浅谈高速水稻插秧机四轴移箱机构的原理与设计

[摘 要]移箱机构是水稻插秧机的重要组成部分，无论何种插秧机都必须有与其功能相配的移箱机构。本文设计了一种能与旋转式分插机构高速水稻插秧机相配套的移箱装置。该移箱装置能为高速水稻插秧机定时、定量的进行横向和纵向送秧，并给分插机构提供可靠的动力。利用虚拟样机技术，本文还构造造了四轴移箱机构的虚拟样机。

[关键词]移箱机构 水稻插秧机 虚拟样机

中图分类号：S223.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0268-01

水稻机构插秧以节省秧苗、提高工效、缓解劳力矛盾、减轻劳动强度、降低直接成本及增产作用明显等诸多优点，一直在水稻种植机械中占据重要地位，是水稻集约化、商品化生产的必由之路。当高速水稻插秧机以旋转式分插机构代替传统曲柄摇杆式分插机构[1]，使得插秧速度比传统插秧机提高一倍时，就对插秧机的移箱装置提出了较高的性能要求，比如：输给分插机构所需的动力增大；要有更高的动力传送可靠性和稳定性；能进行高速送秧等。

目前全国大面积推广应用的插秧机有国产2ZT-9356型和2ZT-7358型机动水稻插秧机、国产2ZTR-4型人力水稻秧机；进口机型有日本久保田S402型、井关DF451型、洋马YP405C型和三菱MP460型等水稻插秧机。不同的插秧机设计的移箱装置不尽相同，但这些机型的移箱装置均不能满足高速插秧机的性能要求。因此设计出高效可靠的移箱装置已成为国产高速插秧机开发的一个重要组成部分。

1 移箱机构的功能

移箱机构在水稻插秧机中主要的功能是连续、定量的进行横向和纵向送秧，并担负着传递驱动栽植臂的动力。为保证插秧均匀度，横向送秧时必须保证栽植臂每插一次秧的秧箱移动距离均匀。纵向送秧是指秧箱移动到左右两个端点位置时，将整个秧盘向秧门推送一段距离，每次纵向送秧距离要相等，并且必须将秧盘推送至紧贴秧门。

首先，移箱机构的动力输入部件要与变速箱插秧动力输出轴相接，实现动力的衔接；接着，在移箱机构中完成动力的再分配，一是横向送秧动力输出，二是纵向送秧动力输出，三是驱动分插机构进行插秧的动力；然后，通过移箱机构中的相关装置实现横向送秧功能，并保证插秧栽植臂每插一次秧的横向送秧移动距离相同；同时，通过移箱机构中的装置驱动送秧轴，以实现秧箱的纵向送秧功能，并通过送秧轴每次旋转的角度相同来保证插秧栽植臂每插一次秧的纵向送秧移动距离相同。

2 高速水稻插秧机四轴移箱机构的工作原理

移箱机构的设计有两种形式：一是齿条式，一是螺旋轴式。近年来，移箱机构多采用螺旋轴式。水稻高速插秧机四轴移箱机构也是采用螺旋轴式来设计研制的，其机构简图如图1所示。高速水稻插秧机四轴移箱机构中包括装在移箱箱体内的分插机的动力传送装置、横向送秧装置和纵向送秧装置。

分插机构的动力传送装置是在箱体内的传动轴上装有与动力输入轴相配的一对等比锥齿轮，传动轴的左侧装有齿轮，实现分插机构的动力传送。

横向送秧装置是在箱体内的螺旋轴左侧装有左送秧凸轮、齿轮，螺旋轴右侧装有右送秧凸轮，带有滑块的滑套装在螺旋轴上，滑套上的螺栓与移箱轴固接，螺旋轴转动时滑套沿送秧轴和螺旋轴作横向往复移动，同时带动移箱轴沿箱体孔作横向往复移动，齿轮与传动轴上的齿轮相啮合，实现横送秧。

