（农业机械化工程专业论文）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.pdf

浙江大学博士学位论文 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 7 5 亿吨，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 台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4 0 0 - 一6 0 0 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一 一研究其动力学特性，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，推导了解析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，开发了辅助分析软什，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v i s u a lb a s i c6 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 置的作用平| i 取秧力的大小，并按照实际驱动r 况分折驱动力。 6 )研制出国内第一台通刚旋转式分插机构动力学试验台，可以适台研究不同类型旋转式分插机 j 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“种问竞争”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v ；s u a lb a s i c6 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 = 1 7 ，k = n 9 8 7 = 一6 0 。，= 4 5 。，s = 1 5 0 ，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 )根据优化的最佳参数，对该类型的分插机构进行结构设计。 1 0 ) 总结全文并提出进一步研究的设想及方法。 关键词：分插机构、动力学分析、验证、两级优化、参数、运动学分析、高速摄像、试验台 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i z a t i o no fr i c e t r a n s p l a n t i n gw a sam a i nm e a s u r et oi m p r o v er i c e - - t r a n s p l a n t i n ge f f i c i e n c ya n d l e s s e nt h ef a r m e r s l a b o ri n t e n s i t y i ft h em e c h a n i z a t i o nl e v e lc o u l db ei m p r o v e db y1 i no u rc o u n t r y , t h e r i c ey i e l dw o u l db ei n c r e a s e d3 7 5m i l l i o nk i l o g r a mp e ry e a r h o w e v e r , t h er a t eo fr i c e - t r a n s p l a n t i n gb y m a c h i n ew a sa tal o wl e v e l ，o n l y2 8p e r c e n ti no o rc o u n t r ya tp r e s e n t i tw a sm a i n l yd u et ot h el o wr e l i a b i l i t y o ft h er i c et r a n s p l a n t e rp r o d u c e di no u rc o u n t r y m o r e o v e lt h ep r i c eo ff o r e i g nh i g h s p e e dr i c et r a n s p l a n t e r w a sh i g ha n dt h e yc o u l dn o tf i tt h eh i g hr i c es e e d l i n g so ft h ea u t u m ns e f l s o ni nt h es o u t ho fc h i n a c o n s e q u e n t l ni tw a si m p e r a t i v eu n d e rt h e s i t u a t i o nt od e v e l o ph i g h s p e e dt r a n s p l a n t e rs u i t a b l ef o ro u r c o u f l h y t r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mw a st h ep r i m a r yp a r to fat r a n s p l a n t e r i t sp e r f o r m a n c ew o u l dd i r e c t l y a f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo fr i c es e e d l i n g st r a n s p l a n t i n g t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hi nt r a n s p l a n t i n g m e c h a n i s mi sw o r t h ya n ds i g n i f i c a n tf o r t h ed e v e l o p m e n to f h i g h - s p e e dt r a n s p l a n t e ri no u rc o u n t r y r o t a r y t y p et r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mo f h i g h s p e e dt r a n s