CN1389091A - 回转式多排活动秧爪手插秧机运动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业机械类。主要是从运动理论、设计方法完善了插秧机的设计理论和工作性能。思路清晰、新颖、方法独特。主要技术特征是插秧机工作时运动较全、秧爪手能有效地模拟人手指的插秧动作,且插秧深度可自动随机调节深度均匀性好。是较完善的插秧机运动设计方法。

Description

回转式多排活动秧爪手插秧机运动设计方法

一、本发明为回转式多排活动秧爪手插秧机运动设计方法，专用于水稻移植中实用新型插秧机的设计及已有插秧机的改造。二、有关的已有技术

1、传统的人工插秧技术

该技术是人直接进行插秧作业。其优点是对田块、秧苗、地形的适应性好，整田的要求低，对农艺要求低，对农艺的适应性强，分取、插、放秧可靠，不伤秧；但其缺点是劳动强度大、生产率低、成本高、插秧的均匀性差，产量相对机械插秧低，综合效益不高。

2、已有的插秧机技术

国内外现有的各种插秧机，其工作原理中均存在秧爪手不能模拟人手插秧时的动作，即实现有规律的张开、闭合的间歇运动——即采用固式秧爪手，且秧爪排数最多为两排。因此实际应用中和人工插秧相比产生了下列效果：优点是减轻了人的劳动强度，提高了生产率和插秧的均匀性、产量，降低了生产成本；但也产生了下列问题而制约了其应用。一是为获得特殊的秧爪手运行轨迹，结构比较复杂，运动部件的动平衡性能较差；二是因秧爪手为固式结构、秧爪排数少，所以使插秧机及动力机组在水田进行插秧作业时移动速度较低、秧爪手分取、插、放秧的可靠性差，动力装置功率不能充分发挥、甚至不能发挥的难题；三是对整田的要求较高，增加了整田的工作量和难度；四是对秧苗的适应性较差，少数品种水稻的农艺要求不能满足(如杂交水稻的穴数)；五是对大苗在插秧前整理秧的工作量较大——拔后的秧需人工将其秧根相互分开，秧根过长(＞8cm)时需剪秧根产生伤秧，延长返青期，主要原因是固式秧爪手分取秧性能比人手差、产生的夹持力很小；六是插秧时有勾秧、大棵、伤秧率高、漏插、漂秧等缺陷；七是插秧深度不可自动随机调节，需增加工作人员辅助。

3、抛秧技术

该技术主要是在育秧阶段运用育秧盘、生长控制剂等人为控制秧苗、秧根生长，使秧根相互分开，然后适时进行抛秧移植。该技术的主要优点是减轻了插秧作业的劳动强度，提高了劳动生产率，适当降低了成本，具有增产效果；但其主要缺点是：一适用范围较窄，仅适用于早稻；二是其作业时对水田的存水量有较大的限制，不利于有机肥等基肥的运用；三是受气象条件的影响，需无大中雨、大风的气象条件；四是加大了育秧阶段的一次性投资和管理的工作量；五是插秧均匀性差。总之未能从根本上解决秧苗移植技术。四、本设计的目的

为了克服和改善上述技术及原有的插秧机的缺点，完善插秧机的功能，提高秧爪手分取、插、放秧的可靠性及秧爪手、插秧机、动力装置的工作速度，发挥机械优势；实现插秧深度的均匀一致性较好；适当降低整田的工作量和要求；提高插秧机对秧苗的适应性，满足多品种水稻移植时的农艺要求；完善插秧机的设计方法，改善插秧机的工作性能；提高劳动生产率和综合经济效益。加速实现我国插秧机械化和普及化的水平；为粮食生产的增长多创造技术条件，同时为插秧机行业的进一步发展提供较完善的技术，以便该行业的健康、快速地发展，故特进行本次设计。五、本发明的特征

1、活动秧爪手结构上采用双层三铰四杆的变型结构(说明书图1)，且具有有规律的往复间歇、回转、伸缩、高度自动随机调节共四个运动。

2、回转驱动器采用圆盘式结构；伸缩器结构上采用变型的平面九杆(说明书图2)，同时其铰轴线在空间上与回转驱动器的中心线垂直布置(说明书图2)。

3、左、右轨道盘采用固定凸轮盘的结构型式，且将盘槽深度设置了三段和其变化过渡段的变化(说明书图3)；并在其上设置了回转主轴的轴承座孔，秧篮架、曲柄铰孔和高度自动随机调节机构安装的螺纹孔、凸台和凸耳(说明书图3)。

4、结构上采用以两侧左、右轨道盘以及回转主轴和其支承件

等为主体，同时将秧篮架(包括秧篮)、活动秧爪手高度自动随机调节机构与左、右轨道盘联成一个整体，并将活动秧爪手看作固定轨道盘中的滚子，并通过伸缩器、回转驱动器相对固定在回转主轴上，共同组成一个有机的整体。并把这个有机整体看作等曲柄四杆机构中的连杆(说明书图4、5、6、7)。

