手扶插秧机插植部分设计

1 绪论
1.1 插秧机发展历史
， 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 发展趋势
插秧机的研究应该根据各国土质和人口等地区因素，因地制宜，发展适 合当地情况的插秧机，此外，插秧机也要向提高作业效率，提高对秧苗的适应性， 提高使用操作性能方向发展。

为了克服漏插、漂秧和钩伤秧等缺陷,今后将通过对 送秧、分秧、插秧等工作机构的改进与创新，继续提高插秧质量和对各种秧苗的 适应性，同时要研制适用于每穴一株杂交水稻秧苗的新型插秧机；研究提高工作 装置的自动化程度，如实现自动装秧及故障自动停机等的途径；进一步完善包括 育秧在内的水稻全套种植机械化体系，提高非插秧季节水稻插秧机的综合利用程 度。

2 插秧机总体介绍
2.1 插秧机总体结构和设计原理
类型
水稻插秧机按适应秧苗的状态分拔洗苗型、带土苗型和两用型。

按动力分为人力插 秧机和机动插秧机两类。

人力插秧机采用间歇插秧方式，插秧动作在机器停歇状态下进 行，插秧动作结束后，手拉机器移动一个株距，再次进行插秧动作。

机动插秧机采用连 续插秧方式，在机器行进过程中完成分秧、插秧动作。

机动插秧机又分手扶自走式、乘 坐自走式和拖拉机悬挂式等类型。

按分秧和插秧机构的运动特征可分为纵分滚动直插 式、纵分摆动直插式和横分摆动直插式。

滚动直插和摆动直插是指取秧器定位杆件分别 由作圆周运动和作往复运动的机构驱动，并在轨迹控制机构的控制下完成分秧、插秧动 作，取秧器在插秧段的运动轨迹接近与地面垂直，使形成的插孔较小，秧苗直立性和稳 定性好。

滚动直插只用于机动插秧机。

原理和构造
插秧机的工作过程，因结构不同而各有差异，但基本流程大致相同。

其“群体逐次分格 取秧直接栽插”原理为：秧苗以群体状态整齐放入秧箱，随秧箱作横向移动，使取秧器 逐次分格取走一定数量的秧苗，在插秧轨迹控制机构作用下，按农艺要求将秧苗插入泥 土中，取秧器再按一定轨迹回至秧箱取秧。

