第!!卷第"期!##$年%月江苏理工大学学报（自然科学版）&’()*+,’-&.+*/0(1*.23)0.45’-67.3*73+*8937:*’,’/5（;+4()+,67.3*73）<’,=!!;’="63>4=!##$水稻插秧机分插机构的创新设计尹建军$，赵匀!，张际先$（$=江苏理工大学机械工程学院，江苏镇江!$!#$?；!=浙江工程学院，浙江杭州?$##??）［摘要］机构创新是机械产品创新的重要内容之一，文中应用运动合成法、机构传动特点、联想扩展等思维方法，归纳总结了水稻插秧机分插机构的创新构思，同时介绍了两种新型分插机构———椭圆齿轮差动轮系分插机构和旋转式偏心链轮分插机构的工作原理，最后指出创新构思可以结合@A B（计算机辅助工程）软件C D E F G;H I D J B K进行仿真的手段L［关键词］水稻插秧机；分插机构；机构创新［中图分类号］6!!?=%$［文献标识码］M［文章编号］$##N O$N P$（!##$）#"O###"O#?分插机构是水稻插秧机的主要工作部件，它决定了机械插秧的质量和效率L我国是研究水稻插秧机起步较早的国家［$］，!#世纪N#年代就在全国范围内应用带转臂滑道机构的滚动直插式洗根苗插秧机，!#世纪Q#年代吸收日本插秧机连杆式分插机构的优点研制出!R9系列机型，直到现在仍是我国插秧机械的主力产品L而日本在!#世纪S#年代率先实现了水稻种植机械化，其主要措施有两条：一是应用曲柄摇杆机构作为水稻分插机构，以连杆作为栽植臂，为提高其工作可靠性并减少秧苗回带，在栽植臂上附加了推秧装置，大大提高了插秧机的工作质量；二是以先进的农艺与农机结合，创造了旱育稀植的育苗方式，即以带土苗取代裸苗插秧，进一步提高了插秧质量，特别是提高了每穴秧苗的数量精确度L在插秧质量满足要求后，又积极寻求提高其效率，主攻方向仍然是分插机构，并在!#世纪Q#年代中期研制出新型高效的分插机构，这就是偏心齿轮行星系分插机构，推出整机性能优良的高速插秧机，工作效率比连杆式插秧机提高了!T L在此基础上又发展了带椭圆齿轮行星系分插机构的高速插秧机，到!#世纪%#年代普及率达Q#T以上L这两种分插机构均在中国申请了专利L可以看出，日本插秧机械化的发展普及，除了农机与农艺相辅相成的结果之外，还在于插秧机产品的不断创新，尤其以其主要工作部件分插机构的创新作为标志L在插秧机的发展历程中，分插机构的推陈出新，机构创新设计发挥着重要作用L文中从插秧机分插机构的创新构思角度，运用机构学理论，归纳总结了分插机构的创新思路，同时介绍了两种笔者自己设计的既能插大苗又能插小苗的高效分插机构，以及创新构思结合@A B（计算机辅助工程）软件C D E F G;H I D J B K进行仿真的手段，试图为机械设计人员提供一些行之有效的创新途径，并应用到机械产品的研制中L!分插机构的功能要求分插机构是插秧机的主要工作部件之一，由分插器和驱动机构组成，实现分秧和插秧的动作［］L工作中，分插器直接与秧苗接触进行分秧和取秧，为合适地取秧，使秧苗插直、插深、插稳、不勾不伤，分插器必须按一定的轨迹和姿态运动，驱动机构的作用就是使分插器按要求的轨迹和姿态准确可靠地运转L因此，驱动机构的工作性能直接影响到插秧的质量和工作效率，它应实现如下的功能要求：!使分插器按一定的轨迹运动，动轨迹一般为余摆线状；"分插器沿着轨迹运动时，对应取秧、插秧位置应有不同的姿态，以保证取秧顺利和秧苗插直L以曲柄摇杆式分插机构为例（计算以!R9O %?"S为准），如图$所示L［收稿日期］!##$O#P O$#［作者简介］尹建军（$%N?O），男，山西大同人，江苏理工大学助教，博士生!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!L图!分插机构的工作轨迹及要求"#$%!&’()*+,#-$./0’/-1+(23#+(4(-05*65(./+/0#-$7.8/-0#-$4(9’/-#54根据以上所述，凡能满足功能要求的任何机构，均可用作分插机构的驱动机构，但在工程实际中，寻求既能满足此功能要求又在结构上易于实现、工作可靠、作业效率高的机构却并非易事:!