CN112106495B - 一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构。现有移栽机构的推苗角度具有局限性。本发明中心轴经两级齿轮传动机构将动力传给支承在一级齿轮箱上的中间轴以及一级行星轴；偏心轮一偏心固定在中间轴上，偏心轮二偏心空套在一级行星轴上，偏心轮连接件的两端分别与偏心轮一和偏心轮二的圆柱面构成转动副；二级中心非圆齿轮空套在一级行星轴上，并与偏心轮二通过牙嵌嵌套固定；二级行星非圆齿轮与支承在二级齿轮箱上的二级行星轴固定，并与二级中心非圆齿轮啮合；二级行星轴伸出二级齿轮箱外的一端与栽植臂壳体固定。本发明综合非圆齿轮不等速传动和移栽臂相对于二级齿轮箱同向大幅摆动的作用，从整体上获得更大的推苗角度。

Description

一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构

技术领域

本发明属于农业机械领域，涉及全自动水稻钵苗移栽，具体涉及一种具有取栽一体化功能的非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构。

背景技术

相比较于我国传统的种植模式，现在越来越多的土地开始集中大规模统一种植，我国水稻种植需结合我国经济技术条件，走标准化、低成本的发展之路。机械化种植将成为我国水稻种植未来发展的另一个主导性技术。

穴盘育苗移栽技术的出现与应用，极大地促进了种植业的发展。水稻育苗移栽可以有效提高复种指数，降低缺苗率，避免苗期干旱、霜冻等自然灾害,增加了收获产量,提高了农民的经济效益。但水稻种植是一项劳动密集型产业,限制了大面积移栽作业。发达国家移栽机的自动化程度高，极大地降低了人工取苗和栽苗的劳动强度，较好地解决了劳动力紧缺、人工作业效率低的问题，加快了种植行业的发展。国内自动移栽机的研制起步较晚，还处于探索阶段，对自动移栽技术的研究尚不成熟，市场上还未见成熟的自动移栽机产品。

目前国内应用的移栽机多为人工半自动移栽机械，主要有挠性圆盘式、链夹式、导苗管式和吊篮式等机型。要求操作人员喂苗准确、迅速、不能间断，效率低下、劳动强度大，导致整机工作效率低下，一般国内移栽机的作业效率只相当于人工的5-15倍，远低于耕整、收获等机械相对于人工作业的效率。高效、轻简化全自动钵苗移栽机是未来大面积移栽作业的发展方向。

国内对水稻取栽一体式全自动移栽机构的研究和开发基本属于仿造，没有对国外的移栽机进行重大的改进和技术上的突破，而且国外移栽机结构复杂，价格昂贵，难适应我国的农艺要求，在国内推广难度很大。因此设计一种新型取栽一体全自动水稻钵苗移栽机构已成为我国水稻种植业发展的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有移栽机构大多在单自由度单行星架构型上展开设计，局限性较大的问题，为找到能用且好用的移栽机构构型提出齿轮连杆机构构型综合，提供了一种应用于全自动水稻钵苗取栽一体移栽要求的非圆齿轮双偏心轮组合式钵苗移栽机构，以获得更加适合水稻移栽所需的运动轨迹。

本发明包括中心轴、一级齿轮箱、中间轴、一级行星轴、两级齿轮传动机构、二级齿轮箱、偏心轮一、偏心轮连接件、偏心轮二、二级中心非圆齿轮、二级行星非圆齿轮、二级行星轴和移栽臂；所述的中心轴由外部动力驱动绕中心轴线旋转；所述的一级齿轮箱与中心轴端部固定；所述的中间轴和一级行星轴均通过轴承支承在一级齿轮箱上，且一级行星轴一端伸出一级齿轮箱外与二级齿轮箱固定；中心轴与中间轴经两级齿轮传动机构中的第一级齿轮副连接，中间轴与一级行星轴经两级齿轮传动机构中的第二级齿轮副连接；所述的偏心轮一偏心固定在中间轴上，偏心轮二偏心空套在一级行星轴上，所述偏心轮连接件的两端分别与偏心轮一和偏心轮二的圆柱面构成转动副；所述的二级行星轴通过轴承支承在二级齿轮箱上；二级中心非圆齿轮和二级行星非圆齿轮均置于二级齿轮箱内；所述的二级中心非圆齿轮空套在一级行星轴上，并与偏心轮二固定；所述的二级行星非圆齿轮固定在二级行星轴上，并与二级中心非圆齿轮啮合；二级行星轴伸出二级齿轮箱外的一端与移栽臂的栽植臂壳体固定。

