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连杆机构在机械设备中的应用

举例说明连杆机构在机械设备中的应用

——连杆机构在插秧机中的应用

机械工程学院黄玉成摘要:本文中主要介绍国内水稻插秧机研究现状、国内外分插机构研究现状、传

统插秧机分插机构、高速插秧机分插机构。其中,主要介绍了连杆机构在插秧机中的应用。

关键词:连杆机构、插秧机、曲柄摇杆、高速插秧机分插机构

1.国内水稻插秧机研究现状

我国是首先研制并生产水稻插秧机的国家之一,我国对水稻插秧机的研究大致分为

以下三个阶段:

(1)摸索阶段。1953 年原华东农业科学研究所将水稻插秧机作为一项科研课题,1956 年梳齿纵拉分秧原理初步定型,并制作出样机,1956 年 4 月全国第一届水稻插秧机试验座谈会在武昌召开,并对样机进行田间试验,证明了水稻插秧机械化可以实现,1965年广西65 型人力插秧机通过鉴定,推动了水稻插秧机的发展。

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连杆机构在机械设备中的应用

图1-1 步行式插秧机图1-2 乘坐式插秧机

(2)实用阶段。1964 年我国研制出机动插秧机,分插机构采用曲柄摇杆式分插机构和转臂滑道式分插机构,上世纪70 年代为响应农业部推广带土苗移栽技术的号召,研制了即可插带土苗,又可插洗根大苗的两用插秧机,该系列基本满足我国各地农业需求,零件通用化达80%~88%,部件通用化程度达到70%。上世纪80 年代,参照日本水稻插秧机研制了“中头日尾”式2ZT 系列机型,该机型分插频率高,最高达到260 次/min,行距300mm,总共6 行,试验证明该机适合带土中、小苗的插秧。

(3)推广阶段。我国通过大量引进和消化吸收国外先进水稻插秧机技术,结合我国基本国情和农艺要求,自主研制了高速插秧机,该机采用旋转式分插机构,旋转一周插秧 2 次,插秧效率得到明显提高。我国水稻插秧机市场不断变化,其主要特点是:一、机型样式变化快;二、需求区域和市场相对集中;三、

需求主体向大型农场转变。日本插秧机在我国占据着较高的市场份额,并对我国插秧机市场逐渐形成垄断局面,市场占有率高达90%以上。实践证明未来市场对乘坐式高速插秧机需求量将不断增大,随着国家补贴力度的不断提高,技术的不断创新,水稻插秧机市场在农业装备领域将会有非常大的发展前景。

2.国内外分插机构研究现状

分插机构是水稻插秧机的核心工作部件,由插秧臂和齿轮箱组成,插秧臂与秧苗直接接触,用来分秧和取秧;齿轮箱的作用就是利用非圆齿轮非匀速比传动使得插秧臂按要求的轨迹准确的运转,分插机构性能的好坏直接决定插秧机的整体性能。

我国于20 世纪50 年代开始研究水稻插秧机,首先研制的是曲柄滑道式分插机构,且只能用于水洗苗的插秧,该分插机构较为复杂,分秧、取秧能力差。

60 年代初期,日本开始研制曲柄摇杆式分插机构,与上述分插机构相比结构更加简单,性能更加稳定;60 年代末期,毯状秧苗开始在日本应用,使得插秧效率和质量大大提高;70 年代初期,推秧装置开始出现在分插机构上,降低了工作过程中秧苗回带率;70 年代末期,在曲柄上增加了配重块,使插秧频率达到270 次/min,到目前为止,步行式插秧机上依然采用曲柄摇杆式分插机构。

20 世纪80 年代日本开始了对高速插秧机分插机构的研究,高速插秧机采用行星轮系旋转式分插机构,该分插机构单位时间插秧次数比曲柄摇杆式分插机构提高一倍,于80 年代末期形成产品,并应用在乘坐式插秧机上。

20 世纪90 年代初期,我国开始研究高速插秧机分插机构,浙江理工大学赵匀教授领导的课题组,经过多年的刻苦专研和不懈努力,在该领域取得较大成就,研制了多种旋转式分插机构,有圆柱齿椭圆齿行星系分插机构、偏心链轮式分插机构、差速式分插机构等。

3.传统插秧机分插机构

传统分插机构的工作转速较低,主要有以下三种:摇臂导杆式分插机构、转臂滑道式分插机构和曲柄摇杆式分插机构。摇臂导杆式分插机构主要用于人力插秧机,结构较为简单,体积小,但工作效率低,插秧质量差。转臂滑道式分插机构结构较为复杂,滑道加工难度大,取秧可靠性较差,回带现象严重,大大影响了插秧效率,因此也没有得到大面积的推广应用。

曲柄摇杆式分插机构是最先应用到水稻插秧机的分插机构,结构简图如图1-3 所示。20 世纪70 年代日本开始研究小苗带土移栽技术和室内机械化育苗技术,在原有的基础上不断创新,研制了曲柄摇杆式分插机构,该机构增加了推秧装置,大大降低了秧苗回带、漂秧现象的发生,但该结构复杂,加工工艺要求高,而且当插秧频率较高时会产生振动。