5、有机整体中有关件——即高度自动随机调节和整地运动的整地滚子与水田地面接触，并通过有机整体的自重及其分布和土壤给整地滚子的支承反力、水的浮力构成力矩系统(说明书图5)。

6、秧苗可达水平叠加平放的状态。六、回转式多排活动秧爪手插秧机运动设计方法(一)、活动秧爪手的构思和结构

1、其构思的目的

一是为设计新型插秧机创造技术条件；二是为改造老式插秧机固式秧爪手提供技术条件。

2、活动秧爪手的构思

活动秧爪手是为了模拟人手指在插秧时的动作。人手指在插秧时，主要是一手持秧配合，另一手的大拇指和食指、中指据手臂运动位置由人脑指挥，在一定的空间范围内完成取秧夹紧、分、插后放秧的有规律的往复间歇张开和闭合运动；因此活动秧爪手结构上可作张开和闭合运动是一个关键条件；另一个条件是保证活动秧爪手在分取、插、放秧，恢复到分取秧、插、放秧周期循环中作有规律的往复间歇张开或闭合运动。具体构思为：

首先活动秧爪手由两个秧爪手构成，一个秧爪手相当于人的大拇指，另一个秧爪手相当于人的中指和食指，这样两个秧爪手共同组成一个活动秧爪手。活动秧爪手的结构采用——“剪刀式”铰结构，铰杆代替人手指的后关节，秧爪手代替人手指的前关节，两者采用可拆卸式固定铰接。这样只要“剪刀式”铰结构手持杆相对转动，便可实现秧爪手的张开或闭合运动；为了实现单排多个活动秧爪手结构上同时可运动，连接活动秧爪手的秧爪排杆可由两个可轴向移动的秧爪排杆组成，又因“剪刀式”铰结构手持杆的运动轨迹为固定半径的圆弧，为了消除其对两秧爪排杆轴向直线移动的影响，活动秧爪手两铰杆与两秧爪排杆应分别采用铰式联接，且两铰支点保持适当的距离；这样当两秧爪排杆作相应的轴向直线移动时，两秧爪手便可达到相应的闭合或张开运动。而活动秧爪手在插秧作业时其有规律的往复间歇运动——即张开或闭合运动，因秧爪手为完成插秧作业，在插秧机的空间内均有一定规律的运动轨迹线，这样只要据秧爪手插秧作业的要求，给两秧爪排杆两端配以相应的分段尺寸和其变化过渡段，便可给其指令，从而为实现活动秧爪手有规律的间歇张开或闭合运动创造了条件。为了简化活动秧爪手结构，经反复研究，确定活动秧爪手的闭合运动依靠两秧爪排杆两端在其运行轨迹线空间的轴向尺寸的固定设置分段变化的过渡段压缩移动来实现；而其张开运动——最简单的方法是依靠压簧贮存的能量和其秧爪排杆两端在其运行轨迹中设置的轴向尺寸分段变化的配合来共同实现。

另外活动秧爪手中的上、下秧爪手结构上可分为前部取秧开口段、后部夹持秧开口段，尺寸上前小后大，这样可适当加大秧爪排杆的轴向行程、活动秧爪手中秧爪手取秧夹紧的行程，同时可适当降低因制造、装配精度对运动实现的影响，而活动秧爪手夹紧秧时还有一个向下分秧的动作。

3、活动秧爪手的设计

图1为活动秧爪手的结构示意图。图中1～15的含义如下：

1——下秧爪手；2——上秧爪手；3——左、右端秧铰杆；

4——铰I；5——上、下直秧铰杆；6——铰II；7——秧爪排滑动横杆；8——紧固件；9——横移短轴组件；10——滚动套；11——长轴；12——压簧；13——开口销或螺母；14——调节螺母；15——联接短轴。

