机械系统分析与综合-论文

1、 课程名称: 机械系统分析与综合 学 院: 机电工程学院 专 业: 仪器仪表工程 姓 名: 刘 * 学 号: 机械系统分析与综合学习研究报告 机械系统分析与综合是研究在规定完成的任务情况下，进行机械元件的最佳综合，使系统的输入与输出保持某种因果关系的一门课程。在本课程的学习中，要求完成的任务是提出在自己学习、工作、生活中发现或遇到的与机械系统有关的5个问题，并通过分析思考，提出不少于5个的解决方案，并对每个方案的特点分析比较，选出最佳方案，从而完成本课程的学习。 罗老师在第一节课中向我们提问到什么是机械？我们都知道课本里机械的定义：机械是指机器与机构的总称。罗老师说要用我们自己的语言和想法来说

2、什么机械？普遍的说机械就是能帮人们降低工作难度或省力的工具装置，像筷子、扫帚以及镊子一类的物品都可以被称为机械，他们是简单机械。而复杂机械就是由两种或两种以上的简单机械构成。通常把这些比较复杂的机械叫做机器。从而教科书就总结到从结构和运动的观点来看，机构和机器并无区别，泛称为机械。 那什么是系统？系统是由具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所构成的一个整体。系统有以下五个特性：（1）整体性（2）相关性（3）自组织性与动态性（4）目的性（5）优化原则。什么又是机械系统呢？任何机械均是由若干机构、部件和零件组成的系统。其功用不同，我们把它们分别称为传动系统（包括变速装置、起停与换向装置、制

3、动装置及安全保护装置）、执行系统、操纵系统，总称机械运动系统。 通过这三个问题引出这份机械系统分析与综合学习研究报告，该报告主要介绍了机械系统创新设计的基本思路及主要过程、机械结构综合方法简介、实例分析以及对该课程的心得体会。摘 要：本文简要概述了机械系统创新设计的基本思路和主要过程，介绍了五种不同的机构结构综合方法。基于上述方法，本文对生活中的一些不便之处做了现象说明、问题分析，并提出了一些解决方案，通过对比其中的解决方案，选出最优并优化。关键词：机械系统；创新设计；分析与综合；方案优化1. 机械系统创新设计的基本思路、主要过程机械系统创新设计是一个创造性很强的活动，其思维过程是形象思维和抽

4、象思维综合作用的结果。目前主要是利用CAD，并以逻辑思维为基础，再结合知识工程和专家系统的方法来实现设计。通常的方案设计可表达为两个映射：图1.1 方案设计映射关系图方案创新设计阶段主要有两个任务：首先是建立技术系统的功能结构，然后通过选择相应于功能结构中的每个功能载体，并组合这些被选择的功能载体形成整个技术系统的设计方案。由需求域到功能域的映射过程最能体现设计者的创造能力，这一过程涉及到对设计思维规律和创造性机理的认识水平，涉及到所需的专业知识水平等一系列问题。从功能到结构的映射，实际上是功能结构图的每一个分功能与能实现该功能的结构进行匹配，一般来说，总体功能能包括许多分功能，而每一个分功能

5、可以由不同的结构来实现，因此存在组合、协调和评价筛选的问题。2. 机构结构综合方法简介机械结构综合方法有很多，现本文主要介绍3种：基于结构类型变异机构综合方法、集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型和基于螺旋理论的综合方法。2.1 基于结构类型变异机构综合方法自图论理论被应用于机构设计中后，它在机构分析与综合方面的应用得到了深入的研究。这个方法中，封闭的图代表机构，顶点代表连杆，边代表运动副。图可以用矩阵（如邻接矩阵和关联矩阵）来表示、 分析和计算。该方法还包括如下几个环节：1、根据用户需求提出机构创新设计任务与技术要求：（1）、拓扑结构需求（如运动性质）、基本回路数、运动副类型及数目、