所述的两级齿轮传动机构包括一级中心非圆齿轮、中间非圆齿轮一、中间非圆齿轮二和一级行星非圆齿轮；一级中心非圆齿轮和中间非圆齿轮一构成第一级齿轮副，中间非圆齿轮二和一级行星非圆齿轮构成第二级齿轮副；所述的一级中心非圆齿轮空套在中心轴上，并与外部机架固定；所述的中间非圆齿轮一固定在中间轴上，并与一级中心非圆齿轮啮合；中间非圆齿轮二固定在中间轴上；所述的一级行星非圆齿轮固定在一级行星轴上，并与中间非圆齿轮二啮合。

所述的二级中心非圆齿轮与偏心轮二通过牙嵌嵌套固定。

所述的一级中心非圆齿轮与外部机架通过牙嵌嵌套固定。

所述的移栽臂包括移栽臂壳体、推秧凸轮、推秧杆、弹簧、拨叉和夹片；移栽臂壳体固定在二级行星轴上；推秧凸轮固定在二级齿轮箱上，并置于移栽臂壳体内；推秧杆与移栽臂壳体构成滑动副；推秧杆尾部与移栽臂壳体通过弹簧连接，头部伸出移栽臂壳体外；拨叉底端铰接在移栽臂壳体内，顶端与推秧杆中部的滑槽构成滚动摩擦副；固定在推秧杆头部的限位槽的两个夹槽内各嵌入一片夹片，两片夹片对中设置；夹片的尾部与移栽臂壳体固定，头部自由设置。

本发明具有的有益效果是：

1、现有移栽机构输入动力后，移栽臂相对二级齿轮箱的转向与二级齿轮箱相对一级齿轮箱的转向始终是相反的，获得的推苗角度不大，具有局限性。本发明采用3对齿轮传动，在一级齿轮箱中就有2对齿轮，输入动力后，二级齿轮箱相对于一级齿轮箱进行同向周转运动，而由于偏心轮一、偏心轮连接件和偏心轮二的传动作用，偏心轮二可以带动二级中心非圆齿轮摆动，在取苗位置到推苗位置过程中，将偏心轮二摆动方向设计成与二级齿轮箱转向相反的方向，这个过程的摆角设计成较大值，则二级行星非圆齿轮便带动移栽臂相对于二级齿轮箱同向大幅摆动，相比现有移栽机构能获得更大的推苗角度。可见，本发明与以往的移栽机构不同，综合叠加非圆齿轮的不等速传动和取苗位置到推苗位置过程中移栽臂相对于二级齿轮箱同向大幅摆动的作用，以从整体上获得更大的推苗角度，有利于获得较好的立苗效果。

2、本发明采用了双偏心轮机构来实现转动，可以保证转动或摆动时与齿轮轴不会发生干涉，有利于一级齿轮箱内输出构建更大的转动角，增加移栽轨迹形状的可塑性和多样性，以满足多样化的移栽要求，实现更加复杂的移栽轨迹和姿态。另外，本发明的双偏心轮机构相较于四杆机构，能获得更小的连杆，在结构安装方面更为紧凑。

3、本发明双行星架不等速周转轮系和双偏心轮机构的存在，具有变传动比特性和第二级轮系的变速转动特性，拥有两级齿轮传动机构、双偏心轮摆动机构和齿轮副，可以实现移栽臂相对一级齿轮箱作变速两周运动，容易将移栽臂的夹片尖点(轨迹点)和一级齿轮箱回转最低点间的距离设计成较大值，可避免在移栽过程中因齿轮箱搅动泥土而增加的工作阻力，且避免了与已栽植秧苗的接触，有利于获得较好的立苗效果。

