水稻钵苗取秧摆秧机构及传动系统设计【原创】

哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 水稻钵苗取秧摆秧机构及传动系统设计 龙文凯 院 （系 ）： 专 业 ： 学 号： 指导教师 ： 2015 年 6 月 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 毕业设计（论文 ） 题 目 水稻钵苗取秧摆秧及 传动系统设计 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 学 生 指 导 教 师 答 辩 日 期 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 哈尔滨工业大学毕业设计（论文）评语 姓名： 学号： 专业： 毕业设计（论文）题目： 水稻钵苗取秧摆秧机构及其传动系统设计 工作起止日期： 20* 年 12 月 25 日起 20* 年 7 月 3 日止 指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见： _ _ 指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见： _ _ _ _ _ _ 评阅教师签字： _ _ 评阅教师职称： _ _ 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 答辩委员会评语： _ _ 根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定： 学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语： _ _ 答辩委员会主任（签字）： 职称： _ _ 答辩委员会副主任（签字）： 答 辩 委 员会 委 员（签 字 ） ： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 年 月 日 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 项目名称：水稻钵苗取秧摆秧机构及传动系统设计 项目来源：自拟 项目起止日期： 2014 年 12 月 15 日 至 2015 年 7 月 3 日 项目类型：工程设计 立题的目的和意义简介： 随着农业技术的进步，钵苗移栽技术得到广泛推广及运用。与传统育秧方式相比，钵苗育秧有以下优点：一 以种子成活率高。二 传统洒秧相比，播种效率更高。三 究表明在寒冷地区只需 35 到40 天。四 业的搬运工具，使搬运秧苗更加快捷方便。五 盘的标准化，更适合使用移栽机等机械设备。 由于钵苗育秧 的推广，所以对钵苗移栽机技术的需求也越来越迫切。以日本为例，乘坐式插秧机有经历了三代产品的变革。第一代插秧机：将插秧机构装在四轮驱动的车体上，制造出乘坐式洗苗插秧机和毯状苗插秧机。第二代产品：插秧机构主要采用连杆机构，在曲柄上加配重，增加了分插频率。第三代产品：由于连杆机构无法完全克服离心力的缺陷，导致了它无法实现高速分插 用于高速插秧机。 为了赶上日本等先进国家的技术，我国插秧机研究迫在眉睫，尤其是对非圆齿轮机构分插机构的研究。这既是实现农业现代化的 要求，也是发展粮食产业的客观需求。 项目的技术指标与要求： 技术指标 生产率： 200距： 130苗高： 200迹高度： 260求 1 确定取秧、摆秧及其传动方案； 2 为满足技术指标，通过仿真计算确定机构、结构有关参数； 3 按技术指标确定传动系统及运动参数； 4 完成取秧机构、摆秧机构及传动系统的设计 ； 5 撰写毕业设计说明书 。 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 项目的进度安排： 2014/12/151/08 查阅资料并准备开题报告 2015/01/094/14 建立取秧摆秧机构及传动系统仿真模型 2013/04/155/10 完成取秧器及非圆齿轮机构的设计 2015/05/115/31 完成滑道及摆秧机构的设计 2015/06/016/30 完成论文并准备答辩 同组设计者及分工： 独立完成 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任意见： 同意 教研室主任签字： 年 月 日 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） I 摘 要 椭圆齿轮具有广泛的运用，其中在椭圆齿轮分插机构中极具代表性。