（农业机械化工程专业论文）圆柱齿椭圆齿行星系分插机构的动力学分析与优化.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑姿叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月i t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权迸江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 同 签字日期：年月 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学博士论文 第1 章水稻插秧机分插机构研究的进 展及尚待研究的问题 摘要：本章论述了水稻插秧机分插机构研究的目的和意义及水稻插秧机分插机构的研究进 展。并详细介绍曲柄摇杆式分插机构的运动学和动力学的研究情况，以及旋转式分插机构的运动 学与动力学研究最新进展，并对弹性机构动力学的研究现状进行了分析。还对水稻插秧机分插机 构的研究趋势也进行了分析，提出了进一步研究设想，以及在本文中提出需要进一步研究的关键 问题，最后提出本论文内容的组织与安捧。 1 1 水稻插秧机分插机构研究的意义和目的 水稻是我国的主要粮食作物，其种植面积占总种植面积的粥6 ，产量占粮食总产量的4 3 。 水稻插秧机械化是提高产量和插秧效率、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3 7 5 亿k g ，而目前我国的机插率很低，据统计，到1 9 9 7 年只有 2 8 ，到目前还不到3 7 。而水稻生产机械化中的两个环节之一“水稻收获机械化”已经占到 3 6 ，因此水稻种植机械化已成为我国水稻生产机械化的瓶颈。 日本是世界上插秧机械研究起步早，发展快、水平高的国家，1 9 8 8 年机械插秧面积就达到了 水稻种植面积的9 8 韩国虽然开始使用和生产水稻插秧机的时间较晚，但发展速度较快且水平 也较高，令人瞩目，在1 9 9 2 年达到了8 9 以上。可见，我国的插秧机械化水平与发达国家的差 距很大，提高水稻插秧机械化水平对我们只拥有7 的世界耕地却要养活2 2 世界人口的国家来 说，具有重大意义。 我国水稻插秧机械化程度低，主要原因有： 国产插秧机的可靠性低( 多是曲柄摇杆式分插机构的传统插秧机) ，而且是采用整体式船板， 壅泥壅水严重： 进口高速插秧机的价格高，如日本生产的“洋马。牌高速水稻插秧机。价格1 2 万，台左右， 加上专用的育秧设备，其作业成本高达6 3 9 5 - 8 9 3 1y r - 卣，明显高于人工插秧4 0 - - 5 0 元庙的成本， 从而限制了它的推广； 国外的高速插秧机不适合中国国情：国外的高速插秧机对中国北方的单季稻小苗适应性强， 而对南方的双季稻的晚稻大苗插秧适应性差而我国水稻种植面积前五名均为双季稻产区。 因而无论从经济性上还是从性能上都急需研究适合我国国情的高速水稻插秧机，而分插机构 第l 串水稻捐1 袂t 4 【舒拍辑【构研锐进醺艟虬尚待研的叫题 是水稻插秧机中最为核心的二i ：作部f ，l ，冈此研究分插机构是非常必要和紧迫的，具有重人研究意 义和应用价值。 因而无论从经济性上还是从性能上都急需研究适合我国国情的高速水稻插秧机。至此国家也 非常重视，“十五”国家科技攻关项目将“高速水稻插秧机研制及其配套技术的研究”作为农业机 械化的关键技术之一。本论文研究得到国家自然科学基金委的资助，项目为“旋转式分插机构的 动力学优化理论和方法( 5 0 2 7 5 1 3 7 ) ”和。高速插秧机新型执行机构的弹性动力学建模与动态仿真 研究”。另外，还得到了国家科技部重人基础研究前删研究专项的支持，项目为。基于逐次求解的 机构动力学分析和二次优化方法研究( 2 0 0 4 c c a 0 5 7 0 0 ) ”。 1 2国内外水稻插秧机分插机构研究进展 曲柄滑道式( 中国，5 0 年代末期)日本曲柄摇杆式( 6 0 年代初期) 日本推秧装置( 7 0 年代初期) h 日本毯状苗( 6 0 年代末期) 日本配重( 7 0 年代后期) 日本旋转式( 行星轮式，正齿轮 传动，曲柄摇杆驱动太阳轮， 8 0 年代中期，未形成产品) 日本曲柄摇杆机构至今仍用于步行式插秧机 e l 本旋转式( 行星轮式，偏心齿轮传动，太阳 轮固定，8 0 年代末期，用于乘坐式插秧机) 图1 1 插秧机分插机构发展史 现在水稻插秧机上使用的分插机构，其研究是从2 0 世纪5 0 年代开始，首先是由中国发明曲 柄滑道式分插机构。6 0 年代初期日本发明了曲柄摇杆式分 插机构，其工作原理与曲柄滑道式分插机构相似，但在结2 构上更简单；到6 0 年代末期，日本发明了毯状秧苗。使插 秧的成功率和所插秧苗存活率都大大提高；在7 0 年代初期 在分插机构上增加了推秧装置，避免了插秧时秧苗回带： 在7 0 年代后期，在曲柄上增加了配重装置，使单位时间插 次提高到2 7 0 次分钟。曲柄摇杆式分插机构至今仍用于步 行式插秧机。