CN106416541B - 二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构。现有单自由度的行星轮系钵苗宽窄行移栽机构存在取秧时横向偏移量过大，造成取秧不够准确的问题。本发明中二自由度轮系的传动箱内采用齿轮传动和链条传动相结合的形式，齿轮箱内采用非圆齿轮与交错斜齿轮的齿轮组合，由于二自由度轮系的两个动力输入，结合非圆齿轮的变速传动特性使机构可以实现自由变化的传动比，从而实现复杂的移栽轨迹；取秧时轨迹为一条直线，没有横向偏移量，可以实现精准取秧，保证取秧的成功率。本发明的空间偏移主要由交错安装的斜齿轮实现，比现有机构的空间锥齿轮更加简单，同时在保证移宽窄行移栽的情况下实现了“直取秧”。

Description

二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构

技术领域

本发明属于农业机械领域，涉及高速水稻钵苗宽窄行移栽机，具体涉及一种二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构。

背景技术

目前，水稻插秧机品种多样，但无论是宽窄行插秧还是等行距插秧，移栽机构所取的秧苗都为毯状苗，容易伤根。而钵苗宽窄行移栽机构所取的秧苗为钵苗，钵与钵之间的苗不存在盘根现象，所以在取苗过程不存在伤根问题，相比毯状苗插秧具有更加短的返青周期，这对提高水稻产量具有重大意义。

水稻宽窄行种植是指水稻秧苗植株行间距实行一宽一窄的种植方式，这种种植方式利用作物边际优势的增产原理，通过调整秧苗的行间距，改善植株间通风、透光度，减轻病虫害，从而达到水稻优质高产的目的。

宽窄行移栽机构是在不改变现有钵苗移栽机秧箱结构的基础上实现秧苗宽窄行不等行距种植的部件。公开号为TN102640604M的专利申请公开了一种高速插秧机非圆齿轮宽窄行移栽机构，虽然该专利申请中提到了第一级斜齿轮和第二级非圆齿轮传动，实现宽窄行插秧，其运动规律在一定程度上满足了移栽机构秧针的取秧、插秧轨迹和姿态，但其功能仅限于插秧机的“腰子形”轨迹或“海豚形”轨迹，并不能形成钵苗移栽所需要的“8字形”空间复杂轨迹，即该专利所提出的机构仅能应用于插秧机，并不能满足水稻钵苗宽窄行移栽的要求。

公开号为CN103004346A的专利公开了一种非圆锥齿轮钵苗宽窄行移栽机构，该专利中提出的直齿轮、斜齿轮和非圆齿轮的组合形式机构的取秧动作为“夹土”，即在取秧过程中夹片夹持的是钵苗的钵土；该机构的移栽轨迹为带有尖嘴的空间运动轨迹，在高速作业时会有较大的冲击振动，可靠性不高。

申请号为CN201310318352.7的专利申请公开了一种七非圆锥锥齿轮行星轮系钵苗宽窄行移栽机构，该机构的核心部件为七非圆锥锥齿轮的行星轮系，其取苗爪可以实现“8字形”的空间运动轨迹，但是该机构的“8字形”移栽轨迹在取秧段有较大的横向偏移量，即取秧爪在取秧的同时又横向偏移的动作，与秧箱的左右送秧动作相互干扰，造成取秧不准确，取秧成功率较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种应用于高速水稻钵苗移栽机的二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括传动箱、主传动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、副传动轴、主动链轮、中心轴、链条、中心链轮、二自由度轮系、上移栽臂和下移栽臂；所述的主传动轴、副传动轴和中心轴均通过轴承支承在传动箱上，主动锥齿轮固定在主传动轴上，从动锥齿轮和主动链轮均固定在副传动轴上；所述的从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合；中心链轮固定在中心轴上，并与主动链轮通过链条连接；两个二自由度轮系对称设置在中心轴的两端。