p l a n t e r , w i t hat r a n s p l a n tr a t eo f 4 0 0 6 0 0t i m e s p e rm i n u t e ，r e p r e s e n t e dt h ed e v e l o p i n gt r e n di nt h ef u t u r e f u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e s f o u n d a t i o no fc h i n a , p r o f iz h a oy u no fz h e j i a n gu n i v e r s i t yh a di n v e n t e d5r o t a r y - t y p et r a n s p l a n t i n g m e c h a n i s m s a l lo f t h e mc o u l dm e e tt h ed e m a n d so fl o c u sa n dp o s e ( a n g l eo fs e e d l i n g - s e p a r a t i n ga n da n g l e o fs e e d l i n g p u s h i n g ) o fr i c e - t r a n s p l a n t i n g b u tt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s em e c h a n i s m sh a dn o t b e e nf u r t h e rs t u d i e dy e t t h ea i mo f t h i sr e s e a r c hw a st os t u d yt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h em e c h a n i s m w i t hp l a n e t a r ye l l i p t i cg e a r s ，e s t a b l i s ht h eo p t i m i z e dm o d e l sa n do b t a i nt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h i st y p e m e c h a n i s m t h ec o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h er e s e a r c hw e r el i s t e da sf o l l o w s 1 、t h ep r i n c i p l e so fv a r i o u sr o t a r y - t y p et r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s m so fh i g h s p e e dr i c et r a n s p l a n t e rh a d b e e ns t u d i e d ，a n dt h es u b j e c t sf u rf u r t h e rr e s e a r c h 一s t u d y i n gt h e i rd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c st o i m p r o v et h e i rd y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n df u r t h e rt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yw e r ep u tf o r w a r d a n i n n o v a t i v ei d e ao ft w o - - s t a g e o p t i m i z a t i o nf o rd y n a m i c sa n a l y s i sw a sp r e s e n t e di nt h ep a p e r t h e c r e a t i v i t yo f t h ei d e aw a st h a tt h ek i n e m a t i c so p t i m i z a t i o n ( f i r s ts t a g eo p t i m i z a t i o n ) r e s u l t sw e r et h e c o n s t r a i n tf u rd y n a m i c so p t i m i z a t i o n ( t h es e c o n ds t a g eo p t i m i z a t i o n ) b yt w o - s t a g e o p t i m i z a t i o n ， t h em e c h a n i s mm a d ea c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lp a r a m e t e r sc o u l dn o to n l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so f k i n e m a t i c s ，b u ta l s op o s s e s s e so p t i m a ld y n a m i c sp e r f o r m a n c e 2 、s o m er u l e sa n da p pr o a c h e sf u rk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mw i t h a b s t r a e t p l a n e t a r ye l l i p t i cg e a r sw e r eb r o u g h tf o r w a r df o l l o w i n gt h e s er u l e sa n da p p r o a c h e s ，t h e m e c h a n i s ma n a l y s i sw o r k i n gw o u l db es i m p l i f i e da n ds o m