4、本发明移栽臂通过“夹土式”取秧，避免了由于夹茎秆带来的伤苗现象，可较好的保证钵苗根部的完整性，提高成活率，且本发明可获得的有效取苗段轨迹长，适应性广，可保证秧苗整个从钵盘中拔出且不与钵盘发生干涉，提高取秧成功率。本发明取秧角和推秧角差值在60°以内，在保证合理取苗角的条件下，推苗角可以达到70°，有利于减少推苗过程推杆对苗的横向推力，有利于提高立苗率。观察动轨迹可以发现，由于移栽臂变速两周的运动特性，动轨迹整体较为竖直，避免了在移栽机械行进过程中移栽臂碰倒已栽植的秧苗，进一步保证了秧苗的直立度和立苗率。

5、本发明工作稳定，机械化程度高，取苗深度大，在取秧过程中能较好地保持完整的根系，不伤苗，极大地缩短了秧苗的返青周期，增产效果显著，有利于推广应用。

6、本发明用一套机构替代现有移栽机的多套机构，提出一种能实现全自动移栽，也就是将取秧、输送、栽植三个动作结合起来，用一套机构高效地完成上述三个动作，移栽效率相比现有半自动移栽机提高一倍以上。

附图说明

图1是本发明的机构原理图。

图2是本发明的偏心轮连接件与偏心轮一和偏心轮二的装配示意图。

图3是本发明中各齿轮的啮合装配示意图。

图4是本发明中移栽臂的结构剖视图。

图5是本发明一级齿轮箱转角与移栽臂姿态的关系示意图。

图6是本发明的取苗角和推苗角示意图。

图7是本发明实现的移栽动轨迹示意图。

图中：1、中心轴，2、一级中心非圆齿轮，3、中间轴、4、中间非圆齿轮一，5、中间非圆齿轮二，6、一级行星轴，7、一级行星非圆齿轮，8、一级齿轮箱，9、偏心轮连接件，10、移栽臂，11、二级行星非圆齿轮，12、二级行星轴，13、偏心轮二，14、二级中心非圆齿轮，15、二级齿轮箱，16、偏心轮一，17、推秧凸轮，18、弹簧，19、拨叉，20、移栽臂壳体，21、推秧杆，22、夹片。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构，包括中心轴1、一级齿轮箱8、中间轴3、一级行星轴6、两级齿轮传动机构、二级齿轮箱15、偏心轮一16、偏心轮连接件9、偏心轮二13、二级中心非圆齿轮14、二级行星非圆齿轮11、二级行星轴12和移栽臂10；中心轴1由外部动力驱动绕中心轴线旋转；一级齿轮箱8与中心轴1端部固定；中间轴3和一级行星轴6均通过轴承支承在一级齿轮箱8上，且一级行星轴6一端伸出一级齿轮箱8外与二级齿轮箱15固定；中心轴1与中间轴3经两级齿轮传动机构中的第一级齿轮副连接，中间轴3与一级行星轴6经两级齿轮传动机构中的第二级齿轮副连接；偏心轮一16偏心固定在中间轴3上，偏心轮二13偏心空套在一级行星轴6上，偏心轮连接件9的两端分别与偏心轮一16和偏心轮二13的圆柱面构成转动副；二级行星轴12通过轴承支承在二级齿轮箱15上；二级中心非圆齿轮14和二级行星非圆齿轮11均置于二级齿轮箱15内；二级中心非圆齿轮14空套在一级行星轴6上，并与偏心轮二13通过牙嵌嵌套固定；二级行星非圆齿轮11固定在二级行星轴12上，并与二级中心非圆齿轮14啮合；二级行星轴12伸出二级齿轮箱15外的一端与移栽臂10的栽植臂壳体固定。

