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椭圆齿轮行星系分插机构的动力性能分析、参数优化及实验验证

陈建能  
【摘要】: 水稻插秧机械化是提高插秧效率、减轻农民劳动强度的主要措施之一。如果我国插秧机械化水平提高1%,每年就能增产粮食3.75亿kg,但目前我国的机插率只有2.8%,其主要原因是国产插秧机的可靠性低,而进口的高速插秧机价格太高且对我国南方双季稻的晚稻大苗栽插适应性差,因而研究适合我国国情的高速水稻插秧机势在必行。分插机构是水稻插秧机的核心工作部分,其工作性能直接影响插秧质量和效率,因此研究分插机构对最终研制出符合我国国情的高速水稻插秧机具有理论价值和重大现实意义。 旋转式高速水稻插秧机的分插机构具有其自身优点,插次可达400~600次/分钟,代表未来的发展趋势。浙江大学赵匀教授先后研究并发明了5种水稻插秧机的分插机构,它们都能满足各种水稻栽插的轨迹和姿态(取秧角和插秧角)的要求,但对这些机构的动力学特性未做进一步深入基础研究。本文的研究目的是以椭圆齿轮行星轮系分插机构为主要研究对象,分析其动力学特性,建立动力学模型并验证,最后建立动力学优化模型并找出最佳参数。本文主要的研究内容和结果如下: 1) 研究国内外各种类型的旋转式高速水稻插秧机分插机构的工作原理,指出尚待研究的问题——研究其动力学特性,以改善动力学特性,进一步提高插次;为此提出了动力学两级优化的创新性思路——以运动学优化(1级优化)得到的机构参数范围作为动力学优化(2级优化)的约束条件,最终得到的最佳参数不仅能满足运动学的要求,又具有最佳的动力学特性。 2) 提出了对椭圆齿轮行星系分插机构这种复杂机构进行运动学和动力学分析必须遵循的一些规则和方法,使复杂问题得以简化,避免出现各种错误。着重论述了反三角函数唯一值的求解方法,推导了解折形式的刚体复合运动微分方程,提出动力学方程组逐次求解的方法和与之配套的驱动力分析方法,为后续的运动学和动力学分析奠定基础。 3) 对椭圆齿轮行星系分插机构进行运动学分析,建立数学模型,开发了辅助分析软件,并通过高速摄像验证所建立的数学模型的正确性。 4) 根据所建立的运动学数学模型,构建人机一体优化系统,基于Visual Basic 6.0编写良好人机对话的优化软件。基于该系统得到满足插秧要求的椭圆齿轮行星系分插机构较佳参数范围(1级优化)。 5) 对椭圆齿轮行星系分插机构进行动力学分析,建立数学模型。在动力学分析时,考虑推秧装置的作用和取秧力的大小,并按照实际驱动工况分析驱动力。 6) 研制出国内第一台通用旋转式分插机构动力学试验台,可以适合研究不同类型旋转式分插机 摘要 构的动力学特性。并基于该试验台和高速摄像验证了所建立的动力学数学模型是可靠的。 7)研究基本遗传算法,指出它存在“封闭竞争”的缺陷,提出了基于“种间竞争”的改进算法, 并通过典型算例验证了该算法的可靠性。 8)根据验证过的动力学数学模型,构建分插机构动力学特性多目标优化的目标函数,以1级运 动学优化得到的能满足插秧要求的机构参数范围为约束方程,从而得到优化的数学模型。然 后采用改进的遗传算法,基于VISual Basic 6.0编写动力学优化软件,进行动力学二级优化, 得到最佳机构参数:Z二17,无== 0.987,a。一600,仇一450,S一150,该机构参数既能满足 运动学的要求,又具有最佳的动力学特性。 9)根主;优化的最佳参数,对该类型的分插机构进行结构设计。 10)总结全文并提出进一步研究的设想及方法。


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