所述的二自由度轮系包括差速主动齿轮、差速从动齿轮、齿轮箱、中心非圆齿轮、上中间非圆齿轮、上中间斜齿轮、上行星斜齿轮、下中间非圆齿轮、下中间斜齿轮和下行星斜齿轮，以及通过轴承支承在齿轮箱内的上中间轴、上行星轴、下中间轴和下行星轴；所述的差速主动齿轮固定在副传动轴上；差速从动齿轮空套在中心轴上，并与差速主动齿轮啮合；齿轮箱与中心轴伸出传动箱外的端部通过销钉固定；所述的中心非圆齿轮通过牙嵌与差速从动齿轮固定；上中间非圆齿轮和上中间斜齿轮均固定在上中间轴上；上中间非圆齿轮与中心非圆齿轮啮合；上行星斜齿轮固定在上行星轴上，并与上中间斜齿轮啮合；下中间非圆齿轮和下中间斜齿轮均固定在下中间轴上；下中间非圆齿轮与中心非圆齿轮啮合；下行星斜齿轮固定在下行星轴上，并与下中间斜齿轮啮合。

所述上移栽臂的移栽臂壳体与上行星轴伸出齿轮箱外的一端固定，下移栽臂的移栽臂壳体与下行星轴伸出齿轮箱外的一端固定，上移栽臂和下移栽臂设置在齿轮箱的同一侧；上移栽臂和下移栽臂的凸轮均与齿轮箱固定；上移栽臂和下移栽臂的结构相同。

所述上中间非圆齿轮与下中间非圆齿轮的几何参数完全相同，上中间斜齿轮与下中间斜齿轮的几何参数完全相同，上行星斜齿轮与下行星斜齿轮的几何参数完全相同；所述上行星斜齿轮的齿数为上中间斜齿轮齿数的2倍，下行星斜齿轮的齿数为下中间斜齿轮齿数的2倍。

所述主动链轮和中心链轮的传动比为1。

所述的差速主动齿轮和差速从动齿轮均为圆齿轮，且传动比为1，或为相互啮合的非圆齿轮。

所述的上中间轴和下中间轴对称设置在中心轴两侧；所述的上行星轴和下行星轴对称设置在中心轴两侧，上行星轴与中心轴、下行星轴与中心轴之间的轴交角均为Φ；上中间斜齿轮、上行星斜齿轮、下中间斜齿轮及下行星斜齿轮的螺旋角均为β；Φ＝2β；β根据宽窄行移栽的行距要求取值。

所述中心非圆齿轮的节曲线由三次非均匀B样条曲线拟合而成。

上移栽臂或下移栽臂的取秧夹片尖点所形成的移栽轨迹的取秧段在水平面上的投影为一条直线段。

本发明的有益效果是：

1、本发明解决了交错齿轮-椭圆锥齿轮行星轮系和交错齿轮-非圆齿轮移栽机构仅能应用于插秧机的问题，相比于这些分插机构的“腰子形”和“海豚形”移栽轨迹，本发明的移栽机构可以形成复杂的空间“8字形”轨迹，以适应水稻钵苗移栽的特殊要求。钵苗移栽是比机插秧更先进的农艺技术，在具体的实施上也更加困难，所以本发明以简单的齿轮机构实现了插秧机的分插机构所不能实现的钵苗宽窄行移栽功能，能为水稻的优质增产和进一步机械化做出贡献。

2、本发明为二自由度的二自由度轮系移栽机构，与传统的单自由度行星轮系移栽机构不同，二自由度轮系移栽机构能够实现复杂的传动比，同时，平面非圆齿轮与交错斜齿轮组合的形式，使得移栽机构的行星轮系在具有不等速传动特性的同时具备空间传动特性，使移栽机构能够实现复杂的移栽轨迹；同时，由于机构灵活的传动比，使得机构只需交错安装的斜齿轮就能实现理想的空间轨迹，与公开号CN103004346A中机构的球面非圆齿轮相比，本发明的二自由度轮系均为平面齿轮，易于加工且使成本大大降低，更适合应用于生产实践。

3、本发明解决了申请号为CN201310318352.7中水稻钵苗宽窄行移栽机构取秧段偏移量过大，造成的取秧率低的问题，七非圆齿轮移栽机构的移栽臂在取秧时有一个横向偏移的动作，与秧箱的左右移动相互干涉，在实际的生产作业中，取秧成功率很低，而本发明的差速机构在取秧时轨迹为一条直线，没有横向偏移量，可以实现精准取秧，保证取秧的成功率。

