（机械设计及理论专业论文）基于秧针静轨迹的非圆齿轮行星系分插机构设计及性能分析.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 学位论文作者签名：7 扩明辉1 日期：劲f d 年4 月二猸 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 亏 日期：2 0 o 年月乙日 本学位论文为 国家自然科学基金资助项目 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( 5 0 6 0 5 0 5 7 ) 浙江理工大学硕七学位论文 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水稻插秧机的整体 水平。目前市场上高速插秧机旋转式分插机构普遍采用偏心圆齿轮或椭圆齿轮作为传动机 构，由于偏心圆、椭圆的节曲线方程表达式已知，节曲线比较规则，可选择参数少，调整 范围小，设计不灵活。因此，针对目前高速插秧机分插机构设计和制造过程中存在的问题， 通过对插秧工艺的技术要求和插秧机秧针轨迹的分析，研究了基于秧针静轨迹反求旋转式 分插机构中非圆齿轮节曲线的方法，并设计出适合高速插秧机的非圆齿轮行星系分插机 构。 本论文的研究得到了国家自然科学基金科研课题“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( 5 0 6 0 5 0 5 7 ) 的项目资助，以高速插秧机旋转式分插机构为研究 对象，依据机械设计原理，对分插机构的计算、设计、模拟仿真的全过程进行了研究和探 索。本文主要的研究内容和结论如下： 分析了我国水稻种植机械化现状，高速水稻插秧机的发展趋势和旋转式分插机构的特 点，提出了由插秧静轨迹反求旋转式分插机构中非圆齿轮节曲线的设计方法，并编写了相 应的分析计算程序。对设计出的非圆齿轮行星系分插机构进行了运动学和动力学分析，同 时对设计方法进行验证。 旋转式分插机构采用非圆齿轮系作为传动机构，但非圆齿轮的设计比较复杂，很难利 用数学表达式计算出齿轮齿廓的精确解。为此，利用m a t l a b 动态直观的显示计算结果 功能，开发了非圆齿轮齿廓的设计软件。该软件可利用非圆齿轮的节曲线分析模块检查非 圆齿轮是否根切，分析非圆齿轮节曲线的曲率变化，计算齿廓。其中非圆齿轮齿廓设计计 算软件已获得计算机软件著作登记权( 登记号：2 0 0 9 s i 如2 7 1 3 9 ) 。 建立了非圆齿轮行星系分插机构的三维模型，进行了虚拟装配和虚拟动态仿真。利用 机械动力学分析软件a d a m s 对虚拟样机进行运动学和动力学仿真，对分插机构中秧针尖 点的位移、速度、加速度、非圆齿轮轴心受力以及支座反力仿真结果比较，验证了设计模 型的正确性。 关键词：插秧轨迹；分插机构；非圆齿轮；节曲线设计；齿廓计算 浙江理工大学硕士学位论文 d e s i g na n dp e r f o r m a n c ea 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 p l a n e t a r yn o n c i r c u l a rg e a r sb a s e do nt h es e e d l i n go r b i t a b s t r a c t t h ek e yc o m p o n e n to fr i c es e e d l i n gp l a n t e ri st h es e p a r a t i n gm e c h a n i s m t h ep e r f o r m a n c e o ft h es e p a r a t i n gm e c h a n i s md i r e c t l yd e c i d e dt h ew h o l el e v e lo ff i c es e e d l i n gp l a n t e r a tp r e s e n t i nt h em a r k e tt h er o t a t i o nt y p es e p a r a t i n gm e c h a n i s mo fr i d es e e d l i n gp l a n t e r i t sg e a ru s e dt ot h e p i t c hc u r v ec o m p a r i s o nr u l em o s t l ys u c ha st h ee c c e n t r i cc i r c l eg e a ro rt h ee l l i p t i cg e a r a st h e e c c e n t r i c ，e l l i