关于水稻插秧机的机械原理课程设计

水稻插秧机
1．水稻插秧机设计要求
水稻插秧机是用于栽植水稻秧苗的机具。

结构简单、体积小，使用寿命长。

它主要包括送秧机构、传动机构、分插机构、机架和船体等组成。

本设计主要完成分插机构和送秧机构的设计。

设计要求：
1）水稻插秧机应包括连杆机构、凸轮机构等常用机构。

2）插秧频率120次/min。

3）插秧深度10~25mm之间。

4）发动机功率2.42kw，转速2600r/min,传动机构始末传动比i=26。

5) 对移箱机构（送秧机构）的设计要求：
a.每次移箱距离应与秧爪每次取秧宽度相配合，要求保证
取秧准确、均匀。

b.移箱的时间应与秧爪的运动相配合。

c.传动平稳，结构简单，加工方便，必须使用可靠、耐久。

2. 工作原理及其动作分解
分插机构是水稻插秧机的主要工作部件，由取秧器（栽植臂和秧爪），驱动机构和轨迹控制机构组成。

取秧器在驱动机构的驱动和轨迹控制机构的控制下，按照一定的轨迹从秧
箱中分取一定数量的秧苗并将其插入土中，然后返回原始位置，开始下一次循环动作。

秧爪在栽植臂的带动下完成取秧和插秧工作，图1中虚线给出秧爪的静轨迹图，h为插秧深度。

图1
送秧机构的作用是按时、定量地把秧苗送到秧门处，使秧爪每次获得需要的秧苗。

按照送秧方向的不同，送秧机构分为纵向送秧机构和横向送秧机构。

横向送秧机构，其送秧方向同机器行进方向垂直，采用的是移动秧箱法。

因此，又称移箱机构。

本设计采用横向送秧箱机构。

工艺动作分解：
1）秧爪按照特定静轨迹（如图1 所示）做往复运动。

2）秧箱做横向直线往复运动。

（在秧爪取秧过程中，秧箱需保持连续不断的匀速运动；在移至两端极限位置后，秧
箱自动换向。

）
3．分插机构，送秧机构运动方案设计及确定
1) 分插机构的设计方案
方案甲：
评价：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。