β——为回转式多排活动秧爪手插秧机保证减小其秧爪手分取秧时与秧苗接触长度而设置的偏角；

L——活动秧爪手的有效工作幅宽；n——为秧爪手间隔数；株距——为据农艺要求确定的秧苗每行中的穴间距。

(1)、活动秧爪手结构设计的说明

a、采用图1所示的端秧铰杆，是为了保证活动秧爪手的有效工作幅宽基本与秧爪滑动杆的长度一致。

b、图1中序号9、10件——横移短轴组件、滚动套的结构型式是为回转式多排活动秧爪手插秧机而设计的一种型式，如在其它场合应用时，可作相应的取舍或调整变化。

c、因结构尺寸的关系，为了达到各个上、下秧爪手在待取秧、夹紧、插放秧段时开口和变化量的相对一致，铰I的位置在左、右端秧铰杆和上、下直秧杆中的位置应有所不同。

d、设计压簧时，其最小工作推力之和应大于放秧阻力和摩擦阻力之和的1.5倍左右。

e、上、下秧爪手应用65Mn钢丝制作，且要有足够的刚度和长度，保证工作时秧铰杆不入土，以减小截面积降低工作阻力，也使秧苗插放后四周均有较多的土壤护持秧苗。

(2)、活动秧爪手有规律的往复间歇运动原理

参照图1的结构，当活动秧爪手在一定的空间内运动时将其空间运动轨迹线划分为待取秧段、夹紧段、放秧段及其各过渡连接段组成，并赋予每段相应的尺寸和变化过渡段连接。这样当图1所示的活动秧爪手运行至相应的过渡段时，便在序号12弹簧及序号9、11、13、15件的作用下，使序号7——滑动横杆在三过渡段开始移动——即相应移动一段距离，这样可使与秧爪排滑动横杆铰接的左、右端秧铰杆、上下直秧铰杆也相应移动相同的距离，通过铰I、铰II的作用，使序号1、2件——上、下秧爪手达到有规律的往复间歇运动；而在三段中因轴向尺寸无变化，因此活动秧爪手不运动。故达到了其模拟人手指插秧时所必需的运动。

(二)、回转式多排活动秧爪手插秧机运动设计方法

在插秧机中布置多排活动秧爪手，显然可以在提高插秧机的行走速度的同时有效降低活动秧爪手的速度。因此，为达这个目的，经研究活动秧爪手的运动轨迹需是回转式的封闭轨迹线。

1、整机主运动数的设置

在回转式多排活动秧爪手插秧机中，为完成插秧作业的任务，实现设计的目的。整机主运动数设置为：整机的移动；活动秧爪手的逆时针回转及其回转时的伸缩和有规律的往复间歇运动；活动秧爪手的高度随机自动调节运动；送秧运动和降低对整地平整度要求的整地运动；共计七个主运动数。其中：活动秧爪手的四个复合运动是核心运动。

2、整机七个主运动的构思

因水田土壤软、附着力小、滑转率较大。为了避免动力装置或动力机组在水田作业时，其滑转或打滑对插秧机运动和工作性能的影响。故推荐将动力装置或动力机组的运动和插秧机的运动分开——即插秧机在动力装置或动力机组等牵引下来完成以上七个运动。

(1)、活动秧爪手逆时针回转运动的构思

首先以整机移动的前进方向为插秧机插秧作业的工作方向。为了使插秧机适应不同地形水田田埂的现状、减小插秧时不必要的空白区、消除整机移动对已插秧苗的影响，活动秧爪手作逆时针转动，工作时活动秧爪手从整机后部插秧。

活动秧爪手逆时针回转运动的构思具体地说：

就是采用固定轨道盘式凸轮型式，活动秧爪手相当于滚子绕固定回转轴在盘槽中作逆时针回转运动；因活动秧爪手结构及其有规律的往复间歇运动实现的关系，需采用两个且相对布置在两侧的左右轨道盘，同时用有关件将活动秧爪手总成和回转轴相对固定联接。而其逆时针转动方向据源动端的转向和中间传动方式及《机械设计》中的传动原理便可实现。

(2)、多排活动秧爪手逆时针回转运动时伸缩运动的构思

因活动秧爪手在整机中的主要功能是定点自动取分、夹紧、插、放秧。为了满足这一主要功能的要求，活动秧爪手在作逆时针回转运动时，还需满足因取分、夹紧、插、放秧、恢复待取秧这一循环工作过程中其回转半径的变化——即活动秧爪手需作伸缩运动。而插秧机工作时，一般活动秧爪手的伸缩运动量均较大，为了弥补其回转半径的变化，保证其回转运动顺利地按预定轨迹线运行，同时使其伸缩运动灵活、有效、可靠、阻力小等，经反复酝酿、论证等，多排活动秧爪手的伸缩运动的方式构思为：

变型的平面两个等腰梯形两组对角线和一个等腰梯形的两腰及在其中一组等腰梯形两对角线中加设一铰支点，并将铰销变型后加设一导杆与活动秧爪手、下接头等共同构成相当于平面九杆式伸缩器。其下接头为固定杆，用于连接两腰铰杆及固定导杆，有中间铰支点一组对角线铰杆一端与两腰铰杆连接，另一端与另外一组对角线铰杆一端连接，而另外一组对角线铰杆的另外一端与活动秧爪手中的两个滑动横杆采用适当的形式铰接。因联接活动秧爪手总成的伸缩器为平面型，故在一个回转面上可以布置数个，这样活动秧爪手总成也可布置数个。

(3)、活动秧爪手作逆时针回转、伸缩运动中的有规律往复间歇运动的构思

因前所述的活动秧爪手的结构和逆时针回转运动和伸缩运动的构思，为了保证活动秧爪手的秧爪手在取秧后夹紧、插后放秧、再恢复到待取秧状态这一周期循环工作过程中作有规律的往复间歇运动，并能与活动秧爪手回转和伸缩运动有效地协调一致运动。构思为：