各种插秧机栽插部分的组成基本相同： 人力插秧机由秧箱、 分插秧机构、 机架和浮体(船 板)等组成，自走式机动插秧机还设有动力驱动、行走装置、送秧机构等部分。

秧箱
主要功能是承载秧苗，并与送秧机构、分插秧机构配合，完成送秧和分秧作业。

主 要有箱体、箱架、秧门(包括秧帘)和秧刷等组成。

在横向移箱机构作用下，使秧箱横向 移动，从而使秧苗移向秧门，以配合取秧器有规律的取秧栽插。

分插秧机构
是水稻插秧机的主要工作部件，由取秧器及其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。

按分秧动作，有横分 和纵分两种。

①横分取秧器有适于拔取苗栽插的秧夹和适于带土苗栽插的切扒式秧爪， 两者根据需要可互换使用。

秧夹由活动夹片和固定夹片构成，其张开度根据秧苗的粗细 和秧苗数量进行调节；切扒式秧爪带有脱秧片，使带土秧苗从秧爪上顺利脱出。

②纵分 取秧器有适于拔取苗栽插的梳式秧爪，适于带土苗栽插的有装上脱秧器的梳式秧爪，或 采用筷子式秧爪。

梳式秧爪在分秧过程中对秧苗有分理作用；筷子式秧爪在插入带土秧 苗中取秧时，由推秧片把带土苗强制推出。

一定数量的秧夹或秧爪按规定行距配置在秧夹 （或秧爪） 排上。

在滚动直插式插秧机上， 一般有 2～4 个秧爪排与作圆周运动的分插轮转臂铰接相连；在摆动直插式插秧机上。

一般是一个秧爪排同作往复摆动的摇臂铰接相连， 也可将一个取秧器直接装在一组曲柄 连杆机构的连杆上，进行分组驱动。

在多数插秧机上，取秧器的运动轨迹除由驱动机构 控制外，还受轨迹控制机构的控制。

常用的轨迹控制机构有导槽、滑道、凸轮、行星齿 轮和四杆机构等，与各种驱动机构配合组成各种类型的分插秧机构。

送秧机构
包括纵向送秧机构和横向送秧机构，其作用是按时、定量地把秧苗送到秧门处，使秧爪 每次获得需要的秧苗。

①纵向送秧机构的送秧方向同机器行进方向一致，有重力送秧和 强制送秧两种。

重力送秧是利用压秧板和秧苗自身的重量，使秧苗随时贴靠在秧门处， 常用于人力插秧机，其送秧能力随秧箱形式及秧箱内秧苗数量多少而变化，因而送秧均 匀度较差。

强制送秧是由纵向送秧机构定期推送秧苗，其送秧能力强，又分整体送秧和 对准送秧两种。

前者主要用于带土苗。

当秧箱横向移动至两端极限位置时，将整体秧苗 往秧门推送一次；后者主要用于拔取苗，取秧器每取秧一次，即相应的送秧一次，送秧 宽度等于取秧器的取秧宽度。

②横向送秧机构的送秧方向同机器行进方向垂直，都采用 移动秧箱法，因而又称移箱机构。

按其移动方式又分为间歇移箱和连续移箱:间歇移箱 机构用于拔取苗和带土苗,其特点是在秧爪分取秧苗时停止移箱， 以利于秧爪梳理分秧。

连续式移箱机构是在作业中使秧箱作横向连续等速运动，移至两端极限位置后自动换 向，因而在分秧阶段，秧爪和秧箱相对移动，适用于带土苗。

机架
是插秧机各部件和机构安装的基础，要求刚性好、重量轻。

按机架与船板连接方式 可分为整体式和铰接式两种：整体式是用插深调节器调整插深后，把机架和船板锁定； 铰接式是机架和船板仅靠插锁连接，在作业过程中插秧深度随泥脚深浅而变化。

行走装置和承载浮体
人力插秧机以船板为承载浮体， 支承机器的全部重量,一般不设行走装置,作业时由人力 牵引，使船板在泥面滑行。

自走式机动插秧机的行走装置包括驱动轮、导向轮和陆地运 输轮等。

驱动轮多采用叶片式铁轮，并有独轮驱动、两轮驱动和四轮驱动等类型，其承 载浮体有整式船板和间隔配置的浮板两种类型，支承机器的部分重量。

中国的乘坐自走 式机动插秧机多采用前面一个驱动轮、后面为整体式船板的独轮驱动方式,陆地运输时 加装2个尾轮，具有结构简单、行驶阻力小、操纵轻便、行驶直线性和转弯靠行性能好 等特点。

日本则采用前面两个导向轮、 后面两个驱动轮加3～4块浮板的驱动方式,或前、 后4个驱动轮加浮板的驱动方式。

日本的手扶自走式机动插秧机多采用两个驱动轮加浮 板的驱动方式。

动力驱动部分及其他 自走式机动插秧机的动力驱动部分包括发动机、 变速传动装置，以及转向、换档、离合等操纵机构。

此外还有各种调节装置、监测讯号 装置、牵引架、插秧手座位、秧篮及遮阳装置等辅助部分。

2.2 手扶插秧机的各类参数
洋马 AP4 步行式插秧机是双轮驱动步行式插秧机，人在机后步行操作，其主要操作 系统都在机器后部，用刚丝与各控制部分相连，便于操作，控制机器。

