水稻插秧機移栽機構研究現狀

徐廷波，李夢寒

（江蘇大學農業工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

水稻作為我國4 大主要糧食作物之一，產量居世界首位。水稻的種植在現代化農業生產中占據了十分重要的地位。而水稻生產機械化是向現代化農業轉變的關鍵一步，從水稻插秧機的功能和結構入手，優化水稻送秧、插秧的實際效果有利于整機技術和可靠性的提升。移栽機構是水稻插秧機從秧群中分取一定數量的秧苗并插入土中的機構，它是插秧機的主要工作部件，其性能決定插秧質量、工作可靠性和單位時間的插次。

1 曲柄連桿移栽機構

1.1 傳統曲柄搖桿移栽機構

傳統曲柄搖桿移栽機構在20 世紀80 年代已經研制成型并投入使用，其結構如圖1 所示，由于其結構簡單和良好的插秧質量而被廣泛使用。在該機構中，曲柄為主動件，逆時針帶著凸輪轉動，隨著凸輪半徑的增大，并且在推秧撥叉的作用下，推秧彈簧被壓縮也越大；隨后凸輪與推秧撥叉分離，推秧彈簧失去外力，在推秧彈簧的作用下，推秧桿被迅速推到最底部，即完成了栽插[1]。

圖1 曲柄搖桿移栽機構結構Fig.1 Structure of crank rocker transplanting mechanism

研究人員對曲柄搖桿機構的振動和噪聲問題進行了研究。趙勻等[2]對推秧撥叉和凸輪進行了設計和再優化，大大降低了振動和凸輪的磨損。白海英等[1]也對此展開了研究，同樣降低了凸輪的磨損和振動。任永飛等[3]利用質量代換法分析桿件配重平衡，也很好地降低了連桿類移栽機構運動不平穩問題。

東北農業大學[4]和趙勻等[5]將連桿機構和齒輪機構結合設計出雙曲柄五桿式水稻缽苗移栽機構和擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構，如圖2 和圖3 所示。二者均是適用于水稻缽苗的移栽，但是擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構是在雙曲柄五桿式水稻移栽機構改進而來，能夠更加適用于水稻缽苗的移栽，其移栽效率和質量相較于曲柄搖桿機構大幅度提升。

圖2 雙曲柄五桿式水稻缽苗移栽機構Fig.2 Double-crank five-bar rice bowl seedling transplanting mechanism

圖3 擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機構Fig.3 Fitting gear five-bar rice bowl seedling transplanting mechanism

1.2 曲柄搖桿夾持式移栽機構

蔡金平等[6]提出的曲柄搖桿夾持式水稻移栽機構如圖4 所示，該機構在取秧位置時秧夾張開，夾取秧苗根部，在放秧位置時打開秧夾，秧苗在重力作用下落入輸秧筒中，經此掉落在稻田，完成移栽。

圖4 曲柄搖桿夾持式移栽機構Fig.4 Crank-rocker clamping transplanting mechanism

在調速電機的作用下，下軸和偏心軸作為原動件輸入動力，帶動整個機構的運轉；而依靠凸輪的不平整面和兩側滾珠的共同作用實現了秧夾的張合；通過偏心輪和連桿使擺桿臂做前后往復運動，從而實現取秧和放秧動作。

蔡翰等[7]研究表明，在取秧速度為50 株/min 時，漏秧率和傷秧率分別為3.57%和2.14%，試驗結果略低于行業相關標準，其漏苗率和傷秧率隨著取秧速度的增加而增加；同時，該移栽機構采用取秧和送秧，送秧過程則是將秧苗輸送到輸苗筒中，要靠秧苗自身重力掉落在田地完成移栽，該方式完成的移栽會出現秧苗直立度無法保證的問題，而直立度越大，水稻產量越高。

針對曲柄搖桿機構在高速運行時的高振動及高噪聲進行改進或再設計，都很難消除這個固有屬性。水稻移栽機構的研究正在向高速、高質量開展，曲柄搖桿移栽機構的使用正在逐漸減少，但是在旱地移栽中仍運用廣泛[8-9]。