固定轨道盘的槽深分为相应的三段深度及连接过渡段变化。这样当活动秧爪手运行至每段过渡段时，便可使秧爪手作有规律的往复运动，而在每段时则可以不动。(注意：为了保证活动秧爪手的秧爪手及横移短轴组件轴向顶端从插后放秧到恢复待取秧状态过程中不与地面和轨道盘槽底接触，减小运动阻力，可采用适当加大轨道盘在放秧后的槽深变化量，并尽量放大放秧段行程，同时在活动秧爪手中利用有关件控制横移短轴组件的行程，使其轴向顶端不与槽底接触——即预留间隙。)

(4)、活动秧爪手高度自动随机调节运动和整地运动的构思

因不同地区、同一地区、同一田块水田中的下陷深度是变化的，且有时变化量还较大，为了保证插秧机的适用范围宽广及插秧深度的相对均匀一致；因此，活动秧爪手的高度能自动随机调节是活动秧爪手工作时所需要的一个运动。为了保证其运动的实现，活动秧爪手高度自动随机调节运动的构思为：变型的等曲柄四杆机构，并将前述的组成多排活动秧爪手逆时针回转、伸缩运动、有规律往复间歇运动的所有构件看作一个整体作为等曲柄四杆机构中连杆；同时在上述连杆中联接一个高度自动随机调节的信号元件，并使其与水田地面接触，因插秧作业前水田地面耕作的关系——浅表层支承反力基本不变。当因动力机组或支撑上述连杆的机构在水田中下陷深度发生变化时，水田地面给信号元件的支承反力也将产生相应的变化，从而使等曲柄四杆机构中曲柄转动，而连杆作相应的平动。

(5)、整地运动的构思

因在实现活动秧爪手高度自动随机调节运动构思中，信号元件——滚子组件工作时始终与水田地面接触且有一定的下陷深度，因耕作的关系——插秧时水田表层土壤均较软，故会产生涌泥现象。为了弥补上述缺陷，减小信号元件工作阻力，使插秧深度相对均匀一致以及插放后秧的位置可靠——即不漂秧。故整地运动的构思为：

将活动秧爪手高度自动随机调节的信号组件中滚子结构上采用可绕固定轴回转的滚子体，这样由于滚子体与地面接触且在一定的压力作用下有一定的下陷深度，故在地面土壤的作用下，当整机移动时便可实现对水田地面的滚动镇压，从而达到平整水田地面所需的运动，同时降低信号元件的工作阻力。

(6)、送秧运动的构思

因前所述的构思，结构上已将秧篮架包括秧篮和活动秧爪手、伸缩器、两侧固定轨道盘、回转主轴、高度自动随机调节运动的各构件等组成了一个有机的整体。故活动秧爪手相对于秧篮架是定点取秧，又因活动秧爪手从取分秧到插放秧需经过一段距离——即活动秧爪手需翻转一定的角度，才能达到使秧插直的目的；为了改善插秧机对水田田埂、地形的适应性，缩小插秧空白区，充分利用取分秧后秧苗在活动秧爪手中是处于夹持状态——不会自动脱落的特性。故送秧运动构思为：

将秧苗水平层层叠加放置在顶部、且秧根向后，利用秧苗的重力及压紧秧苗的外力作用，当下层秧苗被取出后，其上层秧苗便会下落补充；为了保证下落补充及时有效、有确定的位置，秧篮底部再辅以数个导向斜槽以达到自动送秧的目的。

(7)、整机移动(或活动秧爪手移动)的构思

整机的移动可采用机械悬挂或液压悬挂式牵引的方式使其移动，但因水田土壤的附着力较小、滑转率较大，推荐利用整机在重力的作用下，使支撑地轮切入土壤，在土壤的作用下地轮滚动实现整机的自己移动，同时因支撑地轮比较靠近插秧端，这样当地轮的下陷深度时，对活动秧爪手的高度自动随机调节运动也有利。

总之，以上构思的七个主运动是本次设计的回转式活动秧爪手插秧机工作时，必需具有的运动。但因插秧机在工作和运输等中，活动秧爪手并不总是需要处于运动状态，因此为方便使用、运输等，需在活动秧爪手的源动端或其逆时针回转运动的中间传动链中增设一离合器。

(三)、回转式多排活动秧爪手插秧机运动设计方法实施方案

1、活动秧爪手逆时针回转运动及其伸缩运动、有规律的往复间歇运动的设计

根据构思，因以上三个运动在实现过程中，涉及到活动秧爪手、伸缩器、轨道盘等重要零部件的结构设计问题，而非纯传动方式的运动设计。故为方便今后理解和设计以上三个运动的实施方案和今后运用本设计方法，特先对活动秧爪手、伸缩器、轨道盘及少数相关件的结构及联接方法作如下的三点说明：