分插机构的创新机构创新的目的，一方面是要求能达到构思新颖、结构独特、动作合理和工作可靠等重要指标，另一方面应注意其经济性和实用性，本质是扩展构思思路，实现一定意义上的最优设计:确定所需机构的途径一般有两种：一是查阅按功能和动作分类的机构应用实例进行机构选型；二是构思新机构［;］:机构创新是比较困难的，但并不是没有规律可循:现按插秧机分插机构发展历程，将其创新思路归纳如下:!"#转臂滑道机构［$］其结构简图如图;所示:它利用运动合成的方法，秧爪<的运动是牵连运动为秧爪随分插轮=!秧箱;秧帘<秧爪排=分插轮>环形滑道（凸轮）?副滚轮@主滚轮图;转臂滑道机构"#$%;A 9’(4/0#9B #()*69/41+#B ()#0’+*0/0#-$/+4的转动和相对运动为通过主滚轮@和副滚轮?受环形滑道>控制相对于分插轮=的摆动复合而成，从而形成所要求的轨迹和动作，满足了生产需要:!"!曲柄摇杆机构［$］其结构简图如图<所示:它利用了四杆机构中连杆的特点和运动姿态来实现给定的轨迹和动作的，用简单机构完成了较为复杂的动作过程，并且附加有推秧机构（由@、=、;和?组成），形成了结构简单，工作可靠的分插机构:!摇杆;推秧弹簧<栽植臂盖=拨叉>分离针?推秧器@凸轮C 曲柄D 栽植臂图<曲柄摇杆机构"#$:<A 9’(4/0#9B #()*69+/-,8#-,/$(E /+!"$非圆齿轮行星系机构［%，&，’］其结构简图如图=所示:它由>个全等的非圆齿轮（偏心齿轮或椭圆齿轮）和两套栽植臂组成:>个非圆齿轮的回转中心轴均支撑在壳体上，两套栽植臂分别与两个行星轮轴相固连:工作时!推秧凸轮;拨叉<推秧弹簧=栽植臂>推秧杆?分插器秧针@行星架C 行星轮D 惰轮!F 太阳轮图=偏心（椭圆）齿轮行星系机构"#$%=A 9’(4/0#9B #()*6(99(-0+#9（(88#.0#9/8）.8/-0$(/+5G50(4太阳轮!F 固定，而壳体（相当于行星架）作为原动件绕太阳轮的回转中心转动，从而使两套栽植臂得江苏理工大学学报（自然科学版）第;;卷到所要求的轨迹和动作!可见，它的构思，一方面利用了秧爪"的运动是随壳体#的转动（牵连运动）和行星轮$相对于壳体#的自转（相对运动）的合成，另一方面利用了非圆齿轮的非匀速比传动的特性，从而实现了预定的动作要求!由于其结构对称，为旋转式，动力性能好，适于高速作业，且驱动轴旋转一周，插秧两次，工作效率大大提高!!"#椭圆齿轮差动轮系机构［$］其机构示意图如图%所示!它由&个全等的椭圆齿轮和两套栽植臂组成!&个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的焦点上，且相位相同，并支撑在壳体上，两套栽植臂分别与两个行星轮轴相固连!工作时，壳体（即行星架）作为一个原动件绕中心轮的回转中心的转动，而中心轮作为另一个原动体以壳体’倍的转速同向转动即：!()’!*，从而使两个被动行星轮输出所要求的运动，带动栽植臂形成所要求的轨迹和动作!它的创新，是借鉴了非圆齿轮行星系机构的构思联想扩展而来，巧妙利用了两自由度差动轮系和椭圆齿轮的非匀速比传动特性，减少了机构构件的数目，达到同样的功能效果!图%椭圆齿轮差动轮系机构示意图+,-.%/012345,06748,9-:;2<<,=5,04<6,;;27295,4<-247>?>523!"%旋转式偏心链轮机构［&］其机构示意图如图"所示!它由%个全等的偏心链轮和两套栽植臂组成!链轮组(、%、$相当于链轮组"、%、@绕!点转过($A B 形成，其中轮%有两组链轮轮齿，轮@、$为张紧链轮!工作时，中心链轮%固定，而壳体’（行星架）作为原动件绕中心链轮的回转中心!转动，从而使两个被动行星链轮输出所要求的运动，带动栽植臂形成所要求的轨迹和动作!这种构思，巧妙利用了偏心链轮的非匀速比传动特性，又利用与中心链轮(偏心率相同的链轮&、%作为张紧轮，解决了链长变化对传动的影响，实现了预定的运动要求，得到了新的传动机构，开阔了创新思路!(、"行星链轮’行星架&链条@、$张紧链轮%太阳链轮#、C 秧针图"旋转式偏心链轮机构示意图+,-."/012345,06748,9-:;7:545,9-5?