6、构件类型及数目、主动副类型及其位置； （2）、功能性要求（如输出构件数目及位置、输出构件的任务等）； （3）、约束条件（如运动精度、刚度及制造、装配、成本等方面的约束）。 2、结构类型综合。通过结构类型综合列出满足设计任务要求的全部结构类型并以适当形式表示。 3、优选结构类型。根据功能要求和约束条件，筛选出好的结构类型。2.2 集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型是基于功能推理和基于结构推理有机联系在一起而形成的方法。该设计过程的主要步骤有：（1）根据设计要求，建立功能结构图，并寻找满足各子功能要求的功能载体，组合成为原始机械方案； （2）将

7、原始机械方案抽象化为表达机械方案联系信息的运动链表示，并记录原始方案一些约束信息，如自由度、杆数等； （3）运动链发散。列举所有与抽象化表示的运动链具有相同自由度、杆副类型及杆数的非同构运动链； （4）机械方案元型集的生成。对筛选的运动链进行机架识别、原动件识别、杆组识别，形成用连杆和转动副表达的机械原型； （5）候选方案集的生成。将以上生成的机械方案元型通过类型替代，形成候选方案集。并进行方案的评价决策，得到最优方案。2.3 基于螺旋理论的综合方法螺旋理论自1978年用于机构学研究以来，众多学者又推动了其应用与发展。比较系统的观点是约束螺旋综合方法。主要观点有：1、机构的拓扑结构用传统符号法

8、表示，并附上、下标表示运动副轴线之间的几何关系； 2、运动螺旋系用于描述机构两构件之间瞬时相对运动特征，约束螺旋系用于描述两构件之间的瞬时约束特征，两者为互易螺旋系。一般地，螺旋系的Plucker 坐标含有机构运动位置参数，并与选取的定坐标系有关。 3、给出了用于结构综合的两个数学公式和一个机构自由度公式，公式含有运动位置参数。运动螺旋系的并运算公式 （2-1）约束螺旋系的并运算公式 （2-2）自由度公式 （2-3） 4、螺旋系的运算规则：线性运算。螺旋系的相关性判定与定坐标系无关。应用此方法的一般步骤有： （1）获得期望自由度，建立机构运动螺旋系，求出反螺旋，建立机构约束螺旋系； （2）查找

9、有关表格，建立分支约束螺旋系，求出反螺旋，建立分支运动螺旋系； （3）对运动螺旋系进行线性组合，判断分支运动链结构是否满意，若满意就进行下一步，不满意返回步骤（2）； （4）构建符合对应几何条件的并联机构，并判断是否为瞬时机构，若为瞬时机构，可直接得到期望机构，若不是瞬时机构返回步骤（2）。基于螺旋理论的综合方法的运算规则主要是线性运算，可以得到瞬时机构与瞬时自由度，但对于存在几何条件较弱的机构，非瞬时性判定比较困难。3、微型耕作机改良设计近年来，随着农业改革的不断深入和农业结构的不断调整，我国的农业设施得到了迅速的发展。但是在赣南地区，以及类似赣南地区一样以丘陵和山区为主要地表的地区，仍然没

10、有达到农业机械化水平。3.1现象说明我的亲身经历以及近年在家乡所观察，赣南地区基本上仍属于人力畜力式农耕，究其原因是地貌、地形、地质的原因，山区大部分是梯田、水田以及不规则的小块田，根本无法大规模的农业机械化，偶尔能见到一台耕作机，但也是问题多多，首先田埂非常小，梯田坡度大，耕作机需要多个人力抬往下一个作业点，而不能直接驾驶；其次，赣南地区地势高处为旱田，地势中间处属于水田，然而地势低洼处属于深泥田，现有的耕作机对深泥田却无能为力了；现有的耕作机换农具时复杂且不安全。综上几个因素，可以看到家乡耕作方式机械化进程极低。所以当每次看到家乡的人在辛苦的劳作时，感叹粮食来之不易，更想能不能利用自己所学

