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正齿行星轮分插机构计算机辅助分析与设计

作　者: 赵凤芹
导　师: 鲁楠；赵匀
学　校: 沈阳农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 高速插秧机正齿行星轮分插机构运动学分析动力学分析计算机辅助分析高速摄影
分类号: TH132.4
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

分插机构是水稻插秧机的核心工作部件，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各种高速插秧机，其关键部件—旋转式分插机构，皆是采用日本设计的偏心齿轮分插机构或椭圆齿轮分插机构，日本已将其申报了专利。为了实现高速插秧机的国产化，设计和研制出新型的分插机构，将有力地促进我国水稻种植机械化的发展。论文的研究得到了国家自然科学基金科研课题“高速水稻插秧机分插机构的机理和结构参数研究”和浙江省重点课题“高速水稻插秧、深施肥联合作业机”等项目资助。本文以插秧机高速分插机构(正齿行星轮分插机构)为研究对象，依据机构学的原理，利用CAA和CAD技术，在理论和应用两方面，对分插机构的计算、分析、模拟、设计和试验的全过程进行了研究和探索，给出了该机构的运动学和动力学分析的数学模型，并以此为基础。开发了分插机构的计算机辅助分析系统。进而为新型的高速分插机构的设计及参数优化提供理论基础、机械设计图样和实用软件。其研究内容对国民经济的发展和我国农业现代化水平的提高具有重要的意义。本文在分析了我国目前常用的曲柄摇杆分插机构和日本的高速插秧机旋转式分插机构的工作机理和运动特性的基础上，指出采用偏心齿轮或椭圆齿轮的非匀速比传动是旋转式分插机构的技术核心，首次提出一种新型的高速分插机构—正齿行星轮分插机构，该机构已获得国家实用新型专利，专利号98245494.5。本文研究的主要内容包括： (1)提出了正齿行星轮分插机构的工作原理。根据行星系椭圆齿轮传动的角位移关系推导出的传动比函数可知：“适当改变椭圆齿轮的偏心率就能满足插秧要求的转角关系”。据此提出了由一级椭圆齿轮传动实现非匀速比传动，并由圆柱齿轮作为行星轮构成的正齿行星轮分插机构，其工作原理与椭圆齿轮行星系分插机构相似，在结构上用四个圆柱齿轮代替椭圆齿轮行星系分插机构中的两个椭圆齿轮。通过优化结构参数，找出了适合南北方插秧的工作轨迹。 (2)开发出分插机构的计算机辅助分析系统。在分析正齿行星轮分插机构工作原理的基础上，探讨了椭圆齿轮副啮合的传动特性和分插机构的转角关系。推导出分插机构的运动学方程的解析形式，进而利用VB平台开发了分插机构的计算机辅助分析系统。该系统具有良好的工作界面，便于设计者进行理论分析和参数优化，图形具有形象直观，信息量大等特点。 (3)给出了栽植臂上各点相对动、静两个坐标系的矩阵变换的数学模型。根据此模型可以求出栽植臂相对动、静两个坐标系的运动学参数与行星架转角之间的关系。 (4)在国内首次对旋转式分插机构进行了动力学理论研究。在总结分插机构动力学分析的方法及存在问题的基础上，考虑到推秧装置的作用，驱动摘要力求解以及推秧装置对凸轮的反力矩等复杂问题，首次对旋转式分插机构进行了受力分析，并建立了动力学数学模型。利用方程的逐次求解法，通过编制计算机程序，对机构上各点的受力进行了求解，结果表明：在推秧和碰撞过程中各个力都有一个较大的变化，说明推秧和碰撞对机构各点的受力影响很大，是机器引起振动的主要原因，是不能忽略的；并且又为机构参数的二－级优化了提供理论基础。更重要的一点是，本文提出的动力学分析方法具有普遍意义，也适用于其它机构的动力学分析。（5）对分插机构的机理进行了深入研究，并优化出结构参数。利用机构学的知识深入分析了正齿行星轮分插机构的工作原理，采用计算机辅助分析的方法对分插机构的运动特性进行了模拟试验研究。在VB平台上通过人机对话方式，以适合南北方插秧的工作轨迹和秧爪角度变化作为目标函数优化结构参数。并在此基础上进行了机构的设计。其创新之处在于高速分插机构本身硬件的先进性与先进的CAA和CAD技术的有机结合。（6）对分插机构设计过程中存在的关键问题进行了研究。主要包括椭圆齿轮几何参数的设计计算，椭圆齿轮的加工方法，并重点指出了椭圆齿轮的齿数必须设计成奇数的原因；对取秧点和秧门位置的确定、栽植臂的设计与运动干涉问题、凸轮和拨叉的设计以及凸轮的初始安装位置的确定等问题进行了分析，并给出了解诀的方法。（）对分插机构基于 MDT和 CAXA进行了计算机虚拟制造的研究。虚拟制造结果表明：分插机构的原理可行、结构合理，达到了预期的目标。采用MDT程设计软件对正齿行星轮式高速分插机构的零部件进行设计，使工程设计从二维的平面设计跨越到三维立体设计，整个机械设计过程变得更为直观、便捷和高效，为机械设计提供了一种崭新的设计方法。虽然出于软硬件的原因未能进行虚拟样机的制造和试验，却对于以后的设计研究奠定了坚实的基础。（8）在国内首次采用高速摄影技术，对分插机构运动、推秧杆的推秧动作是否准确和适时、秧茵姿态等进行了三维动态检测。并利用图像处理和分析技术分析出分插机构秧针尖的运动轨迹、速度和加速度以及秧针在整个插秧过程中的相对角位移和绝对角位移；通