ee r r o r sw o u l db ea v o i d e d t h em e t h o d s f o rf i n d i n gu n i q u es o l u t i o no fi n v e r s et r i g o n o m e t r i cf u n c t i o n sw e r ed i s c u s s e d t h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o n so fr i g i db o d yc o m p o u n dm o t i o ni na n a l y t i c a lf o r mw e r ed e r i v e d t h ea p p r o a c ht os o l v e d y n a m i c se q u a t i o n so n eb yo n ea n dc o r r e s p o n d i n gm e a n st oa n a l y z ed r i v ef o r c ew e r es u b m i t t e d ， w h i c hw a st h eb a s i sf o rf u r t h e rs t u d yo nk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so f t h em e c h a n i s m k i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mw i t hp l a n e t a r ye l l i p t i cg e a r sw e r ea n a l y z e d ， a n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hw e r ev e r i f i e db yh i g h s p e e dv i d e ot a p e r e c o r d e r b a s e do nt h ek i n e m a t i c sm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，as y s t e mo fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n si n c o l l a b o r a t i o nw a ss e tu p a n di n t e r a c t i v eo p t i m i z a t i o ns o f t w a r ew a sp r o g r a m m e dw i t hv i s u a lb a s i c 6 0 o p t i m a lp a r a m e t e r so f t r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mw i t hp l a n e t a r ye l l i p t i cg e a r sw h i c hc o u l dm e e t t h ed e m a n d so f r i c e t r a n s p l a n t i n gw e r eo b t a i n e db yt h i ss y s t e m ，n a m e l yt h ef i r s ts t a g eo p t i m i z a t i o n d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s mw i t hp l a n e t a r ye l l i p t i cg e a r sw e r ea n a l y z e d ， a n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d d u r i n gd y n a m i c sa n a l y z i n g ，t h ee f f e c to f s e e d l i n g - p u s h i n gd e v i c eo f ft h ew h o l et r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s ma n dt h ef o r c et os e p a r a t e ds e e d l i n g s w e r et a k e ni n t oa c c o u n t a n dt h ed r i v i n gf o r c e sw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt oa c t u a lc a s e s t h ef i r s tt e s t b e df o rr o t a r y - t y p et r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s md y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c st e s t i n gi nc h i n a w a sb u i l t ，w h i c hw a sa d a p t a b l ef o ra l lk i n d so fr o t a r y - t y p et r a n s p l a n t i n gm e c h a n i s md y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c st e s t i n g t h ed y n a m i c sm a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ev e r i f i e do nt h et e s t - b e d w h e ns t u d y i n gb a s i cg e n e t i ca l g o r i t h m ，i t sd e f i c i e n c i e sc a u s e db y “e n c l o s e dc o m p e t i t i o n ”w a sp u t f o r w a r db e s