正齿行星轮分插机构计算机辅助分析与设计

【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