全文目录

中文摘要  11-13
第一章绪论  13-29
  一、课题提出的背景  13-14
  二、本研究的目的和意义  14-15
  三、国内外水稻插秧机的研究动态和发展趋势  15-18
    （一）国外插秧机发展概况  15-16
    （二）国内插秧机发展概况  16-17
    （三）机动水稻插秧机的发展动向  17-18
  四、水稻插秧机分插机构概述  18-21
    （一）传统分插机构研究概述  18-19
    （二）高速分插机构研究概述  19-21
  五、常用分插机构运动学分析研究现状  21-26
    （一）曲柄摇杆分插机构  22-23
    （二）偏心齿轮行星系分插机构  23-25
    （三）椭圆齿轮行星系分插机构  25-26
  六、常用分插机构动力学分析研究现状  26-27
  七、研究的主要内容和技术路线  27-29
第二章正齿行星轮分插机构的工作原理  29-47
  一、正齿行星轮分插机构的工作原理  29-30
    （一）正齿行星轮分插机构简图  29
    （二）正齿行星轮分插机构的特点  29-30
  二、椭圆齿轮传动的运动分析  30-36
    （一）椭圆齿轮传动角位移关系  30-31
    （二）相位相同的椭圆齿轮定轴轮系的转角关系及传动比  31-32
    （三）相位相同的椭圆齿轮行星轮系的转角关系及传动比  32-36
  三、正齿行星轮分插机构的运动学模型  36-41
    （一）几点约定  36-37
    （二）机构上各点的位移方程  37-39
    （三）速度分析  39-40
    （四）加速度分析  40-41
  四、正齿行星轮分插机构运动过程的坐标转换  41-46
    （一）刚体平面运动的位移矩阵  41-43
    （二）刚体平面运动的速度矩阵和加速度矩阵  43-46
  本章小结  46-47
第三章正齿行星轮分插机构动力学分析  47-69
  一、刚体相对运动微分方程及其应用规则  47-48
  二、力的坐标变换  48-50
  三、驱动力求解  50-52
    （一）链条传动  50-51
    （二）齿轮传动  51
    （三）椭圆齿轮传动  51-52
  四、分插机构的动力学分析  52-65
    （一）分插机构工作过程  52-53
    （二）动力学模型的符号说明  53-55
    （三）推秧过程的动力学分析  55-57
    （四）碰撞过程的动力学分析  57-60
    （五）栽植机构的动力学模型  60-65
  五、动力学模型的应用  65-68
  本章小结  68-69
第四章正齿行星轮分插机构的结构参数优化及运动特性分析  69-79
  一、正齿行星轮分插机构的结构参数优化及结果  69-72
    （一）结构参数优化的目标  69
    （二）结构参数优化的方法  69-71
    （三）结构参数优化的结果  71-72
  二、参数变化对分插机构运动特性的影响  72-76
    （一）参数对秧针运动轨迹的影响  72-76
    （二） α_0和φ_0对取秧角、推秧角及其角度差的影响  76
  三、与现有分插机构的运动特性的对比  76-78
    （一）角位移比较  76-77
    （二）速度比较  77
    （三）加速度比较  77-78
  本章小结  78-79
第五章正齿行星轮分插机构的结构设计  79-93
  一、正齿行星轮分插机构的整体结构设计  79-80
  二、椭圆齿轮的设计与加工  80-84
    （一）椭圆齿轮节曲线弧长的计算  80-81
    （二）椭圆齿轮啮合的压力角及根切校验  81-82
    （三）椭圆齿轮的设计  82-84
    （四）椭圆齿轮的加工  84
  三、其它部件设计及其应考虑的几个问题  84-89
    （一）栽植臂的设计与运动干涉  84-86
    （二）凸轮、拨叉的设计与凸轮安装位置的确定  86-88
    （三）取秧点和秧门位置的确定  88-89
  四、正齿行星轮分插机构主要零件的强度计算  89-92
    （一）齿轮的强度计算  89-90
    （二）轴的强度校核  90-92
  本章小结  92-93
第六章正齿行星轮分插机构的计算机虚拟制造与仿真  93-101
  一、 MDT特征  93-94
    （一）辅助特征  93-94
    （二）几何特征  94
  二、对产品进行剖析，确定主要特征和合理的建模顺序  94-96
  三、 MDT环境下的三维参数化标准件库的建立  96-99
    （一）建立表驱动零件的必要性  96-97
    （二）三维参数化标准件库的系统结构和主要内容  97
    （三）三维参数化标准件库的构造方法  97-99
  四、分插机构的装配  99-100
  本章小结  100-101
第七章正齿行星轮分插机构CAA系统的设计与实现  101-109
  一、系统概述  101-102
    （一）系统开发应用背景  101
    （二）系统开发与应用环境  101-102
    （三）系统总体结构  102
  二、系统特点  102-103
  三、系统的主要功能  103-107
    （一）椭圆齿轮参数计算模块  103-104
    （二）分插机构运动分析模块  104-105
    （三）秧针尖的运动特性模块  105
    （四）椭圆齿轮角位移分析模块  105
    （五）动力学分析模块  105-106
    （六）辅助功能模块  106-107
  四、优化实例分析  107-108
  本章小结  108-109
第八章正齿行星轮分插机构试验研究  109-119
  一、试验设备与试验方法  109-111
  二、日本偏心齿轮分插机构试验结果分析  111-112
  三、正齿行星轮分插机构试验结果分析  112-115
  四、秧苗姿态的检测  115-118
  本章小结  118-119
结论与展望  119-122
参考文献  122-127
致谢  127-128
英文摘要  128-132
攻读博士期间发表的学术论文目录  132-133
论文图表统计  133-134
附录科技查新报告  134-142

正齿行星轮分插机构计算机辅助分析与设计

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