在目前中国延吉插秧机厂生产的插秧机，所 2 1 动盘2 定盘3 i 垮传动轴 4 栽植臂5 防护圈6 植臂轴 图1 2 旋转滑道式分插机构摇臂 浙江大学博士论文 用的分插机构也是曲柄摇杆式分插机构。 到了2 0 世纪年代，日本开始探索研究高速插秧机分插机构，单位时间插次比曲柄摇杆式 分插机构提i 自f 一倍，高速插秧机分插机构采用行星轮系分插机构，是一种旋转式分插机构，直到 8 0 年代末期才形成产品，应用于乘座式插秧机，即高速插秧机。整个插秧机分插机构的发展过程 如图1 1 所示。 中国在2 0 世纪9 0 年代初期开始研究高速插秧机分插机构，如图1 2 所示为吉林四平表机化 所设计的旋转滑道式分插机构，插秧速度可达到3 5 ( 1 - , 4 0 0 次分，但是该结构复朵，工作阻力大， 一直未推广应用。从9 0 年代初期开始浙江大学赵匀教授领导的课题组，经过多年的努力、攻关， 发明了多种旋转式分插机构，获得了多项国家发明专利和实用新型专利，并有一些已转让于生产 厂家，获得了应用。这些发明的旋转式分插机构有差速分插机构、偏心链轮分插机构、椭圆齿轮 行星系分插机构，还有在本论文研究过程中新发明的“圆柱齿椭圆齿行星系分插机构”，该种分插 机构经过参数优化和结构改进，既可适用于高速插秧机，也适用于步行式插秧机。 目前在国际上所有步行式插秧机都使用曲柄摇杆式分插机构，而且在国内都没有自主知识产 权，在本研究中新发明的圆柱齿椭圆齿行星系分插机构适用于步行式分插机构，这是一种结构上 的原始创新，它将有效地改善步行式插秧机分插机构的运动学特性和动力学特性。 1 2 1 传统插秧机分插机构 分插机构是插秧机的核心工作部件，在传统 插秧机上使用的是曲柄摇杆式分插机构，图1 3 为适用于乘座式插秧机的曲柄摇杆式分插机构的 结构衙图，图1 4 为该机构的机构原理简图。图 1 5 为适用于步行式插秧机的曲柄摇杆式分插机 ；二 构原理简困。两者在结构上和工作原理上都是类 似的，只是在机构初始安装位置和结构尺寸上有 l；s 1 摇杆2 推秧弹量3 栽植臂盖4 拨又 5 晨爪6 推秧杆7 凸轮b 曲柄9 栽植臂 图1 3 曲柄摇杆式分插机构结构图 所不同所形成的插秧轨迹也不相同。前者属于前插式分插机构，即机构中曲柄回转方向与插秧 机驱动轮回转方向一致；后者属于后插式分插机构，- 即机构中曲柄回转方向与插秧机驱动轮回转 方向一致。两者所要求的插秧轨迹是不一样的，用于乘座式插秧机( 前插式) 的曲柄摇杆式分插机 构的插秧轨迹为“腰子形”轨迹，而用于步行式插秧机( 后插式) 的曲柄摇杆式分插机构的插秧轨 迹为“蝌蚪形”轨迹，分别如图1 4 和1 5 所示。 箱l 辛水稻桶鞭舸l ，楠机构计j 避艘垃l 尚待研的问题 曲柄摇杆式分插机构是较甲应j j 丁水稻插秧机上 的种分插机构( 如图1 3 ) ，它是在6 0 年代初期日本 开始研究带士小苗移栽技术、室内机械化盘育秧苗技 术和设备的基础上研制出来的该机构使插秧机很快 进入实用阶段。 曲柄摇杆式分插机构是我国使用悬广泛的水稻插 秧机分插机构，既用于国产的乘坐式插秧机也用于 步行式插秧机。目前，它在我国的市场占有率还相当 大代表的机型是2 z t - 9 3 5 ，是一种国产的传统乘坐 式水稻插秧机。该分插机构是我国唯一大批量生产的 定型水稻插秧机分插机构，插秧质量良好得到大面 积推广并取得了良好的效果。为适应种植双季稻的多 熟制地区，我国浙江金华农枫化所研制出了多熟制水 稻插秧机，型号2 z t d 7 4 2 8 ，插秧轨迹高度达到 2 7 6 m m ，样机机插苗高能达到3 0 0 1 1 1 m 而不会出现“搭 机器前边n 向 图1 4 曲柄摇杆式分插机构原理简图 ( 适用于秉座式拓秧机) 机器前边方向 圈1 5 曲柄摇杆式分插机构原理简图 ( 适用于步行式插秧机) 桥”，机插后直立性较好。但由于它是通过加长曲柄长度来增加插秧轨迹高度，这样却使得作业时 机架振动更为厉害。 曲柄摇杆式分插机构是利用曲柄摇杆机构的高次连杆曲线来实现插秧要求的轨迹和姿态。但 曲柄摇杆机构是一种往复式的机构，并且由于推 秧装置的存在，必将带来不可避免的问题：高插 次时机架振动加剧，从而限制了插秧工作效率的 提高：同时，分插机构秧爪尖线速度过高，产生 工， 分秧不均、伤秧及栽插不稳等缺陷。 1 ) 曲柄摇杆式分插机构的工作原理 曲柄摇杆式分插机构的机构简图如1 6 所示。 曲柄1 是主动件，由链传动输入动力。摇杆2 的 事 1 灼2 。 i 曲柄2 辖杆3 栽植臂, i g ( 连杆) 4 推秧拨叉 5 推秧杆6 推秧弹簧7 凸轮 图1 6 曲柄摇杆分插机构简图 一个端点与连杆3 形成转动副，另一个端点与机架形成转动副，连轩上的左端点d 点形或满足插 秧要求的工作轨迹其中4 、5 、6 、7 组成推秧装置推秧凸轮7 由曲柄1 带动相对栽植臂体3 转动，推动推秧拨叉4 压缩推秧弹簧6 。随着凸轮半径的增大弹簧变形量增大。随后曲柄上的凸 4 折江大学博士论文 轮7 和推秧拨叉4 分离，凸轮对拨叉的作用力突然消失，在推秧弹簧6 的作用下，拨又4 将推秧 杆5 快速推到底部，将秧苗推出秧针，完成推秧过程。