=2:;2002957,0>=7:0D 258122<>>?>523’结束语从分插机构创新的构思可以看出，机械产品的研制和革新是一个动态的复杂过程，为实现既定的功能要求，创新设计可以应用多种原理和思维方法来完成，扩展构思的途径，一方面力求达到构思新颖、结构独特、动作合理和工作可靠等重要指标，另一方面应注意其经济性和实用性，最终实现机械的创新!文中应用运动合成法、机构传动特点、联想扩展等思维方法，研究机构创新设计的理论，再结合计算机辅助工程E F G ，可以为机械产品的开发提供强有力的手段!比如，结合能够对物理模型进行运动学／动力学仿真和分析的E F G 软件产品———H I J K L M N O I P G Q ，可以使设计者在设计的同时进行仿真，无论设计的模型或方案是否正确，是否符合要求，都可以进行仿真!这样就可以使某种构思得到检测，随时修改，再仿真，直到得到满意的结果!最后指出，椭圆齿轮差动轮系分插机构和旋转式偏心链轮分插机构已获国家专利，其中椭圆齿轮差动轮系分插机构经样机试验，运转性能良好，达到了设计要求!［参考文献］［(］张宏业，周景文!水稻插秧机发展概况［R ］.农牧与食品机械，(C C ’（@）：’S ".［’］张春林，等!机构创新方法研究［O ］!北京：机械工业出版社，(C C C !（下转第"$页）#第%期尹建军等：水稻插秧机分插机构的创新设计（上接第R页）［F］桑正中S农业机械学［T］S北京：机械工业出版社，D U V V S［W］赵匀S农业机械计算机辅助分析和设计［T］S北京：清华大学出版社，D U U V S［X］应义斌，赵匀S偏心齿轮行星系分插机构的分析研究［=］S农业工程学报，D U U R，D F（W）：D F E Y D F W S ［Z］赵匀，等I双季稻高速插秧机偏心链轮分插机构结构设计和参数优化［=］I机械工程学报，C E E E，F Z （F）：F R Y W E S［R］赵匀，等I椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和计算机优化［=］I农业工程学报，C E E E，D Z（W）：R V YV D S［V］尹建军I水稻插秧机差速分插机构的计算机辅助分析与设计［P］I杭州：浙江大学，D U U U S@:+7""(?#3’"<P+&’<"()*+/#2#3’"<L1$#"3’"<T+4:#"’&,()[’4+@2#"&/$#"3+2&2".3*4&(51&D，#+-621&C，#+-./3*(7*4&D（D I*4:(($()T+4:#"’4#$;"<’"++2’"<，=’#"<&.>"’?+2&’3%()*4’+"4+#"-@+4:"($(<%，A:+"B’#"<，=’#"<&.C D C E D F，G:’"#；C I A:+B’#"<7"&3’3.3+ ()*4’+"4+#"-@+4:"($(<%，O#"<J:(.，A:+B’#"<F D E E F F，G:’"#）!"#$%&’$：T+4:#"’&,’""(?#3’("’&("+()3:+’,/(23#"34("3+"3&3(’""(?#3+,#4:’"+/2(-.43&I G2+L #3’?+3:’"K’"<()&+/#2#3’"<L/$#"3’"<,+4:#"’&,()2’4+32#"&/$#"3+2’&’"32(-.4+-’"3:+/#/+2，#"-3:+ M(2K’"</2’"4’/$+&()3M("+M3%/+&()&+/#2#3’"<L/$#"3’"<,+4:#"’&,()2’4+32#"&/$#"3+2&———+$$’/3’4#$-’)L )+2+"3’#$<+#2&%&3+,,+4:#"’&,#"-2(3#3’"<3%/+()+44+"32’4&/2(4K+3M:++$&&%&3+,,+4:#"’&,———#2+’"32(-.4+-I*+?+2#$,(-+&()3:’"K’"<#2+#//$’+-，&.4:#&K’"+3’4&%"3:+&’&，)+#3.2+.