i d e s ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do n “c o m p e t i t i o nb e t w e e np o p u l a t i o n s ”w a s p r e s e n t e d ，a n di t sr e l i a b i l i t yw a sv e r i f i e dt h r o u l g ht y p i c a le x a m p l e s b a s e do nt h ed y n a m i c sm a t h e m a t i c a lm o d e l sw h i c hw e r ev e r i f i e d ，t h em u l t i o b j e c tf u n c t i o n st o i n d i c a t et h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h em e c h a n i s mw e r ee s t a b l i s h e d t h eo p t i m a lp a r a m e t e r s o ft h em e c h a n i s mw h i c hc o u l dm e e tt h ed e m a n d sf o rr i c e t r a n s p l a n t i n go b t a i n e db yt h ef i r s ts t a g e k i n e m a t i c so p t i m i z a t i o nw a ss e l e c t e da sc o n s t r a i n te q u a t i o n s c o n s e q u e n t l y , t h em a t h e m a t i c a l m o d e lf o rd y n a m i cso p t i m i z a t i o nw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m s o f t w a r ef o rd y n a m i c so p t i m i z a t i o no ft h em e c h a n i s mw a sp r o g r a m m e db yv i s u a lb a s i c6 0w i t h 浙江大学博士学位论文 t h i ss o f t w a r e ，t h es e c o n ds t a g ed y n a m i c so p t i m i z a t i o nw a sc o n d u c t e d ，a n do p t i m a lp a r a m e t e r so f t h em e c h a n i s mw e r eo b t a i n e d t h em e c h a n i s mm a d ea c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lp a r a m e t e r s ( z = 1 7 ，k = o 9 8 7 一6 0 。，= 4 5 。，s ；1 5 0 ) c o u l d n o to n l y m e e t t h er e q u i r e m e n t so f k i n e m a t i c s ，b u ta l s op o s s e s s e so p t i m a ld y n a m i c sp e r f o r m a n c e 9 ) a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r sw h i c hw e f e o b t a i n e db yt w o s t a g e o p t i m i z a t i o n ，t r a n s p l a n t i n g m e c h a n i s mo f t h i st y p ew a sd e s i g n e d 1o ) i nt h ee n d ，t h e r ew a sac o n c l u s i o nf o rt h ep a p e r ；a n dt e n t a t i v ep l a n sf o rf u r t h e rr e s e a r c hw e r ep u t f o r w a r d k e y w o r d s ：t r a n p l a n t i n gm e c h a n i s m ，d y n a m i ca n a l y s i s ，p r o o f , t w o s t a g e o p t i m i z a t i o n ，p a r a m e t e r s ， k i n e m t i ca n a l y s i s ，h i g h - s p e e dv i d e ot a p er e c o r d ，t e s t b e d 独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得逝鎏盘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：簿建磅 签字日期：。l 呻弘年f 月厣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘茎有关保留、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。本人授权一 迸鎏盘鲎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：睹、瘟旃 导师签名 趣黾 签字日期：。口啦年厂月屑日 签字日期： 口甲年 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 电话 邮编 f a 港黾 浙江大学博士学位论文 第1 章水稻插秧机分插机构的研究进展及 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研究最新 进展。最后对水稻插秧机分插机构的研究趋势进行了分析，提出了进一步研究设想，及本文研究方法 和技术路线。 