p t i ce q u a t i o no ft h ef e s t i v a li sk n o w ne x p r e s s i o n s ，o p t i o n a lp a r a m e t e ri sf e w , a d j u s t m e n tr a n g es m a l l ，s od e s i g ni sn o tf l e x i b l e t h e r e f o r e ，t h ev i e wo ft h ec u r r e n tr i d er i c e s e e d l i n gp l a n t e rs e p a r a t i n gm e c h a n i s md e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp r o b l e m s t h i sa r t i c l e p o 砬o u tp r e v i o u sp r o b l e mo ft h er o t a t i o nt y p es e p a r a t i n gm e c h a n i s m d e v e l o p i n gb a s e do nt h e r i c ep l a n t e rs e e d l i n go r b i tr e q u e s to fs e p a r a t i n gm e c h a n i s mt od e s i g np i t c hc u r v eo fn o n c i r c u l a r g e a r t h i sr e s e a r c hi s s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c 卜 e l a s t i cd y n a m i cm o d e l i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o no fr i d i n gs e e d l i n gn e we x e c u t i v eb o d y ( 5 0 6 0 5 0 5 7 ) ”t h i st h e s i sd e e p l ys t u d yo nt h en o n c i r c u l a rg e a rs e p a r a t i n gm e c h a n i s m ，a n dt h e w h o l ep r o c e s so fc a l c u l a t i o n ，s i m u l a t i o n , a n dd e s i g ni ss t u d i e da n dd e v e l o p e di na s p e c t so f b o t h t h e o r ya n da p p l i c a t i o nb yt h em e c h a n i c sp r i n c i p l e t h es t u d yc o n t e n ta n dr e s u l to ft h i sp a p e ri s a sf o l l o w i n g ： a n a l y s i st h es t a t u so fr i c es e e d l i n gp l a n t e r , r i d er i c ep l a n t e rt r e n d s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f s e p a r a t i n gm e c h a n i s m b yt r a n s p l a n tr i c es e e d l i n go r b i tt od e t e r m i n et h es e p a r a t i n gm e c h a n i s m w i t hn o n c i r c u l a rg e a rp i t c hc u r v e a n dp r e p a r a t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n p r o g r a m t h es e p a r a t i n gm e c h a n i s m 晰t l ln o n c i r c u l a rg e a r f o rk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i s p r o v e dt h ed e s i g nm e t h o di