面向空间轨迹和姿态要求的宽窄行分插机构研究

摘要

水稻宽窄行插秧是由农艺专家根据国内的水稻种植要求而提出的一项种植技术，它是在保证秧苗种植数量的前提下，通过宽行与窄行间隔栽插的方式增加水稻行间通风、光照，从而达到防止病害、抗倒伏、增加产量（增产率在4％以上）、保证稻米品质的效果。由于传统插秧机只能形成等行距的平面插秧轨迹，无法实现宽窄行插秧，且已有的宽窄行机器与育秧流水线不配套而未能得到推广，目前仍然靠人工宽行与窄行拉线栽插，严重影响了广大农户的生产积极性，制约了我国有机水稻生产的发展。
　　宽窄行插秧机与传统等行距插秧机的区别在于其核心工作部件“分插机构”，等行距分插机构只能形成平面轨迹，栽插秧苗行距与秧门间距相同(如30cm)，而宽窄行分插机构要求在传统秧门间距下实现宽行与窄行间隔的非等距栽插，其插秧轨迹要求具有空间特性。由于国外不存在宽窄行种植方式和相应的宽窄行插秧机，无法通过吸收、消化、改进的方式来研制宽窄行分插机构，因此，开展具有空间插秧轨迹的宽窄行分插机构创新设计及相关理论研究对宽窄行插秧机的研制具有重要的应用价值。本文以空间行星轮系宽窄行分插机构为研究对象，通过理论分析和试验验证的方式研究机构的运动学和动力学特性，优化机构参数和动力学性能，并建立空间行星轮系宽窄行分插机构快速设计平台。论文主要研究内容和结果如下:
　　(1)研究国内外插秧机的平面轨迹和空间轨迹行星轮系分插机构的工作原理，分析行星轮系机构在宽窄行分插机构设计中存在的问题，阐述了适合不同类型空间行星轮系分插机构的正向和反向建模和设计方法，研究空间传动齿轮的齿廓设计方法，建立非圆锥齿轮球面齿廓的数值计算模型，编写求解程序并完成非圆锥齿轮的快速设计。
　　(2)根据宽窄行分插机构的两级传动空间行星轮系机构的设计要求，以宽窄行插秧轨迹的直取秧和小穴口为判断依据，分析不同组合类型的空间行星轮系机构在宽窄行分插机构设计中的优劣性，得出交错轴—相交轴组合行星轮系机构、两级两次相交轴行星轮系机构分别在形成直取秧、小穴口的空间腰子轨迹和空间海豚形轨迹具有潜力。
　　(3)提出应用于高速宽窄行插秧机的交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构，建立机构运动学模型，分析了机构的运动学特性，给出了宽窄行分插机构的9个优化目标，建立优化目标与机构参数间的函数关系，利用Matlab的GUI开发平台开发目标引导式的人机交互优化软件，并优化出一组满足插秧要求的机构参数。
　　(4)根据机构优化参数设计并加工机构，在插秧机通用试验台上利用高速摄像技术开展检测机构运动学特性（轨迹形状、秧爪速度和姿态）的台架试验，研制旋转土槽的宽窄行插秧试验台，进行机构的无秧和带秧试验，检测插秧穴口大小、行距、株距、伤秧率、直立度、倒秧和漂秧率，结果符合水稻插秧的技术指标，检测结果验证了机构理论模型和设计方法的正确性，以及设计的宽窄行分插机构可以满足宽窄行插秧要求。
　　(5)对交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构进行动力学分析，建立动力学模型，通过加载配重块的方式进行机构动力学性能优化，改进动力学试验台，并对加载配重前后的分插机构进行动力学试验，验证了增加配重可以改善机构动力学性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的与意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 非圆齿轮传动机构的相关应用研究

1．2．2 传统插秧机行星轮系分插机构研究情况

1．2．3 国内外空间轨迹分插机构的研究情况

1．2．4 关于分插机构的多目标优化方法研究

1．3 宽窄行分插机构研究中尚需解决的问题

1．4 论文研究目标

1．5 论文内容章节安排

1．6 本章小结

第二章 空间轨迹宽窄行分插机构的设计方法

2．1 空间插秧轨迹概述

2．2 基于D-H变换的宽窄行分插机构正向设计方法

2．3 基于给定轨迹的宽窄行分插机构反向设计方法

2．3．1 插秧轨迹表示

2．3．2 轮系传动比求解

2．3．3 传动比分配与节曲线求解

2．4 非圆锥齿轮齿廓数值计算

2．4．1 非圆锥齿轮的大端节曲线表示

2．4．2 球面齿形模型

2．4．3 齿廓计算程序与实例

2．5 本章小结

第三章 具有空间插秧轨迹的不等速行星轮系机构综合

3．1 空间行星轮系机构及宽窄行插秧轨迹要求

3．2 交错轴轮系空间轨迹

3．3 相交轴轮系空间轨迹

3．4 相交—交错轴组合轮系空间轨迹

3．5 本章小结

第四章 交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星系宽窄行分插机构运动学特性分析

4．1 交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构组成及工作原理

4．2 交错斜齿轮—非圆锥齿轮宽窄行分插机构运动学模型构建

4．2．1 机构数学建模的相关说明

4．2．2 非圆锥齿轮的啮合特性和优点

4．2．3 非圆锥齿轮的角位移、传动比分析及节曲线相应点位置确定

4．3 交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构运动学建模

4．3．1 运动学分析相关参数

4．3．2 分插机构角位移分析

4．3．3 运动学模型的建立

4．4 机构参数与插秧轨迹、姿态影响关系

4．4．1 型值点与轨迹关系

4．4．2 机构参数与轨迹、姿态关系

4．4．3 机构运动分析

4．5 本章小结

第五章 交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构参数优化与验证

5．1 宽窄行分插机构优化目标与参数

5．2 宽窄行分插机构优化目标分析

5．3 分插机构参致优化

5．3．1 优化软件编写

5．3．2 优化后的机构参数

5．3．3 优化后的机构运动特性

5．4 优化结果验证

5．4．1 静轨迹试验设备条件及步骤

5．4．2 静轨迹测试结果分析

5．4．3 土槽无苗试验

5．4．4 土槽带苗试验

5．4．5 秧苗物理性能分析

5．5 本章小结

第六章 交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构动力学特性分析

6．1 宽窄行分插机构作业过程分析

6．2 宽窄行分插机构动力学建模

6．2．1 动力学分析符合说明

6．2．2 推秧过程动力学分析

6．2．3 推秧装置碰撞过程的动力学分析

6．2．4 凸轮力矩计算

6．2．5 传动部分的动力学分析

6．3 宽窄行分插机构动力学计算参数及结果分析

6．3．1 相关参数

6．3．2 推秧装置动力学结果分析

6．3．3 宽窄行分插机构动力学模型计算结果

6．4 宽窄行分插机构动力学优化

6．4．1 优化目标与参数确定

6．4．2 改进后动力学模型

6．4．3 优化结果比较

6．5 本章小结

第七章 宽窄行分插机构动力学试验研究

7．1 宽窄行分插机构动力学试验台研制

7．1．1 试验测定参数确定

7．1．2 动力学试验台设计

7．1．3 试验设备

7．2 宽窄行分插机构动力学模型验证

7．2．1 试验步骤

7．2．2 试验结果与分析

7．2．3 分插机构加配重块试验

7．3 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 结论

8．2 论文创新点

8．3 工作展望

参考文献

致谢

博士期间获得的相关成果、获奖及承担项目