有了推秧装置，可以减少秧苗的回带、漂 秧和漏插，提高了插秧质量。 2 ) 曲柄摇杆式分插机构的理论研究现状与进展 曲柄摇杆式分插机构是传统插秧机中最成熟的分插机构，已做了大量的相关理论研究。 e d a t h i p a r a m b i l v a r e c d t h o m a s ! “l 对曲柄摇杆式分插机构进行了研究，对曲柄摇杆机构先建立 运动学模型，进行运动学分析，优化了机构尺寸，找到满足插秧的工作轨迹，最后完成了机构设 计。 。 赵匀等p 哪对曲柄摇杆式分插机构中的推秧装置的凸轮和拨叉进行分析提出优化方案并试制 样机进行试验，该方案能大大降低振动和磨损。 陈德俊、胡杭湘等【5 ”1 采用了轨迹再现的方法，研究了适合多熟制水稻栽插的分插机构。即 先给定秧针轨迹的几个特征点，通过运动分析得到与这些预定特征点距离最小的目标函数，并列 出约束方程，采用随机方向优化方法，得到最佳机构参数。还研究表明，由于前插式曲柄摇杆式 分插机构工作时栽植臂在己插秧苗上方运动，当栽插秧苗高于2 5 0 m m 时，栽植臂的秧针易将前 穴刚刚插下秧苗的头部随同新秧苗插入后一穴中( 即所谓的“搭桥”) ，影响秧苗返青。 李德威等m 采用空间r s s r 机构与曲柄摇杆机构的组合机构作为分插机构，它既能满足秧爪 运动轨迹和姿态的要求又可以使秧爪在各关键位置和各工作段有合适的运动速度。 龚永坚等哪对后插式曲柄摇杆式分插机构进行了运动分析与试验，对后插式分插机构的运动 学特性作了理论分析和计算机模拟，并利用高速摄像对机构运动学分析进行了试验验证。 邵陆寿等【7 町1 嘲以插穴大小适中为目标函数，以保证秧苗垂直下插、秧爪不刮撞已插秧苗、 秧爪入土和出土姿态为约束条件，用优化方法来确定机构参数。 为平衡机构的惯性力，邵陆寿m 1 提出使机构对称交叉布置的方法，。即使分插机构运动对称交 叉布置、使半数的分插机构向f 运行，另一半向上运行，从整机的运动角度使分插机构惯性力完 全平衡，推秧机构惯性力得到部分平衡。并在理论上证实了这一方案的可行性。 李德威【“1 等对该类型的分插机构进行弹性动力学分析，优化机构各构件的截面尺寸，减小质 量以减小运动时的惯性力。 李宝筏和关怀等脚力1 用质量中心轨迹法来分析其动力学特性。但赵匀，应义斌等p l m l 指出这 种做法是不合理的，因为它既没有探讨质心的加速度，也没有涉及其振动源、曲柄和摇杆转动中 鹚1 辛水稻楠棒抖l 钾捅柯【构研( 进展世1 0 尚持斜( 的i u j 翘 心的作婀力以及驱动链条受力的波动。还有一种传统的动力学研究力法是幽解法：即利用图解方 法求得周期内曲柄转动几个位置各铰链点作用力、链条作用力和机构的惯性力来研究动力学性质。 但是图解法不仅存在和质量中心轨迹法一样的不足，而且： 作量较人，不能对周期内各点作分析 误差也较大。 为增加该机构的插次并减少振动，赵匀等从动力学的角度对该机构进行分析和试验验证，得 到其振动源作用力的周期性变化规律。在他们的动力学分析过程中比传统的分析方法有一些创新 点：考虑了推秧装置在上作过程中对机构的影响。而不是把机构简化为曲柄摇杆机构来分析； 改变了传统的将驱动曲柄的链条作用力简化为力偶矩来分析的错误方法，而是采 j 了与实际j 二 况相近的分析方法：考虑了非定向转动的两相邻杆件绞结点的摩擦矩。提出了动力学方程逐 次求解的方法，大大简化了动力学方程的求解。通过他们的动力学分析，得到了与实际基本相符 的数学模型，为结构优化和改进设计提供了理论依据。如采用曲柄附加平衡块和改变缓冲垫钢度 的方法，可以平衡或减少部分惯性力，从而提高单位时间的插次 关于曲柄摇杆式分插机构的理论研究已经是比较全面和深入的，近几年关于曲柄摇杆式分插 机构的理论研究文献已经是非常少见，由于该机构的结构特点和推秧装置的存在，使得机构工作 时不可避免地产生振动，影响推向质量，虽然在曲柄上增加了配重，可使分插机构实际工作转速 达到2 7 0 f r a i n 左右。若再提高插次，振动就加剧。以致无法正常工作。 1 2 2 高速插秧机分插机构 高速插秧机分插机构是一种旋转式的行星轮系分插机构，由栽植臂和驱动箱组成，驱动箱的 箱体相当于行星轮系中的行星架，是分插机构的动力 输入构件驱动箱内包含了一系列传动齿轮驱动栽 植臂工作，栽植臂上安装有秧针，并且内有推秧置， 避免了推向后的秧苗回带。该机构旋转1 周插秧2 次。 在插次提高1 倍的情况下秧针尖点的平均线速度基 本保持不变，在取秧和推秧位置，秧针尖点的线速度 比曲柄摇杆式分插机构还要低，因而降低了伤秧率， 提高了插秧的直立性，即高速作业下，能保持良好的 插秧质量。下面分别介绍几种旋转式分插机构。 1 ) 偏心齿轮行星系分插机构 6 1 推秧凸轮2 点又3 推秧弹簧4 栽植臂5 推秧 杆6 秧爪7 行星架8 - 行星轮9 惰轮1 0 太阳轮 图1 7 偏心齿轮行星系分插机构示意图 浙江大学博士论文 偏心齿轮行星系分插机构( 如图1 7 ) 由日本学者率先发明，并在中国申报专利。该机构共有 5 个全等的偏心齿轮，太阳轮1 0 ( 偏心齿轮) 两边各对称布置i 对偏心齿轮，栽植臂4 固定在行星 轮8 上，行星架7 与太阳轮共轴。