nt h i st h e s i s r o t a t i o nt y p es e p a r a t i n gm e c h a n i s ma d o p tn o n c i r c u l a rg e a r s b u tt h en o n c i r c u l a r g e a r d e s i g ni sq u i t ec o m p l e x ，u s i n gm a t l a bd y n a m i cd i r e c t - v i e w i n gd e m o n s t r a t i o nc o m p u t e d r e s u l tf u n c t i o n i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e dt h en o n c i r c u l a rg e a rt o o t hp r o f i l ed e s i g nc a l c u l a t i o n s o f t w a r e ，t h i ss o f t w a r ec a na n a l y z e st h ec u r v a t u r eo ft h en o n c k c u l a rg e a rp i t c hc u r v e ，p r o d u c e t h en o n c i r c u l a rg e a rt o o t hp r o f i l e t h en o n c i r c u l a rg e a rt o o t hp r o f i l ea l g o r i t h mc o p y r i g h t so f c o m p u t e rs o f t w a r ew a sa w a r d e d ( r e g i s t r a t i o nn u m b e r ：2 0 0 9 s r 0 2 7 1 3 9 ) c o n s t r u c t i o nt h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo fs e p a r a t i n gm e c h a n i s m 、矶mn o n c i r c u l a r 浙江理工大学硕士学位论文 p l a n e t a r ys y s t e m ，t h eh y p o t h e s i z e da s s e m b l ya n dt h eh y p o t h e s i z e dd y n a m i cs i m u l a t i o n a n d t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，p r e s e n t e di ns e p a r a t i n gm e c h a n i s m sd i s p l a c e m e n t 、v e l o c i t y 、 a c c e l e r a t i o n 、n o n c i r c u l a rg e a ra x i sf o r c ea n dg r o u n dr e a c t i o nf o r c e v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f d e s i g nm o d e l k e yw o r d s ：s e e d l i n go r b i t ；s e p a r a t i n gm e c h a n i s m ； n o n c i r c u l a rg e a r ；d e s i g np i t c h c u r v e ：t e e t hp r o f i l ec o m p u t a t i o n 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义。1 1 2 我国水稻插秧机械化现状l 1 3 国内外分插机构的研究状况3 1 3 1 传统分插机构。