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1 浙江理工大学本科毕业设计（论文 ） 开题报告 班 级 09 机制 4 班 姓 名 王珍珍 课题名称 异形 非圆锥齿轮 行星轮系水稻宽窄行 分插机构 设计 目录： 1 选题 的背景与 意义 1.1 国内外研究现状和发展趋势 1.2 插秧机研究意义 2 研究的基本内容与拟解决的主要问题 2.1 基本内容 2.2 拟解决的主要问题 3 研究思路方案、可行性分析及预期成果 3.1 研究思路方案 3.2 可行性分析 3.3 预期研究成果 4 研究工作计划 5 参考文献 成绩： 2 答 辩 意 见 答辩组长签名： 年 月 日 系 主 任 审 核 意 见 签名： 年 月 日 3 异形非圆锥齿轮行星轮系水稻宽窄行分插机构设计 王珍珍 （机械设计制造及其自动化 09(4)班 Q09300105） 1. 选题的意义与背景 水稻 是 我国主要 的 粮食作物。时至今日，水稻在粮食中有 着 不可替代的地位。 但是，到目前为止我国的水稻种植仍然以人工育秧 、 插秧为主，生产落后，劳动强度大。并且改革开放以来，农村地区的青壮年纷纷到 城市 务工，使得农村的劳动力锐减，许多良田无人耕种，水稻种植面积减少，增加了全国粮食供应的难度。随着中国人口的增加，城市建设的快速发展，国家工业现代化的建设 ， 大量的工业园区，住宅区的建设使得耕地面积进一步减少，而粮食的需求将更大。水稻的产量和种植效率的提高已经成为急待我们解决的问题。机械化种植可以提高水稻产量与质量，提高 种植速度与土地利用率 ，减轻劳动强度 。 1.1 国内外研究现状和发展趋势 水稻插秧种植方式主要集中在亚洲，目前国外生产插秧机的国家也全部在亚洲，主要是日本和韩国。日本是世界上水稻插秧机械化水平最高的国家，也是插秧机械研究和制造水平最高的国家，插秧机技术和产品均处于领先地位，而且日本和韩国都已经实现水稻插秧机械化。而我国国内现在的水稻机械化种植面积不到全国面积的 6%，所以水稻机械化种植的普及是解决水稻种植问题的关键。随着国内插秧机市场需求的启动，未来发展前景广阔。我国很多企业都介入插秧机的开发和生产国外的插秧机企业也改变过去单一的产品出口方式，纷纷在我国建立独资或合资企业进行插秧 机生产，国内插秧机市场已经形成国际化的竞争局面。近年来国内插秧机市场发展迅速，产销量增长很快， 2010 年我国插秧机保有量将突破 30 万台，较之 “ 十五 ” 末的 7.96万台，增长近 4 倍。插秧机的产销量大幅攀升， 2010 年年度产销量较之 2005 年增长了 3 倍多。机械种植水平快速增长，由 2005 年的 7.14%增长到 2009 年的 16.71%，四年提高了 9.57 个百分点。 2011 年我国插秧机市场将继续得益于国家政策的拉动，出现需求高潮。 1.1.1 插秧机的分类 现在国内外插秧机普遍用的分插机构都是均匀行的，其中日本插秧机产品已经形成标准化，系列化和多样化的格局。坐式有 3 10 行，步行式有 1 2、 4 6 行，每4 种产品各具特色，应于不同的环境条件和生产规模，满足不同用户的需要。日本植单季水稻，普遍采用中、小苗旱育稀植技术，插秧机行距为 0 和 330nlin。国内插秧机行距为 240-300mm，主要有步行式、乘坐式和独轮乘坐式 3 种类型。国内生产的主要是独轮乘坐式插秧机。 近年来，农机研究人员结合农业研究人员推广新的水稻生产技术，从减轻劳动强度、提高作业效率、降低生产成本等几个 方面出发，向着高速插秧、钵苗移栽和插秧施肥联合作业方面发展，研究设计了许多新的水稻生产机械。为适应我国水稻生产的需要，还出现了一些其他水稻插秧机。 (l)多熟制插秧机。为适应我国南方稻区双季晚稻插秧的需要，浙江金华农机研究所曾研制 ZZTPB-6358 型多熟制插秧机。该机吸收吉林机动插秧机的技术，以ZZT-7358 型为基础，改变曲柄等结构尺寸，重新设计分插机构的运动轨迹，加高分插机构的运动轨迹至 276cm，以适应苗高 10-30cm 的机插。 (2)适应多种秧苗的插秧机。为提高插秧机对秧苗的适应能力，华南农业 大学研制了适应多种秧苗的 2z-728A 型机动水稻插秧机。该机适用于栽插水稻苗高度低于35cm 的拔取苗，经增加并更换一些部件后，可栽插无土育秧 (营养液培育 )小苗和薄土 (床土或覆盖土厚 5cm)育秧小苗，实现无土或薄土育秧小苗少株 (杂交水稻侮穴 1-3株 )的插秧。 (3)稀插插秧机。为适应旱育稀植的要求，需要增大插秧株距。目前国内是在现有的插秧机上采用减少插秧频率的方法实现大株距，如在 ZZT-9356 型插秧机上加装减速器使插秧穴距提高到 2ocm 和 25cm，以满足稀插的需要，但每穴苗数不能满足要求。 (4)高速插 秧机。为进一步使水稻插秧 机系列化，引进、消化和吸收日本新技术，出现了高速水稻插秧机和步行插秧机。如黑龙江省农垦科学院与依兰收获机厂共同研制的 ZZZB-6 型高速水稻插秧机，该机是在吸收日本高速插秧机的插秧 工 作部件，结合我国 22 系列插秧机的行走机构的基础上研制的机动水稻插秧机，采用非圆齿轮行星式双插机构。赵匀课题组研制的具有自土知识产权的高速插秧机己在国内得到了应 用，并得到了专家的高度评价。 1.1.2 插秧机研究趋势 根据国外产品发展情况，插秧机的基本结构形式不会有大的变化，将来主要向着降低生产成本、提高作业效率的方向发展。 5 (1)从机型来看，高速插秧机是未来的主要发展方向，步行式插秧机由于效率低，使用劳动强度大，占有率将逐步下降。 (2)少免耕作业和复合作业。插秧机从单一插秧作业向插秧同时施肥、铺膜和少耕插秧等复式作业方向发展。 (3)多用水田底盘。插秧机底盘将向水田多功能通用底盘方向发展，以提高机器利用率，降低生产成本。 从目前国内生产机械化的发展情况看，水稻插秧仍然是水稻生产过程中最薄弱的环节，插秧机还处于发 展初期，未来几年市场需求量仍会保持上升的趋势。国内插秧机发展面临着前所未有的机遇与挑战，机遇来自于市场对水稻插秧机需求的快速增长；挑战在于国外企业和产品的直接竞争，更在于国内插秧机产品和技术水平的提高。未来几年，国内插秧机将向以下几个方面发展。 (1)近期为满足市场需求，步行式和独轮乘坐式插秧机仍将是市场的主导机型。随着用户对插秧机产品要求的提高，轻便型乘坐式插秧机可能会逐步代替步行式插秧机；独轮乘坐式插秧机由于结构的限制，不太可能有很大的突破四轮驱动乘坐式高速插秧机的比例会逐渐增加。 (2)插秧机技术 要求比较高，质量与价格的矛盾比较突出。未来还将有一些有实力的企业进入插秧机行业，在发展的初期，主要采取消化、吸收、改造和创新，或者直接从国外进口关键零部件的生产方式，从而加快插秧机产业的发展，以此满足市场的迫切需要。在此基础上，国产步行式插秧机和高速插秧机将在性能、质量和可靠性等方面有很大的改善，价格进一步下降，为市场提供更多性能良好、质量可靠和价格适中的产品。 (3)插秧 机产品的系列化和多样化。步行式插秧机形成 4、 6 行，乘坐式插秧机形成 4 10 行的系列化产品，产品类型分为不同层次，以满足不同市场的需要。 针对四轮乘坐式插秧机利用率低的问题，其底盘的多用化将是一个重要的发展方向。 1.2 宽窄行插秧机研究意义 水稻宽窄行栽植，是近年来推广的一项重要水稻高产栽培技术。插秧时，宽行和窄行相间。这样 ,既能保证单位面积上有合理的穴数 ,又由于宽行的作用，增强了水稻行间的通风透光性，使稻株生长健壮；同时，由于通风透光性增强，使稻株间湿度降低，可在一定程度上减轻病虫危害。最终达到高产的目的。此外，宽窄行栽6 植还有操作简单优点。比常规栽植一般亩增产 50-60 公斤以上。 2. 研究的基本内容与拟解决的主要问题 2.1 基本内容 本次毕业设计中主要完成的内容包括： 1） 不完全非圆锥齿轮分插机构的机构原理分析与设计 及参数优化 通过分析不完全非圆锥齿轮分插机构的工作原理，了解分插机构所要达到的运动效果，例如栽植臂的种植曲线形状。