&+()32#"&)+2,+4:#L "’&,，#&&(4’#3’("#"-+03+"&’(",+3:(-I Q#&3$%，’3’&/(’"3+-(.33:#33:+4(,H’"#3’("()42+#3’?+3:’"K’"< M’3:M(2K’"<,(-+$()G!;（G(,/.3+2!’-+-;"<’"++2’"<）’&#"+))+43’?+,+#"&)(2,#4:’"+-+&’<"+2&I()*+,%-#：2’4+32#"&/$#"3+2；&+/#2#3’"<L/$#"3’"<,+4:#"’&,；,+4:#"’&,’""(?#3’("（责任编辑王丽伟）水稻插秧机分插机构的创新设计作者：尹建军， 赵匀， 张际先作者单位：尹建军,张际先(江苏理工大学机械工程学院)， 赵匀(浙江工程学院)刊名：江苏理工大学学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：2001，22(5)引用次数：6次1.张宏业.周景文水稻插秧机发展概况 1992(04)2.张春林机构创新方法研究 19993.桑正中农业机械学 19884.赵匀农业机械—计算机辅助分析和设计 19985.应义斌.赵匀偏心齿轮行星系分插机构的分析研究 1997(04)6.赵匀双季稻高速插秧机偏心链轮分插机构结构设计和参数优化[期刊论文]-机械工程学报 2000(03)7.赵匀椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和计算机优化[期刊论文]-农业工程学报 2000(04)8.尹建军水稻插秧机差速分插机构的计算机辅助分析与设计 19991.期刊论文王江兰.陶栋材.段海燕.滕召金.WANG Jiang-lan.TAO Dong-cai.DUAN Hai-yan.TENG Zhao-jin水稻插秧机分插机构的主要形式及关键技术-湖南农机2009,36(3)研究影响高速分插机构发展的关键理论技术对高速插秧机的发展有重要意义.目前水稻插秧机的分插机构主要有传统机构及高速机构2类约10余种形式,不同形式分插机构的结构特点、工作原理及适用性各有差异.高速插秧机是水稻插秧机的发展方向和重点,提出的影响现代高速水稻插秧机分插机构发展的关键理论技术.可为采用高速分插机构的高速插秧机的设计提供理论依据.2.期刊论文陈建能.赵匀水稻插秧机分插机构的研究进展-农业工程学报2003,19(2)分插机构是水稻插秧机的主要工作部件,其性能决定其插秧质量、工作可靠性和单位时间的插次.该文总结了目前2种主要类型的分插机构(曲柄摇杆分插机构和行星轮系分插机构)的研究进展,分析比较了这2种机构的优缺点,并提出进一步研究的方向.3.学位论文王金武高速水稻插秧机分插机构试验台的研究;割前摘脱稻麦联收机底盘的设计研究2003研究适应不同形式高速水稻插秧机分插机构试验台,在实验台上能够测试用于动力学和运动学模型建立的相关参数,为我国水稻插秧机分插机构的研制提供理论需要的试验研究手段,将有利地促进我国水稻种植机械化的发展.研制了稻麦联合收获机液压驱动行走底盘是联收机的关键部分,为加快割前摘脱联收机及早投入市场奠定坚实的基础.同时能够进一步推进我国稻麦联合收获的机械化作业.本文的主要研究工作概括如下:1、高速水稻插秧机分插机构试验台(1)设计出能实现不同形式高速分插机构的试验台.在系统分析国内外高速分插机构研究现状、设计理论和研究方法的基础上,应用VB6.0下开发的"高速水稻插秧机分插机构计算机辅助分析软件",分析了4种具有应用前景的高速分插机构(差速、椭圆齿轮行星式、正齿行星轮式、偏心链轮式)的秧爪轨迹及差异,确定了水稻分插机构试验台总体方案;使之能进行不同形式的高速分插机构相关参数的台架试验测试.(2)进行了高速分插机构试验台关键部件的研究.设计输入链轮轴,主要是为了能测量出输入链条所受的拉力.在轴上的输入链轮与大带轮之间的部分上面贴上应变片.然后通过集流环、电阻应变仪、电平记录仪等仪器测量出链轮轴所受的扭矩,从而间接地测量出链条所受的拉力;秧针的设计,在取秧时要受到一定的阻力,称之为取秧力.为了能测量秧针的取秧力,需要将秧针作成弹性元件,在其上面贴上应变片,然后通过电阻应变仪、电平记录仪等仪器测量秧针的取秧力.