该机构在插秧机的运用日益广泛，与传统的连杆分插机构相比，它能够更好地平衡因高速旋转产生的离心率，所以在提高插秧机的工作效率方面表现优异。因此，研发椭圆齿轮分插机构，具有重要意义。 本设计利用椭圆齿轮传动比变化的特点，设计椭圆齿轮分插机构，并用于取秧和摆秧机构中。设计方案包括以下内容。 （ 1） 利用椭圆齿轮运动特点，对取秧机构和摆秧机构针尖进行仿真，改变椭圆齿轮及 取秧摆秧针参数，得到大量数据，进行优化。 （ 2） 分析椭圆齿轮啮合特点，研究出椭圆齿轮轮廓绘制方法。 （ 3） 利用得到的椭圆轮廓进行 真，与（ 1）中仿真进行对比，验证椭圆齿轮轮廓的正确性，并进一步得到取秧摆秧机构针尖的运动特性。 （ 4） 依据得到的参数，进行取秧机构和摆秧机构的结构设计。 （ 5） 依据实际工作特性，进行取秧器和摆秧器的结构设计。 （ 6） 根据秧苗的特点以及取秧器和摆秧器的结构，进行滑道的设计。 本设计在分插机构设计中是连接曲柄摇杆分插机构和非圆齿轮分插机构的纽带，起到承上启下的作用。 关键字 ：插秧机，椭圆齿轮， 运动仿真， 真，分插机构，结构设计。 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） he a of is in in in it to by of so to it is to in in (1) of of (2) of of of of is (3) 1) in of of of a (4) to of (5) to (6) to of of In of is a of a 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 目 录 摘 要 . 第一章：绪论 .题背景及研究的目的和意义 .内外插秧机分插机构的研究现状 . 国内外研究现状及分析 .国内外插秧机构 发展前景 .在的问题 .文研究的主要内容 . 5 第 二 章 椭圆 齿轮 的特性及设计方法 .圆齿轮的特性 . 6 圆齿轮的运用 . 椭圆齿轮的结构特性 . 椭圆齿轮的运动特性 .圆齿轮的设计方法 . 7 圆齿轮的机构设计方法 . 椭圆齿轮的加工方法 .他非圆齿轮轮廓设计方法 . 9 形椭圆齿轮的轮廓设计 . 一阶卵形齿轮及 .章小结 . 三 章 行星椭圆 齿轮分插机构 的运动学分析 及仿真 .星椭圆齿轮分插机构的工作原理 . 12 星椭圆齿轮分插机构的运动分析 . 12 .椭圆齿轮啮合的简化模型等效理论 .星椭圆齿轮分插机构的运动仿真 . 14 .基于 真 .星椭圆系分插机构与传统连杆相比的优势 . 22 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 星椭圆齿轮机构与行星变形椭圆齿轮机构的比较 .章小结 .四章 水稻钵苗取秧摆秧机构的结构设计 .稻钵苗移栽机构的整体设计 .水稻钵苗移栽机构的方案选择 . 水稻钵苗移栽机构的整体设计 .稻钵苗移栽机构取秧机构的设计 .水稻钵苗移栽机构取秧 机构的方案选择 .水稻钵苗移栽机构取秧机构典型零部件的设计 .水稻钵苗移栽机构取秧器的设计 .水稻农民移栽机构摆秧机构整体结构 .稻钵苗移栽机构摆秧机构的设计 .水稻钵苗移栽机构摆秧机构的方案选择 .水稻钵苗移栽机构摆秧机构典型零部件的设计 .水稻钵苗移栽机构摆秧器的设计 .稻钵苗移栽机构滑道的设计 .圆齿轮分插机构主要零件的强度校核 .齿轮的强度校核 .轴的强度校核 .章小结 .论 .考文献 .创性声明 .谢 . 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 题背景及研究的目的和意义 水稻在我国有悠久的种植历史和广泛分布，水稻产量直接影响着我国的粮食安全。而农业机械化生产是有效提高粮食产量的方法，插秧是水稻种植中重要环节，因此插秧的机械化在水稻农业机械化中具有举足轻重的意义。 开发一款能够高速高效实用的水稻插秧机，在实现机械化进程中具有重要意义，且拥有广泛的市场。