工作时，太阳轮固定不动，行星架转动( 为动力源) 。2 个惰轮 9 ( 中间偏心齿轮) 绕太阳轮转动，带动2 个行星轮在周期内摆动。栽植臂上各点作平面复合运动： 其牵连运动是随着行星架作匀速顺时针转动，相对运动是相对行星架作不等速逆向转动，秧针尖 点形成了相对静轨迹( 机器不前进) 为“腰子形”的插秧轨迹，可满足秧针的轨迹和姿态要求。 偏心齿轮行星系分插机构与椭圆齿轮行星系分插机构相比较，加工工艺简单，但偏心齿轮传 动在工作中的齿隙变化会引起振动，需增加防震装置，导致结构变得复杂。针对偏心齿轮式，在 齿轮传动周期中的齿隙变化，提出消除齿隙变化的结构原理：行星轮采用双齿轮重叠，当齿隙增 大时，两个齿轮在蜗卷弹簧的作用下错位，消除齿隙。 日本学者【1 - 4 1 对该机构的 结构和运动学特性进行了深入 的分析研究，并进行了田间试 验，效果良好，但是有关该机 构的动力学分析未见相关文献 报导。日本的市川真佑5 “对旋 转式分插机构的振动进行了测 试，并对测试结果进行了分析。 由于缺少动力学分析与建模， 图1 8 日本旋转式分插机构振动测试试验台 只能从测试结果判断结构总体的振动状况，不能确定每个部件受力 状态和从理论上进行机构参数优化如图1 8 所示为其振动测试试验台。 中国学者也对该机构进行研究和改进：陈怡群等【5 1 1 在不考虑偏心对啮合的影响下分析该机构 的运动情况，采用优化的方法得到一组机构参数。l sg u o 等陋”】在考虑偏心的影响对该机构进 行运动分析。应义赋等口8 l 证明了偏心齿轮传动的3 个重要性质，用解析法建立了偏心齿轮行星系 分插机构的运动学模型对该机构进行了位移，速度和角速度分析并求出了各在数变化而引起 的分插机构秧爪的相对运动速度和绝对运动轨迹的变化为采用偏心齿轮行星系分插机构的高速 插秧机的设计提供了理论依据。 2 ) 椭圆齿轮行星系分插机构 椭圆齿轮行星系分插机构是在偏心齿轮行星系分插机构基础上发展起来的。其结构原理和偏 心齿轮行星系分插机构相类似，这里不再熬述。椭圆齿轮行星系分插机构较偏心齿轮行星系分插 第j 帝水稻捕鞍肿i ，厂捅种l 构姗钝避 f 乏艟j 0 尚待研l 的叫题 机构的优点传动平稳，但加1 。复杂，要求精度高。小批量加t 时，可_ 【f j 电火花线切割技术加j ，： 加j 批鼙犬时利用粉末冶金技术加1 ：，需要开模具可提高加i = 质鼙和简化加rr 艺，但一次 性投入人。有关该分插机构的机理研究和运动学参数优化李革等已进行了深入分析，用基于 可视化编程语言v b 编写了机构运动学分析与优化软件，借助该可视化分析优化软件，通过人机 交互方式，可方便地优化出满足插秧耍求的1 ：作轨迹得到一系列运动学参数，用于机构设计。 陈建能等i 5 4 6 i 根据该机构运动分析所建立的数学模型在v b 6 q 上编写了人机对话分析软件。 该软件能够根据机构参数的变化实时地显_ j 秧针尖的轨迹，姿态和行星轮轴心的轨迹以及这些轨迹与 秧苗的位置关系，并输出计算结果。然后根据优化目标利用该软件可以找到多组能满足机构运动要 求的参数。最后用s a s 软件进行正交分析找到一组晟佳参数。同时对该分插机构的进行刚性动力学分 析。未考虑取秧力和推秧碰撞力等冲击载荷引起的弹性变形，并推导出推秧装置的动力学模基。通过 编程计算得到；推秧和碰撞过程行星架转角与拨叉转角及推秧杆位置的关系，并由高速录像验证； 在推秧和碰撞过程拨叉转动中心受力、推秧杆对栽植臂作用力和弹簧作用力与行星架转角的关系。 为分析整个分插机构的动力学特性奠定基础 i ， 3 ) 差速分插机构 差速式分插机构是浙江大学赵匀教授主持的课题 一 纽研制的一种高速插秧枫旋转式分插机构，其简图鲡 ， 一l l 一一 ! 图1 9 所示，目前已获得了国家发明专利( z l 9 9 ：厶i ， ，。 c 萤7 7 。 1 2 0 5 2 2 n 。差速分插机构是自由度为2 的差动轮系， 、一， 、 在此轮系中以椭圆齿轮赔合形成所要求的非匀速传动一 1 中心椭圆齿轮2 3 行星椭圆齿轮 比及转角关系。该机构由3 个全等的椭圆齿轮和2 个 4 行星策5 栽植臂 栽植臂总成组成，3 个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆 图1 9 差速式分插机构简图 齿轮的焦点上，且初始相位相同，井支撑在齿轮箱4 ( 相当于行星架) 上，工作时齿轮箱作为一 个原动件绕中心轴的回转中心o 转动，而中心轮作为另一个原动件以齿轮箱2 倍的转速同向转动， 与行星轮固结的一对栽植臂在齿轮箱的圆周运动和行星轮的非匀速转动的复合运动下，秧爪按要 求的姿态( 角位移和轨迹) 运动，满足插秧的工作轨迹、取秧角和插秧角。 尹建军等【”删对差速分插机构的结构特点、工作机理和运动学特性进行了分析，建立了运动学 分析的数学模型并编写了辅助分析与优化软件，分别优化出适合于南方双季稻种植和北方插小苗 要求的分插机构结构参数，并与日本高速插秧机分插机构的性能进行对比分析发现，从伤秧率及工 作过程对取秧、运秧和插秧的影响相当。 