4 1 3 2 高速分插机构5 1 4 国外先进插秧机的主要特点6 1 5 水稻插秧机发展趋势7 1 6 非圆齿轮的特点8 1 7 课题研究的内容及工作安排8 1 8 本章小结9 第二章由插秧机秧针静轨迹反求分插机构中非圆齿轮节曲线研究1 0 2 1 分插机构的设计方法1 0 2 2 插秧机秧针轨迹分析1 1 2 2 1 秧针的动轨迹分析1 1 2 2 2 秧针的静轨迹分析1 2 2 3 非圆齿轮传动比计算1 3 2 3 1 非圆齿轮副中心距及秧针长度计算1 4 2 3 2 计算行星轮与太阳轮传动比1 4 2 3 3 计算中间轮与太阳轮传动比1 7 2 4 非圆齿轮节曲线设计1 7 2 5 栽植臂干涉检验：2 0 2 6 分插机构运动学分析2 0 2 6 1 非圆齿轮行星轮系分插机构运动简图21 2 6 2 分插机构上关键点的位移方程2 l 2 6 3 速度方程和角速度方程2 3 2 6 4 加速度方程和角加速度方程2 4 浙江理工大学硕士学位论文 2 7 本章小结2 6 第三章非圆齿轮齿廓算法及加工方法2 7 3 1 加工非圆齿轮齿廓原理2 7 3 2 齿轮副中心距和节曲线曲率半径2 8 3 2 1 中心距计算2 8 3 2 2 节曲线曲率半径及凹凸性判断2 8 3 3 非圆齿轮齿廓算法2 9 3 3 1 包络线族计算方法3 1 3 3 2 精度分析31 3 3 3 齿廓特征点排序规律：31 3 3 4 齿根过渡曲线的计算3 2 3 3 5 齿顶曲线的计算3 2 3 4 非圆齿轮齿廓计算流程图3 3 3 5 非圆齿轮齿廓计算软件介绍3 3 3 5 1 非圆齿轮齿廓设计计算软件界面3 4 3 5 2 非圆齿轮参数计算3 5 3 5 3 非圆齿轮齿廓计算3 6 3 5 4 非圆齿轮啮合仿真一3 6 3 6 旋转式分插机构非圆齿轮齿廓结果3 7 3 7 非圆齿轮加工。3 8 3 7 1 用成形法加工非圆齿轮3 8 3 7 2 用经机械改装的机床加工非圆齿轮3 8 3 7 3 插齿法加工非圆齿轮3 8 3 7 4 滚齿法加工非圆齿轮3 9 3 7 5 化学蚀剂法3 9 3 8 本章小结4 0 第四章非圆齿轮行星系分插机构的三维建模及虚拟样机仿真4 1 4 1 非圆齿轮行星系分插机构的结构设计4 1 4 2 分插机构虚拟样机三维模型4 3 4 3 分插机构a d a m s 虚拟样机动态仿真4 4 v 第 参 致 攻 浙江理t 大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 水稻是我国主要粮食作物，在粮食安全生产中占有极其重要的地位。水稻常年种植面 积约3 0 0 0 万公顷，占全国谷物种植面积的3 0 ，世界水稻种植面积的2 0 ；稻谷总产量 近2 0 0 0 0 万吨，占全国粮食产量的4 0 ，世界稻谷总产量的3 5 ；稻谷平均单产6 2 1 2 吨 公顷【l 】，是单产最高的粮食作物。在主要粮食作物生产中，水稻生长发育环境和技术措施 复杂、耕作栽培制度细、季节性强、劳动强度大、综合机械化水平低、农民劳作辛苦。结 合我国水稻生产的情况，研究并设计出效率高、插秧质量好的水稻插秧机，对发展我国的 农机事业、减轻农民的劳动强度、大量解放劳动生产力向其他产业转化、实现农业现代化 具有十分重要的意义。 我国目前高速插秧机主要引进日本和韩国的技术，日本水稻插秧机的技术水平走在世 界的前例，但日本的高速水稻插秧机核心技术研发方面一直对我国进行专利保护，例如日 本旋转式分插机构方面的专利就有5 项。日本的高速插秧机只适应单季稻生产模式，不适 合我国南方大部分地区的双季稻大苗的机械化生产模式，其分插机构工作特性不适合我国 水稻生产的自然条件和复杂的耕作制度。总体来说，国外的插秧机不完全适合我国的所有 地区和所有种植模式 2 1 。 高速插秧机自从上世纪9 0 年代初从日本进入中国市场以来，已经被国内专家们认为 是我国水稻插秧机的发展方向。目前，国内高速插秧机旋转式分插机构的设计思路方法基 本相同，即在分插机构中非圆齿轮节曲线表达式已知的前提下，根据农艺提出的插秧轨迹 要求，设计非圆齿轮系的机构参数1 3 1 。这种方法需要在事先确定一种非圆齿轮节曲线表达 式，通过编写人机交互程序，将表达式中参数作为程序中变量进行设计，可调参数个数固 定，且幅度小，不易设计出满足理想的插秧轨迹的分插机构。 本课题主要针对旋转式分插机构设计中所存在的问题，寻找插秧轨迹与非圆齿轮节曲 线关系，研究由插秧静轨迹设计非圆齿轮行星系分插机构的方法，同时基于m a t l a b 自 主开发了相关的计算和设计软件。使得插秧机旋转式分插机构可以满足我国不同水稻生产 地区、不同水稻种植模式的要求。 1 2 我国水稻插秧机械化现状 从表1 1 可以看出，我国整体的水稻机械化是比较低的，其中1 9 9 8 年种植的机械化水 浙江理丁大学硕士学位论文 平最低，到2 0 0 8 年也只有1 3 ，种植机械化已经成为我国水稻机械化生产的瓶颈。2 0 0 8 年全国机插秧面积新增8 0 0 万亩，达到4 5 0 0 多万亩，全国新增机动插秧机近5 万台，增 长3 2 ，保有量已达2 0 万台。2 0 0 9 年，农业部以实施项目为引导，投入1 4 5 0 万元，建立 1 4 5 个示范推广基地，进一步完善不同区域的技术路线和技术模式，推动水稻育秧机械化 的大发展，实现全国新增水稻机械化插秧面积1 1 0 0 万亩，增长2 5 ，水稻机械化插秧水 平提高2 5 ，加速了我国水稻生产机械化进程。 