分插机构作为水稻插秧机的重要组成部分，在插秧机开发中属于核心技术。研发一直高效快捷的分插机构，对于插秧机的设计，有着重要作用。 内外插秧机分插机构的研究现状 内外研究现状及分析 （ 1） 摆秧机构研究现状及分析。 水稻插秧机是比较复杂的水稻种植机械，摆秧机构是水稻插秧机的核心工作部件，其性能直接关系到插秧质量和工作效益，决定了插秧机产品的市场竞争力和整体水平。目前，按照插秧机摆秧频率，可分为传统摆秧机构和高速摆秧机构两种类型。而高速插秧机构代表着水稻插秧机的关 键技术，其理论技术对发展插秧机有重要意义。 （ 2） 传统摆秧机构 传统摆秧机构主要有曲柄摇杆摆秧机构 见 图 1臂导杆摆秧机构和转臂滑道摆秧机构。 20 世纪 60年代，日本发明了曲柄摇杆摆秧机构，其经过多年改进，工作可靠，结构简单，至今仍然被我国广泛运用 ， 适用于毯状苗的播种。由于其本身存在无法平衡连杆的缺陷， 导致始终存在角度离心力的缺点，所以 无法实现高速插次，所以不能适用于高速乘坐式插秧机。摇臂导杆机构用于人力插秧机机上，插秧质量低，工作效益差。 1974年，我国发明了转臂滑道摆秧机构，这种机构滑道摩擦力大 机构复杂，滑道制造困难，取秧可靠性差，并没有得到广泛推广和运用。 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 2 1234567 推秧弹簧 8图 1柄连杆机构示意 图 （ 3） 高速摆秧机构。 上世纪八十年代，日本农机化研究所开发了偏心齿轮行星系摆秧机构 见图1到了变速比的要求。机构由五个全等偏心齿轮，其中太阳轮固定不动，对称分布两对齿轮，即中间轮和行星轮。 行星轮，中间轮和太阳轮，均是圆齿轮，在各自的偏心位置处安装一个小的圆齿轮，左方行星轮和左方中间轮上的小齿轮啮合，太阳轮和左方中间轮上的小齿轮啮合，右方中间轮和太阳轮上的小齿轮啮合，以此类推。这样一来，每两对齿轮之间的啮合之间的传动比都是变化的，当匀速的运动传递到行星轮时，就自然变成了不等速的运动。 栽植臂固定于行星轮上，形成栽植臂要求的轨迹。 这种方案是行星轮系运用于分插机构的首创，优点是齿轮的制造比较简单，安装方便；缺点是，由于有两排齿轮，整个机构体积较大，整机重量大，且得到的轨迹不佳。 1234568910图 1心行星轮机构示意图 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 3 椭圆差速摆秧机构 见图 1利用椭圆齿轮传动本身传动比变化的特点，固定太阳轮，转动机架使中间轮和行星轮在齿的啮合下转动 ， 将栽植臂固定于行星轮上，可以输出特定的轨迹。椭圆齿轮传动的旋转 中心为椭圆焦点。 椭圆齿轮 的排布可以是等相位也可以不等相位，改变椭圆离心率，可以得到不同的轨迹要求。该机构的优点是，整体机构比较偏心轮机构有所缩小，椭圆齿轮啮合时，传动比变化更加复杂，所以得到的轨迹和运动特性更好。缺点是椭圆齿轮的加工比圆齿轮难，成本高。 12345678910图 1圆行星机构示意图 非圆齿轮包括椭圆齿轮，但更多指变形椭圆齿轮，卵形齿轮，变形椭圆 些齿轮全部由 椭圆齿轮演变而来。由非圆齿轮构成的行星轮系，与椭圆齿轮构成的行星轮系，具有很多共性；又有许多特性，如变形椭圆齿轮的传动比变化范围更大，变形椭圆 因为此，所以非圆齿轮行星轮系的运动轨迹和特性比椭圆齿轮更好，但是加工和设计更加复杂。见图 12345图 1圆齿轮行星机构示意图 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 4 内外插秧机构 发展前景 （ 1） 国外插秧机发 展方向 根据国外插秧机技术发展情况，插秧机的基本结构形式不会有大的变化，将来主要向着降低生产成本、提高作业效率的方向发展。 因此结合外国的耕作方式。 1 高速插秧机将是主导发展产品。从机型结构来看，高速插秧机具有高效率、高性能等优势，是未来的主要发展方向与主导发展产品；步进式插秧机由于作业效率低、使用劳动强度大，市场占有率将逐步下降。 2 少免耕作业和复合作业。插秧机从单一插秧作业向插秧的同时施肥、铺膜和少耕或免耕插秧等复式作业方向发展 ，即可以一机多用。 3 发展多功能插秧机底盘。插秧机底盘将向水田多功能通用底盘方向发展 ，以提高机器利用率，降低生产成本。实现插秧，施肥收割等的综合性利用。 （ 2） 国内插秧机发展方向 从国内目前水稻生产机械化的发展情况看，水稻机插秧仍然是水稻生产全程机械化的最薄弱环节，插秧机还处于发展初期，未来几年市场需求量将会保持快速上升态势，插秧机产品质量和技术水平将进一步提高，发展将会出现下述几个方面的特点。 1 手扶步进式插秧机将是持续发展的机型。近期为满足市场需求，步进式和独轮乘坐式插秧机仍将是市场的主导机型，有专家预测手扶步进式机型的持续发展时间可达 10 年之久。 2 插秧机产品向系列化和多样化 发展。步进式插秧机形成 4、 6 行，乘坐式插秧机形成 4 10 行的系列化产品，产品类型分为不同层次，以满足不同市场的需要。 3 插秧机发展速度加快而市场竞争更激烈。随着农业产业化发展，有些地方为突破机插秧“瓶颈”，对购买插秧机实行中央财政和地方财政多级累加补贴政策，插秧机将进入快速发展期。 在的问题 目前，我国插秧机械化水平较低，而且技术含量低，存在如下问题 : 1 国产插秧机大多是曲柄摇杆式的传统插秧机，其可靠性低，速度进一步提高时，振动大，引起震动，严重影响插秧性能， 2 进口插秧机因不具有自主产 权，价格很高，作业成本大大高于人工插秧，从而限制了推广使用。 3 我国水稻生产区有大量小块田、丘陵以及梯田，虽然高速插秧机采用了旋转式摆秧机构，运转平稳、惯性力小、结构简单，由于整体移动不方便。 水稻机械化插秧正向着高速化、自动化的方向发展，由于偏心齿轮、非圆齿 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 5 轮等的加工技术水平的提高，可以进一步开展对高速旋转式摆秧机构的研究，尤其是非圆齿轮的设计与使用，在传动过程中由于不存在齿隙的变化，使传动更加平稳。 文研究的主要内容 本设计主要包括以下几个方面： 真，寻找适合于插秧的轨迹曲线，得到相应的机构参数。 行 到秧针针尖的轨迹和运动参数。 现预期的功能。 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 6 第 2 章 椭圆 齿轮 的特性及设计方法 圆齿轮的特性 圆齿轮的运用 椭圆齿轮的啮合主要是，椭圆齿轮与椭圆齿轮啮合及椭圆齿轮与卵形齿轮的啮合。 椭圆齿轮之间的配合有两种常用的方式： 一种是运用于定轴轮系中，用于改变转动特性，即输入匀速转动，可以输出变速转动。主要运用于 抽油烟机和钓鱼竿上的转动杆。 另一种用于行星轮系中，具体代表就是本设计中的钵苗移栽分插机构中。 椭圆齿轮与卵形齿轮之间的啮合主要是定轴轮系，卵形齿轮可以是二阶到 形齿轮由椭圆齿轮演变而来，与椭圆齿轮之间的配合不同，椭圆齿轮与卵形齿轮配合可以形成总传动比不为“一”的运动。 圆齿轮 的结构特性 椭圆可以看做是由以下方式见图 2个点在平面内运动该点满足到另外两个定点的距离之和等于长轴，且两定点之间的距离等于焦距。即21 。 图 2圆的形成 一对椭圆齿轮的啮合可以看做是一个椭圆齿轮与关于啮合点切线的对称椭 圆齿轮的啮合见图 2椭圆齿轮的传动比等于啮合点分别到两个焦点的距离之比。而这个啮合点的切线就是该对齿轮的啮合线。 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 7 图 2圆齿轮的啮合原理 椭圆齿轮的啮合可以看做是以啮合点对于两个齿轮的曲率半径为半径的圆齿轮的啮合。曲率半径乘以压力角的余弦值就是该店的当量半径，而当量半径就是构成该点的渐开线的基圆。 因此椭圆齿轮的每一个齿的形状都是变化的。 圆齿轮 的运动特性 以右 焦点偏心椭圆齿轮为例： 定轴椭圆齿轮传动中，传动特性有以下方面。 （ 1） 传动比变化，传动比为21212 c o 。 （ 2） 离心率越大，传动比变化范围，从动轮的角加速度也越大。 （ 3） 椭圆齿轮啮合线不是一条恒定的直线，而是一条角度变化线，因此椭圆齿轮啮合中会产生不可忽视的径向力。 圆齿轮的设计方法 圆齿轮 的结构设计方法 椭圆齿轮每个齿的形状都是变化的，因此椭圆齿轮的设计需要特殊的方法。绘制方法均需借助 椭 圆齿轮，其每个点的曲率半径变化不大，可以认为它的曲率半径保持恒定。具体设计步骤如下： 先计算椭圆齿轮的周长： 20 *1pi 依据 * ，选取模数 z（齿数必须为奇数）。 对于离心率较大的椭圆齿轮，不能看做每个点的曲率半径和当量半径相等。 