， 确 定了较为理想的机构参数，确保了机构能一次性完成水 稻钵苗的移栽工作， 满足农艺要求。

拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构，它由独特设计的 拟合齿轮传动副结合连杆机构组成， 机构示意图如图 ? 所 示， 具体的实施方案为： 在传动箱体 ? 内相互平行地配装 前轴 ? 和后轴 ?， 链轮 ? 固装在前轴 ? 上， 传动链条 ? 套 装在链轮 ? 上， 在前轴 ? 和后轴 ? 的左、 右两侧分别固装 前转臂 ? 和后转臂 ?， 前转臂 ? 和后转臂 ? 同时与移栽机 构 ?? 铰链，在前轴 ? 和后轴 ? 上分别固装第一拟合齿轮 ? 与第二拟合齿轮 ?，所述第一拟合齿轮 ? 与第二拟合齿??????????????赵匀等： 拟合齿轮五杆水稻钵苗移栽机构的机理分析与试验第 ? 期轮 ? 的相互啮合传动的中心距固定，以水平线为基准， 其 第一拟合齿轮 ? 的初始安装角度为 ??， 第二拟合齿轮 ? 的 回转中心和第一拟合齿轮 ? 的回转中心连线与水平线夹 角为 ??，第一拟合齿轮 ? 逆时针方向转动角度为 ?? 个可 调节型值点横坐标时， 第一拟合齿轮 ? 与第二拟合齿轮 ? 啮合点处的传动比为相对应可调节型值点纵坐标作业过程为配套安装在链轮 ? 上的链条 ? 运动， 带动 前轴 ? 转动， 前轴 ? 上固定安装的第一拟合齿轮 ? 与固装 在后轴 ? 上的第二拟合齿轮 ? 互相啮合传动， 前轴 ? 与后 轴 ? 按一定规律转动，进而带动前转臂 ? 与后转臂 ? 转 动，移栽机构 ?? 在前转臂 ? 和后转臂 ? 的综合作用下可 实现 “?” 型轨迹， 精确实现取秧与插秧过程， 完成把钵苗 ?? 从钵盘 ?? 中拔出并移栽到田间的过程。

为使钵苗移栽机构可以一次性完成移栽过程中取 苗、 输送和栽植 ? 个动作， 移栽机构的运动轨迹和姿态就 必须同时满足这 ? 个过程的优化目标本文针对钵苗移栽的农艺要求，对齿轮与连杆组合机构进行创新优化设 计， 并对该机构进行运动学分析， 其分析如下： ????????????? ?） 选取型值点 建立以 ? 点为原点， 水平方向为角度值， 垂直方向为 传动比的坐标系，在该特殊坐标系中，按照度数从 ??? ????增大的方向选取 ?? 个以角度值和传动比为坐标值的 型值点 ??（???， ??） ， 取 ??????（首末点重合） 经转换， 在直角坐标系中型值点位置如下图所示：?） 由型值点分布趋势构造非均匀节点矢量 节点矢量的求解方法主要有： ?均匀参数化法， ?相 信参数化法， ?积累弦长参数化法， 由于在反算控制点的 过程中， 选取不同方法， 最后求得控制点有差别， 而积累弦 长参数化法能够如实反映数据点按弦长的分布情况???????， 因此本文选取积累弦长参数化法来计算节点矢量，进而 求解 ?? 个控制点 ??（???， ??） 积累弦长参数化法下非均匀节点矢量计算公式如下： ?????????????????????????????? ?????????????（???， ??）????????????????????????? ?? ? ?? ??（?）式中 ? 为型值点， ? 为其相对应的节点矢量，???????（???， ??） 表示相邻 ? 个已知型值点间距离。

?） 构造 ? 样条基函数及控制点线性方程组 增加两个边界条件给定附加方程，则求解三次 ? 样 条插值曲线未知控制点的线性方程组矩阵形式为????：?????? ??????…???????????? ????????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?·?? ??…???? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???? ??…???? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?（?）式中含有 ??， ??， ??元素的矩阵构成 ? 样条基函数矩阵， 每 个元素只与节点值有关， ? 为关于数据已知点即型值点的 函数具体为：………?? 主示图 ?? ????? ???? ???????? 左示图 ?? ???? ???? ???????? 传动箱体 ?? 前轴 ?? 后轴 ?? 传动链条 ?? 链轮 ?? 第一拟合齿轮 ?? 第二 拟合齿轮 ?? 前转臂 ?? 后转臂 ??? 移栽机构 ??? 钵苗 ??? 钵盘 ?? ???????????? ?????? ?? ????? ???? ?? ???? ???? ?? ???????????? ???????? ?? ???????? ????? ????? ????? ??????? ???? ?? ??? ?????? ??????? ???? ?? ??? ??????? ??? ?? ????? ?? ??? ??????? ??? ?? ?????? ??? ??? ????????????? ????????? ??? ??? ???????? ??? ??? ????注： ?、 ?、 ? 为铰接点， ? 为第一拟合齿轮旋转中心， ? 为第二拟合齿轮旋 转中心， ? 为移栽机构尖点? ????? ? ? ? ??? ??????????? ?????? ? ?? ??? ???????? ?????? ?? ????? ??????? ????? ? ?? ??? ???????? ?????? ?? ?????? ??????? ????? ? ?? ???? ?? ????????????? ????????????? ? ????????????。