方案乙：
评价：本机构采用连杆机构，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。

结论：方案甲结构简单，制造方便，符合设计要求，故分插机构选用方案甲。

2）送秧机构的方案设计
方案A：
评价：采用凸轮机构，通过凸轮的回转运动，实现从动件（秧箱）的
横向直线往复运动。

本机构结构简单，传力小，传动准确，运动灵活。

但凸轮廓线的设计较复杂。

方案B：
评价：此系统以电动机为驱动元件，通过PLC控制系统，来控制齿轮的转动，从而影响齿条的运动，使齿条进行直线往复运动。

此机构设计简单，传动平稳，效率高，传动比准确，可靠。

但此方案需要PLC控制设备，成本较高。

结论：方案A采用凸轮机构，结构简单，传动平稳，成本较低，故送秧机构选择方案A。

3）方案设计的确定
综上所述，考虑到插秧机的设计要求（水稻插秧机应包括连杆机构、凸轮机构等常用机构，送秧机构传动平稳，结构简单，加工方
便，必须使用可靠、耐久。

）以及自身所学知识，本设计的分插机构选择方案甲，送秧机构选择方案A 。

如图：
运动仿真图：
4．机构尺寸的设计1）送秧机构
在设计要求中，电动机的转速为2600r／min。

由于传动机构始末传动比i = 26 ，
故皮带轮与齿轮1 的转速为100r／min 。

在设计要求中，
插秧频率为120次/min ，
故齿轮2 的转速为120r／min，
即齿轮1与齿轮2 的传动比为5:6 。

两齿轮的设计如下：
齿轮1 与齿轮2 之间的中心距为99 mm 。

齿轮传动如图：
连杆机构：
杆AB为曲柄，杆CD为摇杆，BE与连杆BC 固结。

本设计的要求中，点E的轨迹如图1中所示。

假设AB长为10mm，BC长为30mm，CD长为20mm，AD长为30mm，BE长为55mm ，
以A 为原点，AD所在直线为x轴，建立平面直角坐标系。

由10 *cosθ1 + 30 *cosθ2 = 30 + 20 *cosθ3，
10 *sinθ1 + 30* sinθ2 = 20* sinθ3，得，
θ2 = 2* arctan ﹛2*sinθ1 —[16 —( 2*cosθ1 +1) ²]½﹜/ （4 * cosθ1 —11）
点E的轨迹方程如下：
x = 10 *cosθ1 + 55*cos（θ2+θ）
y = 10* sinθ1 + 55 *sin（θ2+θ）
利用MATLAB软件，通过改变角θ的大小（θ的值依次取10°,15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°，50°），来获得点E的9个轨迹图。

在MATLAB 编译器中输入以下语言：
for i=1:9
theta1=0:pi/100:2*pi;
theta2=2*atan((2*sin(theta1)-sqrt(16-(2*cos(theta1)+1).^2))./(4*cos(t heta1)-11));
x=10*cos(theta1)+55*cos((i-1)*3.75*pi/180+pi/12+theta2);
y=10*sin(theta1)+55*sin((i-1)*3.75*pi/180+pi/12+theta2); subplot(3,3,i);
plot(x,y);
end
得出轨迹图：
（第一行，θ的值依次为10°,15°，20°，
第二行，θ的值依次为25°，30°，35°，
第三行，θ的值依次为40°，45°，50°。

）
经过比较这9个轨迹图，发现第二行第二列的轨迹图（θ=30°）中的轨迹与图1中的轨迹近似，故选择第二行第二列的轨迹图（θ=30°）。

考虑到设计要求插秧深度在10~25mm之间，而通过观察此轨迹图，发现点E轨迹最右端点的x坐标（略小于40）与点D的x坐标（等于30）之差小于10mm且大于5mm，所以需改进方案尺寸：
将各杆的长度增加一倍，即
AB = 20 mm ，BC = 60 mm ，CD = 40 mm ，AD = 60 mm ，BE
= 110 mm ，
θ= 30°
在此情况下，点E轨迹最右端点的x坐标与点D的x坐标之差必大于10mm且小于20mm，即方案可以满足插秧深度在10~25mm 之间的要求。

2）送秧机构
从动件（秧箱）运动线图的设计，采用摆线运动修正等速运动规律的加速度曲线（从动件无柔性冲击，运行平稳），如下所示：
从动件的运动线图分为6个阶段，
各阶段运动方程式如下：
1) 0≤ψ≤φ1 （秧箱做加速运动）S = S1[ψ/φ1—sin(πψ/φ1)/π]
v = S1ω[1 —cos（πψ/φ1）] /φ1
a = πS1ω²sin(πψ/φ1) /φ1²
2) φ1＜ψ＜φ2 （秧箱做匀速运动）S = S1 + (S2 - S1)( ψ-φ1)/( φ2 -φ1)
v = 2 S1ω/φ1
a = 0
3) φ2≤ψ＜π（秧箱做减速运动）
S = S1﹛(ψ-φ2)/ φ1—sin [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ]/π﹜+ S2
v = S1ω﹛1 —cos [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ] ﹜/φ1
a = πS1ω²sin [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ] /φ1²
4)π≤ψ≤π+φ1 （秧箱做加速运动）
S = S1﹛（2φ1+φ2—ψ）/φ1—sin [π（3φ1+φ2-ψ）/φ1 ]/π﹜
v = S1ω﹛[cos [π（ψ—φ2—φ1）/φ1] —1 ﹜/φ1
a = —πS1ω²sin [π（ψ—φ2—φ1）/φ1 ] /φ1²
5)π+φ1＜ψ＜π+φ2 （秧箱做匀速运动）
S = S1 + (S2 - S1)( 2φ2 +φ1 - ψ)/( φ2 -φ1)
v = —2 S1ω/φ1
a = 0
6)π+φ2 ≤ψ≤2π（秧箱做减速运动）
S = S1﹛(2φ2 + 2φ1 —ψ)/ φ1—sin [π（2φ2 + 2φ1 —ψ）/φ1 ]/π﹜
v = S1ω﹛cos [π（ψ+ 2φ1）/φ1] —1﹜/φ1
a = πS1ω²sin [π（ψ- 2φ2 -φ1）/φ1 ] /φ1²
设计要求“每次移箱距离应与秧爪每次取秧宽度相配合”，
即
取秧宽度／点E的往复运动周期= 从动件（秧箱）的匀速
运动速度
点E的往复运动周期已知，周期大小为0.5 s 。