纵向送秧装置是在箱体内的送秧轴左、右侧分别装有左、右摆杆，能分别与螺旋轴上的左、右送秧凸轮相连接，左摆杆与左侧箱体和右摆杆与右侧箱体间的送秧轴上分别套有左、右回位弹簧。

在箱体内装有移箱轴、装在螺旋轴上的滑套跨接在送秧轴和移箱轴上，并与送秧轴和移箱轴配合，使移箱机构传动平衡可靠。

3 高速水稻插秧机四轴移箱机构的特点

四轴移箱机构与现有国产2ZT-9356型，2ZT-7358型机动水稻插秧机，日本久保田S402型，井关DF451水稻插秧机的移箱机构技术相比，有如下特点。

1）变速箱输出的动力传给移箱的动力输入轴，由等比圆锥齿轮改向之后，直接将动力传给驱动分插机构转动的传动轴，减少了动力传输路程，从而使得分插机构的取秧、插秧、推秧及自身的旋转有足够的动力供给。

2）采用传动轴、送秧轴、螺旋轴和移箱轴的四轴结构序曲计，使得各轴功能单一，工作性能稳定，动作准确，且强度较高，抗振性能强。

3）采用两个送秧凸轮和两个摆杆的设计方式，比大多数移箱装置的单对凸轮设计可以减少50%的凸轮磨损量，且凸轮和摆杆安装在有油的箱体内，将凸轮磨损减少到最低点。

4）一对等比的圆锥齿轮传动，保证传动轴与螺旋轴的同步转动，螺旋轴的螺距为一次横向取秧距离。也就是分插机构一次横向取秧量。因此，也保证了在横向上的送秧要求。

5）滑套纵跨三轴的结构设计，在保证移箱轴带动秧箱动力需求的同时，也增加了机构的强度和稳定性，更为重要的是减少滑套、螺旋轴、凸轮等零件的加工精度要求和移箱轴的变形。

6）采用回位弹簧，可以保证摆杆的非工作位置，使之与送秧凸轮脱离处于不工作状态；同时，在秧箱转向时，对移箱装置的冲击起一定的缓冲作用。

4四轴移箱机构虚拟样机的实现

综合了多种先进方法的虚拟样机技术，在缩短产品研发周期，降低成本，提高效率，提高产品可靠性等方面起到明显作用。在完成二维模型基础上，利用Pro-E软件实现了四轴移箱机构的虚拟样机。图2是四轴移箱机构的箱体。图3是四轴移箱机构的内部总装。

利用虚拟样机技术，通过移箱机构的总体参数和局部参数的确定，较好的实现了设计意图和对概念模型的快速修改、优化和评估；通过自顶而下的设计思想，建立动力传输机构部件级的几何关联结构和约束层次，实现部件级的相关修改；在四轴移箱机构的详细设计阶段，通过参数化和变量化技术建立零件级的数字化模型，为整机的性能仿真提供数据来源；通过虚拟装配技术，方便实现了制体机的装配并检验机器是否干涉及几何结构是否合理，也验证了上面理论分析的正确性；通过对关键零件的加工仿真和工装仿真，及时发现设计缺陷和工艺实现问题，减少制造物理样机开发风险。

在计算机上建立四轴移箱机构的数字样机，伴之以3D可视化处理，可模拟现实环境中机构的运动和动力特性，并根据仿真结果优化机构设计。

5 结论

本文针对高速水稻插秧机的分插机构插秧速度快，要有可靠且稳定的动力传输，按时国、定量的送秧等要求，设计了一种能与旋转式分插机构高速水稻插秧机相配套的移箱装置。该移箱装置能为高速水稻插秧机提供定时、定量的横向和纵向送秧，为分插机构提供可靠的动力。四轴移箱机构虚拟样机的开发提高了整机设计的可靠性和真实性，减少了机器开发周期，为物理样机制造提供了保证。