苗箱与插植臂也 在机器后部，便于机手查看并添加秧苗。

为了提高机器的机动性能，减轻重量，洋马步 行式AP4插秧机大大采用了工程塑料（浮板、秧箱、罩盖等）和铝合金铸件（主变速箱、 插枝传动箱、导轨等）。

插秧机的发动机在前部，使机器前后平衡。

洋马步行式 AP4 插秧机是一种适合于我国水稻产区广大经济条件使用的步行式水 稻插秧机，洋马步行式AP4插秧机设计结构简单、轻巧，操作灵便，使用安全可靠，它 主要由发动机、 传动系统、 机架及行走系统、 液压仿行及插深控制系统等组成。

见图 （1-1）
图（2-1）
洋马 AP4步行式插秧机各类参数
型号名称 2ZQS-4(AP4型)
机器尺寸
总长（mm） 2190
总宽（mm） 1500
总高（mm） 1034 机身重量（kg） 145
发动机
型号名称 MZ175
种类 空气冷却OHV四冲程单缸汽油发动机 排气量（cc） 171
输出/转速 kW（PS）min-1 2.6Kw （3.5PS） /3000[最大3.2kW （4.3PS） ] 使用燃料 汽车用无铅汽油 燃料油箱容量（L） 4
启动方式 手拉式启动
行走部
机体上下调节 液压式调节（手动、自动、连动） 车轮（mm） 橡胶凸缘车轮外径660
变速档数（档） 前进2（插植1）后退1
插植部 插植方式 曲柄摇杆式
插植行数（行） 4
插植行距（cm） 30
插植株距（cm） 22、15、12
插植株数（株/3.3m 2 ） 50.65.75.90（简易手柄调节） 插植深度（mm） 15-40（6段调节）
苗数 调节 量 横向进给（mm） 11（26回），14（20回） 纵向抓取（mm） 8-17（10段手柄调节）
秧苗条件
秧苗的种类 幼苗、中苗
叶龄·苗高 （叶）·（cm） （2.0-4.5）·8-25 预备用秧苗搭载数（箱） 3
作业速度（m/s） 载插：0.38-0.76（0.34-0.68） 道路上：0.72-1.54
后退：0.18-0.36（0.16-0.32）
作业效率（亩/小时） —2.09（最大）
表 2-1
2.3 插秧机动力传送路线
1­2
图 2-2
3 插植臂结构设计与运动原理
3.1 分插运动轨迹和结构参数
(1)分插结构：用以完成分秧和插秧的工作部件称为秧爪，而控制秧爪运动轨 迹的机构称为分插结构。

插秧机工作时秧爪尖相对于插秧机机架的轨迹称为秧爪 静轨迹（即机器不前进时的轨迹）或者称为相对运动轨迹，而秧爪相对于地面的 轨迹称为秧爪动轨迹(即秧爪正常前进时的轨迹)或者称为绝对运动轨迹。

秧爪运动 轨迹可以分为分秧、运秧、插秧、出土、回程段 5 个阶段。

如图 2­1 所示（图中 主要参数见表 2­1），秧爪进入秧箱取秧走过的轨迹 D1D2 称分秧段，分秧之后到 插秧之前的轨迹 D2D3 称运秧段，插秧时秧爪尖的动轨迹 D3`D4`称插秧段，插秧之 后秧爪尖到离开地面的运动轨迹 D4`D5`称为出土段，出土之后回到取秧之前的静 轨迹 D5D1 称为回程段。

图 3­1 插秧机插秧轨迹
名称 代号 参数 名称 代号 参数
B L 30 mm
曲柄（OA） R2 35mm B 点调节长
槽长度
R B 16°
连杆（AC） R4 90mm 调节长槽与
X 轴夹角
摇杆（BC） R5 90mm 秧门角点 M
坐标值 X M
Y M
­202 mm
30 mm
秧爪尖与 A 点距离 （AD） L 190 mm 秧门与 X 轴
夹角
R M 138°
AD 与连杆 夹角 R 163.17° 秧爪与连杆
夹角
R D 50°
最大取秧量 B 点坐标值 X0
Y0
72 mm
80 mm
推秧时曲柄
与连杆夹角
R T 50.87°
曲柄中心安 装高度 H0
120 mm
3 寸穴距机
器前进速度
V0 ­0.36m/s 表2-1
3.2 插植臂结构
插秧机共设有四个插植臂，插植臂间隔距离相等，呈左右对称状态。

