基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析[三维UG]【含CAD图纸】
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- 内容简介：
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浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告班 级09机械类4班姓 名董天林课题名称基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析文献综述目 录1 前言2 分插机构研究现状3 机构动力学研究现状4 动平衡分析方法的研究现状5 结构优化方法6 宽窄行分插机构动力学研究趋势7 总结参考文献（报告全文附后）指导教师审批意见签名： 年 月 日基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析董天林(09机械类4班 B09300408)1 前言宽窄行分插机构是在已有的等间距分插机构的基础之上发展起来的，目的是为了更好的满足秧行之间的通风要求，达到减少疾病增加收成的目的。但是由于宽窄行插秧机构在单个插秧机构的动平衡上却没有得到很好的解决，主要是由于取苗臂的运动轨迹是空间运动，且是变速运动，所以很可能在多个方向上存在运动不平衡量；所以单靠平衡机构已经不能解决此种问题了，需要利用ADAMS的虚拟样机技术准确的分析出机构的运动不平衡，通过增加配重平衡块的方式优化转动不平衡量，对于取苗臂的结构优化如果采用经验设计，即何处易破坏就增加此处厚度的方法，此方法随可行但不够好，增加厚度不够则仍易破坏，增加太多则浪费材料且增加了机构的整体重量，所以最好是采用ADAMS与ANSYS的联合仿真分析，做到既满足使用要求又经济可靠。2 分插机构研究现状2.1 传统行星轮系分插机构2.1.1偏心齿轮行星系分插机构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1.1所示，共有9个半径相同的偏心齿轮，太阳轮10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)绕太阳轮转动，带动2个行星轮在周期内摆动，栽植臂随行星架的圆周运动和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动，构成了特殊的运动轨迹，可满足秧爪轨迹和姿态的要求。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1。2.1.2偏心链轮式分插机构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效果，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的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。 1.推秧凸轮 2.拨叉 3.推秧弹簧 4.载植臂 5.推秧杆 6.秧爪7.行星架 8.行星轮 9.惰轮 10.太阳轮图1.1 偏心齿轮行星系分插机构1.中心椭圆齿轮 2、3.中间椭圆齿轮4、5.中间圆齿轮 6、7.行星圆齿轮图1.2 正齿行星轮系分插机构2.1.3椭圆差速分插机构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。2.1.4正齿行星轮系分插机构正齿行星轮系分插机构如图1.2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，就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角3。2.1.5椭圆齿轮行星系分插机构图1.3 椭圆齿轮行星系分插机构椭圆齿轮行星系分插机构如图1.3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，转速为，2个中间齿轮(也称惰轮)绕太阳轮转动，带动2个行星轮(齿轮III)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VB6.0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4-5。