表1 1 我国1 9 9 8 - - 2 0 0 8 年主要环节水稻机械化水平 经过前几年水稻机械化育秧、插秧技术的示范县、示范区的成功建设，我国在节本增 效方面取得了显著成效，辐射带动作用十分明显，为机插秧的大面积普及及推广奠定了坚 实的基础。一大批国际、国内品牌的多种型号插秧机产品相继面市，不同价位和功能的步 进式、独轮乘坐式、高速乘坐式插秧机满足了不同地区、不同层次用户的需求。根据全国 水稻生产机械化十年发展规划( 2 0 0 6 , - 一2 0 1 5 年) ，我国到2 0 1 5 年水稻生产环节机械化水平 达到7 0 ，其中耕整地机械化水平达到8 5 、种植机械化水平达到4 5 、收获机械化水平 达到8 0 。 我国水稻生产地域分布广，各地气候、土壤等条件及种植制度相差很大，从总体上看， 我国水稻生产地可分成三个类型稻作区：第一类为北方稻区；第二类为南方稻麦区；第三 类为南方双季稻区。第一类稻区和第二类稻区共性较多，水稻生产机械化条件几乎相同， 相对而言，这两类稻区机械化的基本条件和可能性要优于第三类稻区。第三类双季稻区条 件恶劣，情况最为复杂，特点是：田块小、泥脚深而烂、雨水多，田里常年积水。目前我 国机械化栽植水稻最主要的问题是：双季晚稻秧龄长、秧苗过高过粗，移栽时已分蘖，尽 管农艺上有一套矮壮控高措施，但用于晚稻机械化移栽育秧时技术不易掌握，效果不佳、 不稳定；杂交稻单株苗机械化栽插技术更是久未攻克，可以说目前现有移栽机具无法适应。 而我国水稻种植前五名均为双季稻区，给我国整个水稻生产过程机械化提出了难题。 随着国家在新世纪对建设和谐富裕社会主义新农村的提出及各级政府两减免三补贴 2 浙江理工大学硕士学位论文 和保证粮食安全惠农政策的出台，给农机化发展创造了新的机遇。水稻生产机械化是我国 农业机械化最薄弱的环节，加快发展水稻生产机械化对保障我国粮食安全、农民增产增收、 新农村建设有着十分重要的意义。 1 3 国内外分插机构的研究状况 我国有组织地研究水稻插秧机始于1 9 5 3 年，自从1 9 5 6 年南京工学院机械原理教研室 最先研制出我国第一台水稻插秧机以来，水稻插秧机先后经历了几次革新，插秧质量、工 作效率越来越高，得到了推广应用。水稻插秧机的发展普及除了需要农机和农艺相结合、 相促进之外，另一个重要原因是分插机构结构的合理改进、选择、简化，使插秧质量、效 率大大提高。 目前，水稻插秧机大致可分为3 种类型，完全靠人工的手动插秧机、带有行走动力的 步行式插秧机和乘坐式高速水稻插秧机。手动插秧机没有动力，完全靠人工操作，操作人 员劳动强度大，工作效率低；乘坐式高速水稻插秧机是目前最先进的插秧机械，工作效率 高，适合于大田块作业；步行式的插秧机性能介于前两者之间。 高速插秧机的研究始于日本，在上世纪8 0 年代开始进行插秧机核心部件一分插机 构的创新性研究，发明了旋转式分插机构，应用在乘坐式插秧机上，插秧效率比传统的乘 坐式插秧机提高一倍，并在上世纪8 0 年代末将其投入了市场【5 1 。日本高速水稻插秧机对我 国南方地区早稻或单季稻有较好的适应能力，但对大苗插秧适应性不好。由于日本是单季 稻国家，其旋转式分插机构只适应于小苗插秧，秧针轨迹前倾，轨迹高度不够，对于中苗， 特别是大苗容易推倒和伤苗。 我国以前大部分插秧机机型结构复杂、作业质量差且制造成本较高，均未能在实际生 产中广泛应用。从1 9 6 4 年开始研制机动水稻插秧机，1 9 6 7 年东风2 s 型机动插秧机通过部 级鉴定，采用我国独创的转臂滑道分插机构。但该机型分插机构过于复杂、取秧稳定性差、 插秧质量不高。从上世纪9 0 年代起，我国的众多高校和企业纷纷开始着手研究和开发乘 坐式水稻插秧机，研究乘坐式水稻插秧机是我国农机研究人员在今后一段时间内的主要任 务。 分插机构是插秧机的核心工作部件，由栽植臂和齿轮箱组成。栽植臂直接与秧苗接触， 进行分秧和取秧。齿轮箱的任务就是利用非圆齿轮非匀速比传动使栽植臂按要求的轨迹和 姿态准确可靠地运转。国内外分插机构的研究是随着水稻插秧机的发展逐渐深入的，相关 理论也逐渐成熟。根据其最高转速可分为传统分插机构和高速分插机构。 3 浙江理工大学硕士学位论文 1 3 1 传统分插机构 传统的分插机构的工作转速较低( 最高转速低于 2 7 0 r p m ) ，主要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三种。 1 摇臂导杆分插机构 图1 1 为摇臂导杆分插机构的结构示意图。该分插 机构适用于洗根苗的人力插秧机上，这种机构的优点是 结构简单、重量轻、体积小、搬运方便。缺点是用于水 洗苗，劳动效率低、插秧质量差，由于工作原理和取秧 机构的限制，不适应用于机械化插秧机，在我国已极少 使用。 2 转臂滑道分插机构【6 】 转臂滑道分插机构如图1 2 所示。