再进行对该 分插机构原理性的方案设计 , 利用MATLAB 编程设计出合理的齿轮齿廓和各零件的几何尺寸， 实现机构轨迹参数的优化。 2） 不完全非圆锥齿轮分插机构的二维和三维 CAD 建模、装配 不完全非圆锥齿轮分插机构的具体结构设计，利用 PRO/E 软件建立三维模型，进行装配分析，进一步改进结构设计。 再绘制各零件的二维图形以及装配二维图， 3） 不完全非圆锥齿轮分插机构 的运动学仿真 通过建立的三维模型， 利用 ADAMS 进行运动 学 仿真 分析，对尺寸结构等参数进行调整设计。 2.2 拟解决的主要问题 通过以宽窄行插秧为基础的前提下 , 设计出一种以 一 对 斜 齿轮 和一对不完全非圆锥齿轮的啮合传动 的 分插机构 , 以此来达到进行宽窄行插秧的目的。设计该机构主要解决的问题是使秧针轨迹满足宽窄行分插机构的绝对运动轨迹要求 ： （ 1）取秧过程：秧针从运行到碰触到秧苗开始到将秧苗从秧盘上取下的过程，这过程要求保证直取秧，秧针尽量 减少伤害秧苗，这样缩短秧苗的返青时间，有利于秧苗的成长，使水稻产量增加。这要求秧针取苗的时候是垂直秧门下去，这样不会伤害到其他的秧苗。所以在取秧过程的轨迹应该和秧门垂直。取秧时秧爪与水平线的夹角 ( 取秧角 ) 应在 5 25 ; （ 2）送秧过程：是指取完秧后到开始推秧的这段过程，秧苗从秧盘被取下来在秧针上随着分插机构旋转，从垂直秧盘到旋转到一定角度，以便方便插秧。 （ 3）插秧过程：是将秧苗插入到地里的过程，这过程需要秧苗保持一定的直立度要使秧苗和地面的角度保持在 8090 度之间，这需要轨迹在插秧阶段形成的穴口 适7 合。轨迹的穴口长度为 20 30 mm, 过大会导致所插秧苗倒伏或漂秧 ;增加秧苗的返青时间，不利于水稻增产。推秧时秧爪与水平线的夹角 ( 推秧角 ) 应在 60 80 ,即取秧角与推秧角的角度差约为 50 60。 （ 4）空运行过程：由于插秧机往前运动，在空运行过程中要求插秧机不能将 已种植的 秧苗推 倒 ，这将有利于秧苗的成长，以减少返青时间。 因此 回程轨迹要有向上的趋势 , 避免有太向前的趋势。 3 研究思路方案、可行性分析及预期成果 本设计论文拟采用通过理论分析， MATLAB 编程， 二维制图，三维建模与动态仿真实 验的方法进行研究， 通过三维 Pro/E、 ADAMS 环境完成步行插秧分插机构驱动箱的设计仿真，并对其进行初步的运动学分析。 3.1 研究思路方案 具体思路方案包含以下三个方面： 3.1.1 对 不完全非圆锥齿轮分插机构的 原理分析 本文设计的不完全非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构的机构简图如图 1 所示。 该机构共由 7 个齿轮组成，中间 3 个齿轮（ 17、 4、 11）为斜齿圆柱齿轮，而中间齿轮 12、 8 和行星齿轮 14、 6 为奇异锥齿轮。分插机构动力由插秧机动力驱动箱21 内的主动链轮或锥齿轮 19 经链条或传动轴 18 传递到中心链轮或锥齿轮 1 上，带动中心轴 2 转动，中心轴 2 带动左、右齿轮箱 16 转动，在齿轮箱 16 内，空套在中心轴 2 上与传动箱 21 固定的右中心齿轮 17 与右中间齿轮 4、 11 啮合，右中间异形锥齿轮 8、 12 与右中间齿轮 4、 11 同轴安装，且与右行星异形锥齿轮 6、 14、啮合，右行星异形锥齿轮 6、 14 与右中间异形锥齿轮 8、 12 之间的 轴交角为不等于 90 度的一个小角。当右行星异形锥齿轮 6、 14 随右行星轴 5、 13 相对右齿轮箱 16 转动时，带动右栽植臂 7、 15 反向转动，由于右行星异形锥齿轮 6、 14 与右中间异形锥齿轮 8、12 之间的轴交角并不等于 90 度，因此左、右栽植臂 7、 15 的转动平面与右齿轮箱 16的转动平面不是平行平面，引起右栽植臂 7、 15 上的秧针在取秧后，其插秧点相对于取秧点向左或向右偏移相应距离。