李金阳，赵越，刘鑫，赵胜雪，付晓明
(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆163319)
摘要：插秧是水稻种植体系中的重要环节之一。近年来，人工插秧与运输秧苗等作业环节易造成劳动强度大、效率低等问题，使得人们对这些环节高效率、智能化的需求愈加迫切。为此，设计了一种结构简单、操作简便、能快速变轨且性价比高的轨道式水稻秧苗运输车。运输车采用SMC薄型液压缸，主要作用是升降轨道；采用 奥普特SCI-Q2视觉控制器，可对轨道上的杂物进行识别；采用德马克生产的直流伺服电机，尺寸42mm，功率100W，电压24V，转速0~8000r/miq，主要驱动运输车运行。利用SoPdWoOs软件对秧苗运输车完成三维结构建模，并用SuuPtmx对主要部位进行空载与满载情况下的强度校核，验证其结构的可行性。所设计的轨道式水稻秧苗运输车可自主避障、智能变轨，使运输车往返于不同的轨道上，将秧苗送达插秧机附近，在提高插秧效率的同时降低了农民的劳动强度及水稻种植成本，从而达到水稻的全程机械化种植要求。
关键词：水稻秧苗；运输车；液压控制；轨道
中图分类号：S229+2文献标识码：A 0引言
水稻种植业是一种劳动密集型农业，需投入大量劳动来精耕细作，各种机械化工具已经应用于水稻种植中，但水稻秧苗的存放地与插秧机之间的运输过程大多依靠人工进行搬运，未实现机械化作业⑴2。为解决水稻补苗时人工劳动强度大、作业成本较高及效率低等问题，保证插秧时工作效率，需设计一种设备来降低水稻种植及补苗时的人工劳动强度，且不会对水稻田进行破坏，进而提高插秧或补苗时的工作效率。
我国轨道运输技术起步晚但进步快，在应用轨道车解决运输难的问题方面已取得明显成效。我国台湾某机械社⑶研究出一种齿合式单轨运输车，可承受400kv的质量，具有操作便捷、启动容易、占地面积小等特点，具备可根据实际需要改变运行轨迹且爬坡能力强的无人驾驶功能，同时减少对生态环境的破坏。华中农业大学研制了可解决钢丝绳与驱动轮对配合实现摩擦驱动、抱轨与碟刹配合实现制动、防止运输
收稿日期：2727-71-1
基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(221912203244)；
黑龙江省农垦总局重点科研计划项目(HKKY17506)；
国家重点研发计划项目(22S7YFC1621925-24)
作者简介：李金阳(177-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生,(E-mail)—97713@13.—m。
通讯作者：付晓明(187-)，男，哈尔滨人，讲师，博士后,(E-mli) 0qfxm_121@13.—m。
文章编号：1003-188X(2021)10-0254-05
机侧滑和上跳、防止钢丝绳在弯道中上抬与拉直、拖车自适应坡度调节等关键技术问题的7YGS-45型双轨道果园运输机⑷。范国强等设计开发了可解决水稻收获后缺乏专用运输机械，满足了稻田低速运输和公路高速运输的要求且操作性能良好的履带式行走系统的水田秧苗运输机，但水稻秧苗与插秧机的运输过程仍依靠人工进行搬运，未实现机械化作业⑹。申屠留芳设计了以柴油机为动力的水稻秧苗运输车，解决补苗时人工劳动强度大的问题，但其问题在于采用行走轮装置会破坏水田埂或整完地的水稻田°4。黑龙江省垦区七星农场研制了一种便于取苗的变轨式水田运输车，解决了人力运输的问题，降低了劳动强度、提高了工作效率［］。日本［5］研究出一种结构相对简单、载重大却灵活、生产成本较低、适用山地往返运输的履带与轮式运输车，缺点是爬坡性能差、附着力低，使得操控难度大、容易侧翻。韩国一机械制造公司研究出一种适合山地及森林运输作业的单轨运输车-QGC-B2型森林多功能单轨运输车，具有运动平稳、爬坡能力强的优势，且单轨两侧设有制动停车装置，安装条件不受复杂地形的限制［1］。
为克服上述问题，笔者设计了一款轨道式水稻秧苗运输车，由稻田埂上架设的单条轨道及水稻运输车
组成，通过控制系统与视觉系统完成自动驾驶及运输车的智能变轨、往返，达到水稻秧苗运输目的，从而减轻作业强度，提高劳动强度，一定程度上提高了机械化作业效率。
•254•
1轨道运输车总体结构与工作原理