该机构的关键是 滑道曲线的设计。秧爪3 的运动是由秧爪随分插轮4 的 旋转运动的牵连运动和主滚轮7 和副滚轮6 受环形滑道 5 控制相对于分插轮4 的摆动的相对运动复合而成。 3 曲柄摇杆式分插机构 7 - 9 1 + v - p 1p 一“众 x l 。萨 岁， y d y d 1 图1 1 摇臂导杆分插机构 曲柄摇杆式分插机构是一种常见的四杆机构，其特 1 秧箱2 秧帘3 秧爪排4 分插轮 点是结构简单，如图1 3 所示。插秧轨迹由四个杆件的 长度确定，适应于后插式插秧机构。它是在上世纪6 0 年代初期由日本开始研究，在带土小苗移栽技术、室内 机械化盘育秧苗技术和设备的基础上研制，由于机构设 计和制造较容易，工作可靠，很快在插秧机上得到推广 应用。 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，但由于曲柄摇 杆机构转动时的机构动平衡问题，机器的振动较大，其 工作转速不能过高，影响了插秧机工作效率的提高。同 时，由于分插机构秧爪尖线速度过高，造成分秧不均、 伤秧及栽插不稳等缺陷。 4 5 环形滑道6 副滚轮7 主滚轮 图1 2 转臂滑道分插机构 1 摇杆2 推秧弹簧3 栽植臂盖4 拨叉 5 秧爪6 推秧杆7 凸轮8 曲柄9 栽植臂 图1 3 曲柄摇杆分插机构 浙江理工大学硕士学位论文 1 3 2 高速分插机构 高速分插机构比传统的分插机构优越，曲柄摇杆分插机构在较高插次工作时会产生机 架振动加剧，分插机构秧爪尖点线速度过高，产生分秧不均、伤秧及栽插不稳等缺陷。而 高速分插机构采用了旋转式分插机构，其优点是惯性力小，旋转一周插秧2 次，插秧质量 好、效率高，插秧频率4 0 0 6 0 0 次m i n 。从而取代了传统的曲柄摇杆式分插机构【引。我国 从上世纪9 0 年代开始研究，研究方向主要集中于在保证插秧质量的前提下实现高速化和 轻型化。目前主要有以下高速分插机构。 1 偏心链轮式分插机构【l o 】 偏心链轮式分插机构采用5 个偏心链轮，利用传动比变化实现分插机构的传动要求。 偏心链轮分插机构的传动部分产生非匀速比转动，与偏心齿轮、椭圆齿轮分插机构相同。 不同之处在于偏心链轮分插机构没有中间轮，取而代之的是两个等径偏心链轮，通过偏心 链轮传动比变化来实现要求。两偏心链轮轮心在工作周期中，靠近和分离造成链条松紧变 化可由偏心张紧轮消除。 2 偏心齿轮行星系分插机构【m 1 4 】 偏心齿轮行星系分插机构由日本率先发明，并在中 国申报专利。该机构如图1 4 所示，共有9 个半径相同 的偏心齿轮，太阳轮1 0 固定不动，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，行星架转动，2 个惰轮9 ( 也称中间轮) 1 推秧凸轮2 拨叉3 推秧弹簧 绕太阳轮转动，带动2 个行星轮在周期内摆动，栽植臂 4 藏植臂5 摊秧杆6 秧爪 随行星架的圆周运动和随行星轮作相对于行星轮轴的7 行星架8 行星轮9 惰轮1 0 太阳轮 摆动，构成了特殊的运动轨迹，可满足秧爪轨迹和姿态 图1 4 偏心齿轮行星系分插机构 的要求。偏心齿轮行星系分插机构与非圆齿轮行星系分 插机构相比较有加工简单的优点，但齿隙变化会引起振动，需增加防振装置，结构较复杂。 中国学者也对该机构进行了研究和改进，在对该机构进行运动分析的基础上，用解析法建 立了该分插机构的运动学模型。 3 正齿行星轮系分插机构【l 5 】 正齿行星轮系分插机构如图1 5 所示，它由正圆齿轮和椭圆齿轮组成。通过键、行星 轮轴与行星圆齿轮固结一对栽植臂，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 s 浙江理工大学硕十学位论文 迹) 运动，通过选择合适的结构参数，就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插 秧角。 4 椭圆差速分插机构1 6 】 椭圆差速分插机构在一个回转的壳体里( 相当于轮 系机构的行星架) 安装3 个全等的椭圆齿轮，3 个椭圆 齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的交点上且相位相同，并 支撑在壳体上，栽植臂上秧爪输出的绝对运动为随壳体 的平动和绕行星轮轴心的不等速转动的合成，从而使秧 爪获得适于分秧、插秧的运动轨迹。另外，在栽植臂上 附加推秧机构，其作用是插秧时将秧苗准确推入土壤 中。 5 椭圆齿轮行星系分插机构1 7 - 1 9 】 椭圆齿轮行星系分插机构如图1 6 所示。其传动部 分由5 个全等的椭圆齿轮、行星架和2 个栽植臂组成。 