高速宽窄行异形非圆锥齿轮分插机构机理分析与试验研究

摘要

宽窄行水稻插秧机相比等行距插秧机具有使水稻增产、防虫害等优势，其核心工作部件高速宽窄行分插机构是通过栽植臂机构与行星轮系的相对旋转，使栽植臂上秧针尖点形成合适的宽窄行轨迹以完成取秧和插秧工作。现有的宽窄行分插机构包括斜置式分插机构和垂直式空间齿轮系分插机构。斜置式分插机构是通过原有等行距分插机构的倾斜布置以达到斜取秧的要求，存在斜取秧动作，导致机构取秧时容易引起伤苗率高，取秧不均匀等问题。垂直式空间齿轮系分插机构的斜取秧动作得到一定的改善，但其取秧直立度主要取决于空间齿轮系的传动比，传动比越大，直取秧效果越佳。
　　为进一步增加空间齿轮行星系的传动比，本文在非圆锥齿轮的基础上，提出一种基于球面节曲线的异形非圆锥齿轮。通过打破传统齿轮（平面齿轮和空间齿轮）节曲线的封闭特性，运用自由样条拟合的方法获得角度连续，向径不连续的球面曲线，并根据非连续节曲线计算异形非圆锥齿轮齿廓，以获取高传动比值的空间齿轮副，并应用于高速宽窄行分插机构当中。本论文主要研究的内容如下：
　　1）研究国内外各类宽窄行分插机构工作原理，分析宽窄行机械插秧所需的理想插秧轨迹与姿态要求，提出一种基于球面节曲线的异形非圆锥齿轮，并应用于空间行星轮系宽窄行分插机构中，以进一步提升栽植臂的直取秧姿态。
　　2）分析异形非圆锥齿轮齿轮副的传动特性和影响因子，并将异形非圆锥齿轮与斜齿交错齿轮组合成为一个空间不等速传动行星轮系，应用于高速插秧机宽窄行分插机构当中，利用Denavit-Hartenberg矩阵变换法建立该分插机构运动学模型。
　　3）分析异形非圆锥齿轮齿廓形成的特点。建立了异形非圆锥齿轮齿形和齿根过渡曲线的数学计算模型，根据齿轮传动过程中重合度的关系，合理计算节曲线突变段齿形和齿根的形状。利用Matlab编写了相应的计算程序，利用该程序可以实现异形非圆锥齿轮齿廓设计。
　　4）通过分析栽植臂位置、姿态、速度编写该机构的计算机辅助分析与模拟软件。分析齿轮形状参数和机构参数对轨迹取秧段横向偏移量、轨迹插秧段穴口、取秧点至插秧点的横向偏移量等的影响，获取秧针尖点的位移、速度运动趋势，优化得到合理的结构参数。
　　5）通过分插机构优化软件获得优化后机构参数并建立机构三维模型，进行虚拟样机仿真。加工分插机构实物模型并进行运动学试验。利用旋转土槽设备完成分插机构带秧试验，并检测验证秧苗姿态和伤秧率等技术指标。

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第一章 绪论

1.1研究的目的与意义

1.2 国内外研究现状分析和发展趋势

1.3论文研究目标和需要解决的问题

1.4 本章小结

第二章 异形非圆锥齿轮分插机构理论建模与分析

2.1异形非圆锥齿轮节曲线建模与分析

2.2异形非圆锥齿轮分插机构数学建模

2.3函数化机构运动学优化目标

2.4本章小结

第三章 异形非圆锥齿轮齿廓数值计算

3.1 球面三角形基本原理

3.2 齿廓数值计算

3.3 异形非圆锥齿轮的实体建模

3.4 本章小结

第四章 异形非圆锥齿轮分插机构参数优化和特性分析

4.1基于数值计算软件Matlab的人机交互优化软件的开发

4.2宽窄行插秧轨迹特性分析

4.3 异形非圆锥齿轮分插机构优化结果

4.4 本章小结

第五章 异形非圆锥齿轮分插机构的虚拟仿真和试验

5.1分插机构三维建模和装配

5.2 分插机构虚拟仿真及分析

5.4 本章小结

第六章 异形非圆锥齿轮分插机构物理样机试验

6.1加工实物模型

6.2基于固定试验台架的分插机构静插秧轨迹试验

6.3基于旋转土槽设备的分插机构插苗试验

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果