1 1 水稻插秧机分插机构研究的意义和目的 水稻是我国主要粮食作物，其种植面积最大( 2 7 ，9 ) ，是单产最高( 平均6 2 1 2 k 公顷，即4 1 4 k g 亩) 、总产最多( 3 8 7 ) 的作物。水稻插秧机械化是提高插秧效率和产量、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 。在5 0 、6 0 年代，我国就 提出水稻栽植机械化，但行动慢，步子小，进展不大。据统计，到1 9 9 7 年只有2 8 。 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。 我国插秧机械化水平较低，主要的原因有： 国产插秧机的可靠性低( 多是传统曲柄摇杆式的传统插秧机) ；而进口高速插秧机的价格太高， 如日本的“洋马”牌高速水稻插秧机，价格1 3 2 万，台，加上专用的育秧设备，其作业成本高 达6 3 9 5 8 9 3 1 元亩，明显高于人t 插秧4 0 5 0 元亩的成本，从而限制了它的推广。 国外的高速插秧机对中n j g 方的单季稻小茁适应性强，而对南方双季稻的晚季大苗栽插适应性 差( 因为这些插秧机秧针尖的运动轨迹高度相对大苗来说太小) ，而我国水稻种植前五名为双 季稻区。 因而无论从经济性上还是从性能上都急需研究适台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。本论文也得到国家臼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 13 7 ) 。 第2 章水稻插秧机分插机构的研究进展及尚待研究的问题 水稻插秧机是一个复杂的机械系统，主要包括驾驶与操纵装置、行走底盘、液压系统、电气系统、 移箱机构、送秧袈置和分插机构等。其中分插机构是插秧机的主要工作部件，它是水稻插秧机从秧群 中分取一定数量的秧苗并将其插入土中的机构，其性能决定插秧质量、工作可靠性和单位时间的插次， 从而决定插秧机的整体水平和竞争力。因而分插机构从水稻插秧机问世以来一直是农机研究人员的研 究热点之一。研究分插机构的目的有：如何保证插秧质量，即如何实现插秧时的秧爪轨迹和姿态( 取 秧角和插秧角) ，达到不伤秩、不钩秧、不漂秧、立苗好和返青快：如何提高单位时间的插次。 1 2 水稻插秧机分插机构的研究进展 从1 9 世纪中期发明插秧机开始，人们就一直对分插机构进行研究。笔者将其按时间顺序分为3 个阶段： d 探索阶段：1 9 世纪中期到2 0 世界6 0 年代，该阶段的分插机构类型较多，但都没有定型，也没 有得到广泛应用，大多用于人力插秧机上。 实用阶段：2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代，该阶段的分插机构代表的类型有曲柄摇杆式分插机构和 转臂滑道分插机构，这一阶段得到广泛盼应用。 二 推广阶段：2 0 世纪8 0 年代至今。 由于前2 个阶段的分插机构插秧效率较低，称之为传统的分插机构。推广阶段的分插机构特点是 机构旋转1 周插秧2 次，插秧效率较高，又称高速插秧机分插机构或旋转式分插机构。 1 2 1 传统插秧机分插机构 下面简单介绍传统分插机构的类型，并着重介绍得到推广应用的曲柄摇杆式分插机构的研究情况。 1 ) 传统插秧机分插机构类型 传统水稻插秧机分插机构有摇臂导杆分插机构、转臂滑道分插 机构和曲柄摇杆式分插机构。 a 、摇臂导杆分插机构 该机构示意圈如图1 1 ，它主要刷于人( 卣) 力插秧机上，适用 于洗根苗，适当调整各参数可以得到较好的轨迹形状。在我国的一 些地区仍有使月j ，代表的机型有2 z p r 6 5 和2 z p r 6 6 。这种机构的 优点：结构简单、重量轻、体积小、易于操作。缺点是插秧质量著， 特别是糕插率、漂秧率较高，由丁| 动力的限制，生产率较低，不能 满足生产机械化的要求。 2 o ，鏖、 乡 俨 l 衫 骑 i ， 图i1 摇臂导杆分插机构 浙江火学博士学位论文 b 、转臂滑道分插机构 该机构结构简圈如图1 2 ，其工作原理是：利用运动合成的 方法，秩爪3 的运动是复合运动，牵连运动为秧爪随分插轮4 的旋转运动，相对运动为通过主滚轮7 和副滚轮6 受环形滑道 5 控制相对于分插轮4 的摆动。1 9 7 4 年，我国在总结了机动插 秧机的基础上，完成了转臂滑道滚动直插机型的设计，提高了 标准化、系列化和通用化程度，进入专业化生产阶段，并得到 了推广应用。代表性的机型有2 z ，5 3 2 、2 z - 6 3 2 和2 z 一5 3 6 。这 种机构的缺点是：滑道摩擦大，影响了插次的提高；结构复杂， 滑道加二【_ = 难度大；取秧可靠性差，回带、漂秧严重，大大影响 了插秧的效率。 c 、曲柄摇杆式分插机构 该机构是较早应用于水稻插秧机上的一种分插机构 ( 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最j 。泛的水稻插秧 机分插机构；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。为适应种植般季稻的多熟制地区 1 秧箱2 秧帘3 秧爪排4 分插轮 5 环形滑道6 副滚轮7 主滚轮 图1 2 转臂滑道分插机构 0at 5 1 摇杆2 推秧弹簧3 栽植臂盖4 拨叉 5 - 秧爪6 椎秧杆7 凸轮8 岫柄9 碱植臂 图1 3 曲柄摇杆式分插机构 我国浙江金华农机化所研制出了多熟制水稻 插秧机，型号2 z t d 一7 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 m m 而不会出现“搭 桥”，机插后直立性较好。但由于它是通过加民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米实现插秧要求的轨迹平姿态，但曲柄 摇杆机构是一种往复式的机构，并且由丁推秧装置的存在，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_ r ：作效率的提高：同时，分插机构秧爪尖线速度过高，产生分秧不均、伤 秧及栽插不稳等缺陷。 第2 章水稻插秧机分插机构的研究进展及尚待研究的问题 2 ) 曲柄摇杆式分插机构的研究情况 曲柄摇杆式分插机构的水稻插秧机是1 9 8 7 年前成型机中最成熟的分插机构，由于其良好的插秧质 量而被广泛应用于各种机型的插秧机。其机构简图如1 4 。 该机构中睦柄l 是主动件，能满足秧爪3 特殊运动 轨迹和姿态的要求，保证良好的插秧质量。但它与曲柄 摇杆机构不尽一致，它配有推秧装置，目的是减少秧苗 的回带、漂秧和漏插，以提高插秧质量。