(1)、活动秧爪手的结构

图1为活动秧爪手的结构示意图。其结构说明同前“活动秧爪手结构设计的方案”所述。

(2)、回转驱动器和伸缩器的结构及两者的联接方法

图2为回转驱动器、伸缩器的结构及两者的联接方法的结构设计示意图。图中序号的含义如下：

1——回转驱动器；2——伸缩器下接头，3——伸缩器短曲柄，4——伸缩器长曲柄I，5——伸缩器长曲柄II，6——导向杆，7——压簧，8——中心铰，9——其余各铰；10——回转中心轴中心线。其中：序号2～9组成伸缩器。←→伸缩运动方向。

由图2可以看出，当将序号5长曲柄II两个空处的铰孔通过铰轴分别与活动秧爪手中两秧爪滑动横杆上联接的有关件铰接后，由平面自由度理论可知：伸缩器的平面自由度为1。活动秧爪手只可作伸缩运动。而采用图示中的联接方法，将伸缩器和回转驱动器联接后，便可在较小半径的回转驱动器中布置数个伸缩器(只要零件的结构尺寸允许)。

(3)、轨道盘的结构

图3为轨道盘的结构示意图。图中符号的含义如下：

R1——轨道盘的凸轮盘槽中心线的基圆半径；

h1、h2——分别为轨道盘的凸轮盘槽中心线使活动秧爪手在分取秧和插放秧点时相对基圆半径R1上、下顶点在纵向垂直上升或下降的高度值；

α1——活动秧爪手从分取夹紧秧点到插后放秧点间相对回转中心线的夹角；

α2——活动秧爪手在放秧点与回转中心线的连接线及回转中心点水平平行线的夹角；

α3——保证秧插直的插秧前倾角；

t1——为活动秧爪手中横移短轴由待取秧到取秧后夹紧的轴向行程量；

t2——为活动秧爪手中横移短轴由夹紧秧到放秧段的轴向行程量；

t3——为活动秧爪手中横移短轴由放秧段到待取秧段的轴向行程量；

另外，设计时应注意槽深每段过渡段的槽深上升角应不大于20度；而插后放秧始点到放秧段的槽深变化应为突变值，只需据该件的制造工艺用较小圆角过渡即可。

图4为活动秧爪手逆时针回转运动及其伸缩运动、有规律的往复间歇运动的运动简图。图中序号1～5的意义如下：

1——活动秧手；2——伸缩器；3——两侧轨道盘的凸轮及其盘槽中心线轨迹；4——链轮、回转主轴；5——回转驱动器，D1为其直径。II、III为中间传动排数；R2——活动秧爪手顶部的回转基圆的半径；α——为活动秧爪手与伸缩器联接逆时针偏角；h1、h2、α1、α2、α3、同轨道盘结构示意图图3中的各符号意义；×和⊙——分别表示秧爪排滑动横杆可垂直纸面向里和向外相向运动方向。活动秧爪手逆时针回转、伸缩和有规律往复间歇运动的运动原理：

如图4所示，当链轮作逆时针转动时，与其同轴的回转驱动器也一同作逆时针转动，因图1、图2和图3中的有关件的结构及其组合等关系的作用，这样便在轨道盘盘槽两侧壁和槽底的限制下，使活动秧爪手作逆时针回转运动时也按预定要求作伸缩和有规律的往复间歇运动，并使上述三个运动协调一致地按预定的组合要求运行。

1、活动秧爪手高度自动随机调节运动及地面整平运动的设计

根据构思，因构成变型的等曲柄四杆机构中连杆的构件较多，故首先在技术上作如下几点处理：一是将构成活动秧爪手逆时针回转运动、伸缩运动、有规律往复间歇运动的所有零部件和部分获得活动秧爪逆时针回转运动的相应的传动件及秧篮架(其中包括活动秧篮)、高度调节信号组件及联件，结构上通过两侧轨道盘、回转中心轴及其支承件、秧篮架及紧固件等组成一个有机整体——而作变型等曲柄四杆机构的连杆；二是通过以上有机整体中的两侧固定轨道盘与变型的等曲柄四杆机构中的曲柄联接，而其曲柄的半径值应与使活动秧爪手回转的回转主轴运动的传动方式的中心距值理论上保持相等；三是为了增强有机整体的刚度和稳定性，与两侧固定轨道盘联接的等曲柄四杆机构应采用相同的各一组三点式三等曲柄半径的曲柄；四是将活动秧爪手的高度自动随机调节的信号组件，通过高度自动随机调节的有关件及紧固件与两侧轨道盘联接起来，并将信号元件——滚子组件伸出适当距离值并与水田地面保持接触。

图5为活动秧爪手高度自动随机调节运动及地面整平运动的运动简图。图中序号1～6的意义如下：

1——机架；2——曲柄；3——图4中的链轮、回转主轴；4——图4中的构件及和秧篮架组成的有机整体；5——高度调节信号元件和有机整体间的联接件；6——高度调节信号元件。信号元件的转向、上升或下降的运动方向，活动秧爪手的平动方向见图5所示；G——该机构的总重力；N——地面支承反力；F浮——为信号元件的浮力；O、O1为铰支点。

