偏心齿轮—非圆齿轮后插旋转式分插机构的分析与试验研究

论文摘要

目前,国内市场上销售的步行式水稻插秧机的核心工作部件——后插式分插机构几乎都是采用曲柄摇杆式,国内没有自主知识产权。同时,后插曲柄摇杆式分插机构存在转动不平稳、振动大等缺点。本文针对步行式水稻插秧机的工作要求,使分插机构形成“海豚形”静轨迹,将偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系应用于水稻插秧机后插式分插机构的设计中,设计出一种新的后插旋转式分插机构。本文具体的研究方法及结论如下:1)通过分析现有曲柄摇杆式分插机构和后插旋转式分插机构形成后插式插秧轨迹（“海豚形”静轨迹）的工作原理,采用偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系作为分插机构的传动部件实现非匀速传动。2)分析该分插机构的运动学特性,包括偏心齿轮-非圆齿轮的传动比分析、行星轮的相对角位移和角速度分析以及秧针尖点的相对速度分析,并建立运动学模型。3)根据建立的分插机构运动学模型,基于VB6.0自主开发偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构辅助分析与优化软件,通过人机交互方式,优化出一组较优的能满足步行式水稻插秧机插秧要求的结构参数。4)基于VB.NET采用NX Open for.NET的开发方式对UG进行二次开发。在UG中进行参数化建模,利用VB.NET定制用户界面,控制参数变量,实现分插机构各零部件及零部件之间的参数化变形设计。同时,采用Matlab与VB.NET混编技术计算出非圆齿轮齿廓,并利用非圆齿轮齿廓直接拉伸的方法实现非圆齿轮的参数化变形设计。5)利用ADAMS软件建立分插机构的虚拟样机模型,进行虚拟样机试验。通过运动学和动力学仿真分析,将得到的仿真结果与理论计算结果进行比较,验证数学建模的正确性及分插机构是否满足插秧要求。6)设计后插式分插机构试验台,在试验台上测试分插机构的运动学和动力学特性,并与理论分析结果进行比较。本文研制出了偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构,该机构的传动部件由两个全等的偏心齿轮和一个与其共轭的非圆齿轮构成。通过参数优化得到一组满足步行式水稻插秧机插秧要求的参数（e=4mm,R=19.125mm,α0 = 96°,δ0 = 84°,φ0 = 6°,S=180mm,H=140mm,a=38.663mm,m=2.25mm,z=17）,并实现该分插机构的参数化变形设计。虚拟样机试验和试验台实验的结果表明:实验结果与理论分析结果基本一致,验证了理论模型的准确性及分插机构实际工作的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 后插式分插机构概述
• 1.2.1 后插旋转式分插机构及“海豚形”静轨迹的形成
• 1.2.2 步行式插秧机工作系统
• 1.2.3 栽植臂及推秧装置
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 后插曲柄摇杆式分插机构国内外研究现状
• 1.3.2 后插旋转式分插机构国内外研究现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构的运动学分析
• 2.1 运动学分析符号及相关规则说明
• 2.2 偏心齿轮-非圆齿轮传动特性分析
• 2.2.1 偏心齿轮及与其共轭的非圆齿轮节曲线分析
• 2.2.2 传动比分析
• 2.3 偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系运动学分析
• 2.3.1 角位移分析
• 2.3.2 角速度分析
• 2.4 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构运动学模型的建立
• 2.4.1 工作原理
• 2.4.2 分插机构上各点位移方程
• 2.4.3 分插机构上各点速度方程和角速度方程
• 2.4.4 分插机构上各点加速度方程和各构件角加速度方程
• 2.5 本章小结
• 第三章偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构辅助分析与优化软件的开发
• 3.1 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构辅助分析与优化软件概述
• 3.1.1 开发背景及平台
• 3.1.2 优化软件设计思路
• 3.2 优化软件系统界面
• 3.2.1 优化软件的启动界面
• 3.2.2 优化软件的操作界面
• 3.3 优化软件系统结构
• 3.3.1 秧针运动轨迹分析模块
• 3.3.2 初始位置分析模块
• 3.3.3 相对运动分析模块
• 3.3.4 绝对运动分析模块
• 3.3.5 参数计算功能模块
• 3.3.6 秧针尖点静轨迹保存功能模块
• 3.3.7 秧针尖点运动速度曲线功能模块
• 3.4 本章小结
• 第四章 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构结构参数优化
• 4.1 后插旋转式分插机构的参数优化方法
• 4.1.1 多目标优化问题的一般解决方法
• 4.1.2 人机交互优化方法
• 4.2 优化目标
• 4.3 参数变量对优化目标的影响
• 4.3.1 偏心量e 对优化目标的影响
• 4.3.2 偏心齿轮半径R 对优化目标的影响
• 4.3.3 S 值对优化目标的影响
• 0 值对优化目标的影响'>4.3.4 α₀值对优化目标的影响
• 0 值对优化目标的影响'>4.3.5 φ₀值对优化目标的影响
• 0 值对优化目标的影响'>4.3.6 δ₀值对优化目标的影响
• 4.3.7 参数对插秧穴口宽度的影响
• 4.4 分插机构参数优化的结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构参数化变形设计
• 5.1 二次开发相关技术简介
• 5.1.1 基于.NET 的UG 二次开发技术简介
• 5.1.2 MALAB 与VB.NET 混编技术简介
• 5.2 参数化变形设计概述
• 5.2.1 参数化变形设计的设计思路
• 5.2.2 参数化变形设计在农业机械中的应用
• 5.3 分插机构的参数化变形设计
• 5.3.1 设计方法与思路
• 5.3.2 后插旋转式分插机构的参数分析
• 5.4 主要零件参数化变形设计
• 5.4.1 非圆齿轮（中间轮）的参数化变形设计
• 5.4.2 齿轮箱壳体的参数化变形设计
• 5.4.3 凸轮的参数化变形设计
• 5.4.4 其他零件的参数化变形设计
• 5.5 参数化装配
• 5.5.1 传动部件装配
• 5.5.2 栽植臂部件装配
• 5.5.3 分插机构总装配
• 5.6 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构参数化变形设计模块
• 5.7 本章小结
• 第六章 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构虚拟样机试验
• 6.1 ADAMS 与UG 的数据交换
• 6.2 分插机构虚拟样机模型的建立
• 6.2.1 模型的简化
• 6.2.2 修改零部件材料属性
• 6.2.3 添加约束、载荷及驱动
• 6.2.4 模型检查
• 6.3 试验结果分析
• 6.3.1 秧针尖点运动轨迹分析
• 6.3.2 秧针尖点速度分析
• 6.3.3 取秧量分析、秧针与秧门干涉检验
• 6.3.4 支座力分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构实验验证
• 7.1 运动学特性测试
• 7.1.1 实验设备与实验步骤
• 7.1.2 测定参数的确定
• 7.1.3 实验结果分析
• 7.2 动力学特性测试
• 7.2.1 测定参数的确定
• 7.2.2 试验台的设计
• 7.2.3 试验设备
• 7.2.4 实验条件与步骤
• 7.2.5 实验结果分析
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果