推秧装置是由 曲柄带动凸轮7 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 轮和推秧拨叉分离，凸轮对拨叉的作用力突然消失，在 推秧弹簧的作用下，拨叉将推秧杆5 快速推到底部，完 成推秧过程。 奔 酗t l 1 曲柄2 摇杆3 栽植臂体( 连杆) 4 推 秧拨叉5 推秧杆6 推秧弹簧7 凸轮 图1 4 曲柄摇杆式分插机构简图 对该机构的研究大多采用优化方法对其进行运动学或动力学分析，得到数学模型，建立目标( 单 目标或多目标) 函数和约束方程，得到优化模型，采用合适的优化方法优化得到较优参数，而后根据 较优参数对机构进行改进设计以提高插秧质量和单位时间的插次。主要有以下2 个方面的研究。 a 、运动学特性的研究 研究运动学特性主要是为了得到能够满足插秧要求的轨迹和姿态的一组机构参数。 赵匀等对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。白海英等从质点动能定理出发，也对推秩装置进行运动分析，得到改进凸轮轮廓的方 案，从而减少凸轮的磨损和整机的振动。 陈德俊、胡杭湘等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。 李德威等采用空间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t 作段有合适的运动速度。 邵陆寿等则以插穴大小适中为目标函数，以保证秧苗垂直下插、秧爪不刮撞己插秧苗、秧爪八土 和出土姿态为约束条件，j = j 优化方法来确定机构参数。 b 、动力学特性的研究 用质鼙中心轨迹法米分析分插机构的动力学特性是以往常h j 的方法之一，但赵匀、应义斌等指出 4 浙江大学博士学位论文 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、曲柄和摇杆转动中心 的作用力以及驱动链条受力的波动。还有一种传统的动力学研究方法是图解法：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，而且工作量较大，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 虑了推秧装置在工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米分析；【_ _ 】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，而是采用了与实际工况相近的分析方法； 口考虑了非定向转动的两相邻杆件绞结点的摩擦矩。巳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。 为平衡机构的惯性力，邵陆寿提出使机构对称交叉布置的方法，即使分插排运动对称交叉布置、 使半数的分插机构向下运行，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，减小质量阻减 小运动时的惯陛力。 到目前为止对该类型分插机构的研究是比较全面的。但是该机构由于其同有运动惯性力的作用以 及推秧装置的存在，使得作用在曲柄轴上的力随着单位时间内插次的提高，波动急剧增大，引起机架 振动，部件磨损加快，严重地影响了插秧质量，这就限制了工作效率的提高。该机构的实际最高插次 为2 5 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。若要再提高插次，必须采用新型 的分插机构才能实现。 1 2 2 高速插秧机分插机构 为提高插次，1 9 8 2 年日本学者率先开始致力丁高速插秧机的新型分插机构研究，用来代替曲柄摇 杆式分插机构。这就是旋转式的行星轮系分插机构。其主要创新是用旋转式分插机构取代了传统的往 复式曲柄摇杆式分插机构，优点是旋转式分插机构惯性力小，旋转1 周插秧2 次，在插次提高1 倍的 情况下，秧爪的线速度基本保持不变，因而伤秧率没有变化，即高速作业f ，能保持良好的插秧质量。 在方田化的火块水稻作业时，可充分发挥高效率作业的特点。f 面分类介绍旋转式分插机构。 第2 章 水稻插秧机分插机构的研究进展及尚待研究的问题 1 ) 偏心齿轮行星系分插机构 偏心齿轮行星系分插机构( 如图1 5 ) 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l o 两边对称布置2 对齿轮，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 ( 中问轮) 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，相对运动是随着行星轮作不等速逆向 转动，构成了特殊的运动轨迹，可满足秩爪的轨迹和姿态 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。 中国学者也对该机构进行研究和改进：陈怡群等在不 考虑偏心对啮合的影响下分析该机构的运动情况，采用优 1 推秩凸轮2 拨又3 推秧弹簧 4 栽植臂5 雄秧杆6 秧爪7 行星架 8 行星轮9 惰轮1 0 太阳轮 图1 5 偏心齿轮行星系 分插机构示意图 化的方法得到一组机构参数。l sg u o 等在考虑偏心的影响对该机构进行运动分析。应义斌等证明了 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。 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机构的优 点传动平稳，但3 n - - t - - 复杂，要求精度高，虽利用粉末冶金加工，可提高加工质量和简化加工工艺，但 一次性投入大。 本论文研究的对象就是该类型的分插机构。 3 ) 偏心链轮、椭圆差速、正齿行星轮、双控制和行星轮系曲柄摇杆分插机构 这5 种分插机构是由赵匀主持的“高速水稻插秧机分插机构的机理和结构参数研究”( 5 9 8 7 5 0 7 9 ) 国家自然科学基金的课题组成员研制并申报6 项专利( 行星轮曲柄摇杆分插机构、圆盘式椭圆齿轮行 星轮系分插机构、正齿行星轮系分插机构、双控制分插机构、偏心行星链轮分插机构、椭圆差速分插 机构) 其中的5 种机构。他们对这5 种类型的分插机构进行运动学分析，建立数学模型并在v b 平台 上编写了机构参数优化软什，可以方便快捷地按照设计者要求找出一组最优参数。这种快捷的手段是 方法上的一人突破，若用传统的方法( 作图法域人：|