高速水稻插秧机关键技术研究

论文摘要

水稻是我国种植面积最大、单产最高、总产量最多的粮食作物，占我国粮食产量的40％，在我国粮食生产中有着举足轻重的地位。但是，我国的水稻种植机械化水平确一直不高，严重地影响了我国水稻种植的发展。近年来，随着我国农业机械化总体水平的提高，水稻生产机械化得到了长足发展。到2003年底，水稻机械化种植面积近135万hm，机械化种植水平达到了6％，但与发达国家相比，我国水稻生产机械化水平依然很低，尤其是水稻种植机械化水平更低。所以，开展高速水稻插秧机的理论和技术的研究对提高我国水稻种植机械化水平具有重要的理论意义和实际意义。现代高速水稻插秧机械作业与传统的插秧机作业相比插秧的频次提高一倍多，工作幅宽加大和插秧机的工作负荷提高了许多。因此，出现了一系列的理论和技术问题。本文围绕高速插秧机关键技术这一主题，在大量相关文献阅读和理论研究的基础上，对高速水稻插秧机的核心工作部件——旋转式分插机构和移箱机构的关键理论和技术进行了深入研究，取得了一些创新性成果和具有工程使用价值的分析方法，对高速水稻插秧机的设计和生产具有指导意义。主要研究内容和结论如下：1)研究了国内外水稻插秧机械的发展状况，分析了我国水稻插秧机械存在的问题；论述了水稻栽植作业对插秧机的要求；提出了影响现代高速水稻插秧机械发展的关键技术问题。2)根据农业插秧的基本要求，分析了机械插秧时秧针的运动轨迹，提出了机械插秧工作时秧针在取秧、送秧、插秧、回转、避让和回程过程中机器前进速度与秧针速度之间应有的关系。在研究秧针运动轨迹和齿轮传动节曲线理论的基础上，以差速分插机构齿轮的节曲线为研究对象，分析研究了旋转式分插机构周转系齿轮的节曲线形状。从理论上证明，要完成农艺要求的插秧轨迹轨，旋转式分插机构必须采用非圆齿轮系，普通的圆齿轮系无法完成农艺上提出的秧针运动轨迹。并对高速插秧机的旋转式分插机构非圆齿轮系的传动比进行了研究，为旋转式分插机构的设计和参数优化提供了理论基础。3)在分析研究旋转式分插机构运动学模型的基础上，建立了栽植臂机构运动干涉点的位移模型，借助VB系统的特点和可视化功能，提出了基于VB的快速机构运动干涉判别法，借助VB平台，完全由计算机自动实时判别机构的干涉情况，为旋转式分插机构的优化设计和参数化设计提供了一个重要的理论平台。运用正交试验设计的方法对影响旋转式分插机构运动干涉因素进行了分析，提出了影响旋转式分插机构运动干涉的五个因素的主次顺序，为该机构的优化设计及运动干涉检查提供了依据。4)针对目前高速水稻插秧机工作转速提高后，旋转式分插机构插秧性能急剧下降的问题，研究了旋转式分插机构栽植臂的动力学特性。从秧针运动轨迹和推秧杆运动轨迹的理论分析中，找出了分插机构工作性能急剧下降的原因，提出了满足栽植臂顺利插秧的高速水稻插秧机最高工作转速的设计理论。5)以差速旋转式分插机构为研究对象，开展了高速插秧机关键部件虚拟样机的仿真运动研究。针对旋转式分插机构的非圆齿轮系的特点，建立了差速旋转式分插机构的模型。利用ADAMS机构运动仿真功能，对建立的机构模型进行了运动学和动力学特性的虚拟样机试验。6)在高速水稻插秧机试验台上进行了差速旋转式分插机构的运动学特性试验，利用试验的结果与差速旋转式分插机构的ADAMS机构运动的虚拟样机试验的结果进行了对比。并证明，借助ADAMS机构虚拟仿真分析复杂的非圆齿轮系分插机构的运动学分析，分析数据精确。7)对高速水稻插秧机关键部件——移箱机构的螺旋轴滑块机构进行了研究。在对螺旋轴机构进行受力分析的基础上，从滑块顺利通过齿槽交叉点的要求方面，对螺旋轴中间段齿槽和滑块的尺寸进行了参数优化分析；针对螺旋轴两端曲线齿槽反向段在高速工作时冲击大、磨损快的问题；从减少滑块在齿槽反向段运动的冲击方面，比较分析了圆弧、抛物线、三角函数等曲线作为螺旋轴齿槽反向段曲线的加速度，提出了较优的反向段曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外水稻插秧机械现状
• 1.2.1 日本水稻插秧机械现状
• 1.2.2 韩国水稻插秧机械现状
• 1.3 国内水稻插秧机械现状、发展及存在的问题
• 1.3.1 国内水稻插秧机械现状
• 1.3.2 国内水稻插秧机械存在的问题
• 1.3.3 水稻插秧机械发展趋势
• 1.4 高速水稻插秧机分插机构的研究和发展
• 1.4.1 传统分插机构
