贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构机理及试验研究

摘要

液态肥深施技术是根据土壤养分及作物田间区域分布特征，将液态肥料精准定量地深施于作物根部附近(约100～120mm)的一种农业技术。实践证明，该技术是一项有效的增产降耗农业技术措施，有减少化肥用量、提高化肥利用率、节约作业成本、增加作物产量及减轻环境污染等作用。
　　目前国内外生产液态肥料企业较多，但对液态肥深施技术及装备的相关研究较少。东北农业大学王金武教授研发团队经过多年研究探索，在液肥深施理论及相关机具研发方面取得了一定进展，先后研制出了三代样机，基本满足了施肥要求。样机的关键部件为扎穴机构，其工作性能直接影响施肥质量和效率。目前扎穴机构仍存在着单位时间扎穴次数受限的问题，工作效率较低。若增加扎穴次数，喷肥针受到的土壤冲击力变大，从而导致机构振动明显、扎穴不稳定及穴口宽度不理想等问题。
　　针对上述问题，本研究依据液态肥深施农艺要求，对贝塞尔节曲线传动理论进行了深入研究，设计研制出新型贝塞尔齿轮扎穴机构。研究过程中，通过理论分析、计算机人机交互优化仿真、高速摄像技术等方法深入探讨了其工作机理，并分析了机构运动学和动力学特性，试验研究了影响机构作业性能及稳定性的因素，为深施型液态施肥机具关键部件理论与设计研究提供重要依据。本文研究工作主要包括以下几个方面:
　　(1)贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构设计
　　为确保液态施肥机在高速作业过程中有效避免机具振动，从而获得理想的穴口宽度和穴距，在深入探讨液肥深施技术理论的基础上，结合多种扎穴机构工作方式与特点，引入贝塞尔节曲线非圆齿轮行星轮系，理论分析其传动配比、节曲线凸形检验及压力角等结构参数，设计了新型旋转式扎穴机构。
　　(2)贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构动力学、运动学建模及仿真分析
　　为检验机构设计是否合理，各构件运转过程中有无干涉，以及喷肥针运行轨迹是否满足施肥要求，建立了贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构运动学和动力学模型，运用软件进行仿真分析。具体研究内容为，建立各齿轮及喷肥针针尖（角）位移、（角）速度及（角）加速度等运动学模型;探求行星轮系中太阳轮、中间轮、行星轮、行星架轴心及啮合点处受力变化规律，推导出数学模型;运用Pro/E完成运动学仿真分析，获得喷肥针针尖点位置、速度及加速度运动特性曲线，验证理论模型的正确性并为运动学优化编程提供依据。
　　(3)编写贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构动力学软件对动力学模型理论求解
　　为验证理论模型的准确性，利用动力学方程组序列求解法，进行理论求解。采用VisualBasic6.0语言开发贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构动力学分析软件，得到各齿轮轮心及啮合点的受力随行星架转角及链条受力的变化规律，为整机的动力学特性分析提供数据。
　　(4)贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构三维实体建模和虚拟样机装配
　　为完成机构各零件结构设计，运用Pro/E三维软件进行齿轮实体建模和机构虚拟样机装配，并校验机构运行情况，分析机构有无干涉情况及相应运动规律，为零件加工制造奠定了基础。
　　(5)贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构作业性能试验研究
　　为检验扎穴机构作业性能及稳定性，在土槽中进行了高速摄像台架试验和扎穴性能试验。通过高速摄像台架试验，判读喷肥针针尖运行轨迹及入土和出土姿态，验证机构运动学模型和理论分析的准确性;通过多组扎穴性能试验，探讨前进速度及行星架转速对穴口宽度及穴距的交互影响。以施肥要求为约束条件，采用多目标方法对模型进行优化，获得满足性能指标的最优因素组，并对最佳因素组下的性能指标进行相应的试验验证。
　　(6)贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构动力学试验研究
　　为验证动力学模型及理论求解的结论是否准确、研究机具振动规律及原因，采用应变传感电测原理，设计搭建了动力学试验台，进行动力学试验。通过试验获得各齿轮轮心及啮合点、轴承支座及链条受力随行星架转角变化规律，并与理论分析对比，证明理论求解准确性及试验方法的可行性。在行星架转速一定范围内，获得喷肥针所受土壤反力随着行星架转速及前进速度的变化规律，为整机振动研究提供理论依据。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的和意义

1．2 液态施肥机研究现状及发展趋势

1．3 扎穴机构研究现状及发展趋势

1．4 非圆齿轮技术发展及应用

1．5 研究内容和技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

2 贝塞尔节曲线齿轮系原理分析及扎穴机构设计

2．1 贝塞尔曲线设计

2．1．1 贝塞尔曲线概况及成型方法

2．1．2 贝塞尔齿轮副设计及其传动特性分析

2．2 贝塞尔节曲线齿轮系原理分析

2．2．1 贝塞尔齿轮节曲线凸形的验证

2．2．2 贝塞尔节曲线齿轮传动最大压力角计算

2．2．3 贝塞尔节曲线齿轮加工

2．3 贝塞尔节曲线齿轮扎穴机构组成分析

2．4 本章小结

3 贝塞尔节曲线齿轮扎穴机构运动学建模及优化设计

3．1 贝塞尔节曲线齿轮扎穴机构运动学模型建立

3．1．1 扎穴机构的运动学符号说明

3．1．2 扎穴轨迹形成条件

3．1．3 贝塞尔节曲线齿轮行星系传动比计算

3．2 贝塞尔节曲线齿轮扎穴机构运动学分析

3．2．1 扎穴机构(角)位移分析

3．2．2 扎穴机构(角)速度分析

3．2．3 扎穴机构(角)加速度分析

3．3 贝塞尔节曲线齿轮扎穴机构优化设计

3．3．1 贝塞尔节曲线齿轮设计

3．3．2 扎穴机构优化分析

3．4 本章小结

4 贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构动力学研究

4．1 非圆齿轮副受力分析

4．2 贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构动力学建模

4．2．1 太阳轮受力分析

4．2．2 中间轮受力分析

4．2．3 行星轮受力分析

4．2．4 行星架受力分析

4．3 动力学软件的开发与应用

4．3．1 动力学软件介绍及功能说明

4．3．2 动力学分析与结果

4．4 本章小结

5 扎穴机构三维建模及虚拟样机仿真

5．1 扎穴机构三维实体建模

5．1．1 贝塞尔节曲线齿轮的实体建模

5．1．2 其他零件实体建模

5．1．3 Pro／E虚拟装配

5．1．4 软件运动学仿真分析

5．2 本章小结

6 贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构性能试验研究

6．1 试验台搭建

6．2 运动学高速摄像试验

6．2．1 试验设备与试验方法

6．2．2 测定参数确定

6．2．3 扎穴机构轨迹分析

6．3 土槽扎穴试验

6．3．1 材料与方法

6．3．2 扎穴试验

6．4 本章小结

7 贝塞尔节曲线齿轮行星轮系扎穴机构动力学试验研究

7．1 扎穴机构动力学测试系统设计

7．1．1 动力学试验台测定参数及测定方法

7．1．2 配套动力学设备

7．1．3 测量电路、测量电桥及弹性元件设计

7．2 扎穴机构动力学试验

7．2．1 试验条件

7．2．2 试验步骤

7．2．3 试验结果与分析

7．3 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 论文创新点

8．3 工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文