4、本发明采用；通过优化非圆齿轮的节曲线参数和斜齿轮螺旋角，可以得到能实现水稻钵苗一宽一窄种植的钵苗移栽机构；与专利号CN201510005090.8和CN201510005883.X中提到的钵苗宽窄行机构相比，该机构齿轮数量较少，结构更加简单和紧凑，在降低了生产成本的同时提高了机构的可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明中各个齿轮的装配示意图。

图3是本发明中各个齿轮啮合状态的一侧侧视图。

图4是本发明中各个齿轮啮合状态的另一侧侧视图。

图5是本发明的下中间斜齿轮与下行星斜齿轮交错啮合示意图。

图6是本发明的移栽臂剖视图。

图7是本发明的移栽臂俯视图。

图8是本发明的取苗过程示意图。

图9是本发明实现移栽轨迹的俯视图。

图10是本发明作业时形成宽窄行移栽的移栽效果示意图。

图中：1、传动箱，2、主传动轴，3、主动锥齿轮，4、从动锥齿轮，5、副传动轴，6、主动链轮，7、中心轴，8、链条，9、中心链轮，10、差速从动齿轮，11、差速主动齿轮，12、齿轮箱，13、下行星斜齿轮，14、下移栽臂，15、下中间斜齿轮，16、下中间轴，17、下中间非圆齿轮，18、中心非圆齿轮，19、上中间非圆齿轮，20、上中间轴，21、上中间斜齿轮，22、上移栽臂，23、上行星斜齿轮，24、上行星轴，25、下行星轴，26、凸轮，27、弹簧，28、弹簧座，29、拨叉，30、推秧杆，31、移栽臂壳体，32、固定块，33、取秧夹片，34、U形块，35、秧箱，36、钵盘，37、钵苗，38、移栽轨迹，39、地面，m、取秧进入点，n、取秧点，t、推秧点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示，二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构，包括传动箱1、主传动轴2、主动锥齿轮3、从动锥齿轮4、副传动轴5、主动链轮6、中心轴7、链条8、中心链轮9、二自由度轮系、上移栽臂22和下移栽臂14；主传动轴2、副传动轴5和中心轴7均通过轴承支承在传动箱1上，主动锥齿轮3固定在主传动轴2上，从动锥齿轮4和主动链轮6均固定在副传动轴5上；从动锥齿轮4与主动锥齿轮3啮合；中心链轮9固定在中心轴7上，并与主动链轮6通过链条8连接；两个二自由度轮系对称设置在中心轴7的两端。动力由主传动轴2传递到副传动轴5，再经二自由度轮系传递到上移栽臂22和下移栽臂14。

如图1、图2、图3和图4所示，二自由度轮系包括差速主动齿轮11、差速从动齿轮10、齿轮箱12、中心非圆齿轮18、上中间非圆齿轮19、上中间斜齿轮21、上行星斜齿轮23、下中间非圆齿轮17、下中间斜齿轮15和下行星斜齿轮13，以及通过轴承支承在齿轮箱12内的上中间轴20、上行星轴24、下中间轴16和下行星轴25；差速主动齿轮11固定在副传动轴5上；差速从动齿轮10空套在中心轴7上，并与差速主动齿轮11啮合；齿轮箱12与中心轴7伸出传动箱外的端部通过销钉固定；中心非圆齿轮18通过牙嵌与差速从动齿轮10固定；上中间非圆齿轮19和上中间斜齿轮21均固定在上中间轴20上；上中间非圆齿轮19与中心非圆齿轮18啮合；上行星斜齿轮23固定在上行星轴24上，并与上中间斜齿轮21啮合；下中间非圆齿轮17和下中间斜齿轮15均固定在下中间轴16上；下中间非圆齿轮17与中心非圆齿轮18啮合；下行星斜齿轮13固定在下行星轴25上，并与下中间斜齿轮15啮合。

上移栽臂22的移栽臂壳体31与上行星轴24伸出齿轮箱12外的一端固定，下移栽臂14的移栽臂壳体与下行星轴25伸出齿轮箱12外的一端固定，上移栽臂和下移栽臂设置在齿轮箱的同一侧；上移栽臂和下移栽臂的凸轮均与齿轮箱固定；上移栽臂22和下移栽臂14的结构相同，均采用成熟的现有技术，如申请号为201110164729.9的专利。