两级齿轮传动机构包括一级中心非圆齿轮2、中间非圆齿轮一4、中间非圆齿轮二5和一级行星非圆齿轮7；一级中心非圆齿轮2和中间非圆齿轮一4构成第一级齿轮副，中间非圆齿轮二5和一级行星非圆齿轮7构成第二级齿轮副；一级中心非圆齿轮2空套在中心轴1上，并与外部机架通过牙嵌嵌套固定；中间非圆齿轮一4固定在中间轴3上，并与一级中心非圆齿轮2啮合。中间非圆齿轮二5固定在中间轴3上；一级行星非圆齿轮7固定在一级行星轴6上，并与中间非圆齿轮二5啮合。

如图4所示，移栽臂10包括移栽臂壳体20、推秧凸轮17、推秧杆21、弹簧18、拨叉19和夹片22；移栽臂壳体20固定在二级行星轴12上；推秧凸轮17固定在二级齿轮箱15上，并置于移栽臂壳体20内；推秧杆21与移栽臂壳体20构成滑动副；推秧杆21尾部与移栽臂壳体20通过弹簧18连接，头部伸出移栽臂壳体20外；拨叉19底端铰接在移栽臂壳体20内，顶端与推秧杆21中部的滑槽构成滚动摩擦副；固定在推秧杆21头部的限位槽的两个夹槽内各嵌入一片夹片22，两片夹片22对中设置；夹片22的尾部与移栽臂壳体20固定，头部自由设置。

如图2所示，p2点为偏心轮一16和中间轴3的转动中心，q2点为偏心轮一16的几何中心；p1点为偏心轮二13和一级行星轴6的转动中心，q1点为偏心轮二11的几何中心。

该水稻钵苗非圆齿轮双偏心轮组合式移栽机构的工作原理是：

外部动力驱动中心轴1转动，中心轴1带动一级齿轮箱8转动，一级齿轮箱8转动过程中，两级齿轮传动机构带动中间轴3和一级行星轴6转动，一级行星轴6再带动二级齿轮箱15转动；中间轴3的部分动力还带动偏心轮一16转动，偏心轮一16转动过程中带动偏心轮连接件9和偏心轮二13摆动，由于偏心轮二13与二级中心非圆齿轮14固定，二级中心非圆齿轮14也产生摆动；另外，二级齿轮箱15转动过程中，二级行星非圆齿轮11与二级中心非圆齿轮14啮合传动，带动二级行星轴12与二级齿轮箱15发生相对转动，从而移栽臂壳体20与推秧凸轮17发生相对转动；移栽臂壳体20与推秧凸轮17相对转动过程中，由于弹簧18作用，拨叉19始终与推秧凸轮17接触，在推秧凸轮17的非圆轮廓线作用下，拨叉19相对移栽臂壳体20转动，并与推秧杆21相互碰撞，带动推秧杆21相对移栽臂壳体20前后移动；由于推秧杆21上的限位槽两个夹槽的作用，在推秧杆21和移栽臂壳体20相对平动过程中，两片夹片22有连续的夹紧和放开动作，在夹紧时取苗，放开时推秧杆21迅速弹出栽苗。

其中，一级齿轮箱中有2对齿轮，输入动力后，二级齿轮箱相对于一级齿轮箱进行同向周转运动，而由于偏心轮一、偏心轮连接件和偏心轮二的传动作用，偏心轮二可以带动二级中心非圆齿轮摆动，在取苗位置到推苗位置过程中，将偏心轮二摆动方向设计成与二级齿轮箱转向相反的方向，这个过程的摆角设计成较大值，则二级行星非圆齿轮便带动移栽臂相对于二级齿轮箱同向大幅摆动，相比现有移栽机构能获得更大的推苗角度。可见，本发明与以往的移栽机构不同，综合叠加非圆齿轮的不等速传动和取苗位置到推苗位置过程中移栽臂相对于二级齿轮箱同向大幅摆动的作用，以从整体上获得更大的推苗角度。图5中的曲线为本发明实现的一条静轨迹(外部机架不动情况下的轨迹)，图5中的直线段表达夹片22的姿态，以推苗位置点处的“40°/83°”为例，其表示的含义为一级齿轮箱转过40°时，移栽臂的夹片22与水平方向上的夹角，即推秧角为83°。而为了达到如图6所示的取秧角α和推秧角β差值在60°以内的要求，在保证合理取苗角的条件下，推苗角仍可以设计达到70°，可见，本发明相比现有技术能得到较大的推苗角度，能在运行过程中充分保证秧苗的直立度。而且，如图7所示，观察动轨迹(外部机架前进时的轨迹)可以发现，由于移栽臂变速两周的运动特性，动轨迹整体较为竖直，避免了在移栽机械行进过程中移栽臂碰倒已栽植的秧苗，进一步保证了秧苗的直立度和立苗率；图7中，横坐标代表外部机架前进位移，纵坐标代表竖直方向的位移，单位均为mm。

