变性偏心圆—非圆行星系分插机构分析、设计与参数优化

论文摘要

水稻是中国的主要粮食作物,水稻的播种面积超过了29962千公顷,占粮食播种面积的27.6%,稻谷产量18791万吨,占粮食产量的40.7%,并且中国是世界上种植水稻最古老的国家,稻作历史约有七千年,是世界栽培稻起源地之一。但是我国水稻生产机械化总体水平不高,基本采用人工育秧,插秧,收获,劳动强度大,生产效率底下,而且伴随着人力资源价格的提升,这种人工方式显示出的弊病越来越明显。水稻插秧机械化对扩大水稻种植面积,提高水稻产量,减轻水稻种植强度,降低生产成本,增加农业效益起着非常重要的作用。水稻插秧机的核心部件为分插机构,其性能的优劣直接决定了插秧机的整机水平。目前在市场上销售的高速插秧机的旋转式分插机构一般都是采用了日本研制的偏心齿轮分插机构或椭圆齿轮分插机构。上述的分插机构一般只是考虑秧针轨迹是否能达到插秧的要求,而对秧针相对速度（秧针相对速度的大小决定了分插机构的“伤秧率”的大小）并没有进行考虑。为了降低分插机构的“伤秧率”,提高水稻的产量,我们就必须设计出一种新的分插机构来达到满足秧针轨迹的前提下降低秧针相对速度的目的。本文成功的设计了具有自主知识产权的新型分插机构——变性偏心圆-非圆齿轮行星系分插机构,研究内容主要有:1)通过对日本的高速插秧机旋转式分插机构以及目前常用的曲柄摇杆分插机构的工作机理和运动特性分析,指出旋转式分插机构的核心技术是非匀速传动机构。2)本论文首次提出了将变性应用到偏心-非圆齿轮中,形成了一种新的变性偏心圆-非圆齿轮,对齿轮节曲线的封闭性和凸凹性进行了验证,并将这种新的齿轮应用到了分插机构上。建立了变性偏心圆-非圆齿轮行星系分插机构运动学模型,论述了变性偏心圆-非圆齿轮分插机构的工作原理和结构特点。3)以建立的齿轮和分插机构的数学模型,分别自主开发了齿轮齿廓生成软件和变性偏心圆-非圆齿轮行星系分插机构的辅助分析与优化软件。介绍了非圆齿轮齿廓生成的包络法原理和两种软件的基本功能模块、特点。4)根据我国农艺要求,提出分插机构参数优化的目标和方法,分析参数变化对分插机构运动特性的影响,利用自主开发的软件采用人机交互的优化方法,优化出分插机构的结构参数,来满足高速插秧机的插秧工作要求。将变性偏心圆-非圆齿轮分插机构与原来的分插机构在秧针相对速度和轨迹上进行了对比,突出了这种新的变性偏心圆-非圆齿轮行星系分插机构的优势。5)按照优化得到的结构参数,进行变性偏心齿轮-非圆齿轮行星系分插机构的整体设计,讨论了设计中应该注意的问题,最后在AutoCAD2004下完成各零件的设计和装配图。6)在三维软件UG中建立分插机构各部件的实体模型,并对其进行了虚拟装配。利用机械系统仿真分析软件ADAMS对机构进行动态仿真。得出动态仿真结果,三维动态仿真所得到的秧针轨迹与VB软件理论分析所得到的秧针的运动轨迹高度一致,验证了可以通过变性偏心齿轮与非圆齿轮外啮合传动可以满足插秧要求,同时互相印证了理论模型与仿真模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究意义和目的
• 1.2 我国现有的水稻机械化种植程度现状
• 1.3 我国现有的水稻种植机械的类型
• 1.4 现有的插秧机分插机构现状
• 1.4.1 传统分插机构
• 1.4.2 高速插秧机分插机构
• 1.5 分插机构的发展趋势
• 1.6 本章小结
• 第二章 变性偏心圆-非圆齿轮的传动特性分析
• 2.1 非圆齿轮传动概论
• 2.1.1 非圆齿轮的传动特性
• 2.2 非圆齿轮节曲线的设计
• 2.2.1 变性齿轮节曲线的设计
• 2.2.2 变性偏心圆-非圆齿轮的设计
• 2.2.3 变性偏心圆-非圆齿轮节曲线封闭条件
• 2.2.4 变性偏心圆-非圆齿轮节曲线的曲率半径及凸性校验
• 2.3 变性系数对传动比函数和齿轮的节曲线的影响
• 2.4 变性偏新非圆齿轮分插机构的组成，工作原理和结构特点
• 2.4.1 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构的组成
• 2.4.2 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构的工作原理
• 2.4.3 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构的工作特点
• 2.5 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构的设计难点
• 2.6 变性偏心圆-非圆齿轮行星系分插机构运动学模型的建立
• 2.6.1 运动学分析符号的说明
• 2.6.2 分插机构上个点的位移方程建立
• 2.6.3 分插机构上各点速度和各个构件的速度方程的建立
• 2.6.4 分插机构上各点的加速度和各个构件的加速度方程建立
• 2.7 本章小结
• 第三章 变性偏心圆-非圆齿轮行星系分插机构的计算机辅助分析系统的开发与实现
• 3.1 辅助分析软件的概述
• 3.1.1 软件开发的背景，分类及意义
• 3.1.2 软件开发
• 3.1.3 分插机构软件系统的结构
• 3.2 分插机构运动分析软件的特点及主要功能介绍
• 3.2.1 分插机构运动分析软件特点
• 3.2.2 分插机构运动分析软件主要功能介绍
• 3.3 变性偏心圆-非圆齿轮齿廓设计软件的开发、特点及功能介绍
• 3.3.1 变性偏心圆-非圆齿轮齿廓设计软件的开发
• 3.3.2 变性偏心圆-非圆齿轮齿廓设计软件的特点
• 3.3.3 变性偏心圆-非圆齿轮齿廓程序主要功能的介绍
• 3.4 本章小结
• 第四章 变性偏心圆-非圆齿轮行星轮系分插机构参数优化
• 4.1 分插机构参数优化的目标要求和方法
• 4.1.1 优化目标
• 4.1.2 机构参数优化方法
• 4.2 参数变化对分插机构运动特性的影响
• 4.2.1 结构参数对秧针运动特性的影响
• 4.2.2 分插机构优化
• 4.3 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构与偏心非圆齿轮分插机构特性的对比
• 4.3.1 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构与偏心非圆齿轮分插机构秧针速度对比
• 4.3.2 变性偏心圆-非圆齿轮秧针轨迹与偏心非圆齿轮秧针轨迹对比
• 4.4 本章小结
• 第五章 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构的结构设计
• 5.1 变性非圆齿轮分插机构的整体机构设计
• 5.2 推秧装置的设计
• 5.2.1 凸轮和拨叉的设计
• 5.2.2 栽植臂设计要考虑的几个问题
• 5.3 本章小结
• 第六章 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构三维模型的建立和仿真
• 6.1 分插机构三维模型的建立
• 6.1.1 三维建模软件UG 简介
• 6.1.2 变性偏心圆-非圆齿轮三维实体模型的建立
• 6.1.3 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构的三维模型的建立
• 6.1.4 变性偏心圆-非圆齿轮装配体模型的检验
• 6.2 基于 ADAMS 的分插机构运动仿真
• 6.2.1 ADAMS 软件简介
• 6.2.2 软件间的数据交换
• 6.2.3 施加约束
• 6.2.4 施加驱动及载荷
• 6.2.5 变性偏心圆-非圆齿轮分插机构仿真结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间获得的研究成果