如图1和图5所示，上中间轴20和下中间轴16对称设置在中心轴7两侧；上行星轴24和下行星轴25对称设置在中心轴7两侧；上行星轴24与中心轴7、下行星轴25与中心轴7之间的轴交角均为Φ；上中间斜齿轮21、上行星斜齿轮23、下中间斜齿轮15及下行星斜齿轮13的螺旋角均为β；Φ＝2β；β根据宽窄行移栽的行距要求取值。

如图2、图3和图4所示，中心非圆齿轮18的节曲线由三次非均匀B样条曲线拟合而成；上中间非圆齿轮19与下中间非圆齿轮17的几何参数完全相同，上中间斜齿轮21与下中间斜齿轮15的几何参数完全相同，上行星斜齿轮23与下行星斜齿轮13的几何参数完全相同；上行星斜齿轮23的齿数为上中间斜齿轮21齿数的2倍，下行星斜齿轮13的齿数为下中间斜齿轮15齿数的2倍。

如图1、图8、图9和图10所示，主动链轮6和中心链轮9的传动比为1，差速主动齿轮11与差速从动齿轮10均为圆齿轮，且传动比为1，或为相互啮合的非圆齿轮；移栽机构取秧夹片33尖点所形成的移栽轨迹38的取秧段在俯视图上为一条线段，即图中m到n的一段轨迹在一条直线上。

如图1、图8、图9和图10所示，二自由度轮系与传统的单自由度行星轮系不同，中心非圆齿轮和齿轮箱在机构工作过程中都会转动，使机构可以实现自由的传动比特性；为实现钵苗宽窄行种植的行距一宽一窄要求，移栽机构取秧夹片33尖点的移栽轨迹38要满足移栽过程有一定的偏移量，如图9和图10所示，移栽臂在取秧点n取秧后偏移距离△D，在推秧点t将钵苗推入土中，当几套机构同时工作时，可以形成秧苗宽行和窄行交替种植的效果。在移栽过程中，为了防止移栽臂的取秧动作与秧箱的横移动作相互干涉，要保证轨迹38上从取秧进入点m到取秧点n的取秧段的横向偏移量尽量小，如图9所示，本发明的二自由度轮系钵苗宽窄行移栽机构结合了二自由度轮系与非圆齿轮的变速传动特性，使机构的移栽轨迹上m到n在一条直线上，没有横向偏移量，实现了“直取秧”。

该二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构的工作原理是：

动力由传动箱1内的主传动轴2经主动锥齿轮3传递到从动锥齿轮4上，带动副传动轴5转动，主动链轮6通过链条8带动中心链轮9转动，将动力传递到中心轴7，中心轴7的一端与齿轮箱12固定，带动齿轮箱12转动，同时，副传动轴5带动差速主动齿轮11转动，将动力传递到空套在中心轴7上的差速从动齿轮10；齿轮箱16内，空套在中心轴7上与差速从动齿轮10固定的中心非圆齿轮18分别与上中间非圆齿轮19、下中间非圆齿轮17啮合；差速从动齿轮10带动中心非圆齿轮18转动，再经上中间斜齿轮21、上行星斜齿轮23传递到上移栽臂22；经下中间非圆齿轮17、下中间斜齿轮15、下行星斜齿轮13传递到下移栽臂14；同时，齿轮箱12在中心轴7的带动下转动，齿轮箱12的转动带动箱内的齿轮组、上移栽臂22和下移栽臂14转动，两个移栽臂同时受到来自中心非圆齿轮18的动力和齿轮箱12的动力的驱动，由于两个动力存在转速差，使移栽臂实现了差速转动。