插植臂主要由 曲轴臂、插植臂壳体、推杆、秧爪、弹簧、插植臂上盖、凸轮等组成（如图3-2所示）。

作用是从苗箱上切取一定面积的秧块并栽插到田里。

如图所示，由曲柄臂、从动臂、插植臂壳体和机架组成四连杆机构，相互铰 接处都安装有轴承，保证转动灵活，工作平稳，运动轨迹准确。

曲轴臂固定在插 植臂轴上，当动力通过插植臂轴传入时，曲轴臂做圆周运动，从动臂做往复运动， 而插植臂壳体（即连杆）做平面内的复杂运动，与插植臂壳体固定为一个构件的 秧爪按预订的轨迹（连杆曲线）进入秧门取秧后插入地面，当秧爪插入地面的时 由凸轮和推杆手柄脱离接触，在弹簧的压力下推杆使秧苗脱离秧爪而栽植于农田。

分析插植臂结构的工作过程，主要是看分秧段和插秧段。

分秧段影响分秧的质与 量，分秧时秧爪与秧苗间夹角一般较小，均在 30°以内，进入秧门 D1 点距秧门口 的高度称为取秧高度， 应大于苗根土厚 10mm； 在 D2 点秧爪分秧速度一般在 1.0m/s 以上， 最佳范围为 1.5~2m/s 便于利索分秧;拧动调节按钮可以改变从动臂 B 点连接 在链箱后盖长槽中的位置可改变分秧段轨迹而调整取秧量大小，插秧段主要讨论 运动轨迹，由于 D3D5 插孔大小，时有利于提高插秧的稳定性，而推秧的相位与轨 迹影响秧苗插秧时的直立性。

在插秧段秧爪速度应急剧减小，依靠惯性作用（此 时秧爪加速度最大）而提高插秧直立性与稳定性。

图 3­2 插植臂结构
4 插植部送秧结构
插植部送秧箱：把秧苗定时输送到秧爪取秧部位的结构称为送秧结构。

它由横向送 秧结构和纵向送秧结构组成。

它的主要作用是将由齿轮箱传递过来的动力传递给送秧机 构，实现横、纵向送秧。

图4-1
横向送秧结构的作用是使秧爪能在秧箱的工作幅度内依次均匀取秧，使秧箱连同 秧苗做整体移动，它主要由插植动力输入轴、输入链轮、导向螺杆，横送轴，纵送轴， 端盖等构成（图 3-1）。

插植臂轴通过链条带动输入链轮转动，链轮通过一对直齿轮将 动力传动给导向螺杆， 插入导向螺杆内的螺旋槽的导块沿着螺旋槽斜面移动从而带动横 送轴左右运动，随之完成了横向送秧运动。

纵向送秧结构：一般纵向送秧结构安装在秧箱底部。

主动凸轮安装在导向螺杆上， 主动凸轮间歇性地带动从动凸轮， 使固定在送秧轴上的抬把随轴转动秧箱下的棘爪而推 动棘轮带动送秧星轮转动一定的角度完成纵向整体送秧，送秧完毕，棘爪与抬把依靠扭 簧复位。

