水稻插秧机分插机构性能检测试验台结构设计

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摘 要：分插机构是水稻插秧机最关键的机构之一，其性能直接影响插秧质量。目前国内企业主要依靠田间试验验证分插机构性能，周期长、费用高。因此，设计出一种插秧机分插机构性能检测试验台，可以对研制出的分插机构进行相关性能参数测试，以分析其质量好坏。所设计的分插机构性能检测试验台，通过皮带传动、链传动等将电机产生的动力传递给插秧机分插机构，以实现分插机构的运转与前进，利用传感器、高速摄像机采集秧针加速度信号、秧针动静轨迹信号，通过设计编程将图形显示在计算机屏幕上，以确定分插机构的性能。

关键词：分插机构；性能检测；试验台；结构设计

中图分类号 S225.5+1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）13-155-03

分插机构是水稻插秧机最关键的机构之一，其性能直接影响插秧质量[1]，其性能的好坏直接决定了水稻插秧机的工作可靠性，因此分插机构一直以来都是国内外水稻插秧机研究人员研究的热点之一[2]。因此，设计出一种水稻插秧机分插机构性能检测试验台，可以对研制出的分插机构进行相关性能参数测试，以分析其质量好坏，对提高插秧机产品质量具有重要作用。

现在国内急需采用机构设计、优化设计等理论进行高速分插机构基础研究的开发工作，以避免我国插秧机市场被进口产品垄断[3]。一些大学在这方面已经进行了研究工作，在理论上已设计完成各种高速分插机构，但目前高速插秧机分插机构秧针轨迹分析复杂、要求精度高。完全等待整机田间试验验证，其周期长、费用高，需采用快速准确的试验手段加速研究进程。

国内插秧机生产企业基本没有使用插秧机分插机构性能检测试验台来检测分插机构的工作性能，而是主要靠产品结构和尺寸来保证分插机构质量[4]。由于存在设计误差，特别是制造误差，出产的产品不符合实际工作要求，产品质量可靠性差。许多企业依赖插秧机田间试验来不断完善机具，其周期较长，费用也较高。

目前国外插秧机生产企业在进行分插机构的研究和开发中，主要采用机械动力学试验台进行分插机构运动轨迹检测[4]。由于其试验台的通用性较强，对分插机构没有较高的针对性，不仅降低了测试分插机构转速和秧针运动轨迹的方便性，也大大减小了测试结果的准确性，而且无法快速测试不同形式分插机构的转速和秧针的运动轨迹。

1 试验台结构与工作原理

1.1 试验台结构 插秧机分插机构性能检测试验台主要由电机，链轮链条传动副，防干涉挡板，皮带轮传动副，支撑架，试验台机体，高速摄像机等组成，如图1所示。通过皮带轮传动副、链轮链条传动副等传动机构将电机产生的动力传递给插秧机分插机构，以实现分插机构的运转，从而对秧针加速度信号，秧针动、静轨迹进行采集和分析以确定分插机构的性能。

图1 插秧机分插机构性能检测试验台

注：1.试验台机体，2.传动轴二，3.小车，4.放干涉挡板，5.支撑架，6.链轮链条传动副，7.传动轴一，8.皮带轮传动副一，9.电机一，10.高速摄像机，11.皮带轮传动副二，12.电机二。

1.2 试验台工作原理 （1）分插机构运转的平稳性、插苗的稳定性，可由秧针加速度图分析得出，同时，由加速度图积分得到的速度图，可直接反应出插秧过程是否满足农艺要求。秧针的动、静轨迹可直接反应分插机构分秧、运秧、插秧、出土、回程5个阶段的过程，可分析出机构是否会产生干涉。本分插机构性能检测试验台，通过皮带轮传动副、链轮链条传动副，实现了分插机构秧针动、静轨迹的产生，可通过高速摄像机对动、静轨迹进行采集。试验进行时，在待测秧针尖端处装上三轴数字式加速度传感器，实现了秧针加速度信号的采集。（2）关于秧针静轨迹的采集，仅打开电机二，动力通过皮带轮传动副二，带动分插机构运转，各运动进行时，试验台机械部分侧面的高速摄像机打开，由此，实现了秧针静轨迹的采集。（3）关于秧针动轨迹的采集，打开电机一，动力通过皮带轮传动副一，带动链轮链条传动副的链轮转动，链轮使链条向前移动，焊合在链条上的小车随着链条同步向前移动，此时打开电机二，分插机构运转，打开高速摄像机，由此实现了秧针动轨迹的采集。（4）关于秧针加速度信号的采集，将三轴数字式加速度传感器模块以一定方式安装在待测秧针尖端处，同时，传感器模块通过相关线路与计算机连接，分插机构运转时，即有信号输入计算机。通过Labview语言编程，即可在计算机上显示出图形。