(3)进行有关运动参数和动力参数的测试,为建立分插机构的运动学和动力学模型提供理论依据2、割前摘脱稻麦联收机底盘的设计研究(1)应用人工神经网络的知识解决变速箱设计问题,与运用优化设计的方法设计变速箱相比是一个很好的加快运算速度的解决办法.试验表明这种变速箱结构简单,工作稳定.(2)通过计算,得到了符合要求的履带联合收获机的转向离合器转矩,试验分析离合器摩擦片部件的影响因素,确定了转向制动离合器摩擦片的数目及其结构.(3)在考虑分析水稻收获机行走系的诸多因素后,设计了行走系的整体和部件,达到了联合收获机行走要求.(4)设计了液压驱动系统.履带式联合收获机液压-机械式行走系统设计时依据,确定了闭式油路系统,以组合式变量泵定量马达(变量泵+定量马达)作为液压执行元件的工作系统;液压系统相关参数和液压系统的参数的确定、液压辅助元件的选择、液压系统压力损失验算和液压系统控制方案及性能等方面进行了研究.(5)对液压闭式系统的测试和生产考核,实测结果表明各项性能指标均能够符合设计要求和整机的作业要求.4.期刊论文叶春强.户春影.黄文怡.YE Chun-qiang.HU Chun-ying.HUANG Wen-yi基于COSMOSMotion的水稻插秧机分插机构运动分析-机械2009,36(5)建立了水稻插秧机分插机构秧针运动的数学模型,用SolidWorks对机构进行三维造型和装配,用与SolidWorks无缝集成的COSMOSMotion三维动力学仿真软件对分插机构进行运动仿真模拟,得到运动速度图及加速度图.从而使机构运动分析直观化、可视化,为选择合理的分插机构的结构参数、提高插秧性能提供依据.5.学位论文马旭高速水稻插秧机分插机构试验台的研究变量深施肥机的研制2001研究适应不同形式高速水稻插秧机分插机构试验台,并在实验台上检测分插机构的秧爪运动轨迹和姿态,为中国水稻插秧机分插机构的研制提供快速的试验研究手段,将有利地促进中国水稻种植机械化的发展.研制手控变量深施肥机是精确农业技术的重要组成部分.可实现机具在每一操作单元上因土壤、因作物实施按需施肥,因而大大的提高了肥料利用率并减少多余肥料对环境的不良影响,有明显的经济、社会和生态效益,是世界农业发展的方向.该文结合国家自然科学基金、中国博士后科学基金和国家"九五"重中之重科技攻关招标等资助项目,进行高速分插机构试验台和变量深施肥机的研究.其研究内容对国民经济的发展和中国农业现代化水平的提高具有重要的意义.该文的主要研究工作概括如下:1、高速水稻插秧机分插机构试验台的研究;首次设计出能实现不同形式高速分插机构的试验台.进行了高速分插机构试验台关键部件的研究.提出了高速水稻插秧机分插机构运动轨迹与姿态检测系统.2、变量深施肥机的研制;制定了变量深施肥机的总体方案.建立了外槽轮排肥器施肥量的数学模型.开发了单片机系统作为变量深施肥机的控制器.设计了新颖的钝角凿型分层深施肥开沟器.在国内首创手控变量深施肥机.分析了今后用于精确农业技术的全球定位系统(GPS)和建立地理信息系统(GIS)的应用软件.6.期刊论文龚永坚.刘丽敏.俞高红.陈霓.熊永森.Gong Yongjian.Liu Limin.Yu Gaohong.Chen Ni.XiongYongsen水稻插秧机后插式分插机构运动分析与试验-农业机械学报2005,36(9)对水稻插秧机后插式分插机构进行了分析.通过秧针端点运动轨迹上的6个特定点,对后插式分插机构的运动学特性作了理论分析和计算机模拟,并利用高速摄像对机构运动学分析进行了试验验证.理论分析和田间试验表明,后插式分插机构的结构参数选择合理,插秧性能优良.7.期刊论文陈德俊.Chen Dejun水稻插秧机后插式分插机构研究-金华职业技术学院学报2001,1(4)本文用计算机对水稻插秧机后插式分插机构进行了分析研究.通过秧针端点运动轨迹上的6个特定点,分析了后插式分插机构的运动学和动力学.经理论分析和田间试验表明,后插式分插机构的结构参数选择是合理的,插秧性能是优良的.8.学位论文刘丽敏正齿行星系分插机构的动力学分析及验证2005水稻插秧机械化是提高插秧效率、减轻农民劳动强度的主要措施之一。