轨道式水稻秧苗运输车主要由轨道、运输车、秧 苗架、电动机、驱动轮、液压升降架、液压升降承托架、
驱动电机、液压缸、控制器及视觉控制器等部分组成,
如图 1 所示。
(b)俯视图
1•固定直轨2•弯导轨3•轨道支架4•秧苗架5•运输车6•电机6•移动直轨 5•液压升降承托架9•液压缸
图1装置结构原理图
Fig. 1 Stmcturv principle diayram of device
运输车运行前，在规定的水稻田埂四周架设轨
道，空的运输车会人为进行控制沿着每条轨道航行,
导电泡棉成型机目的是对运行轨迹进行道路记忆，将运行线路存储到 控制端。在运输车前后端安装视觉控制系统进行避 障，控制端对电机进行控制，电机驱动运输车前进与
后退。当轨道上有异物时，视觉控制器将信号传输到
控制器中，控制器对电机进行控制实现急停。
工作时，根据水稻地形铺设轨道，直线轨道利用
支架固定在田埂上保持不动，其余轨道利用支架固定
可以上下移动。导轨上坐落着与其相配合的运输车,
当某一块地需要秧苗时，插秧机驾驶员发送电子信
号，轨道秧苗运输车根据信号源回到秧苗存放处；人
工放置秧苗后，通过接收到的信号进行自主选择最优 路径运送秧苗，实现无人驾驶及自主返航，完全不会
破坏水田埂或刚刚整完地的水稻田。该装置不需要
人力搬运，降低了劳动强度、时间与成本，实现了运输
车秧苗运输的远程操控。
2关键参数的确定
20 电动机功率的选择
所选的电动机额定功率需等于或稍大于电动机 输出功率。电动机所需的工作功率为11]
p 0 二 P w /加 (1 )
n n 二 口："，
(2)
P a 亠 P
(3)
式中 Pa —电动机的额定功率(kW )；
P —电动机的输出功率(kW );
P w —工作机的输出功率(kW );
n —组成传动装置和工作机的传动效率乘积。
工作机运行所需功率为P w ，即
P W 二 F/400
(4)
式中F —运输小车所需的牵引力(N )；
/
一运输小车的运行速度(m/s )。
取轨道运输车的运行速度/ = 0.7m/s，运输车载
质量为500ky，水稻田埂间轨道平整度为±5。，取运输
小车与轨道之间的摩擦因数"二0. 4。
20电动机转速的选择
三相异步电动机的转速有4种，即750、400、
1500、3000r/miv 。在转速相同时，制造成本由同步转
速决定，转速越低，传动装置的尺寸和总传动比越小, 成本越低。驱动轮的工作转速为n，即10]
400 x 60/
/八
n w
⑸
n 0 二 n w n 二 5口二仏
⑹
式中/—驱动轮对的线速度(m/s );
d 一驱动轮直径(mm );
i —总传动比；
n —所选电动机的满载转速计算值(r/mia ); i —第 /个传动比。
驱动轮的工作转速n = 91. 85r/mia ，电动机转速
n 二441. 4r/miv 。电动机转速越高，体积越大，成本
越高，故电机转速选择440r/miv，型号选择Y152S-
4o 查《机械设计手册》，电机过载倍速为2.3，最大转
速为3312r/miv，完全满足该轨道运输车的要求。
20减速箱参数的选择
理论计算传动系统总传动比13]，即
i 二 n/n 二 15. 67
(7)
根据传动比取值范围，取带传动i = 1，则减速箱
总传动比为
i 二 ^总 /i 带二 15. 67
(5)
• 255
•
为保证运行中的减速箱参数设置合适，选择减速 箱总传动比21.75。
表)减速箱齿轮的几何参数
TaPle 1 Geonet/c paraneters of reUnction year
齿轮类型名称模数m 齿数z
分度圆直径d
/n n
齿顶圆直径d fl
/n n
齿根圆直径d )
/n n 齿轮宽B
/n n
主动齿轮
2.51847.2352. 2344. 9460高速级
从动齿轮
2.58121. 7321.73206.43
50主动齿轮
2.52257.7872. 785155370低速级
从动齿轮
2.5
77
202.22
207. 22
15. 27
65
3关键部件的设计
32 液压系统的设计
在液压升降架、液压升降承托架的底部设有液压
缸，采用SMC 薄型液压缸4X 标准,CHKGB78-1，主 要作用是升降轨道。由于在变轨过程中采用自主研 发的多层变轨装置，利用液压作为动力来源，能够实
