0、 引言
水稻機械化種植技術是一項先進的農業技術，能夠大幅提高水稻綜合生產能力，是水稻現代化種植的發展方向，也是未來水稻種植的主導性技術。水稻插秧機是一個由多部件組成的復雜機械系統，分插機構是插秧機從秧群中分取一定數量的秧苗并插入土中的機構，是插秧機的主要工作部件，其性能決定插秧質量、工作可靠性和插秧頻率。由于要通過秧針的非勻速轉動來實現不同插秧動作\\(取秧、送秧、推秧、回程等\\) 對速度的不同要求，達到秧苗插直、插深、插穩、不傷苗等插秧農藝要求，因此對分插機構的研究成為國內外水稻插秧機的研究重點。橢圓齒輪是節曲線封閉的非圓齒輪，當用兩個相同的橢圓齒輪傳動時，隨著橢圓偏心率的不同，可得到不同的傳動比變化曲線，以完成機構的變速傳動或作為速度和加速度調節之用。橢圓齒輪分插機構可以滿足秧針的非勻速轉動，并在理論與實踐中得到驗證，廣泛應用于國內外高速水稻插秧機。
為使分插機構高效運轉，保證秧苗的直立性，對橢圓齒輪的參數有嚴格限定。根據插秧農藝要求，秧針尖點的 Y 方向位移變化量在 260 ～ 310mm 之間為宜。但通過 ADAMS 對分插機構進行運動學仿真，從結果可以很直觀地看到: 對于確定參數，軸心在焦點的橢圓齒輪分插機構不能滿足秧針的軌跡和姿態要求。針對這個問題，根據趙勻等的研究，調整變形橢圓齒輪的偏心率，可以使傳動比實現縱向變化，增大傳動比可調空間，更有利保證秧苗的直立性。結合一般橢圓齒輪和變形橢圓齒輪的特點，以逆向思維的方法，在不改變橢圓齒輪齒廓參數的條件下，通過調整橢圓齒輪的軸心位置對分插機構進行改進，使秧針的軌跡和姿態滿足插秧機的工作要求。
1、 橢圓齒輪傳動理論
圖 1 為一對初始相位相同、相互嚙合的橢圓齒輪。齒輪Ⅰ、Ⅱ分別繞焦點 O1、O2轉動，F1、F2分為橢圓齒輪Ⅰ、Ⅱ的另兩個焦點，主動齒輪Ⅰ帶動從動齒輪Ⅱ做非勻速轉動。圖 1\\(a\\) 為兩橢圓齒輪的初始安裝位置，軸心距 L = 2a \\(a 為橢圓的長半軸長\\) ，軸心連線上的 M 點為兩齒輪的初始嚙合點，P1、P2分別為
到兩焦點的距離之和為常數 2a ，則 Li= 2a 。因此，橢圓齒輪在任意嚙合位置時，都能保證兩齒輪在節曲線上的準確嚙合，沒有齒側間隙，也不會產生輪齒擠壓，具有傳動平穩的優點。
2、 橢圓齒輪分插機構模型的建立
橢圓齒輪的節曲線為橢圓，齒形與圓齒輪一樣都是漸開線齒形。根據齒形折算法，利用 CAXA 電子圖版的曲線繪制功能完成橢圓齒輪的草繪模型，結合UG 三維造型功能完成橢圓齒輪分插機構的建模和裝配。表 1、表 2 為長半軸 a = 21． 525mm、短半軸 b= 20． 725mm、齒數 z = 20，壓力角 a = 20°的 1 /4 節橢圓齒廓參數。圖 2 為橢圓齒輪安裝示意圖，圖 3 為分插機構總裝圖。
圖 3 中，橢圓齒輪分插機構旋轉 1 周插秧兩次，太陽輪與回轉箱固連，回轉箱逆時針轉動帶動中間輪與行星輪非勻速轉動，插植臂跟隨行星輪轉動。推秧彈簧通過凸輪機構壓縮和釋放: 在壓縮過程中取秧，當運動到凸輪缺口處瞬間釋放能量，驅動推秧桿將秧苗從秧爪上插入泥土中，完成整個插秧過程。
3 分插機構的 ADAMS 虛擬樣機動態仿真