2 行星輪系移栽機構

隨著研究的不斷深入，以及對移栽機要求的提高，曲柄搖桿式移栽機構的另一個短板逐漸展現，即單位時間內的插秧頻次不能太高，否則漏秧率和傷苗率會大大提高。日本率先開始了高速移栽機構的研究，也就是行星輪系移栽機構。行星輪系移栽機構有兩個大類：圓齒輪行星輪系和非圓行星輪系移栽機構。

2.1 橢圓行星輪系移栽機構

在現有偏心行星齒輪移栽機構的基礎之上，日本學者展開了對橢圓行星輪系移栽機構的研究，該機構的結構原理與偏心行星齒輪移栽機構基本相同，因此不再敘述。二者不同的是橢圓行星輪系移栽機構的橢圓齒輪加工精度要求更高，采用了粉末冶金工藝，成本較高，但是傳動更為平穩。

劉思勍[10]在橢圓行星輪系移栽機構的基礎上提出了雙聯橢圓齒輪移栽機構，其結構如圖5 所示，其結構與傳統的橢圓行星輪系移栽機構基本相同，均是由太陽齒輪、中間齒輪和行星齒輪組成，分布方式也相同。但是卻創新性地提出將中間齒輪用雙聯齒輪替換，即由傳統的太陽齒輪、中間齒輪和行星齒輪相互嚙合轉變為太陽齒輪與雙聯齒輪之一嚙合和行星齒輪與雙聯齒輪另一部分嚙合的方式。得益于其獨特的結構設計，該方式能夠較好地實現復雜插秧軌跡。

圖5 雙聯橢圓齒輪移栽機構Fig.5 Double elliptic gear transplanting mechanism

2.2 正齒行星輪系移栽機構

正齒行星輪系移栽機構結構如圖6 所示，由4 個完全相同的正圓齒輪和3 個完全相同的橢圓齒輪組成[11]。安裝時行星齒輪和中間齒輪相對于太陽齒輪對稱布置，并且各個齒輪的回轉中心在同一條直線上，橢圓中間齒輪的回轉中心都位于其焦點處。添加動力運轉時，通過各個齒輪間的嚙合達到相應的軌跡。

圖6 正齒行星輪系移栽機構Fig.6 Transplantation mechanism of spur gear planetary gear train

在現有的正齒行星輪系的移栽性能達不到要求的情況下，需要對此進行再設計。程路超[12]設計出不完全齒輪行星輪系移栽機構，該機構由3 個完全圓柱直齒輪、4 個不完全圓柱直齒輪（2 個不完全中間輪、2個不完全行星輪）組成，分為兩側對稱布置。通過不完全齒形輪廓的嚙合實現變傳動比運動，與一級傳動、殼體、栽植臂相配合，帶動栽植臂前端的秧夾實現“8”字型移栽軌跡，從而更容易滿足缽苗移栽的栽植農藝要求。

2.3 橢圓差速移栽機構

橢圓差速移栽機構結構如圖7 所示，3 個橢圓齒輪完全相同，回轉中心都在其交點處、相位相同，并且支撐在行星架上[13]。工作時，行星架（殼體）作為原動件做繞太陽齒輪的回轉運動，太陽齒輪作為另一個原動件，其轉速是行星架轉速的2 倍，并且二者同向轉動，從而使行星齒輪與移栽臂的軌跡和運動滿足特定要求。

圖7 橢圓差速移栽機構Fig.7 Elliptical differential transplanting mechanism

2.4 非圓齒輪行星輪系移栽機構

非圓齒輪行星輪系移栽機構相較于圓齒輪行星輪系移栽機構來說設計更為復雜，這是因為非圓齒輪的節曲線并非是圓形，求解更為復雜。周脈樂[14]提出了一種新型非圓齒輪的成型方法，即利用貝塞爾曲線擬合控制點得到非圓齒輪的節曲線，并將其命名為貝塞爾齒輪。該非圓行星輪系移栽機構結構如圖8 所示，太陽齒輪位于機構正中間，太陽齒輪兩側各有一對中間齒輪和行星齒輪，移栽臂與行星齒輪固接。在工作時，太陽齒輪與機架固接，固定不動，動力由傳動軸直接傳遞到機構外殼，由機構外殼帶動中間齒輪和行星齒輪轉動，隨之帶動移栽臂轉動，從而達到預期的經典“8”字形軌跡，這種軌跡很巧妙地達到水稻移栽時的要求。