现运输过程的轨道变换，需要对液压系统的控制原理1•电磁换向阀17单向节流阀 1•液控单向阀 1•液压缸
山地单轨运输车图2液压系统原理图
Fig. 2 System pCnciple diagran of hyduunatic
液压控制系统操作控制方便，可实现大范围无级 变速，且可在变速过程中进行调速。由于液压装置能 够快速启动、制动和频繁换向，在实现轨道自动升降
的同时，又易于实现过载保护。为使轨道上下升降运
行平稳、制动安全可靠，在回油路上设置平衡阀，平衡
回路、保持压力，使下降速度不因重物的变化而变化，
simota由节流阀调节流量，从而控制升降速度。
322 控制系统的设计
3.2.1电动机控制原理
电驱动牵引车总体结构框图如图3所示。动能
由蓄电池提供，主控制器将运输车行进命令发送到电调节板
机控制器，分析命令信号并将具体指令发送到电机控
制器，从而控制电机旋转及变轨速度，电机旋转带动
驱动装置工作，运输车正常行驶；制动装置根据接收
到的主控制器发送的停车命令后，控制电机停止旋 转，轨道运输车会降低速度直至停止［3］。
控制系统结构框图如图4所示。所需传达的命
指示牌制作
令可以通过手机软件实现，主控制器接收通过无线通
信发送的命令，并根据接收的命令信号驱动电机转
动，驱使齿轮运转，从而控制三相异步电动机，使运输
车实现前进、后退、加速、减速、变挡及停车操作。
图8电驱动牵引车总体结构框图
Fig. 3 The overall stocture diagran of the ePct/caPy -0/veu tractor
电机控制器
一＜电机与转向控制
i 无线通信二
位炎］
“速度控制
雨水弃流井t 制动装置r
图4控制系统结构框图
Fig. 4 Controt system stocture diagran
3.2.2避障装置及单片机的选择
避障系统及定位系统结构框图如图5所示。各
控制器所需的电压由蓄电池通过电源电路输送，控制
• 256
•
器内设有单片机、存储器及无线发送接收模块等。控
制器与电机、视觉控制器电联接，与液压升降架、液压 升降承托架的驱动电机无线连接。运输车上设有电
源和手持式遥控器，视觉控制器和电机分别与电源连
接，操作者通过遥控器来操控控制器的状态。
选用工作电压为2. 7〜6. -V 的AVR 单片机，其广
泛应用于通讯、家电、仪表、宇航设备及控制等各个 领域［1］。
避障系统接收到命令后，通过发送超声波进行障
碍物探测，由微处理器对探测结果进行数据分析并传
送到主控制器判别是否有无障碍物，最终实现避障过
程。手机软件可实时观看轨道运输车的运行状态。
图3避障系统及定位系统结构框图
Fig. 3 Bloch diagram of ohstacle avoidaoco system and uosi —oning system
3.3轨道的设计及应力分析
3.3.1轨道设计
轨道包括固定直轨、移动直轨和弯导轨。固定直
轨和移动直轨依次交替衔接在在稻田埂上横向辅设,
在稻田埂上相邻并列横向辅设的轨道两端及固定直 轨和移动直轨的衔接处纵向设有弯导轨。固定直轨、 移动直轨、弯导轨均选用方钢制成且与地面平行，在
由固定直轨、移动直轨和弯导轨组成的轨道上设有与
其配合使用的输送车。固定直轨底面通过固定支架
固定在稻田埂上，移动直轨的首端与固定在稻田埂上 的液压升降架的中部固定，液压升降架的两端分别与
相邻两侧的右弯导轨固定，移动直轨的尾端底部与固
定在稻田埂上的液压升降承托架的顶部固定，且尾端
有与固定在稻田埂上的液压升降架上的右弯导轨衔
接形成轨道。轨道结构原理如图6所示。
图6中，当轨道车以车头方向正向前进时，向右
拐弯，。号和4号轨道通过液压控制进行向下运动与 直线轨道相平行；当轨道在。号轨道运行后，在直线 轨道运行；若要在2号轨道进行转弯时,2、3、5、6号弯
轨全部下移，且8、1、1号直线轨道同样进行下移, 轨道运行至起点；若从7、8号直线轨道运行后，在3
号弯轨进行转弯时,3、6弯轨进行下移，在1号进行 直线运动，回到起点，其余运动相同。
图6轨道结构原理图
Fig. 6 Stmcture p/ociple diagram of pathway
3.3.0轨道的受力分析及强度校核
采用SolidWords 中的Simulado-对轨道式水稻秧 苗运输车的关键受力部位-轨道进行了有限元分析,