Claims (4)

1.一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构，包括中心轴、一级齿轮箱、中间轴、一级行星轴、两级齿轮传动机构、二级齿轮箱、二级中心非圆齿轮、二级行星非圆齿轮、二级行星轴和移栽臂，其特征在于：还包括偏心轮一、偏心轮连接件和偏心轮二；所述的中心轴由外部动力驱动绕中心轴线旋转；所述的一级齿轮箱与中心轴端部固定；所述的中间轴和一级行星轴均通过轴承支承在一级齿轮箱上，且一级行星轴一端伸出一级齿轮箱外与二级齿轮箱固定；中心轴与中间轴经两级齿轮传动机构中的第一级齿轮副连接，中间轴与一级行星轴经两级齿轮传动机构中的第二级齿轮副连接；所述的偏心轮一偏心固定在中间轴上，偏心轮二偏心空套在一级行星轴上，所述偏心轮连接件的两端分别与偏心轮一和偏心轮二的圆柱面构成转动副；偏心轮二实现周转运动；所述的二级行星轴通过轴承支承在二级齿轮箱上；二级中心非圆齿轮和二级行星非圆齿轮均置于二级齿轮箱内；所述的二级中心非圆齿轮空套在一级行星轴上，并与偏心轮二固定；所述的二级行星非圆齿轮固定在二级行星轴上，并与二级中心非圆齿轮啮合；二级行星轴伸出二级齿轮箱外的一端与移栽臂的栽植臂壳体固定；

所述的两级齿轮传动机构包括一级中心非圆齿轮、中间非圆齿轮一、中间非圆齿轮二和一级行星非圆齿轮；一级中心非圆齿轮和中间非圆齿轮一构成第一级齿轮副，中间非圆齿轮二和一级行星非圆齿轮构成第二级齿轮副；所述的一级中心非圆齿轮空套在中心轴上，并与外部机架固定；所述的中间非圆齿轮一固定在中间轴上，并与一级中心非圆齿轮啮合；中间非圆齿轮二固定在中间轴上；所述的一级行星非圆齿轮固定在一级行星轴上，并与中间非圆齿轮二啮合。

2.根据权利要求1所述的一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构，其特征在于：所述的二级中心非圆齿轮与偏心轮二通过牙嵌嵌套固定。

3.根据权利要求1所述的一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构，其特征在于：所述的一级中心非圆齿轮与外部机架通过牙嵌嵌套固定。

4.根据权利要求1或3所述的一种非圆齿轮双偏心轮组合式水稻钵苗移栽机构，其特征在于：所述的移栽臂包括移栽臂壳体、推秧凸轮、推秧杆、弹簧、拨叉和夹片；移栽臂壳体固定在二级行星轴上；推秧凸轮固定在二级齿轮箱上，并置于移栽臂壳体内；推秧杆与移栽臂壳体构成滑动副；推秧杆尾部与移栽臂壳体通过弹簧连接，头部伸出移栽臂壳体外；拨叉底端铰接在移栽臂壳体内，顶端与推秧杆中部的滑槽构成滚动摩擦副；固定在推秧杆头部的限位槽的两个夹槽内各嵌入一片夹片，两片夹片对中设置；夹片的尾部与移栽臂壳体固定，头部自由设置。

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