5 校核计算
5.1 主轴的设计计算
轴的结构设计：（图5-1）
图 5-1
轴材料选用45钢调质， 错误！ 未找到引用源。

=650Mpa， s s 错误！ 未找到引用源。

=360Mpa。

轴的设计计算步骤如下：
计算项目 计算内容
计算结果
初算轴径d 3
n
P C d ³ 错误！ 未找到引用源。

由表，
C=112
=112× 3
100
2
. 1 错误！未找到引用源。

=16.72mm
取d=20mm
初步计算轴上各段长度
轴承选6001，宽度B=12mm
计算轴上载荷：
由前计算：
链轮作用轴上载荷错误！未找到引用源。

=1552N，T=110N·m 齿轮作用在轴上载荷：
20
11000 2 D T 2 F T ´ = = 错误！未找到引用源。

=1100N，错误！未找到 引用源。

=110N·m
绘制轴的弯扭矩图，对危险截面进行校核 简化轴上载荷如图：
其中， F Q 错误！未找到引用源。

=1552N，T=T ¢错误！未找到引用源。

=110N·m， F Tz
错误！未找到引用源。

=错误！未找到引用源。

=1100×cos 20 ° =1033.6N
F TY 错误！
未找到引用源。

= 20 sin F T ° =3458× 20 sin °
错误！ 未找到引用源。

=376.3N 画轴的弯矩图，扭矩图
由弯矩图、扭矩图可知B 点为危险截面。

对 B 点进行校核计算：
M= M M 2 z 2 + z 错误！
未找到引用源。

= 1 . 40 2 5 . 67 2 + 错误！未找到引用源。

=78.6N 错误！ 未找到引用源。

m
查表得：[ ] s 1b + 错误！未找到引用源。

=215Mpa，[ ] s 01b 错误！未找到引用源。

=102.5Mpa，
[ ] s 1b ­ 错误！未找到引用源。

=60Mpa
对于不变的转矩，取 [ ] [ ] 76
. 0 6 . 78
60 b 1 b 1
­ = = = + s s a 错误！未找到引用源。

） （ ） （ 110 76 . 0 6 . 78 T M 2 2
2 2 ´ +
= + ¢ a =114.4N.m 所以：
02
. 0 1 . 0 4
. 114 d 1 . 0 M W M 3 3 b ´ = ¢ = ¢ =
s 错误！未找到引用源。

=14.3Mpa [ ] s b 1 ­ £ 错误！未找到 引用源。

=60Mpa 满足强度要求。

5.2 锥齿轮的校核
（1）选用直齿锥齿轮传动，7级精度。

已知输入功率P
1
=1.4 kw ；
锥齿轮转速n=80r/min ；
齿数比u=i
1
=1
条件：动力机为电动机，工作平稳，传动不逆向。

（2）材料选择
1轴上的小齿轮材料为40cr（调质），硬度为241～286HB,取硬度为260HB，啮合的 中齿轮材料为45#钢(调质)，硬度229～286HB,硬度取为240HB。