8 浙江大学博士论文 4 ) 偏心行星链轮分插机构 偏心行星链轮分插机构也是浙江大学赵匀教授 主持的课题组研制的一种高速插秧机旋转式分插机 构，其简图如图1 1 0 所示，该偏心链轮传动机构已 获得国家发明专利( z t9 8 1 1 6 9 8 4 8 ) 。该机构采用3 个等径的偏心链轮传动，由其中2 个偏心链轮的传 动比变化来满足分插机构非匀速传动的要求。这2 个偏心链轮的中心在一个工作周期中，由于靠近和 远离造成的链条松紧变化，由第三个偏心张紧链轮 1 行星轮2 太阳轮3 链务 4 张紧轮5 栽植臂6 行星架 图1 1 0 偏心链轮分插机柏示意图 4 消除。他们对该机构进行理论分析，采用如下优化策略明：在优化太阳轮2 和行星轮参数时， 把取秧角、插秧角、秧针轨迹和秧针轨迹高度作为目标函数，在优化张紧轮参数时把链条处于 张紧状态下的长度变化最小作为目标函数；在此 基础上用v b 平台编制优化软件优化参数，使得 该机构能同时满足大苗和小苗栽插的两种工况要 求，且链条总长度的变化在3 m m 之内。 5 ) 圆柱齿椭圆齿行星系分插机构 圆柱齿椭圆齿行星系分插机构是本课题组发 明的又一种高速插秧机旋转式分插机构，该机构 已获得了国家发明专利( z l0 3 1 1 6 3 6 8 8 1 ，其结构 图1 1 1 圆柱齿椭圆齿行星系分插机构简 简图如图1 1 1 所示，它是由4 个全等圆齿轮和3 个全等椭圆齿轮组成，3 个椭圆齿轮的回转中心 均在椭圆齿轮的其中一个焦点上，且初始相位相同。中心椭圆齿轮1 ( 也叫太阳轮) 固定不动 工作时齿轮箱( 行星架1 0 ) 在中心轴的带动下，相当于一个原动件绕太阳轮的回转中心v 一转功 由于是两对椭圆齿轮1 和2 、1 和3 啮合，引起传动比的非匀速变化，从而使得对称布置的2 个行 星圆齿轮6 、7 相对行星架作非匀速转动。通过键、行星轮轴与行星圆齿轮固结的一对栽植臂一 方面随着行星架作圆周运动，另一方面随着行星圆齿轮相对行星架作非匀速转动在这两种运动 的复合下，秧爪按要求的姿态( 角位移和轨迹) 运动，通过选择合适的结构参数，就可找到满足 插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角 本论文研究就是针对圆柱齿椭圆齿行星系分插机构开展运动学与动力学建模、动态仿真与参 数优化，并进行该分插机构的应用研究。 第1 幸水稻捅桉村l 钾摘利【十蛳们c 进鹾技尚持研允的问题 1 3 弹性机构动力学的研究现状 从目前弹性机构动力学的研究现状来看，文献 8 8 介绍了弹性连杆机构的受力分析方法，用 有限元方法建立弹性连杆机构的运动微分方程，研究了各运动副间的动反力，并对振动力、振动 力矩和输入扭矩的求解作了探讨，为研究弹性连杆机构的平衡奠定了基础。文献 8 9 介绍了平面 弹性连杆机构动态静力分析的键合图法，给出了平面弹性连杆机构的键台图模型，并推导出便于 计算机辅助分析自4 机构平衡力矩及运动副约束反力的统一公式。文献 9 0 用有限元件法分析弹性 机构动力学问题，以组成机构的构件为单元，把构件的剐性运动和弹性变形统一用模态参数表示， 以梁单元为代表分析了集中质量及分布质量情况下的梁的惯性特征引入弹性线的概念，用虚功 原理得出系统的动力学方程。h s i e h 和s h a w ”用多尺度法研究了柔性连杆机构的动力学稳定性和 非线性共振，又研究了柔性连杆机构的单模态非线性共振和动力学稳定问题”1 。通过上述分析可 知，柔性机构的动态静力分析问题都是对简单的平面弹性四杆机构进行分析，采用的是有限元法 并结合拉格朗日第二类方程，还有采用键合图法1 。但是对稍为复杂的弹性机构( 如本论文中的 旋转式分插机构) ，采用上述方法分析弹性机构的动态静力闯题，就显得非常复杂。甚至无法求解， 此外无法求解机构在实际传动中，链传动受力的正驱动与反驱动问题，以及正压力方向对摩擦力 方向干扰等问题。此外，旋转式分插机构动力学建模有其本身特点就是需要刚性动力学与弹性 动力学混合建模，因此，很有必要探索一套新的弹性机构动力学建模与求解方法。 在本论文中旋转式分插机构弹性动力学模型的建立与求解，是用。电路模拟法”建立等效电 路图，并进行数值序列求解。在文献 9 3 中提到用电比拟法( 即电路模拟法) 模拟机械系统的振 动，从方法上说明可用一个含有电感l 、电阻r 、电容c 和电源e 的振荡电路来等效地表示一个 机械振动系统，并从力与电压对应关系上构造了力学符号与电路符号的对照表，但在该文中没有 提到分析弹性机构的动态静力问题，也没有提到从电路上来分析与求解机械系统振动问题。文献 9 4 3 中提到，用电路模拟方法仅仅分析单自由度机械振动系统，用电路分析的方法说明如何隔离 单自由度机械系统的振动，消除或降低机械基础( 地基) 的振动但是没有对更复杂或稍为复杂的 机械系统进行振动分析。 1 4 分插机构尚待研究的问题及其研究方法 1 a 1 分插机构的研究趋势 对水稻插秧机分插机构有2 个要求：满足秧爪轨迹和姿态的要求；在保证插秧质量的前 提下尽量提高单位时间的插次曲柄摇杆分插机构和旋转式分插机构都能满足第一个要求。