水稻插秧机异形齿轮行星轮系高速分插机构设计及优化技术研究

摘要

分插机构是水稻插秧机的核心工作部件，其性能直接影响插秧机的栽植质量、可靠性和作业效率等，针对行星轮系高速分插机构设计和参数优化技术中的核心技术和难点问题，开展异形齿轮行星轮系高速分插机构设计及参数优化技术研究。 采用颜氏机构创新设计方法建立了行星轮系高速分插机构的机构拓扑构造特性，得出了行星轮系高速分插机构的设计要求与约束条件，通过一般化和数综合方法，针对分插机构高速作业伤秧增加的问题，提出了一种变转速三插臂高速分插机构设计方案并建立了运动学模型，在相同作业条件下分插机构取秧线速度降低了33.3％。理论分析了变转速转动和插植臂数量对秧爪尖静动态轨迹、株距、取秧速度、插秧穴口长度和推秧角度等参数与性能指标的影响关系。 按插植臂秧爪尖是否通过确定的约束坐标点，建立了2种类型的椭圆齿轮行星轮系高速分插机构设计及运动学分析模型，提出了以相邻插植臂和最易干涉点的插植臂运动干涉检查分析方法，构建了高速分插机构运动分析和运动干涉人机交互平台。在高速分插机构参数优化中提出遗传算法结合虚拟响应面回归的参数优化方法，通过构建约束条件和高速分插机构参数之间的回归数学模型直接获得了满足求解精度要求的最优参数组合。优化求解和理论计算对比，推秧角度和轨迹高度误差小于0.3％，插秧穴口长度误差小于4.5％。 在基于秧爪静态轨迹反求高速分插机构参数的设计方法中，采用三次非均匀B样条曲线描述了插植臂秧爪尖的静态轨迹，运用改进的牛顿-辛普森迭代求解方法解决了行星轮与太阳轮之间转角唯一性求解问题;构建了一种只与太阳轮向径相关的异形齿轮传动轮系的传动比方程，通过迭代平移求解算法解决了异形齿轮行星轮系齿轮间传动比分配难题;介绍了异形齿轮齿廓设计方法，构建了三插臂分插机构三维数字化模型，利用虚拟样机技术和高速摄影技术对比分析了异形齿轮行星轮系三插臂分插机构的运动轨迹和运动参数，对提出的轨迹反求设计方法的正确性进行了试验验证。 运用样条函数代替异形齿轮传动关系，实现了高速分插机构虚拟样机快速建模和模型参数化，解决了通过构建异形齿轮实体模型结合接触分析方法存在的模型重用率低、建模复杂的问题;运用瞬态动力学有限元仿真方法分析了异形齿轮接触受力情况，通过与理论计算值进行对比，验证了有限元分析方法的正确性;利用高速分插机构试验平台试验验证了基于虚拟回归模型建立的轨迹高度、插秧穴口长度和推秧角度等参数优化方法的正确性。 对变转速三插臂分插机构和常规分插机构进行了栽植质量对比试验，并运用正交试验对变转速三插臂分插机构进行了分插机构工作参数与田间栽植质量之间影响关系的试验研究。试验结果表明:分插机构转速对伤秧率的影响最大，降低分插机构转速可显著降低伤秧率，并能增加秧苗分蘖、提高产量。田间测产试验表明:在相同作业条件下三插臂高速分插机构比二插臂分插机构平均增产4.63％，亩有效穗数平均增加10.37％。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究的目的与意义