如图6和7所示，移栽臂的转动使拨叉29围绕固定在齿轮箱12上的凸轮26摆动，在取秧前拨叉29经过凸轮26的上升段而抬起，将与弹簧座28连接的推秧杆30向后拉，同时通过弹簧座28压缩弹簧27，焊接在推秧杆上的U形块34也随推秧杆向后移动，挤压取秧夹片33(取秧夹片33通过固定块32固定在移栽臂壳体上)，使两个夹片闭合并夹紧秧苗，完成取秧动作；从取秧后到推秧前，拨叉29处于凸轮26的最高位置保持段；当移栽臂到达推秧点t时，拨叉29转至凸轮26的回程段，弹簧27回位推动推秧杆30和U形块34向前快速运动，取秧夹片33在自身弹性下张开，松开钵苗，推秧杆将钵苗37的土钵推入地面39的土中，完成推秧动作。由于上行星斜齿轮14与中心非圆齿轮18之间及下行星斜齿轮6与中心非圆齿轮18之间的轴交角Φ不为零，因此上移栽臂22、下移栽臂14的转动平面与齿轮箱12的转动平面不平行，引起移栽臂上的取秧夹片33在秧箱35的钵盘36上取秧点n取钵苗37后，向外侧偏移距离△D至推秧点t推秧，由此实现水稻钵苗的机械化宽窄行移栽。

Claims (4)

1.二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构，包括传动箱、主传动轴、主动锥齿轮、从动锥齿轮、副传动轴、主动链轮、中心轴、链条、中心链轮、二自由度轮系、上移栽臂和下移栽臂，其特征在于：所述的主传动轴、副传动轴和中心轴均通过轴承支承在传动箱上，主动锥齿轮固定在主传动轴上，从动锥齿轮和主动链轮均固定在副传动轴上；所述的从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合；中心链轮固定在中心轴上，并与主动链轮通过链条连接；两个二自由度轮系对称设置在中心轴的两端；

所述的二自由度轮系包括差速主动齿轮、差速从动齿轮、齿轮箱、中心非圆齿轮、上中间非圆齿轮、上中间斜齿轮、上行星斜齿轮、下中间非圆齿轮、下中间斜齿轮和下行星斜齿轮，以及通过轴承支承在齿轮箱内的上中间轴、上行星轴、下中间轴和下行星轴；所述的差速主动齿轮固定在副传动轴上；差速从动齿轮空套在中心轴上，并与差速主动齿轮啮合；齿轮箱与中心轴伸出传动箱外的端部通过销钉固定；所述的中心非圆齿轮通过牙嵌与差速从动齿轮固定；上中间非圆齿轮和上中间斜齿轮均固定在上中间轴上；上中间非圆齿轮与中心非圆齿轮啮合；上行星斜齿轮固定在上行星轴上，并与上中间斜齿轮啮合；下中间非圆齿轮和下中间斜齿轮均固定在下中间轴上；下中间非圆齿轮与中心非圆齿轮啮合；下行星斜齿轮固定在下行星轴上，并与下中间斜齿轮啮合；

所述上移栽臂的移栽臂壳体与上行星轴伸出齿轮箱外的一端固定，下移栽臂的移栽臂壳体与下行星轴伸出齿轮箱外的一端固定，上移栽臂和下移栽臂设置在齿轮箱的同一侧；上移栽臂和下移栽臂的凸轮均与齿轮箱固定；上移栽臂和下移栽臂的结构相同；

所述上中间非圆齿轮与下中间非圆齿轮的几何参数完全相同，上中间斜齿轮与下中间斜齿轮的几何参数完全相同，上行星斜齿轮与下行星斜齿轮的几何参数完全相同；所述上行星斜齿轮的齿数为上中间斜齿轮齿数的2倍，下行星斜齿轮的齿数为下中间斜齿轮齿数的2倍；

所述主动链轮和中心链轮的传动比为1；

所述的差速主动齿轮和差速从动齿轮均为圆齿轮，且传动比为1，或为相互啮合的非圆齿轮。

2.根据权利要求1所述的二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构，其特征在于：所述的上中间轴和下中间轴对称设置在中心轴两侧；所述的上行星轴和下行星轴对称设置在中心轴两侧，上行星轴与中心轴、下行星轴与中心轴之间的轴交角均为Φ；上中间斜齿轮、上行星斜齿轮、下中间斜齿轮及下行星斜齿轮的螺旋角均为β；Φ＝2β；β根据宽窄行移栽的行距要求取值。

3.根据权利要求1所述的二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构，其特征在于：所述中心非圆齿轮的节曲线由三次非均匀B样条曲线拟合而成。

4.根据权利要求1所述的二自由度轮系水稻钵苗宽窄行移栽机构，其特征在于：上移栽臂或下移栽臂的取秧夹片尖点所形成的移栽轨迹的取秧段在水平面上的投影为一条直线段。