插秧机分插系统的设计.docx

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插秧机分插系统的设计

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一、设计的要求、目的及意义

1.1水稻插秧机简介

中国传统的插秧工具──秧马和莳扶，已有近千年的使用历史。

宋代苏轼曾作“秧马歌”，叙说了湖北农民使用秧马的情景。

使用莳扶可以代替手工分秧，并将秧苗梳入泥中定植，直至20世纪50年代，某些地区仍在使用。

中国水稻插秧机的研制工作始于1953年。

1956年在莳扶分秧方式的启发下，首次提出群体逐次分格取秧、直接栽插的秧苗分插原理，从而在水稻插秧机的研制上取得了突破，研制出水稻拔取苗移栽的第一代样机。

到1960年，各地推荐生产上使用的人力、畜力插秧机已达21种。

1967年，第一台自走式机动插秧机“东风-2S”型通过鉴定定型并投入生产，每天可插秧15～20亩。

日本于1898年,发表第一个水稻插秧机专利;意大利于1915年开始研究拔秧苗的水稻插秧机，至50年代已有拖拉机配套的商品出售,但都由于结构复杂、造价高，作业时需用辅助劳力多而未能推广。

日本于60年代研制带土小苗的栽植技术和相应的水稻插秧机。

1966年后，工厂化水稻育秧设备研制成功，促进了插秧机械化的迅速发展。

1.2分差机构的设计要求分析

分插系统旨在实现秧苗从秧盘上分离到插植入水田中这一动作。

该过程的主要步骤有：

分秧、运秧、插秧、回程四个阶段。

此过程应设计为循环过程以实现更高效的机械自动化。

问题的难点在于：

1、如何顺利将秧苗从秧盘上分离出来；2、如何保证秧苗在插秧瞬间与地面尽量保持垂直；3、如何在插秧之后顺利进入回程并不碰到已插好的秧苗。

为此应该保证分差机构的运动与插秧机的运功的合成运动轨迹为鱼尾线状，且“鱼头”部分越窄小越好。

同时根据实际插秧情况，应保证秧苗间距在20cm左右，设计插秧频率拟定为120次/min，插秧深度10~20mm。

二、总体方案设计与论证

2.1总体方案设计

方案甲：

采用曲柄摇杆机构，主动件为曲柄，使秧爪按照特定轨迹运动。

此机构设计简单，传动准确，快速。

结构简图如下：

图1

方案乙：

采用连杆机构，利用油缸作为主动件，来实现秧爪的特定轨迹运动。

此机构设计简单，但是需要额外的液压油路。

简图如下：

图2

2.2总体方案评估与确定

评估论证：

方案甲结构简单，使用机构单一，方便制造；方案乙岁结构简单，但是需要设计专用的液压回路，且使用液压设备实现快速动作结构较复杂，制造成本较高。

因此相较之下，方案甲更适合农用水稻插秧机的设计。

方案确定：

采用曲柄连杆机构实现分插机构的特定轨迹。

三、机构分析与计算

3.1曲柄摇杆机构的三维动态仿真

首先通过轨迹仿真了解杆1、杆2、杆3分别对运动轨迹的影响，模拟图如下：

图3

图

4

由模拟结果可以看出：

杆1的作用：

改变轨迹轮廓的大小。

杆2的作用：

改变去程和回程直接的水平间隔。

杆3的作用：

与杆2协同控制水平间隔。

通过不断调整各杆长度，避免曲柄连杆机构出现死点的同时让轨迹更加符合所需的曲线形式，便得到如下仿真轨迹。

结合实际尺寸情况按比例设计各构件尺寸如下：

杆1（曲柄）长度：

35mm杆2长度：

90mm

杆3（摆杆）长度：

90mm分离针前端到A点距离：

190mm

保证分离针前端与A，B两点在同一直线上，插植臂与AB的夹角（锐角）为60°

下图为水稻插秧机不发生水平移动时的轨迹：