• 1.4.2 高速插秧机分插机构
• 1.5 高速水稻插秧机移箱机构的研究和发展
• 1.5.1 国内外移箱机构研究现状
• 1.5.2 高速水稻移箱机构的发展趋势及特点
• 1.6 高速水稻插秧机研制的关键技术理论问题
• 1.7 研究内容和方法
• 1.7.1 研究内容
• 1.7.2 研究方法
• 第二章 插秧轨迹与非圆齿轮系分插机构
• 2.1 秧针的运动轨迹分析
• 2.2 旋转式分插机构的齿轮节曲线
• 2.2.1 齿轮传动的节曲线
• 2.2.2 差速轮系分插机构的齿轮节曲线分析
• 2.3 非圆齿轮系分插机构传动比
• 2.4 本章小结
• 第三章 旋转式分插机构栽植臂运动干涉研究
• 3.1 分插机构栽植臂运动干涉点的机构位移模型
• 3.2 检查分插机构运动干涉方法的研究
• 3.2.1 人机交互判别方法
• 3.2.2 基于Visual Basic的快速判别运动干涉法
• 3.3 机构运动干涉因素分析
• 3.3.1 单因素作用对干涉量的影响
• 3.3.2 正交试验
• 3.3.3 结论
• 3.4 本章小结
• 第四章 旋转式分插机构推秧过程研究
• 4.1 推秧杆运动学模型的建立
• 4.2 推秧杆动力学模型的建立
• 4.2.1 推秧过程的动力学分析
• 4.2.2 推秧杆的动力学平衡方程
• 4.2.3 拨叉的动力学平衡方程
• 4.3 分插机构推秧过程研究
• 4.3.1 推秧过程仿真软件的编制
• 4.3.2 推秧杆运动曲线分析
• 4.3.3 结论
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于ADAMS软件差速旋转式分插机构系统动力分析
• 5.1 多体系统动力学研究
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 计算多体系统动力学建模和一般求解过程
• 5.2 多刚体系统运动学和动力学
• 5.3 ADAMS运动仿真模型的建立
• 5.3.1 几何模型的建立
• 5.3.2 定义约束和运动
• 5.3.3 施加作用力
• 5.3.4 自由度验证
• 5.4 机构的系统的仿真与分析
• 5.4.1 椭圆齿轮传动的受力分析
• 5.4.2 差速分插机构运动学分析
• 5.4.3 差速分插机构动力学分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 差速分插机构的试验研究
• 6.1 试验设备与试验方法
• 6.1.1 试验设备
• 6.1.2 试验方法
• 6.2 试验指标的确定
• 6.3 差速分插机构的试验结果分析
• 6.3.1 秧针尖点的静轨迹
• 6.3.2 秧针尖点的速度分析
• 6.3.3 秧针的角位移曲线分析
• 6.3.4 秧针的加速度曲线分析
• 6.3.5 分插机构的工作过程测试分析
• 6.4 分析与结论
• 6.5 本章小结
• 第七章 差速分插机构的运动学参数优化软件的研究
• 7.1 软件的基本概况
• 7.1.1 软件开发的必要性
• 7.1.2 软件开发与应用环境
• 7.1.3 软件系统的组成
• 7.1.4 优化软件特点
• 7.2 优化软件的主要功能
• 7.2.1 椭圆齿轮参数计算模块
• 7.2.2 椭圆齿轮齿廓曲线生成模块
• 7.2.3 分插机构运动分析模块
• 7.2.4 秧针尖的运动特性模块
• 7.2.5 椭圆齿轮角位移分析模块
• 7.2.6 辅助功能模块
• 7.3 本章小结
• 第八章 高速水稻插秧机移箱机构螺旋轴的参数优化
• 8.1 移箱螺旋轴机构的受力分析
• 8.2 滑块不顶撞双滑道交点的基本条件
• 8.3 减少螺旋轴反向段冲击载荷的齿槽曲线研究
• 8.3.1 圆弧曲线与二次抛物线反向段过渡齿槽曲线模型建立和冲击载荷的比较
• 8.3.2 三角函数过渡曲线
• 8.3.3 反向段不同过渡曲线类加速度特性比较
• 8.4 螺旋轴基园柱半径确定
• 8.5 本章小结
• 第九章 结论和展望
• 9.1 结论
• 9.2 本论文的主要创新点
• 9.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士学习期间发表的相关论著、主持的课题和申报的专利
• 本论文采用的实验仪器设备