由于 1 0 浙江大学博士论文 曲柄摇杆机构固有的缺点，尽管采用了各种机构优化、平衡和减振办法，其单位时间的实际插次 最多只能在2 7 0 f r a i n 左右。而行星轮系分插机构的插次最高可达4 0 0 - , 5 0 0 次，分钟，可见分插机构 的研究趋势是旋转式的分插机构。 另外，针对目前国际上步行式插秧机使用的分插机构都为曲柄摇杆式分插机构，现阶段该机 器在国内需求量大，使用广泛，但是没有自主知识产权，本论文通过对圆柱齿椭圆齿行星系分插 机构的结构特点和工作机理进行深入的研究，通过参数优化和结构改进，该种分插机构传动同样 适用于步行式插秧机，实现涉行式插秧机核心工作部件的结构创新，完成拥有自主知识产权，实 现旋转式分插机构代替曲柄摇杆式分插机构，在结构上更紧凑，并且通过本论文分析，运动学特 性优于曲柄摇杆式分插机构。 1 4 2 尚待进一步研究的问题 在分析现有旋转式分插机构工作机理的基础上，发明新型的高速插秧机分插机构，以满足更 仰1 好的插秧要求同时研究对旋转式分插机构进行结构的改进和参数优化，以适应步行式插秧机的 工作要求实现步行式插秧机分插机构的原始创新，圆柱齿椭圆齿行星系分插机构是本论文研究 中新发明的一种旋转式分插机构，为了得到满足插秧要求的工作轨迹，必须建立一套基手入机交 互可视化优化分析软件，借助该优化软件，优化出满足插秧要求的结构参数，即获得满足运动学 要求的“非劣解”群，这是开展本论文研究的关键问题之一 在本论文研究中，除了开展二维的运动学仿真和分析外，有必要引入虚拟样机技术对分插机 构进行三维设计、仿真与分析，实现更直观的虚拟装配和仿真，为将来基于虚拟样机技术的动力 学性能优化打下基础，这是开展本论文研究的关键问题之二。 在分插机构的动力学研究中，对传统的曲柄摇杆式分插机构己进行了较多的相关研究，对旋 转式分插机构也已开展了部分研究，但是都是作为刚性机构来分析和建模。实际上，分插机构在 取秧和推秧位置，由于取秧力和推秧装置的碰撞都会引起冲击载荷，导致分插机构中部分构件发 生弹性变形，为了获得与实际工况更符合的动力学模型，必须考虑基于弹性变形的旋转式分插机 构的动力学建模方法，并求解。这是开展本论文研究的关键问题之三。 另外插秧机分插机构除了满足运动学的插秧要求外，也要具有最佳的动力学性能，使得机 构进一步轻型化和高速化，并降低工作时的振动，实现高速高质插秧在本论文研究中提出机构复 优化方法，先进行第一级机构运动学优化，获得满足插秧要求的结构参数范围；第二级优化是以 机构动力学特性为目标以运动学优化获得的参数范围作为约束条件，进一步优化结构参数，这 筘l 辛水稻蒴t 棒机丹捕机构计i 边畿段i i 尚 j 研 l 的叫题 样就可以得到即满足运动学f 插秧的轨迹和姿态) 要求义只有良好动力学特征的分插机构。这是 开展本论文研究的关键问蹶之四。 1 5 论文内容的组织与安排 本论文在第1 章介绍国内外水稻插秧机研究现状的基础上，开展了如下的研究上作： 第二章，对机构数值分析作出了若干规定，这将使整个分析工作过程规范化，复杂问题简单 化，同时避免出现各种错误。根据实际工况，本章分析了链条传动和椭圆齿轮传动的受力分析并 给出计算框图，并针对传统动力学方程组的矩阵求解方法存在不可避免的错误，提出了动力学方 程组序列求解方法，且以实际例子说明该方法的应用步骤及应注意的问题。分插机构是一种复杂 的刚体复合运动的机构，传统的刚体复合运动微分方程只有理论意义却不适合编程进行数值计 算，为此本章推导了其解析形式。 第3 章，叙述了圆柱齿椭圆齿行星系分插机构的工作原理、结构特点以及椭圆齿轮传动的运 动特性。在建立该旋转式分插机构的运动学模型的基础上，给出了分析程序框图。根据所建立的 模型和给定的程序框图，本章编写了辅助分析软件并对一个给定的实际分插机构进行分析。在 自行研制的通用性旋转式分插机构的动力学试验台上，采用高速摄像和视频处理技术分析了实 际样机秧针尖点和行星轮轴心的静轨迹和速度，测定了秧针角位移。通过试验发现测试得到的参 数与理论分析结果基本一致，表明所建立的模型是可靠的。 第4 章，先介绍了圆柱齿椭圆齿行星系分插机构运动学分析软件的开发背景和特点，分析了 该软件的主要功能。以及各结构参数对分插机构运动特性的影响，然后就圆柱齿椭圆齿行星系分 插机构分析应用于高速插秧机和步行式插秧机。提出了各自的运动学优化目标，基于该运动学优 化软件可视化特点，以人机交互方法优化出满足分插机构运动学要求的结构参数。摄后完成圆柱 齿椭圆齿行星系分插机构的设计与三维建模，利用a d a m s 分析软件的虚拟样机技术，对分插机构 进行三维动态仿真与分析，其速度仿真结果与基于v b 的运动学分析结果是非常吻合的。 第5 章，介绍了电路模拟的原理和方法，对圆柱齿椭圆齿行星系分插机构的工作循环及其受 力情况进行分析，建立了基于电路模拟并考虑了构件的弹性变形时圆柱齿椭圆齿行星系分插机构 动力学模型，为该机构的动力学优化奠定了基础本章采用解析形式刚体复合运动微分方程对该 机构的推秧装置进行动力学分析，推导出推秧装置的动力学模型；以电路方程的数值求解和序列 求解法相结合对分插机构动力学模型进行求解，并给出分析程序框图。