曲柄摇杆式分插机构在我国使用广泛,既用于步行式插秧机,也用于乘坐式插秧机,该机具在我国市场上的代表机型是2ZT-935。为了适应双季稻和三季稻的种植模式,浙江金华农机化研究所研制了多熟制水稻插秧机,该插秧机插秧轨迹可达276mm,在对高秧苗进行插秧时不会出现“搭桥”现象,机插后直立性

好,但曲柄长度增加时,整体抖动厉害,会出现分秧不均、栽插不稳等现象。

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图1-3 曲柄摇杆式分插机构结构简图

4.高速插秧机分插机构

20 世纪80 年代国外开始对新型分插机构进行研究,用以取代传统的曲柄摇杆式分插机构,其中日本研制的偏心齿轮行星系分插机构和椭圆齿轮行星系分插机构就是典型的代表。我国从20 世纪90 年代开始研究高速插秧机分插机构,该研究致力于达到提高插秧质量和插秧效率双重标准。旋转式分插机构是高速插秧机的核心部件,主要包括插秧臂和插秧旋转箱两部分,在插秧过程中,插秧臂起到分秧、取秧、推秧的作用;插秧旋转箱为分插机构提供动力,插秧旋转箱内偏心齿轮或者非圆齿轮之间相互啮合使得插秧爪尖点形成所需轨迹;旋转式分插机构具有插秧高效、振动较小等优点。随着插秧技术的逐渐成熟,对分插机构的研究进展也在不断突破,到目前为止,高速插秧机分插机构主要有以下几种:

1.偏心齿轮行星系分插机构

偏心齿轮行星系分插机构是由日本成功研制,并在我国申请了发明专利,结构简图如图1-4 所示。该机构主要由 5 个半径完全相同的偏心齿轮、2 个插秧臂 1 和行星架5组成,太阳轮 4 安装在行星架上,两侧对称布置两对齿轮,行星架5 与太阳轮 4 同轴转动,插秧臂1 与行星轮2 连接在一起,工作时,行星架 5 绕着中心轴匀速转动并提供动力,中间轮在旋转的同时与太阳轮不断啮合,同时与行星轮啮合使得行星轮连续转动,行星轮带动插秧臂作复合运动。插秧臂上的各点作平面复合运动:其相对运动是相对行星架作不等速逆向转动,牵连运动是随着行星架作匀速转动,插秧爪尖点即可形成特殊的“腰子形”插秧轨迹。偏心齿轮行星系分插机构加工工艺简单,但是在齿隙变化时引起的振动较大,必须安装缓冲装置,我国水稻种植机械专家对上述问题进行了分析,采用双齿轮重叠结构替代单齿轮结构,可以明显降低齿隙变化引起的振动对整机的影响。

2.正齿行星轮系分插机构

正齿行星轮系分插机构结构简图如图1-5 所示。该机构主要包括7 个特殊齿轮,其中 4 个正圆齿轮完全一致,3 个的椭圆齿轮完全一致,3 个椭圆齿轮

都是绕其焦点进行不断转动,且初始相位角相同。太阳轮 1 安装在行星架上,中间圆齿轮与中间椭圆齿轮、行星轮与插秧臂固定在一起,分插机构在插秧过程中,插秧臂一边绕旋转中心作匀速圆周运动,一边随行星轮作非匀速转动,这两种运动的复合运动即可使插秧爪尖点实现所需的插秧轨迹和插秧要求,再通过选择合适的技术参数,就可以达到农艺要求的插秧轨迹。

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连杆机构在机械设备中的应用

图1-4 偏心齿轮行星系分插机构结构简图图1-5 正齿行星轮系分插机构结构简图

3.椭圆齿轮行星系分插机构

椭圆齿轮行星系分插机构结构简图如图1-6 所示,主要由5 个完全相同的椭圆齿轮、圆盘式行星架和 2 个插秧臂组成。其中太阳轮安装在机架上,在初始安装位置5 个椭圆齿轮长轴共线,中间轮和行星轮需要确定安装角度。

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图1-6 椭圆齿轮行星系分插机构结构简图

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1.行星轮

2.太阳轮

3.链条

4.张紧轮

5.插秧臂

6.行星架

图1-7 偏心链轮式分插机构结构简图

工作时,太阳轮不动,行星架匀转动,中间轮在绕太阳轮旋转的同时,带动行星轮转动,插秧臂和行星轮安装在一起,因此插秧臂在随行星轮转动的同时也随行星架转动,从而得到要求的插秧轨迹。该分插机构惯性小,因此对秧苗的冲击较小,可以明显降低秧苗损伤率。

4.偏心链轮式分插机构

偏心链轮式分插机构结构简图如图1-7 所示,主要由两个完全相同的偏心链轮、2个张紧轮和 2 个插秧臂组成,2 个偏心链轮的传动比不断变化来满足分插机构的非匀速传动,链条的松紧变化依靠张紧轮来调整。该机构的主要特点是插秧效率高,但机构复杂,行星架体积较大,转动惯量大,成本高,没有齿轮传动稳定、可靠。

5.参考文献

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