2.2 宽窄行行星轮系分插机构2.2.1 非匀速空间行星轮系宽窄行分插机构 非圆锥齿轮行星轮系分插机构结构如图1.4所示，主要由太阳轮4,中间斜齿轮2、中间非圆锥齿轮3、和行星轮1组成。其中行星轮也是非圆锥齿轮，与非圆锥齿轮3配合，太阳轮固定不动，随着壳体的转动将带动中间轮和行星轮转动，从而完成取秧和插秧过程，由于非圆锥齿轮的存在，秧爪尖点的运动轨迹为空间轨迹。1.中心轴 2.太阳轮 3.行星架 4.中间轮 5.中间轴 6.行星轮 7.凸轮 8.行星轴 9.圆柱凸轮 10.滑块 11.栽植臂壳体 12.弹簧 13.推秧杆 14.秧针 15.拨叉图1.5 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构1. 右行星齿轮 2.右中间斜齿轮 3.右中间非圆锥齿轮 4.右太阳轮图 1.4非匀速空间行星轮系分插机构2.2.2 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构原理如图1.5所示，机构由变速传动部件和栽植臂组成，其变速传动部件有5个全等的变性椭圆齿轮，太阳轮2与机架固结，中心轴1带动行星架3及两个中间轮4和两个行星轮6转动，两个中间轮4和太阳轮2啮合产生自转，并分别带动对应的行星轮6相对行星架3转动；栽植臂11通过行星轴8与行星轮6固结，圆柱凸轮9以栽植臂11相对行星架3转动作为动力，驱动栽植臂11在旋转的同时相对行星架3横向移动，形成一空间轨迹，推秧杆13在凸轮7、拨叉15和弹簧12组成的凸轮机构的控制下，依靠弹簧12弹力在指定位置完成推秧，并通过凸轮7挤压弹簧12收回，准备取秧和下次推秧3 机构动力学研究现状3.1宽窄行分插机构动力学研究现状 宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式，该种植方式的目标是增加通风，减少病虫害，增加水稻产量。目前国内插秧机用分插机构都是等行距(30cm)形式，见报道的只有延吉插秧机制造有限公司和黑龙江农业机械研究所研制了一种宽窄行插机，采用等行距插秧用的曲柄摇杆式分插机构，只是在分插机构和秧箱的布置上做了一定的改进。实现了20cm-40cm的插秧行距，但秧箱未能有效利用，尤其是采用20cm秧盘，与现有30cm秧盘不通用，机器不成熟，限制了机器的推广。另外，浙江理工大学赵匀等提出了多种行星轮系宽窄行分插机构，并进行了机构运动学的分析和参数优化6-9。3.2机构动力学研究现状 目前对于动力学的研究已经相当普遍，尤其是在一些高速机构和精密机械中，由于机构存在运动不平衡量，在高速时会出现强烈振动，加速零部件的破坏以及降低工作性能；在精密机械中存在运动不平衡量时，会降低工作精度或者加工精度，所以如何进行动力学分析以及优化运动不平衡量是至关重要的。不管是针对单个机构进行动力学分析还是对整机进行分析，都是采用动力学建模的方法，不同的只是求解方法不同，侧重点不同而已；普遍的建模方法包括：拉格朗日法、牛顿欧拉法、达朗贝尔法及Kane法等。用手算的方法一般只能求解简单模型的某几个关键点的受力以及加速度，难以做到连续时间的计算和任意点的动力学分析；采用自己编程计算的方法一般也只能针对简单模型，而且需要对模型做很多假设和简化，求解的精度也不一定满足要求；有一种更简单也是较常被采用的方法就是利用已有的商业软件进行动力学模型求解，如常采用的ADAMS软件，对于多刚体动力学模型，常用ADAMS软件求解，由于其中的求解方法是专门用于多刚体求解的，可靠性较好10-12。4 动平衡分析方法的研究现状迄今为止，国内外的学者在机构的动平衡方面做了很多研究，也尝试了很多方法。最常用的方法是配重平衡法，其中关于平衡系数值的选取，有很多不同的原则，但是，不管怎样，最终都只能得到惯性力的部分平衡，只是优化的效果不同而已。要想更好的平衡惯性力，采用平衡机构是一个不错的选择，也有很大的发展空间，可以设计出很多不同的平衡机构，例如柔性配重机构，虽然尚不能应用于实际，但其想法很新，如果多加研究，会有成果的。此外采用现代高度发达的软件技术，可以加快实验研究的进程，能处理很多复杂的计算，可以动态的反映机构的运动状态，是很好的辅助方法，现在随着虚拟样机技术的不断发展，采用虚拟样机的方法对于我们进行动平衡的研究已经成为复杂结构的动平衡优化的首选方法。 