根据所建立的模型和给定 的程序框图，本章编写了辅助分析软件，并对一个给定的实际分插机构进行分析。另外还基于电 1 2 浙江大学博士论文 路模拟对椭圆齿轮行星系分插机构动力学特性进行了理论分析，并与实验测试进行比较，理论分 析结果与实验测试结果非常地吻合，表明本文建立的模型和分析方法是可靠和合理的。 第6 章，本章提出了机构复优化方法，将复杂的机构优化问题分为二步进行，即运动学优化 和动力学优化，先以机构运动学要求为目标函数，优化机构参数，获得满足机构工作要求的参数 范围；然后以动力学特性为目标函数，以运动学优化获得的参数范围作为约束条件，获得最佳的 机构参数组合，使得机构既满足运动学工作要求，又具有最佳的动力学性能。最后，将复优化方 法应用于圆柱齿椭圆齿行星系分插机构的参数优化，保证了该分插机构既满足插秧的运动轨迹要 求，又具有最佳的动力学性能。 第7 章，本章详细介绍了椭圆齿轮节曲线弧长的计算方法和计算机辅助计算框图，并给出椭 圆齿轮压力角及根且的计算公式。叙述了椭圆齿轮的齿数必须设计成奇数的原目，同时对椭圆齿 轮的加工方法进行了归纳。同时，本章对总体机构设计中需要考虑的关键问题如取秧点和秧门位 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等进行了 分析并提出解决的方法。 第8 章，在全文的总结和展望，概括地提出了本论文的主要创新点和进一步研究的工作展望 1 6 本章小结 a ，论述了水稻插秧机分插机构研究的意义和目的。 b ，综述了水稻插秧机分插机构的研究进展。详细介绍曲柄摇杆式分插机构的运动学和动力 学的研究情况，并介绍旋转式分插机构的最新研究进展。 c 介绍了弹性机构动力学研究现状与进展。 d 指出水稻插秧机分插机构的研究趋势，提出值得进一步研究的问题，并提出在本论文中 -一- 一 。 需要进一步研究的关键问题，最后提出论文内容的组织与安排。 1 7 参考文献 1 【日1 梅田重夫。穗波信雄插秧机构分插机的动特性【j 1 农业机械学会志，1 9 8 0 4 z ( t ) ：5 1 5 6 2 旧1 小西达也等高速插秧机的开发f j l ：农业机械学会志，1 9 8 9 ，5 1 ( 6 ) ：8 9 9 5 3 【日】山影征男，小西达也等采用回转式栽植机构的高速水田栽植机的开发研究【j 1 农业机 械学会志1 9 9 0 ，5 甜3 ) 2 4 【日】山影征男，小西达也等偏心行星齿轮式栽植部件【j 1 机械化农业，1 9 9 0 ( 7 ) ：4 9 5 1 5 【日】市川真祜，田尻功郎旋转式水稻插秧机的振动分析分插机构的运动分析( 第一报) j 1 农业机械学会志，1 9 9 4 ，5 6 ( 5 ) ：7 3 - 7 9 鹕茚木稻捕秧执行捅射l 蜘料乳进艘硬i b 尚待卅，：的叫题 6 f 日】市川真祜，田尻功郎旋转式水稻插秧机的振动分析分插机构振动的实验分析( 第 一报) 【j 1 农业机械学会忐，1 9 9 5 ，5 7 ( 6 ) ：1 0 7 1 1 3 7 【日1 小两达也水稻插秧机的新技术f j l 农业机械学会志，1 9 9 7 5 9 ( 4 ) 1 2 3 1 2 7 8 1 日】小两达也津贺幸之介水稻插秧机之字犁分插机构的开发( 第一报) f j l 农业机械学 会志，1 9 9 8 ，6 0 ( 5 ) ：9 1 9 9 9 【日】小西达也，滓贺幸之介水稻插秧机之字型分插机构的开发( 第二报) j 1 农业机械学 会志1 9 9 9 ，6 1 ( 1 k1 7 9 - 1 8 5 1 0 【日1 清水一史水稻插秧机的最新产品开发动向【j 1 机械化农业，1 9 9 6 ( 3 ) ：5 0 1 1 【日1 长坂善祯自动行走插秧机的开发【j 1 农业机械学会志，1 9 9 9 6 1 ( 6 ) ：1 7 9 1 8 6 1 2 【日1 田坂幸平耕作插秧机的开发f j l 机械化农业，1 9 9 6 ( 3 ) ：1 2 1 5 1 3 【日l 永田雅辉，早期水稻的栽培用插秧机关键部件的基础研究( 第一报) 期构的开发f j l 农 业机械学会志1 9 9 8 ，6 0 ( 1 ) ：1 9 2 6 1 4 【日】田吉健二早期水稻的栽培用插秧机关键部件的基础研究( 第一二报) 栅构的理论分 析【j 1 农业机械学会志。