活动秧手高度自动随机调节运动及地面整平运动的运动原理：

因图5机构可简化为变型的平面等曲柄四杆机构，同时由于存在力G和N、F浮等众多力的作用，因此在实现其运动前，首先需对上述众多的力进行计算分析，并据《理论力学》、《拖拉机理论》有关驱动原理、整机设计中各有关构件的位置、重量等有关专业知识作适当的处理，并达到下列效果：使力G的作用线应在图5中铰支点O的右侧，且当秧苗的重量变化时也始终使其重力作用线保持在铰支点O的右侧，同时使其相对于铰支点O产生的顺时针力矩和力N、F浮等组成平衡力矩，并达到使信号元件下陷约1厘米左右、对水田地面产生约2牛顿/平方厘米左右的压力。其运动原理如下：

因水田地面在插秧前因耕作的关系，其浅表层土壤的承压力一般在2牛顿/平方厘米左右，且在一定范围内相对变化较小，信号元件6与地面的有效接触面积当其下陷深度值有微小的变化时，其有效接触面积相对变化则较大，这样地面提供给信号元件的支承反力的变化则较大，因力和力矩平衡的关系，便可实现序号4的有机整体的平动，而其中的活动秧爪手的高度也自动随机上升或下降，同时序号2件曲柄转动，因序号3件与其配对传动的有关件保持有固定的中心距。这样达到了活动秧爪手的高度自动随机调节运动，同时使活动秧爪手逆时针回转、伸缩、有规律往复间歇运动也不受影响。

另外，由于整机移动时，因信号元件与地面是始终保持接触的且有一定的下陷深度，故由于地面土壤的阻力作用，信号元件便会绕其固定回转轴作顺时针滚动，推动和镇压其前方的泥土，这样便也实现了对地面的整平运动。

3、送秧运动

据构思，参照图6便可知。

4、整机移动(或活动秧爪手的移动)

参照图5可得一种移动方法，只要通过两侧机架，将整机采用机械悬挂或液压悬挂的方式与动力装置或动力机组相匹配，便可实现整机移动。

参照图6可得另一种移动方法，因整机重力的作用，支承地轮切入土壤，整机在外力牵引或推动下，因地面土壤的作用地轮便可顺时针或逆时针滚动，这样整机也可实现移动。

(四)、整机的运动原理

综合活动秧爪手有规律的往复间歇运动原理、活动秧爪手逆时针回转、伸缩和有规律往复间歇运动的运动原理、活动秧爪手高度自动随机调节运动及地面整平运动的原理及送秧运动的原理可知：

整机工作时，在外力的作用下，整机移动源动端及中间传动装置带动轨道盘中回转主轴逆时针转动，同时与回转主轴联接的回转驱动器也一同作逆时针转动，这样便使通过伸缩器把活动秧爪手与回转驱动器联接在一起的活动秧爪手在轨道中作逆时针转动，据活动秧爪手在轨道盘中所处位置的变化，而伸缩器作伸缩运动、活动秧爪手则据轨道盘槽深及过渡段变化，便可实现其有规律的往复间歇运动——张开或闭合，而当地轮下陷深度变化时，据活动秧爪手高度自动随机调节运动的运动原理，活动秧爪手会随有机整体一同作相应的平动，同时高度调节信号组件会作整平地面的滚动，而送秧运动因秧的重力及外加的压力和导向斜槽的作用便会作下落运动。这样整机的七个运动便可实现。

(五)、回转式多排活动秧爪手插秧机运动几个主要参数和结构设计中几个问题的说明

为了方便应用回转式多排活动秧爪手插秧机运动的设计，特作如下几点说明，供设计时参考。

1、轨道盘下顶点离水田地面的高度值

因水田在插秧作业时均有一定深度的水，为保证其不直接与水接触，推荐轨道盘下顶点离水田地面的高度值为：80mm左右。

2、活动秧爪手与伸缩器联接逆时针偏角α的设置值

α角的设置的目的主要是：一是为了增加活动秧爪手在插秧时其纵向的有效高度值，以减小活动秧爪手铰杆等的长度值；二是使秧篮架、秧篮、秧苗的重心尽量靠近高度调节机构双曲柄机构中与机架连接的铰支点O，以减小其重力及其变化对高度调节机构的影响。故α值推荐为：α＝15度左右。

3、活动秧爪手有效工作幅宽——L值的确定

L＝(N-1)×株距

上式中：

L——有效工作幅宽；N——上、下秧爪手的组合个数；

株距——每行秧苗之间的穴间距。

据农艺学中水稻移植株距的要求，其参数值变化为优选数系列值，故L值也应为优选数系列值，同时L值确定时还需保证株距调整时N值均为整数值即可。

4、图4中R1、h1、h2的参数值及R2′数值的确定

(1)、R1的参数值

因回转驱动器、伸缩器的结构及其构件强度、联接方式和活动秧爪手的布置排数等关系，需一定的参数值，为便于结构设计，当活动秧爪手的排数为6时，推荐值为：不小于120mm。当然其值可以增大或减小，不过活动秧爪手的排数要相应变动。