2 试验台关键部件选择与设计

2.1 驱动装置选择

2.1.1 电动机选择 采用YL802-2单相异步电动机，该电动机具有高转矩、高效率、高功率因数等特点，表1为电动机一和电动机二的性能参数。

表1 电动机性能参数

[名称＼&电动机一＼&电动机二＼&型号＼&YL802-2＼&YL802-2＼&功率（kW）＼&1.1＼&1.1＼&额定转速（r/min）＼&3 000＼&3 000＼&额定转矩（N・m）＼&1.8＼&1.8＼&]

2.1.2 变频器选择 采用功率为1.1kW的西门子MM440变频器，表2为变频器性能参数。

表2 变频器性能参数

[名称＼&变频器＼&型号＼&6SE6440-2UD21-1AA1＼&功率（kW）＼&1.1＼&防护等级＼&IP20＼&环境温度（℃）＼&-10～+50＼&]

2.2 传动装置选择

2.2.1 链轮链条传动 电机一通过皮带轮传动副一带动传动轴一运转，传动轴一将动力传递给链轮链条传动副的链轮，链轮的转动带动链轮链条传动副的链条横向移动。链轮链条传动副的链条通过焊接方式与小车装配在一起，实现小车的横向移动。分插机构的链箱连接在支撑架上。

2.2.2 皮带轮传动 本试验台采用了两组皮带轮传动副，第一组皮带轮传动副将电机一的动力传递给传动轴一，传动轴一将动力传递给链轮链条传动副的链轮，链轮的转动带动链轮链条传动副的链条横向移动以实现秧针动轨迹的产生。第二组皮带轮传动副将电机二的动力传递给分插机构链箱的传动轴，链箱的传动轴带动分插机构运转，以实现秧针静轨迹的产生。

2.2.3 支撑架 支撑架用于支撑链箱，它通过螺栓与分插机构的链箱连接在一起，并由小车支撑，小车与链条焊合。

2.3 信号采集装置选择与设计

2.3.1 传感器选择 经比较选择，本试验台所用三轴加速度传感器为MPU-3000。该数字式传感器模块规格小（26mm×18mm），精度高，检测范围广（0～250m/s2），价格适中，与计算机连接方便。

2.3.2 传感器安装 关于传感器模块的安装，此处设计了一个方案。即传感器模块黏在一个特制插板上，该插板可与秧针固定，同时在插板外加一挡环，起固定作用如图2、图3所示。试验进行前，在插板、挡环的缝隙处滴入强力胶水，加强黏性，防止分插机构高速运转时将传感器模块甩出。

图2 传感器安装示意

图3 传感器安装位置局部放大

2.3.3 传感器信号采集 三轴加速度传感器MPU-3000，为数字式加速度传感器，为IIC数字接口，由于IIC接口无法与计算机直接相连，需使用配套主控板实现接口转接与配置和读取模块数据的功能。其中，主控板自带USB接口，所以可直接使用USB连接线将传感器模块与计算机相连接。以上元器件的价格适中。

2.3.4 高速摄像机选择 本试验台的高速摄像机采用德国映美精工业CCD单色摄像机，其最高频率为60fps。此高速摄像机精度较高，拍摄速度较快。

2.3.5 高速摄像机安装 高速摄像机固定在支座上，两者安放在试验台侧面，镜头与分插机构旋转轴在同一条直线上。

2.3.6 高速摄像机信号采集 由于高速摄像机有USB接线口，因此可使用USB连接线，将高速摄像机与计算机相连。

3 结论

所设计的分插机构性能检测试验台涉及到机械传动领域，特别采用了链轮链条传动机构，以产生分插机构的秧针运动轨迹。试验台通过电机产生动力，由皮带轮传动副、链轮链条传动副等传动机构带动插秧机分插机构运转和向前移动，从而实现对秧针加速度信号和秧针动、静轨迹的采集和分析，以确定分插机构的性能。其中秧针加速度信号由三轴数字式加速度传感器采集得到，秧针动、静轨迹由高速摄像机采集得到。

设计的插秧机分插机构性能检测试验台，弥补了已有技术的不足，但由于使用了高速摄像机进行秧针动静轨迹的采集，使试验台成本较高，需进一步寻找方法精确但价格更低廉的轨迹采集方式，在不影响试验台检测效果的前提下减少成本。

参考文献

[1]李宝阀.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[2]陈建能，赵匀.水稻插秧机分插机构的研究进展[J].农业工程学报，2003.

[3]刘丽敏，李革，赵匀.旋转式分插机构动力学试验台的研制[J].农机化研究，2005.

[4]Ying Yibin，Zhao Yun. Research in dynamic simulation of separating-planting mechanism of rice transplanter[J].AMA，1997，28（3）：15-19.