1．2水稻插秧机分插机构类型及分插机理

1．2．1传统分插机构

1．2．2高速分插机构

1．3国内外高速分插机构设计方法

1．3．1理论建模设计方法

1．3．2轨迹反求设计法

1．4国内外高速分插机构运动分析与参数优化技术

1．4．1高速分插机构运动学分析技术

1．4．2高速分插机构动力学分析技术

1．4．3高速分插机构参数优化技术

1．5异形齿轮行星轮系高速分插机构关键技术

1．6研究内容及论文结构

2变转速三插臂高速分插机构方案设计

2．1高速分插机构设计要求及结构特性分析

2．1．1高速分插机构设计要求

2．1．2分插机构拓扑结构分析

2．1．3高速分插机构一般化

2．1．4高速分插机构设计要求与约束

2．2高速分插机构特定化

2．2．1行星轮系高速分插机构

2．2．2差速轮系高速分插机构

2．3变转速三插臂分插机构方案设计与原理分析

2．3．1变转速三插臂分插机构结构

2．3．2变转速三插臂分插机构运动模型

2．4变转速三插臂分插机构参数分析

2．4．1插植臂个数对分插机构特性影响

2．4．2变转速旋转对分插机构特性影响

2．5本章小结

3基于异形齿轮节曲线的分插机构参数设计

3．1异形齿轮行星轮系传动关系

3．1．1椭圆齿轮行星轮系传动比计算

3．1．2椭圆齿轮行星轮系传动关系分析

3．2异形齿轮行星轮系分插机构参数分析

3．2．1已知椭圆齿轮相位角设计分插机构参数

3．2．2秧爪尖通过已知坐标点设计分插机构参数

3．3秧爪运动干涉

3．3．1秧爪运动干涉分析

3．3．2秧爪动态干涉检测

3．4高速分插机构运动学分析软件编制

3．4．1高速分插机构人机交互系统设计

3．4．2混合编程与程序设计

3．5本章小结

4异形齿轮行星轮系高速分插机构参数优化

4．1行星轮系分插机构参数多目标优化方案

4．1．1分插机构参数优化方案

4．1．2分插机构参数优化条件

4．2基于遗传算法的高速分插机构参数寻优

4．2．1 MATLAB遗传算法工具

4．2．2高速分插机构优化目标

4．2．3遗传算法参数寻优

4．3基于虚拟响应面的高速分插机构参数优化方法

4．3．1虚拟响应面分析优化原理及方案

4．3．2虚拟响应面试验结果及分析

4．3．3分插机构参数优化

4．4本章小结

5基于秧爪轨迹的异形齿轮行星轮系分插机构设计

5．1异形齿轮行星轮系分插机构秧爪轨迹建立

5．1．1秧爪尖静态轨迹构建

5．1．2秧爪尖静态轨迹数学描述

5．2异形齿轮行星轮系分插机构结构参数设计

5．2．1回转半径和插植臂参数

5．2．2太阳轮与行星轮间转动关系

5．3异形齿轮行星轮系传动比计算

5．3．1行星轮系传动关系

5．3．2异形齿轮行星轮系间传动比求解

5．3．3异形齿轮轮系间传动比计算

5．4本章小结

6异形齿轮行星轮系分插机构轨迹验证与仿真

6．1基于虚拟样机技术的高速分插机构仿真技术方案设计

6．1．1虚拟样机技术概述

6．1．2基于虚拟样机技术的高速分插机构轨迹验证方案

6．2基于ADAMS的分插机构参数快速验证

6．2．1高速分插机构仿真模型建立

6．2．2仿真参数设置

6．2．3仿真结果求解

6．3异形齿轮三插臂分插机构三维建模

6．3．1异形齿轮三维建模

6．3．2三插臂分插机构关键零部件三维建模

6．4基于ADAMS的分插机构运动仿真

6．4．1模型导入与约束关系添加

6．4．2分插机构虚拟仿真与分析

6．4．3三插臂分插机构运动仿真分析

6．5本章小结

7异形齿轮行星轮系分插机构动力学分析与测试

7．1三插臂分插机构箱体模态分析

7．1．1三插臂分插机构箱体模型建立

7．1．2三插臂分插机构箱体模态分析

7．2异形齿轮行星轮系齿轮接触分析

7．2．1异形齿轮接触受力理论分析

7．2．2基于有限元的异形齿轮运动受力分析

7．3插秧机试验平台及三插臂分插机构基本参数测试

7．3．1三插臂分插机构试验平台

7．3．2分插机构基本参数测定

7．4基于高速摄影的分插机构运动分析试验

7．4．1试验设备及步骤

7．4．2运动学参数测试结果及分析比较

7．5本章小结

8变转速异形齿轮行星轮系高速三插臂分插机构性能试验

8．1试验条件和测试方法

8．1．1试验条件

8．1．2试验机具

8．1．3测试方法

8．1．4试验方案

8．2秧苗切块质量对比试验

8．2．1常规二插臂高速分插机构切块取苗试验

8．2．2变转速三插臂高速分插机构切块取苗试验

8．2．3变转速三插臂和对照二插臂切块取苗质量对比分析

8．3田间栽植质量对比试验

8．3．1田间对比试验结果

8．3．2栽植质量对比分析

8．4变转速三插臂分插机构栽植质量试验

8．4．1正交试验方案

8．4．2正交试验结果与分析

8．5秧苗分蘖及产量对比

8．6本章小结

9总结与展望

9．1结论

9．2本论文主要创新点

9．3进一步研究工作展望

致谢

参考文献

附录