(2)、R2′参数值的确定

因活动秧爪手在轨道盘中转动时当其所处的位置不同，其有效长度尺寸是变化的。为了消除或减小其有效长度尺寸的变化量h1、h2值确定的影响，故特作如下规定表示R2′的参数值：

R2′——为活动秧爪手在待取秧状态时，相当于其在轨道盘回转基圆处运行时，从上、下秧爪手顶点到回转基圆中心点之间的距离值。

(3)、h1、h2参数值的确定

h1＝R2′-[R1+(R2′-R1)×sin(α1-α2-α)-l]

          +Δ……                       (1)

h2＝R2′-[R1+(R2′-R1-l-1/2×b×sinβ)×cos(90-α2-α)-30]…………(2)

上两式中：

h1——轨道盘的盘槽中心线在分取夹紧秧终点相对于基圆半径R1上端垂直上升的高度值；

h2——轨道盘的盘槽中心线在放秧点相对于基圆半径下端垂直下降的高度值；

R1——轨道盘的盘槽中心线的基圆半径；

R2′——规定的活动秧爪手的参数值；

α1、α2为图3中的同符号的α1、α2的意义；

α——活动秧爪手总成与伸缩器联接逆时针偏角，α＝15度。

I——为上、下秧爪手组成的相当于人手部分的长度值，一般为30mm即可；

Δ——为间隙值，其值推荐为：10～20mm；

β＝120度；b＝20mm、为秧爪手取秧开口的宽度值；

30——为插秧时上、下秧爪手入土深度，单位为毫米。

5、行距与地轮直径、回转驱动器个数、每个回转驱动器上活动秧爪手排数、中间传动比i等之间的关系

行距＝π×D0×(1-δ)/(i×N1×N2)

上式中：

行距——为水稻各品种插秧时每行之间的要求值，据农艺要求确定；

π——圆周率；D0——地轮直径；δ——地轮在水田中的滑转率，其值一般为10～20％；N1——每个回转驱动器上布置的活动秧爪手总成的个数；N2——回转驱动器的个数；i——中间传动比，主要为一侧地轮轴至回转轴之间的链传动比。

由上述可知：变换N1、N2、i和D0的值均可调整行距，而变换i的值最为方便。

注：下述的第6、7两点说明仅限于应用支撑地轮实现整机移动且从后部插秧的条件下。

6、α3的确定

因整机结构和运动原理的关系，活动秧爪手的逆时针回转的角速度和地轮的顺时针回转的角速度是定比关系，而其间的构件的尺寸基本不变或变化很小可忽略，故可由下式确定α3的值：

α3＝arcsin(D0×Z2×Z4)/{2[(R1+h2)/sinα2+(R2′-R1)]}×Z1×Z3+(α1-90)

上式中：

α3——为保证秧插直的插秧前倾角；Z1～Z4为中间传动链中有关件的齿数；其余各符号的意义同前述相应符号。

7、地轮直径(D0)、型式和高度调节机构的变化范围

因插秧机是在已耕整的水田中工作，而耕、整深度一般100～200毫米范围内，所以该尺寸范围内土壤较软；故为确保与地轮轴同轴转动的传动件工作时不接触水田地面，同时也考虑到地轮作为活动秧爪手的源传动端，为保证其和水田下层土壤接触为活动秧爪手的三个运动提供较可靠的土壤附着力条件，故地轮的直径推荐值为：D0不小于720mm，且采用辐筋式轮，在φ600mm的外圈上布置数个高度约为70mm左右高的齿片为宜。同时因湖区、丘陵等水田在同等条件下下陷深度变化较大，故推荐其地轮允许下陷深度变化范围为：

150～300mm——即高度调节机构的变化范围为：150mm。七、本设计的实际效果

根据本设计方法的构思和实施方案，可以产生如下的实际效果：

1、本设计进一步完善了插秧机运动的设计，为已有的各种插秧机的进一步完善和各种实用新型插秧机的设计、制造应用提供了技术条件。

2、本设计进一步克服了前有的各种插秧机中秧爪手不能模仿人手指插秧时的动作——即作有规律的定时、定点的张开和闭合运动。这样可以克服和改善已有的插秧机中因秧爪手为固式结构及人工插秧、抛秧而产生的一系列缺陷，同时尚可兼顾或进一步提高其优点。

3、本设计中活动秧爪手在一台插秧机中可以布置数排，这样既可提高整机或动力装置、动力机组在水田中的移动速度，也可提高活动秧爪手的速度，同时在整机或动力装置、动力机组移动速度提高时，还可大幅度降低活动秧爪手速度提高的幅度。因此对提高插秧机的生产率、对动力装置或动力机组在水田中有效功率的发挥均创造了技术条件。