右栽植臂 7、 15 的转动使右拨叉围绕固定的右凸轮（固定在右齿轮箱 16 上）摆动，在取秧前右拨叉经过右凸轮的上升段而抬起，将右推秧杆提高至最高点，同时 压缩推秧弹簧；在取秧到插秧前，右拨叉处于右凸轮的最8 高位置保持段；当秧爪到达插秧位置，拨叉转至凸轮缺口，推秧弹簧回位推动推秧杆向下快速运动，将秧苗推入土中。从而顺序完成了水稻秧苗的取秧、插秧动作，实现水稻秧苗的机械化宽窄行移栽。 图 1. 分插机构示意图 3.1.2 基于 CAD 以及 UG/NX 设计平台进行二维制图和三维建模设计 经过原理分析以及 确定 出各个 齿轮的基本齿轮齿廓 后，通过运用 UG/NX 设计平台画出分插机构的三维模型。 在 AUTOCAD 中绘制 出 二维图纸的设计 。利用 ADAMS 对分插机构进行运动学仿真。从理论模型和虚拟样机两个角度证明所设计的分插机构的可用性。 3.2 可行性分析 宽行和窄行相间进行插秧 ， 这样既能保证单位面积上有合理的穴数 ,又由于宽行的作用，增强了水稻行间的通风透光性，使稻株生长健壮；同时，由于通风透光性增强，使稻株间湿度降低，可在一定程度上减轻病虫危害。本设计论文对宽窄行插秧机的 不完全非圆锥齿轮 分插机构进一步设计，使之性能得到提高，在基本原理上是可行的。 本设计的工作主要涉及机械原理和机械设计等方面的知识，以及 Pro/ E、 ADAMS等 设计 仿真 工具，本人已学习了这些相关课程，并取得了较好的成绩，掌握了本设计所需的基本知识。 指导老师及其课题组在 不完全非圆锥齿轮 分插机构的相关研究方面具有很多成9 功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。 3.3 预期研究成果 （ 1） 利用 MATLAB 软件编译的秧针针尖的运动轨迹程序； （ 2）利用 UG 绘制的分插机构的零件以及机构的三维图形、装配图； （ 4）分插机构 零件 的 AutoCAD 二维图形以及装配图二维图形； （ 5）利用 ADAMS 得到的分插机构的仿真文件 （ 6）设计论文一篇。 研究工作计划 阶段 计划时间 主要工作 1 2013年 2月 25日到2013 年 3 月 9 日 查阅资料，了解国内外插秧机研究的发展现状和各种研究方法， 写文献综述、外文翻译， 为课题研究作准备； 2 2013 年 3 月 10 日到2013 年 3 月 20 日 在 MATLAB 中编 写 分插机构的秧针运动轨迹曲线 程序，并且对目标参数进行调试，确定各零件的几何尺寸和齿轮齿廓； 3 2013 年 3 月 21 日到2013 年 3 月 27 日 利用通用型的，专业的非圆 锥 齿轮齿廓生成软件生成非圆 锥 齿轮齿廓， 建立机构整体和各零件的三维模型及二维设计图纸； 4 2013 年 3 月 28 日到2013 年 4 月 3 日 利用 ADAMS 对所建立的模型进行运动仿真分析及优化； 5 2013 年 4 月 4 日到2013 年 4 月 25 日 写毕业论文 10 参考文献 1 俞高红，张玮炜，孙 良，赵 匀 .偏心齿轮 -非圆齿轮后插旋转式分插机构的三维参数化设计 J.农业工程学报， 2011,27(11):914. 2 孙 良，赵 匀，俞高红，姚佳明 .基于 D-H 变换矩阵的宽窄行分插机构运动特性分析与设计 J.农业工程学报 . 3 孙 良，赵 匀，姚佳明，俞高红 .非匀速空间行星轮系机构在宽窄行分插机构中的应用 J.农业机械学报 . 4 俞高红，刘炳华，赵 匀，孙 良，谢永良 .椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗自动移栽机构的运动机理分析 J.农业机械学报， 2011,42(4):5357. 5 俞高红 , 赵匀等 . 高速水稻插秧机分插机构研究现状和最新进展 J.农机化研究 . 2003,2: 4143 6 李革 ,赵匀 ,俞高红 .椭圆齿 轮行星 系 分插机构的机理分析和计算机优化 J.农业工程学报，2000,16（ 4）： 7881 7 赵匀 ,孙良 ,赵雄 ,陈建能 ,李革 .一种齿轮驱动倾斜式宽窄行插秧机分插机构 P.中国： 2