中央椭圆齿轮i ( 也称太阳轮) 与机架固定，在起始位 置，5 个椭圆齿轮长轴在一条直线上，行星架转动，转 1 中心椭圆齿轮2 、3 中间椭圆齿轮 4 、5 中问圆齿轮6 、7 行星圆齿轮 图1 5 正齿行星轮系分插机构 速为国，2 个中间齿轮( 也称惰轮) 绕太阳轮转动，带 图1 6 椭圆齿轮行星系分插机构 动2 个行星轮( 齿轮i i i ) 在周期内摆动，行星轮与栽植臂一体，栽植臂上各点( 包括秧爪 尖) 作复合运动，行星轮轴随行星架的圆周运动( 牵连运动) 和随行星轮作相对于行星轮 轴的摆动( 相对运动) ，构成了特殊的运动轨迹。秧爪的角速度为行星架角位移和行星轮 角位移的代数和。在v b 6 0 平台上开发出人机交互参数优化软件，分析了各结构参数对运 动轨迹和优化目标的影响，优化出满足插秧要求的结构参数。 1 4 国外先进插秧机的主要特点 日本高速插秧机主要有以下特点 2 0 - 2 3 1 ： 1 水稻插秧机的高速化。曲柄摇杆机构插秧频率可达2 7 0 次m i n ，但随着作业速度 的提高，机身振动加剧和插秧精度下降。日本在上世纪8 0 年代初提出了以偏心非圆行星 齿轮系机构代替曲柄摇杆机构，采用回转双插头装置，插速高达4 0 0 , - - , 6 0 0 次m i n ，最高 作业速度1 4 m s ，插秧速度提高5 0 。由于有对称的两只栽植臂，既实现高效率作业，又 减少了由插秧机惯性力引起的振动，所插秧苗稳定，插秧质量好，作业效率高。 2 工作可靠性高、作业质量好。广泛使用液压技术、自动控制和安全装置，如自动仿 6 浙江理工大学硕士学位论文 形控制插深、机体水平自动控制、插秧离合器分离及转弯自动减速、秧爪安全分离装置等， 当遇到超负荷时( 如石块) ，秧爪能在任一位置停止运动可避免损坏秧爪和其他机件。 3 产品多样化，以适应不同地区对机器的需要。步行机由两轮驱动，有2 、4 、6 行。 乘坐型由四轮驱动，有4 、6 、8 、1 0 行。行距3 0 0 m m ，株距1 2 0 - 2 0 0 m m 可调。普遍可配 带化肥深施装置，所施肥料有液体肥料和颗粒肥料。 4 四轮液压驱动底盘的乘坐型插秧机。近几年，日本开发的高速水稻插秧机乘座式底 盘都采用液压无级变速驱动装置，田问作业和转移速度快，机手操作轻便，工作效率大大 提高。 5 底盘与插秧部分采用液压浮动悬挂。在一般田里工作时，不会发生秧船壅泥现象。 插秧部分能左右摆动，因此在犁沟不平的田间作业时也能够保持水平。 6 电子监视装置。安装缺秧、施肥等监视装置，乘坐型插秧机的秧箱底板处装有传感 器，当秧箱内的秧苗快插完时能自动停车，并向驾驶员发出信号。 7 采用新材料和先进制造工艺。广泛采用高强度轻金属、塑料制板和型材等；零件采 用压铸、粉末冶金等工艺制造，零件精密、轻巧，适合水田作业。 1 5 水稻插秧机发展趋势 近几年随着工业制造业技术的发展和水稻农业种植技术的提高，以及中国农村劳动力 老龄化和缺乏等问题，水稻插秧机技术主要有以下几个方面的发展趋势1 2 4 - 2 9 ： 1 提高插秧机插秧作业效率。由步行式插秧机向乘坐式插秧机发展。增加作业行数， 由目前的4 行、6 行插秧机演变成8 行、1 0 行等大型插秧机。运输时可采用折叠方式。 2 简化机构复杂度。以偏心齿轮行星系分插机构为例，日本洋马偏心齿轮的9 个偏心 齿轮和两对涡卷弹簧发展为5 个非圆齿轮的分插机构，其中包括三个偏心齿轮和两个偏心 共轭非圆齿轮。不仅可以有效消除齿侧间隙，降低生产制造成本，同时提高机构的稳定性。 3 适应不同地区的作业方式。改进高速插秧、纵向送秧和横向送秧装置，扩大对秧苗 的适应范围，提高插秧精度，减少漏插率等。如插秧机可兼插小苗、中苗，乳苗插秧、单 株插秧等。 4 改善操作性能。随着从事农业生产人员日趋老龄化和女性化，插秧机的自动化程度 也越来越高，分插机构和移箱机构均采用无极变速，操作手柄增加了液压助力，从而大大 提高操作人员的舒适性。 7 浙江理工大学硕+ 学位论文 1 6 非圆齿轮的特点 为了实现高速水稻插秧机插植机构的取秧、送秧和推秧等动作，其栽植臂上的秧针作 非匀速运动，这就要求驱动栽植臂的传动机构是一个非匀速传动机构。由于非圆齿轮结构 尺寸小，可以实现特殊的运动和实现函数运算【3 1 1 ，所以插秧机的旋转式分插机构采用非 圆齿轮作为传动机构。 非圆齿轮的节曲线形状是按运动要求专门设计的，在许多情况下，用非圆齿轮很容易 实现的运动，采用其他机构则往往使机构变得庞大复杂。在运动速度较高的情况下采用非 圆齿轮后，对机构的运动特性极为有利，从而提高了机构的性能，改善了机构的运动条件。 非圆齿轮可以精确地按要求的运动关系设计和制造，运动精度高。理论上能够精确地 实现各种任意要求的变速比传动。若生产实际中所需速比变化规律很复杂，一对非圆齿轮 无法实现所需传动比时，则可通过组合成定轴轮系或行星轮系来完成。 节曲线封闭的非圆齿轮可以单向连续地转动，获得周期性的变速比运动。因此非圆齿 轮机构比其他机构传动更可靠。