：

图5

加入水平运动后的合成运动轨迹：

图6

局部放大：

图7

3.2曲柄摇杆机构的理论计算验证

图8

3.2.1建立位移方程

1）矢量方程

其中，

为未知数。

将上述方程组联立后得

设

则有

设

设

在0到π之间，

可求。

2）曲柄OA的质心

3）连杆AB的质心

4）摇杆BC的质心

3.2.2建立速度方程

1）A点速度

2）

B点速度

3）OA质心

4）AB质心

5）BC质心

6）BC杆角速度

7）AB杆角速度

3.2.3建立加速度方程

1）A点加速度

2）OA质心加速度

3）BC角加速度

4）AB角加速度

5）AB质心加速度

6）BC质心加速度

将通过仿真确定的数据代入上面的公式可验证当到达轨迹最下端时，AB的水平速度与OA的水平速度近似相等且为零。

合成插秧机水平移动速度后仍远小于AB的垂直方向速度，故此数据较为合理，可用作机构具体设计。

四、关键部件设计

4.1推秧机构设计

推秧机构的作用是在插植臂运动到最下端将秧苗送入水田后通过快速动作将秧苗打入水田中，避免插植臂返回过程中分离针又拉扯到秧苗将秧苗拖出或撞倒，故做出如下设计方案：

图9

如示意图所示。

推秧机构主要由凸轮机构实现，具体过程是：

将凸轮5与曲柄固连在一起，曲柄每转动一周便带动凸轮5相对插植机构6转动一周，并在插植机构位于最下处时，是凸轮撤去对拨叉4的作用力，弹簧3便会在弹性力的作用下推动拨叉快速推动推秧杆2完成打苗动作，使秧苗脱离分离针，插入水田中。

凸轮大致形状如下：

图10

如上图所示，凸轮相对插植臂旋转一周则可使得拨叉有一个慢速回程压缩弹簧的过程，然后到达凸轮径最大值处时，对拨叉的推力突然消失，拨叉将被弹簧迅速反弹，同时带动推秧杆快速推秧。

五、结论

根据整个过程的仿真计算，所设计的分插机构基本可以满足实际需要，机构设计完成后的二维图大致如下：

图11

三维模型及仿真如下：

图12

六、心得体会和建议

本次课程设计过程中，我们小组齐心协力共同完成了机构的分析计算、仿真模拟、二维及三维建模，在这个过程中复习巩固了机械原理、机械制图等相关课程的理论知识，再次练习了AutoCAD的使用，同时自学了SolidWorks软件的三维造型和仿真模拟，花费了数周时间终于成功的解决了课程设计对我们的要求。

整个过程让我们了解认识了一个完整的设计过程是怎么样的，完成设计工作的步骤规范有哪些，这些不论是对我们将来工作还是继续深造都有很大的帮助，机电一体化课程设计对我们的帮助很大，我们收获颇丰。

同时这个题目也让我们认识到了农业机械化对农业发展的重要影响，让我们对农业机械化在推动社会主义现代化建设中的重要作用有了更深刻的了解。

七、参考文献

【1】宋建农、刘彩玲等.农业机械与设备[M].北京：

农业出版社，2006.

【2】俞高红，赵匀，赵凤芹。

等．高速水稻插秧机分插机构研究现状和最新进展[J]．农机化研究，2003

（2）：

4l一43．

【3】尹建军，赵匀，张际先．高速插秧机差速分插机构的工作原理及其CAD／CAE[J]．农业工程学报，2003，19（3）：

90—94．

【4】华南农学院农机系.水稻插秧机原理与设计[M].1978.

【5】孙桓，陈作模,葛文杰等.机械原理第七版[M].高等教育出版社，2006.

【6】张建民等.机电一体化系统设计[M].北京：

北京理工大学出版社，2008.

【7】唐宾，时胜德等.曲柄摇杆式分插机构的动力学分析[J].2009。

【8】鲁屏宇等.工程图学第2版[M].机械工业出版社，2010.