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 8 因此必须计算每一个点的曲率半径和离心率。 假设椭圆上一点与焦点的夹角为 t,则该点的 e*1 in t*)1* （。 曲率半径公式为)1(。 可以解出曲率半径公式的方程为 1(1*)1(*C os os 。 并且当量半径 20* 。 将椭圆 4z 等分，将所有奇数点与右焦点相连，测出每一条线的的角度，记作 将其带入曲率半径公式及当量半径公式，计算出曲率半径和当量半径。利用渐开线方程： )()(*)( tC o )(*)(*)( tC 作出每一个渐开线。在每一处奇数等分点出作线段，线段长度等于曲率半径与当量半径的差值，并且该线段垂直于椭圆齿轮的节曲线。 图 2圆齿轮的一个齿轮廓 将作出的渐开线平移，近端点与线段的端点（不在节曲线上那个）重合，然后旋转角度（该 角度等于该线段相对于正半轴的角度）。完成后，剪去渐开线在齿顶圆以外的部分。 将剩余渐开线平移，是渐开线过对应的奇数等分点，且一个端点在齿顶圆上。即可得到最终的齿轮轮廓曲线见图 2 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 9 圆齿轮 的加工方法 椭圆齿轮加工与圆齿轮不同，基于它的加工环境，可以有两种椭圆齿轮的加工方法： （ 1） 机床的加工方法： 利用插齿刀加工，但是插齿刀需要不断调整加工角度。调整的角度为2* 1112 （ 2）线切割齿轮加工方法： 由于齿形复杂， 无法进行切削加工及铣削加工，小批量时可采用线切割加工，大批量采用粉末冶金加工。 他非圆齿轮轮廓设计方法 为了进一步改变椭圆齿轮的传动比，得到更加优质的运动轨迹，将椭圆齿轮作一定的变化，就是变形椭圆齿轮。根据本文中所探寻的椭圆齿轮轮廓曲线的绘制方法，进行一定的拓展，推敲出其他非圆齿轮轮廓曲线的绘制方法。 笔者认为，变形椭圆齿轮、卵形齿轮都是由椭圆齿轮经过一定的变形得到的，它们与与各自旋转中心的关系和椭圆齿轮是不一样的。 形椭圆齿轮的齿轮轮廓设计 椭圆齿轮上下弧对于几何中心的圆心角是相等 的，而变形椭圆齿轮就是要改变上下弧所对的圆心角。针对这个规律，变引入一个变形系数 上弧所对圆心角变为 *1m ，下弧所对圆心角的圆心角变为 *)1( 1m 。显然，变形后上下弧相教与原来，曲率半径都发生的变化，但是在变形前后的向径是不变的，在取相同模数的情况下，也就是说变形前后，两个齿轮的啮合点不发生变化。这样，变形前后各个点的齿形不能发生改变。 如图 2对变形椭圆齿轮啮合，在相互配合做纯滚动时，总是优弧 弧 们长度的比等于21 。 通过与椭圆齿轮轮廓绘制方法对比，可以采用相同的方法绘制椭圆齿轮的轮廓曲线，在计算当量曲率半径时所使用的角 点”的夹角。变形椭圆 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 10 齿轮的两个变形系数之间应当满足 21 。 图 2形椭圆齿轮啮合 阶卵形齿轮 及 N 阶卵形齿轮的设计 卵形齿轮并不用于分插机构，但是可以运用于其他地方。无论是椭圆齿轮还是变形椭圆齿轮，它们的总传动比都是不变的，即主动轮转动一周，从动轮也转动一周，而卵形齿轮则改变了这一规律。总传动比从二到无限大不等。 卵形齿轮的啮合也是由椭圆齿轮的啮合演变而来，先看做一对椭圆齿轮啮合，将左边的椭圆齿轮的旋转中心向远方向移动，移动到左端点时，得到一阶卵形齿轮的旋转中心，卵形齿轮的半径 1 ，这样在原来的齿轮轨迹上每一个点 都对应一个 成轨迹就是一阶卵形齿轮的四分之一轨迹，见轨迹对称后可得到全轨迹。 两个齿轮的啮合必须满足： 合点在节曲线上走过的路程相等。 由于 1 ， 所以中心距等于 。积分证明任意两点间弧长1 ，就可以证明 图 2 哈尔滨工业大学本科生毕业设计（论文） 11 图 2圆齿轮演变为卵形齿轮 对于高阶的卵形齿轮，就在一阶卵形齿轮的基础上，作相同的变换，可以得到相同的曲线。 对于齿轮齿形轮廓，笔者认为，应该和变形椭圆一样，借助椭圆齿轮的齿形，通过对应的平移等处理得到。 当为右焦点齿轮时，旋转中心平移到几何中心， 采用同样的方法，可以得到总传动比为 1的卵形齿轮。 本章小结 （ 1） 从新的角度解读了椭圆齿轮的啮合本质。 （ 2） 提出了椭圆齿轮轮廓的绘制方法。 （ 3） 通过对椭圆齿轮轮廓绘制方法的总结，进一步推广到其他非圆齿轮的绘制方法