设取秧宽度为10 mm ，
则v = 2×S1×ω／φ1 = 20mm／s ，
即从动件（秧箱）的匀速运动速度的大小为20mm／s 。

根据实际需要，设定φ1，φ2，S1，S2的值，
且满足
2 * S1 * ω／φ1 = 20 mm／s 。

φ1，S1应尽量小些，
以减小从动件从启动达到稳定速度所经过的时间和位移。

取φ1 = π/6,φ2 = 5π/6 ，S1 = 10 mm ，S2 = 110 mm ，
将φ1，φ2，S1，S2 的值代入行程S 的表达式，得
S = 60ψ/π- 10sin(6ψ)/π, ( 0 ≤ψ≤π/6 )
S = 150ψ/π- 15, ( π/6 ＜ψ＜5π/6 ) S = 60ψ/π- 10sin(6ψ)/π+ 60，（5π/6 ≤ψ＜π）
S = 70 - 60ψ/π+ 10sin（6ψ）/π, ( π≤ψ≤7π/6 )
S = 285 - 150ψ/π, ( 7π/6 ＜ψ＜11π/6 )
S = 120 - 60ψ/π+ 10sin(6ψ)/π. ( 11π/6 ≤ψ≤2π)
由2 * S1 * ω／φ1 = 20mm／s，S1 = 10 mm，φ1 = π/6，得
ω=π/6 rad/s,
即凸轮转速为 5 r/min 。

根据已求出的从动件的行程S的表达式，
则对心从动件凸轮机构的凸轮廓线方程式为可写：X =（r b + S）* sinψ
Y =（r b + S）* cosψ
（r b为凸轮基圆的半径值）
取r b = 20 mm，滚子半径为10 mm，在制作运动仿真过程中，得到理论廓线和实际廓线，如下图所示：
凸轮机构的运动仿真图：
5. 心得体会：
本课程设计考察了我们所学的机械原理知识。

在设计过程中，要综合多方面的要求和需要来进行合理的选择，这是一个并不简单的过程。

由此可以了解到，自己的能力远不能解决复杂的实际问题。

我们还应不断地学习和积累。

在对水稻插秧机完全不了解的情况下，通过网络，查找了大量的相关资料。

尽管对现实生活中的水稻插秧有了一定的了解，但这些资料对其工作的描述仍不够详细和清晰。

我们未能对水稻插秧机的工作流程和原理完全清楚，比如秧箱的具体结构和工作方式。

这是设计过程中一个比较大的遗憾。

设计尺寸的部分是其中最难的步骤，我们只能在做出一个自我感觉合理的尺寸假设的前提下，继续以后的设计，而且应用了一个之前我们完全陌生的软件MATLAB 。

因为不懂得如何使用该软件，所以寻求朋友的帮助，我们顺利得出了点E（秧爪）的与要求轨迹近似的静轨迹图。

接下来的步骤水到渠成，花费较多时间是一些繁杂的运算。

通过本次设计，积累了经验，对已学知识的理解更加深刻。

表面看似简单的问题，在解决的过程中，逐渐显现出其复杂。

在以后的学习中，应避免犯眼高手低的错误。