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水稻插秧机株距变速箱的动力学仿真及有限元分析

作　者: 李英楠
导　师: 陈家权
学　校: 广西大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 株距变速箱虚拟样机动力学仿真啮合力有限元
分类号: S223.91
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

株距变速箱是水稻插秧机中的重要动力总成之一,它是插秧机主变速箱与插植系统之间动力传递的枢纽,是控制插秧株距的核心机构。齿轮传动系统作为株距变速箱动力传递的核心装置,其动力学行为对整个变速箱有着至关重要的影响。因此,对株距变速箱的齿轮传动系统进行动力学仿真分析具有十分重要的意义,可为株距变速箱的优化设计和故障诊断提供相应依据。本文以校企合作项目《乘坐式高速水稻插秧机的研制与开发》中的株距变速箱为研究对象,依据齿轮系统动力学理论、多体系统动力学理论、碰撞接触理论、有限元理论,基于虚拟样机技术综合应用UG、ADAMS、 ANSYS Workbench软件对株距变速箱进行动力学仿真及有限元分析。主要研究内容及结论如下：(1)根据株距变速箱的实际工作要求,对株距变速箱的结构进行了设计,确定了所有齿轮的基本参数,计算了株距变速箱传动系统的运动和动力参数,为动力学仿真分析结果提供参照。(2)利用UG软件和ADAMS软件创建了株距变速箱的虚拟样机模型,并对其进行动力学仿真分析,获得了不同档位齿轮啮合力的时域曲线,仿真结果表明定传动比档位齿轮的啮合力变化规律大体相同,啮合力围绕某一定值(静载荷)上下波动,重合度最小的输入级齿轮的啮合力波动幅度最大；变传动比档位椭圆齿轮的啮合力基本上是围绕其静力学曲线进行周期性的波动,并随着椭圆齿轮传动比的增大,啮合力波动幅度逐渐增大。以一对输入级齿轮为例,对其啮合力进行了频谱分析,分析表明齿轮除了发生以啮合频率为基频的振动外,还发生了2到7倍的高频振动,存在着较大的振动和噪声。(3)分别以静载荷和最大冲击载荷为加载条件利用ANSYS Workbench软件对承载最大且分度圆直径最小的齿轮进行了齿根弯曲应力和齿面接触应力的有限元分析,分析表明齿轮在承受最大冲击载荷时的最大弯曲应力和最大接触应力分别为静载时的2.01倍和1.63倍,齿轮满足强度要求。(4)研究了不同转速时齿轮的啮合力幅值、最大弯曲应力及最大接触应力的变化规律,研究表明随着转速的增大,齿轮的啮合力幅值、最大弯曲应力、最大接触应力均以近似线性的规律逐渐增大,当转速达到1400rpm时,最大接触应力超过了接触疲劳强度极限,轮齿存在过早发生疲劳损坏的危险。(5)利用ANSYS Workbench软件对株距变速箱壳体进行了模态分析,将模态分析结果与齿轮的最大啮合频率进行了比较,结果表明齿轮的最大啮合频率在壳体的1阶固有频率的共振范围之外,验证了壳体材料的选择和结构的设计是合理的。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-19
  1.1 课题研究背景与意义  12-14
    1.1.1 研究背景  12
    1.1.2 研究意义  12-14
  1.2 齿轮动力学理论的研究现状  14-15
  1.3 虚拟样机技术的发展概述  15-16
  1.4 虚拟样机技术在齿轮系统动力学仿真上的应用  16-17
  1.5 研究目的及主要工作内容  17-19
第二章株距变速箱的结构设计及虚拟样机模型的创建  19-44
  2.1 引言  19
  2.2 株距变速箱的结构组成与传动原理  19-21
    2.2.1 结构组成  19-20
    2.2.2 传动原理  20
    2.2.3 主要结构参数  20-21
  2.3 株距变速箱传动系统运动和动力参数的计算  21-29
    2.3.1 传动比的计算  21-23
    2.3.2 各级转速的计算  23-24
    2.3.3 各级转矩的计算  24
    2.3.4 齿轮啮合力的计算  24-28
    2.3.5 齿轮啮合频率的计算  28-29
  2.4 株距变速箱三维模型的创建  29-35
  2.5 株距变速箱ADAMS虚拟样机模型的创建  35-42
    2.5.1 模型数据转换  35-36
    2.5.2 添加约束和驱动  36-37
    2.5.3 添加接触力  37-42
  2.6 本章小结  42-44
第三章株距变速箱传动系统动力学仿真分析  44-60
  3.1 引言  44
  3.2 ADAMS多刚体系统动力学理论  44-49
    3.2.1 ADAMS多刚体系统的组成  44
    3.2.2 广义坐标的选择  44-45
    3.2.3 动力学方程的建立和求解  45-49
  3.3 株距变速箱虚拟样机模型传动比的验证  49-51
  3.4 株距变速箱传动系统动力学仿真分析  51-59
    3.4.1 添加负载扭矩  52-53
    3.4.2 动力学仿真结果分析  53-59
      3.4.2.1 定传动比档位齿轮啮合力分析  53-56
      3.4.2.2 变传动比档位齿轮啮合力分析  56-58
      3.4.2.3 齿轮啮合力频谱分析  58-59
  3.5 本章小结  59-60
第四章株距变速箱齿轮及壳体的有限元分析  60-73
  4.1 引言  60
  4.2 有限元法和及ANSYS Workbench软件平台介绍  60-61
  4.3 株距变速箱齿轮及壳体有限元仿真分析  61-72
    4.3.1 模型数据转换  62-63
    4.3.2 定义齿轮及壳体有限元模型的材料属性  63
    4.3.3 模型网格划分  63-64
    4.3.4 添加约束和载荷  64-66
    4.3.5 静载下的齿轮弯曲应力和接触应力分析  66-67
    4.3.6 最大冲击载荷下的齿轮弯曲应力和接触应力分析  67-68
    4.3.7 不同转速下的齿轮弯曲应力和接触应力分析  68-69
    4.3.8 壳体的模态分析  69-72
  4.4 本章小结  72-73
第五章总结与展望  73-75
  5.1 总结  73-74
  5.2 展望  74-75
参考文献  75-79
致谢  79-80
攻读硕士学位期间发表的论文  80

水稻插秧机株距变速箱的动力学仿真及有限元分析

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