（3） 计算
（I） 按齿面接触强度设计
转矩 T1=257040 n/mm
齿宽系数 Ψd=1.0
解除疲劳强度 σ
Hlim1
= 710 MPa
σ
Hlim2
= 580 Mpa
初步计算的许用接触应力 [σH1]=0.9σ
Hlim1
=639
[σH2]=0.9σ
Hlim2
=522
取Ad=83
初步计算齿轮直径 d
1≥833
2
1 1
]
[m
m
s
+
×
Y H
d
T
=35.7
取d=40
齿宽b b=Ψ
d
d1=3.63 mm
计算圆周速度
V =πdn
1
/(60×1000)
= 3.14×40×80/(60×1000)
=1.79 m/s
齿数与模数 初取齿数z=11 m=d1/z1=2
载荷系数
根据v=1.79 m/s , 选择齿轮为7级精度， 由机械设计查得动载系数 K V =1.25. 使用系数 K A =1.5 Ft=2T1/d1=6112 N
b
F K t A =79.6 n/mm <100 n/mm 由表查得：K Hα=K Fα=1.3 ;
载荷系数K=1.5*1.25*1.2*1.2=2.7 ε=[1.88-3.2(1/z1+1/z2)] =1.68 Zε=
3
4 a
e - =0.88 弹性系数Z E1=189 MPa 节点区域系数Z H =2.5 接触最小安全系数 S Hmin=1.05 由公式计算应力循环次数
N 1 = 60 n 1jL h
= 60×80×1×4000= 1.92×10 7
N 2 =0.24×10
8
接触寿命系数 ZN Z N1=1.15 Z N2=1.25 许用接触应力[σH] : [σH1] =777.6MPa
[σH2]= 690MPa
验算 σH=Z E Z H Z ε
u bd u KT 1
1 )
1 (
2 + =570 MPa <[σH2]
计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整 确定传动主要尺寸 d=m*z=2*11=22
（II）按齿根弯曲强度设计 重合度Y ε=0.25+0.75/ε=0.7
齿向载荷分配系数 K Fα=1/Yε=1.43 K Fβ=1.35 载荷系数 K=K A K V K FαK Fβ=3.62
[σF ]1= 340 4 . 1 560
85 . 0 1 1 = ´ = S K FE FN s Mpa
[σF ]2= 6 . 276 4
. 1 440
88 . 0 2 2 = ´ = S K FE FN s Mpa
查取齿形系数
Y Fa1=2.4
Y Fa2=2.1
应力修正系数 YSa1=1.63 YSa2=1.75 弯曲疲劳极限
σFmin1=600 MPa
σFmin2=450 MPa
最小安全系数 S Fmin =1.25 由公式计算应力循环次数
N 1 = 60 n 1jL h
= 60×485×1×4000= 1.2×10 8
N 2 =0.24×10
8
弯曲寿命系数 Y N1=0.85 Y N2=0.92 尺寸系数 FX=1.0
许用弯曲应力[σF] [σF1]= min
1 1 min F X N F S Y
Y s =408 MPa
[σF2]= min
2 2 min F X N F S Y
Y s =331.2 MPa
验算 σF1= e Y Y Y m bd KT
Sa Fa 1
1 1
2 =102.6 MPa <[σF1] σF2=σF1 1 1 2 2 Sa Fa Sa Fa Y Y Y
Y =98.5 MPa <[σF2]
所以满足要求
（III）确定齿轮的齿形参数
标准锥齿轮几何尺寸：
① 分度圆直径d :
d=mz=2×11=22 mm
② 齿顶高ha
ha=ha * m=1×2=2mm
③ 齿根高 hf=(ha * +c * )m=(1+0.25)×2=2.5 mm
④ 齿全高 h=ha+hf =(2ha * +c * )m=2+2.5=4.5 mm
（IV）齿轮结构
对于小齿轮，其齿数较少，分度圆直径与轴的直径相差不是很大，可以采用整体式设 计。

参考文献
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12.李宝筏.农业机械学.北京.中国农业出版社.2003年
致谢
本次毕业设计，是在 XX 老师导下完成的，通过本次设计，不仅检验了我大学四年来知识积累 的程度，而且丰富了我在实际设计中经验的累积，更是对我设计思想的一次全面升华。

在设计过程 中，本着认真刻苦的态度去学习设计的步骤、方法、以及经验，但是由于该设计许多方面的细节问 题涉及面太广，而本人知识面和能力都极其有限，同时由于时间仓促，因而不能科学详尽地做出正 确的选择与判断。

所以设计中难免出现很多错误。

虽然有这些不足和遗憾，但是总的来说，基本上 完成了插秧机的插植部设计和一些零部件设计，成功的完成了老师布置的任务。

由于本人的设计能 力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本 人将万分感谢。

我们得到了有丰富工作经验的指导老师肖老师的大力支持和帮助， 在这一个学期的设计过程中，
在设计过程中他们不知疲倦、不厌其烦的给我们分析和讲解，而且也给我灌输了一些先进的设计方 法和设计理念，使我大受裨益。

在此，我忠心地向 XX 老师表示感谢。

同时，在设计过程中，我也 得到很多同学的支持和帮助，在此，我一同表示最忠诚的感谢。