从而可以比较真实地模拟出轨道在不同载荷下产生 的应力、应变情况。
现设定轨道材料为合金钢，轨道运输车的主要技 术指标和技术参数如表2所示。当空载时，轨道受到
约420N 的压力，达到最大承载量时受到960N 的压
力。用SolidWords Simulatiox 对轨道分别施加420N 和
960N 的压力进行有限元分析后，最终得到的应力、应
变图解如图7所示。
由图7可以看出：当轨道受到420N 的压力时，其
最大等效应力约为3. 263 x 14N/m 2；当轨道受到
960N 的压力时，最大等效应力约为7. 452x14N/m 6。
上述两种情况下，均没有超出材料的屈服力2. 204X
18N/m 2。根据以上分析结果可知，在实际应力的加
载下，该轨道完全满足应力强度要求。
表2轨道运输车的各项参数
Table 2 Parameters of rail Wanspod vedicle
项目
单位
技术参数、指标
外形参数（长X 宽X 高）
mm 806x 506x 756
空载质量ky 42最大承载量
ky
96
最大承载钵盘数量
盘
36额定功率W
420
供电电压
V 24
载荷ky W 16
行进速度
i s
-〜5（可调）
障碍监测距离cm 36电池电量
Ah
36
控制方式遥控
• 237
•
(a)压力F=420N
von M i ses(X/m 2)
▼ 3. 263c i-001 '-2. 991 e+()()4-2. 719er()04-2. 447e-i-()04
-2. 175c +004-1. 9()3e-r()0-1、「1. 631 ci-()01■- 1. 359e+004
-1.()畑汁()()1-8. I57e4)()3
5. 438e-H)()3'' ' 2. 719e-K)03
0. ()()()(:+()()()
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4*k 、+()(M 屈服丿J ： 6. 2(Mc+()(卅
242c+()()421(2 003
633l ()04
(b)压力F=960N
图6轨道的有限元分析图解
von \l ses (\/m'2)
7. 452c-004Fig. 6 Diayram of finite elemenl analysis of railway
4试验验证
4.0机构运行结果分析
将满载与空载情况下的样机进行运行试验，验证
各项指标情况。秧苗运输车能够实现无级变速(即0
〜5m/s )，运行转动平稳，可以实现机车的前进与后
退，提高了操作性能。为验证机车性能与可靠性，
2019年5月在建三江管理局水田试验田进行额定载
荷情况下的试验，结果如表3所示。试验结果表明： 秧苗运输车运行状态正常，不同载荷下的运行方向及
机车运行速度符合额定运行速度，没有超过正常范 围。
表3机车行进状态数据监测
Table 3 Locomotive miming status date monito/na
机车状态运行方向-速度/m • s -
直线
弯道
连接处
满载
正向0〜40〜3
0〜3逆向
0〜30-0.50〜3空载
正向
0〜50〜4
0〜4逆向0〜4
0-3.5
0〜4
40作业效率结果分析
所设计的运输车能够节约成本，减少人工挑苗,
解决了雇佣难问题。传统人工搬苗1次约6盘秧苗,
按1天10h 作业时间，1人1天搬运秧苗数为360盘；
而机械作业时，一次运输秧盘为36盘，能够满足高速
插秧机作业。秧苗运输车能够避免阴雨天影响，避免 阴雨天人工作业对苗田破坏及人员跌倒滑伤现象，提 高了工作效率，降低了劳动强度。
5结论
针对目前水稻秧苗运输的人工劳动强度大、成本
高等问题，通过对水稻田埂情况分析，架设水稻运输
车相应轨道，设计了一整台完整的轨道式秧苗运输 车。运输车不仅能够快速运输田间地头秧苗到高速 插秧机，还能及时补充秧苗，不受自然环境制约。其
配备自主定位系统，具有无人驾驶的功能，多层轨道 变轨形式能自主规划路线、选择轨道，进行往返运动,
可实现自主避障与急停，提高机械作业效率，降低劳
动强度与成本。参考文献：
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