比如，凸轮机构必须有力封闭或几何封闭，使得机构工作 中产生了动平衡，从而影响整机的性能，而非圆齿轮机构则没有此类问题。 齿轮副的结构紧凑、刚性好、传动比较平稳、效率高；能保证精确地传动比，其传递 的功率与适用速度的范围大。 非圆齿轮传动虽然在上世纪初就已有应用，由于非圆齿轮副的设计计算复杂，制造困 难，成本高，所以没有得到广泛地应用，有关资料也很少。随着计算机技术及数控技术的 日益发展，并且深入应用到机器设计、制造领域中之后，非圆齿轮设计、制造变得相对简 单容易。近年来非圆齿轮传动已经逐渐从单对齿轮副发展到非圆齿轮定轴轮系、非圆齿轮 行星轮系以及非圆齿轮副和差动轮系组合等。 计算出各个齿轮齿廓之后，可以进行数控编程，在线切割机床上加工出非圆齿轮。这 种方法的优点，是不需要专门的切齿机床和刀具，容易实现。缺点是要逐齿进行计算和编 程，耗费时间多。这种方法的加工精度取决于线切割机床和工艺的精度口2 1 。 1 7 课题研究的内容及工作安捧 1 分析国内外水稻机械化现状和发展趋势，研究水稻插秧机分插机构的原理及特点。 2 计算插秧轨迹与非圆齿轮行星轮系分插机构中各个非圆齿轮的转角关系，求出非圆 齿轮副传动比、非圆齿轮节曲线和机构其他参数。 3 根据展成法加工齿轮原理，编写了一种精度高、分析功能强的非圆齿轮齿廓设计计 8 算软件。 4 进行非圆齿轮行星系分 5 建立非圆齿轮行星系分 维动态仿真轨迹，将仿真轨迹 动力学研究。 1 8 本章小结 1 提出了本文研究的目的 2 综述了我国水稻插秧机 3 分析和研究非圆齿轮传 4 给出了论文的研究内容 9 浙江理t 大学硕十学位论文 第二章由插秧机秧针静轨迹反求分插机构中非圆齿轮节曲线研究 分插机构的设计优化目标较多，且各个参数之间很难用数学表达式表示。若采用传统 的手工计算作图法，计算量很大，且精度不能满足要求。本章提出了在已知插秧机秧针静 轨迹的基础上反求旋转式分插机构中非圆齿轮节曲线的设计原理和方法，并基于m a t l a b 编写了由插秧机秧针静轨迹计算分插机构中非圆齿轮节曲线软件，该软件求得的数值解精 度高，能较好的满足精度要求。 2 1 分插机构的设计方法 分插机构的设计方法可分两种，第一种方法为调整非圆齿轮的节曲线表达式、秧针长 度和株距等参数，通过编写专用人机交互软件计算该分插机构的插秧轨迹，选择所设计分 插机构的参数；第二种方法位已知插秧轨迹反求分插机构结构参数。第二种方法由于计算 比较复杂，目前只应用与曲柄摇杆分插机构的设计上。 第一种方法已经应用于正齿行星轮系分插机构和椭圆齿轮行星系分插机构上，该方法 根据旋转式分插机构的非圆齿轮系的基本结构，将非圆齿轮节曲线表达式中参数作为变 量，编写该节曲线表达式的计算机辅助设计软件，分析所选择的非圆齿轮系构成的分插机 构秧针轨迹，再选择一组合理的结构参数。图2 1 为该方法编写的软件界面，但是采用这 种方法设计分插机构往往带有一定的盲目性，试凑过程中很不易到一条完美的秧针曲线。 1 分插机构相对运动分析模块界面2 分插机构绝对运动分析模块界面 图2 1 由齿轮传动比设计分插机构参数的人机交互界面 针对已知齿轮齿轮传动比推导插秧轨迹存在的问题，本文研究了已知插秧机秧针静轨 迹求解行星轮系分插机构中非圆齿轮节曲线和传动比的设计方法。该方法的设计思路为先 给定秧针静轨迹，计算齿轮箱壳体和栽植臂之间的相对角度位置关系，得到分插机构行星 1 0 浙江理工人学硕士学位论文 轮系中非圆齿轮传动比及节曲线。该方法避免了基于由齿轮节曲线表达式试凑秧针轨迹的 盲目性，充分利用m a t l a b 软件数学计算功能，将计算和绘图部分由程序来完成。对于 农业上提出的任意插秧机秧针轨迹都可以设计出满足要求的非圆齿轮传动系，具有设计速 度快、精度高等特点。 2 2 插秧机秧针轨迹分析 ” 插秧机秧针的运动轨迹分为绝对运动轨迹和相对运动轨迹。秧针的绝对轨迹是插秧机 行走而分插机构工作时秧针尖点的轨迹曲线，简称为动轨迹。插秧静轨迹是插秧机停止而 分插机构工作时秧针尖点的轨迹曲线，简称为静轨迹。 2 2 1 秧针的动轨迹分析 步行式插秧机属于后插式作业，即分插机构的秧针运动方向和插秧机行走方向相反； 而高速式插秧机属于前插式作业，即分插机构的秧针运动方向和插秧机行走方向相同。而 且两者前行的速度也不相同，高速插秧机比步行式插秧机快很多，这导致步行式和高速式 对插秧轨迹要求也不相同。 本文主要讨论高速式插秧机分插机构，即前插式分插机构的运动和设计。前面已经谈 到，旋转式分插机构的栽植臂与行星轮轴固定，秧针安装在栽植臂上。秧针运动是由分插 机构齿轮箱壳体绕太阳轮圆周运动和栽植臂绕齿轮箱壳体圆周运动的复合运动，分插机构 的秧针尖点运动绝对轨迹分析简图如 图2 2 所示。图中e 为秧门位置，b 点为 秧针尖点最低点位置，即插秧点和推秧 点位置，b b 为株距，v o 为插秧机行走 速度。左边三个非圆为行星轮系分插机 构中非圆齿轮的节曲线( 实际分插