虽然国内外的研究成果很多，但是还有很多问题没有解决，今后的研究会朝更多方面进行，诸如考虑运动副的摩擦和间隙，构件的弹性，构件质量的分布状况，平衡质量块的安装等因素对机构运动的影响，由于曲柄滑块机构在机构上的广泛应用，影响了目前很多机器的运动和动力性能，要解决这些问题，还需要我们去做很多研究。5 结构优化方法 对于已经设计好的机械结构由于某部分不能满足使用要求，需要对其进行结构的优化，使其最大限度的满足要求，以前对结构优化设计大多采用经验设计的方法，但是随着计算机技术和软件技术的快速发展，出现了一批优秀的CAE软件，可以使用这些软件与CAD软件的强大建模功能相结合进行联合分析，ADAMS具有很好的仿真和载荷加载功能以及后处理功能，ANSYS具有很好的有限元分析功能以及强大的后处理功能，通过ADAMS与ANSYS的联合可以很明显看出取苗臂在工作过程中各处的应力变化情况，通过ANSYS的优化设计功能对取苗臂结构进行优化，减小最大应力，使其满足设计和使用要求。6 宽窄行分插机构动力学研究趋势由于宽窄行分插机构运动是空间运动，过程中存在转动不平衡量，而且结构上有可能存在应力不能满足使用要求的情况，由于分插机构已经是一种平衡机构，所以对其进行动力学分析主要是通过参数优化达到目的，主要研究趋势是运用动力学仿真软件对机构的受力和加速度变化情况进行研究，通过优化算法使受力和加速度变化幅度达到最小；对于应力的研究趋势主要是采用ANSYS和ADAMS联合仿真求解零件的应力分布，以达到对应力不足处进行结构的优化，使得应力满足使用要求13。7 总结对于简单的模型计算量又不大的情况下可以手工计算某几个点出的受力或者加速度，对于简单模型但是计算量比较大的情况下可以采用编程求解的方法，一般使用的求解方法包括拉格朗日法、牛顿欧拉法、达朗贝尔法以及Kane法等。对于复杂模型的求解一般使用的是商业软件，常用的是ADAMS软件，ADAMS主要是用于多刚体模型的求解和优化14-15。由于宽窄行分插机构的模型很复杂不宜采用前两种方法，最终选择ADAMS软件分析的方法；对于结构优化，采用ANSYS和ADAMS的联合仿真分析是一种高效可行的设计方法。参考文献1 俞高红，钱孟波，赵 匀，武传宇.偏心齿轮-非圆齿轮行星系分插机构运动机理分析J.农业机械学报，2009,3:81-84.2 赵 匀，蒋焕煜，武传宇，尹建军.双季稻高速插秧机偏心链轮分插机构结构设计和参数优化J.机械工程学报，2002,2:37-40.3 俞高红，陈建能，赵凤芹，赵 匀.正齿行星轮分插机构的动力学分析J.农业机械 学报，2005,4:51-55.4 张 敏，周长省，吴崇友，张文毅，袁钊和.农机化研究J.2011,1：92-94,99.5 Guo I S,Zhang W J.Kinematic analysis of a rice transplanting mechanism with eccentric planetary gear trainsJ.Mechanism and Machine Theory,36(1112),2001：1175-11886 俞高红，马成稳，孙 良，裘利钢，赵 匀.插秧机后插旋转式宽窄行分插机构设计与优化J.农业机械学报,2012,43(8):5055,65.7 孙 良，赵 匀，姚佳明，郑 建，俞高红，祝 宇.非匀速空间行星轮系宽窄行分插机构分析与优化J.农业机械学报, 2012,43(10):4146,71.8 赵 匀，罗 华，蒋鹏鹏，李殿波，张允慧，张国凤，代 丽.步行式偏心-变位齿轮行星轮系宽窄行分插机构运动分析J.农业机械学报,2012,28(9):10-15.9 孙 良，赵 匀，俞高红，姚佳明. 高速宽窄行插秧机椭圆锥齿轮行星系分插机构，(发明专利申请号)201110202106.6.10邢俊文，陶永忠. MSC.ADAMS/View高级培训教程M. 清华大学出版社. 2004.11李增刚.ADAMS入门详解与实例M.北京：国防工业出版社，2010,3.12陈立平，张清云.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程M. 北京：清华大学出版社，2005，1.13蒋祖华，王 屹.变排量斜盘式汽车空调压缩机的在MSC.ADAMS中的动平衡仿真分析.MSC.Software中国用户论文集，2002.14Jie Lu，Hongzhou Li，Xuemei Zhan
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