圖8 非圓齒輪行星輪系移栽機構Fig.8 Planetary gear train transplanting mechanism with non-circular gears

俞高紅等[15]提出一種不同于上述的非圓齒輪行星輪系移栽機構，即不完全齒輪—非圓齒輪行星輪系移栽機構；由不完全非圓齒輪 （簡稱太陽齒輪）、偏心圓齒輪 （簡稱行星齒輪）、凸鎖止弧、凹鎖止弧及行星架組成；除了保證移栽機構在工作時能夠有不均勻傳動比特點之外，還有間歇傳動的特點。同樣還有很多研究者對于非圓齒輪行星輪系移栽機構進行了設計研究[16-19]。

2.5 偏心齒輪行星輪系移栽機構

該移栽機構由日本學者提出，其結構如圖9 所示，由5 個全等的偏心齒輪組成，其中太陽齒輪相對機架固定不動，太陽齒輪兩側對稱放置中間齒輪和行星齒輪。在工作時，太陽齒輪固定不動，行星架旋轉，中間齒輪繞軸旋轉同時自轉帶動行星齒輪轉動，插秧臂與行星齒輪固定，當軸旋轉時即得到特定的移栽軌跡。

圖9 偏心齒輪行星輪系移栽機構Fig.9 Eccentric gear planetary gear train transplanting mechanism

由于該機構是偏心機構，在高速運轉時不可避免地會出現大幅度振動現象，因此需要增加防振裝置，增加了機構的復雜程度。

2.6 雙偏心卵形行星輪系移栽機構

談梅蘭等[20]對橢圓行星輪系移栽機構存在的傷秧等問題進行改進，提出雙偏心卵形行星輪系移栽機構，該機構同時擁有偏心齒輪行星輪系移栽機構和橢圓齒輪行星輪系移栽機構的特點。在設計過程中，提出以標準圓柱齒輪齒廓方程為基礎，運用二分法、無約束優化方法及坐標變換等輔助方式，在Matlab 中近似優化出該雙偏心卵形齒輪的齒廓。

雙偏心卵形行星輪系由5 個偏心齒輪組成，如圖10所示，2 個行星齒輪全等且對稱布置于太陽齒輪兩側，2 個中間齒輪全等且布置于太陽齒輪兩側。太陽齒輪固定不動，行星架繞回轉中心轉動，在太陽齒輪、中間齒輪、行星齒輪和凸輪的作用下，與凸輪聯接的移栽臂能夠做到特定軌跡的運動，并且運動平穩。

圖10 雙偏心卵形齒輪行星系裝配Fig.10 Assembly drawing of double eccentric oval gear planetary system

3 偏心鏈輪移栽機構

偏心鏈輪移栽機構如圖11 所示，由1 個太陽輪、1 對行星輪和1 對張緊輪5 個偏心鏈輪組成。運轉時，行星輪繞太陽輪做圓周運動，同時自身自轉帶動插秧臂回轉，在兩種軌跡的共同作用下，得到特定的插秧軌跡。趙勻等[21]也對該機構的太陽輪和行星輪進行了參數優化，在鏈條張緊條件下，將取秧角、插秧角、秧針軌跡和軌跡高度作為目標函數；優化張緊輪時，將鏈條長度的最小變化量作為目標函數。

圖11 偏心鏈輪移栽機構Fig.11 Eccentric sprocket transplanting mechanism

4 結束語

進入21 世紀以來，我國水稻插秧機移栽機構的研制已經由傳統的低速移栽機構過渡到高速移栽機。高速移栽機構即輪系移栽機構，按照其核心部件傳動齒輪的不同分為6 種不同類的輪系移栽機構，其中橢圓行星輪系移栽機構和非圓齒輪行星輪系移栽機構被廣泛研究。對于輪系移栽機構主要有兩種研究方向：完全非圓齒輪系移栽機構和不完全非圓齒輪系移栽機構。但是由于連桿移栽機構的結構簡單、價格低廉等因素，其市場保有量仍然可觀。