在 UG 中簡化模型，導入 ADAMS 并設置零件屬性，約束關系和載荷類型。由于橢圓齒輪嚙合時公共速度標記點在不斷變化，所以無法通過直接添加齒輪副來定義兩個橢圓齒輪之間的運動，在這里根據零件的材料及潤滑條件，通過定義接觸力的方式來實現運動的傳遞。
3． 1 機構的運動學仿真
合理的秧針軌跡是保證插秧質量的關鍵，秧針尖點的位移、速度、加速度是準確取秧和插秧的重要保證，也是運動學研究的重要參數。應用 ADAMS 軟件的軌跡跟蹤和測量功能，設置仿真參數 End Time =1S，Step = 1 000。繪制秧針尖點的靜軌跡曲線\\(如圖 4所示\\) ，通過測量獲得秧針尖點的位移、速度、加速度特性曲線\\(如圖 5 所示\\) ，以便及時發現設計中存在的問題。
3． 2 仿真分析
速度和加速度可以反映系統運動的平穩性:速度的波動容易引起振動使機構工作的平穩性下降，加速度的變化能反映出機構的動力學特性。根據張敏等的研究，當橢圓齒輪參數合理時，軸心在焦點的橢圓齒輪分插機構能夠滿足插秧農藝要求。但由于橢圓齒輪參數的變化，結合圖 5 分析，秧針尖點 X軸方向的速度值變化范圍大約為－0． 9 ～0． 9m/s，Y 軸方向為－1． 5 ～2． 7m/s，波動是插植臂剛插完秧苗、快速回位的一種表現; 加速度曲線在插秧瞬間的階躍比較大，會降低機構的使用壽命和工作可靠性; 秧針尖點在 X 方向的位移變化量為 225mm，Y 方向位移變化量為 450mm，不符合插秧農藝要求的 260 ～ 310mm 的要求。
4、 橢圓齒輪分插機構的改進
為了提高插秧機工作的平穩性和可靠性，滿足插秧農藝要求，對橢圓齒輪分插機構進行改進。根據張瑋煒橢圓齒輪偏心率的變化對秧針尖點運動軌跡影響的研究，結合變形橢圓齒輪理論和逆向思維設計，在橢圓齒輪齒廓參數不變的情況下，通過調整橢圓齒輪的軸心位置對分插機構加以改進。其中，太陽輪的軸心沿幾何中心向左 2． 5mm，向下 0． 5mm; 中間輪向上 2． 5mm，向右 0． 5mm; 行星輪向右 2． 5mm，向上 0． 5mm。為便于安裝，用圓形和方槽形作為相位標記點。圖 6 為改進后的橢圓齒輪模型圖和裝配圖，圖7、圖 8 分別為改進后的秧針尖點軌跡圖和運動學曲線圖。
結合圖 7 和圖 8，通過對比可以看出: 改進后的分插機構更能保證垂直插秧，秧針尖點速度曲線比較平緩，X 方向為－0． 5 ～ 0． 5m/s，Y 方向為－1 ～ 1m/s，0． 3～ 0． 6s 范圍內速度變化明顯比較平穩; 加速度整體波動比較小; 秧針尖點 X 方向位移變化量為 155mm，且均為負，Y 方向為 300mm，滿足農藝要求。
5、 結語
利用 UG 建立分插機構的三維模型，通過動力學仿真軟件 ADAMS 對齒廓參數相同、軸心位置不同的兩種橢圓齒輪分插機構進行仿真。通過對比改進前后秧針尖點的位移、速度、加速度曲線和軌跡可以看出: 改進后的分插機構能夠更好地實現“腰子形”軌跡和變傳動比的平穩快速垂直插秧，符合插秧農藝要求。
同時，改進后的橢圓齒輪嚙合時，中心距由 43． 05mm減小為 42． 25mm，使分插機構的整體尺寸減小，提高了機構的動力學性能，為高速化和輕型化的插秧機設計提供了依據。
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