4、本设计中各种型号的实用型插秧机的活动秧爪手的插秧深度可以自动随机调节，并且插秧深度可据水稻品种的农艺要求进行调整——即调整信号元件在其机架中相应的固定位置即可。

5、据本设计方法设计的各种实用新型插秧机及改造的各种已有的插秧机，插秧时可以适应各种水稻品种移植时的农艺要求，因而扩大了插秧机的适应范围，可提高水稻的产量。

总之本设计可以克服和改善原有的插秧机、人工插秧及抛秧的缺点，完善插秧机的功能，提高秧爪手分取、插、放秧的可靠性及秧爪手、插秧机、动力装置的工作速度，发挥机械优势；实现插秧深度的均匀一致性较好；适当降低整田的工作量和要求；提高插秧机对秧苗的适应性，满足多品种水稻移植时的农艺要求；完善插秧机的设计方法，改善插秧机的工作性能；提高劳动生产率和综合经济效益。加速实现我国插秧机械化和普及化的水平；为粮食生产的增长多创造技术条件，同时为插秧机行业的进一步发展提供较完善的技术，以便该行业的健康、快速地发展，因此将会产生良好的经济效益和社会效益。

根据本设计方法以及机械设计、农业机械中等的相应的专业知识，可进行各种机型的回转式多排活动秧爪手插秧机的实用型设计，现举一例设计如下：

图6和图7为据本设计方法而设计的人力或畜力牵引的有效工作幅宽为1米的回转式六排活动秧爪手插秧机的总装配图中的主、俯两个视图。图6和图7中符号1～17的意义如下：

1——两侧地轮；2——活动秧爪手总成；3——左、右轨道盘；4——机架；5——伸缩器；6——秧篮架；7——秧篮；8——传动系统；9——离合器及操纵装置；10——护罩；11——高度自动调节机构曲柄等构件；12——拉杆；13——整地和高度自动调节信号组件；14——回转主轴支承及紧固调节件；15——回转主轴；16——回转驱动器；17——紧固件等。八、本设计方法需保护的重要构件及图样

附图1～7为本设计方法需要保护的重要构件及图样。九、本发明实现的最好方法

1、合法获得本发明专利的实施许可权；

2、实施的单位需有三名以上农业机械制造专业本科或专科以上理论水平的人员，同时具有五年以上的实际设计工作经历——具有独立设计的能力；非农业机械制造的机械设计人员，需具有本科以上的学历，或具有中级以上专业的技术职务的人员叁名以上，并查阅《农业机械学》、《水稻栽培技术》等有关资料。

3、认真阅读专利说明书全文、附图，并领会和掌握构思、实施方案、运动原理，同时还可与专利方联系咨询、合作等，这样即可据机械设计理论和方法进行设计。

4、合法获得本专利后，可要求专利方提供人力或畜力牵引的有效工作幅宽为1米的回转式六排活动秧爪手插秧机的全套兰图作为其生产和设计的参考依据。

5、本发明的主要参考资料为：《机械设计》、《农业机械学》、《拖拉机理论》、《农学基础》(农业机械专业用)、《理论力学》、《摩擦学》、《水稻栽培技术》等。

Claims (6)

1、本发明回转式多排活动秧爪手插秧机运动设计方法中，其特征在于：活动秧爪手结构上采用双层三铰四杆的变型结构，且具有有规律的往复间歇、回转、伸缩、高度自动随机调节共四个运动。

2、根据权利要求1所述的本发明，其特征在于：联接活动秧爪手的回转驱动器采用圆盘式结构；伸缩器结构上采用变型的平面九杆，同时其铰轴线在空间上与回转驱动器的中心线垂直布置。

3、根据权利要求1所述的本发明，其特征在于：活动秧爪手有规律的往复间歇、回转、伸缩运动是在左、右轨道盘采用固定凸轮盘(或左右固定板)的结构型式，且将盘槽深度设置了三段和其变化过渡段的变化中运动而实现的；并在其上设置了回转主轴的轴承座孔，秧篮架、曲柄铰孔和高度自动随机调节机构安装的螺纹孔、凸台和凸耳。

4、根据权利要求1、3所述的本发明，高度自动随机调节：结构上采用以两侧左、右轨道盘以及回转主轴和其支承件等为主体，同时将秧篮架(包括秧篮)、活动秧爪手高度自动随机调节机构与左、右轨道盘联成一个整体，并将活动秧爪手看作固定轨道盘中的滚子，并通过伸缩器、回转驱动器相对固定在回转主轴上，共同组成一个有机的整体。并把这个有机整体看作等曲柄四杆机构中的连杆。

5、根据权利要求4所述的本发明，高度自动随机调节，其特征在于：有机整体中有关件——即高度自动随机调节和整地运动的整地滚子与水田地面接触，并通过有机整体的自重及其分布和土壤给整地滚子的支承反力、水的浮力构成力矩系统。

6、秧苗可达水平叠加平放的状态。

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