1 9 9 8 6 0 ( 2 ) ：1 1 1 8 1 5 【日】田吉健二早期水稻的栽培用插秧机关键部件的基础研究( 第四报) 插秧机的田间 试验f j l 农业机械学会志，1 9 9 8 ，6 0 ( 4 ) ：1 3 2 2 1 6 【日】永田雅辉早期水稻的早进化作业技术的研究【j 】农作业研究，1 9 9 3 ，2 8 ( 别1 ) ：3 8 3 9 1 7 【日】田坂幸平水稻育苗的新技术i j 】农业机械学会志1 9 9 7 ，5 9 ( 4 ) ：1 2 0 1 2 3 1 & 【日】田坂幸平水稻的水耕育苗移植技术的开发与研究( 第一报) l j 】农业机械学会志，1 9 9 6 ， 5 8 ( 4 ) - 8 9 - 9 9 1 9 【日】田坂幸平水稻的水耕育苗移植技术的开发与研究( 第二报) 【j 】农业机械学会志，1 9 9 7 ， 5 9 ( 1 1 ：8 7 - 9 8 2 0 【日】津贺幸之介乳苗育苗插秧机【j 】机械化农业，1 9 9 3 ( 3 ) ：4 巧 2 1 日】姬田正美水稻乳苗移植栽培技术( 1 ) 【j 】农业与园艺1 9 9 4 ，6 9 ( 6 ) ：4 1 _ 4 5 2 2 f 日1 姬田正美水稻乳苗移植栽培技术( 2 ) 【j 】农业与园艺1 9 9 4 ，6 9 ( 7 ) ：5 1 - 5 6 2 3 s s k o h i l ，v e a g r a w a l ra n a l y s i s o fa f o u r - b a r l i n k a g e f o r a p r o p o s e d t r a n s p l a m e r j t r a n s a s a e 1 9 9 3 ，3 6 ( 2 ) ：3 1 7 3 2 0 2 4 e d a t h i p a r a m b i lv a r c e dt h o m a s d e v e l o p m e n to fam e c h a n i s mf o rt r a n s p l a n t i n gr i c es e e d l i n g s j m e c h a n i s ma n dm a c h i n et h e o r y ，2 0 0 2 ，3 7 ( 9 ) ：3 9 5 - 4 1 0 2 5 y i n gy i b i n z h a o y u n r e s e a r c hi nd y n a m i cs i m u l a t i o no fs e p a r a t i n g p l a n t i n gm e c h a n i s mo fr i c e t r a n s p l a n t e r j ，a m a ，1 9 9 7 ，2 8 ( 3 ) 1 5 - 1 9 2 6 l sg u o w j 7 _ , h a n g k i n e m a t i ca n a l y s i so far i c et r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mw i t he c c e n t r i c p l a n e t a r yg e a rt u m s 0 1 m e c h a n i s ma n dm a c h i n et h e o r y ，2 0 0 1 ，3 6 ( 1 1 ) ：1 1 7 5 - 1 1 8 8 2 7 a s k h a n ，w ：w g u n k e l - d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f a6 - r o wk o r e a nt r a n s p l a n t e r 1 a v i a 1 9 8 8 ，1 9 ( 1 ) 2 7 3 2 2 8 a z h a rl q b a lm u 倒k ，a b d u ls h a k o o rk h a n p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fy a n m a rp a d d yt r a n s p l a n t e r i np a k i s t a n j a m ar1 9 9 5 ，2 6 ( 1 ) 3 1 6 ，4 0 2 9 。x n f e n g y i n g ，t a oy u e ，c h e r t z h e n e l a s t i c d y n a m i c o p t i m i z a t i o no f c r a n k r o c k e r s t y l e t r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mb a s e do ni m p r o v i n gm o t i o np r e c i s i o n j c s a e 2 0 0 2 ，1 8 ( 5 ) ：1 1 5 - 1 1 8 3 0 赵匀，武俊生，张宝奎插秧机推秧装置凸轮和拨叉的理论分析和优化设计m 农机化研 究1 9 9 0 ( 2 ) ：2 2 - 2 8 3 1 赵匀，武俊生，程革等水稻插秧机分插机构的动力学分析【j 】农业机械学报，1 9 9 1 ，2 2 ( 3 ) ： 2 0 2 4 3 2 应义斌，赵匀，宋世贵等插秧机分插机构动力学模拟与曲柄平衡块优化设计【j 】农业工程 学报，1 9 9 4 1 0 ( 增刊l ：8 5 珈 3 3 赵匀，武俊生，程革等水稻分插机构推秧装置动力学分析与试验【j 】东北农学院学报。1 9 9 2 ， 1 4 浙江大学博士论文 2 3 ( 3 ) ：2 7 6 - 2 8 1 3