11、的知识让农民从繁重的血汗劳动中解脱出来，或许哪怕能减轻他们的体力耕作强度，让他们被繁重农业耕作压弯的脊梁更直一些。3. 2 问题分析虽然微型耕作机问题多多，由于自身能力与知识有限，及时间有限等各项因素，只能有针对性的分析与解决问题，所以结合机械系统分析与综合课程，本学习研究报告主要分析解决微型耕作机如何能自由在旱田、水田及深泥田工作这一问题，并且尽可能的简单实用。3.3 方案设计根据上述问题的分析，可提出以下集中方案的设计，对微型耕地机能在不同深度的泥田自由工作进行改良。3.3.1 改良微型耕地机的犁拱微型耕地机采用单犁体，这样容易保证机组具有良好的直线行驶性能，同时犁的悬挂机构也可以简化为一

12、个拱状整体结构，一端固定犁体，另一端固定在提升架上，通过扇形调节板调节其升降，控制耕深。将犁拱的型式用整根钢管弯成拱形，如图1所示，其相应的截面形状为圆形或长圆形。图1 整根钢管弯成的犁拱结构简图根据材料力学可将犁拱简化为平面曲杆，由于作用于曲杆上的载荷都在纵向对称面内，变形后的曲杆轴线仍然是纵向平面内的曲线，这就变成平面曲杆的平面弯曲问题。由犁拱各单元应力的分布可知，增加加强筋后，应力最大的单元主要集中在犁拱与提升架相连的固定端，并且犁拱上应力最小的单元位于力的反向延长线与犁拱交点附近。犁拱上的应力是沿犁拱的轴向渐变的，因此可以考虑通过缩短犁拱固定端，即相应去掉犁拱几何模型固定端应力最大的单

13、元，来降低犁拱的应力最大值。改良设计：将犁的提升架加长50 mm，相应地将犁拱固定端缩短50 mm，提高了其承载能力。这样的调整对整机基本没有影响，犁体相对于整机的位置保持不变，所以整机的重心位置也基本不变。由于缩短了犁拱固定端的长度，加长了提升架的长度，犁拱与提升架的连接位置稍有变化，可以通过提升架上的扇形调节板以及调节提升架的位置来调节犁体的入土隙角，以保持耕深的稳定。3.3.2 改良微型耕地机的驱动轮位置传统的深泥脚田耕作机驱动轮安装在变速箱驱动轮轴上，前轮直径以及离地间隙均比较小的缺点，通过在耕作机变速箱外增加一臂式传动箱，设计了一种适用于深泥脚田作业的驱动轮位置无级调节机构，实现根据

14、实际泥脚深度调节驱动轮位置，使深泥脚田耕作机在深泥脚田内获得稳定的驱动力，确保耕作机的可靠作业，提高深泥脚田耕作机的犁耕质量和工作效率。深泥脚田耕作机驱动轮位置无级调节机构如图2、图3所示，主要由船体、驱动轮、驱动轴、臂式传动箱、摇臂等组成 。图2 驱动轮处于最深位置时的结构示意图图3 驱动轮处于最浅位置时的结构示意图该设计的目的在于提供深泥脚田耕作机驱动轮位置无级调节机构，可以有效解决现有驱动轮与船体之间的位置固定，当泥脚深度较大时，驱动轮无法接触到硬底层，驱动轮开始滑转而无法对耕作机提供驱动力，从而无法进行犁耕作业的问题。3.3.3 增加驱动轮位置液压调节装置传统船形耕作机进行了改进设计，

15、在变速箱输出端增加可摆动的臂式传动箱，由臂式传动箱将动力传递给驱动轮，并由液压装置无级控制其摆动角度，改变驱动轮的位置，以适应泥脚深度的变化。可调式深泥田耕作机结构简图如图4所示。图4 可调式深泥田耕作机结构简图根据“浮式工作原理”，设计承载与驱动分开的行走机构。船体作为承载主体，其上安装大部分机件，水田作业时利用浮托力作用，可减小接地比压，陷入量小，减小行进阻力。后轮为驱动轮，由橡胶轮和铁轮联体组成组合驱动轮，在运输和旱地耕作时用橡胶轮着地驱动，在深泥田作业时打开铁轮的驱动铁齿进行驱动。3.3.4 将轮式微型耕作机改为履带式根据实际作业要求将传统轮式微型耕作机改为履带式，设计样式独特，整体机

16、型低，体积小，采用履带行走机构，能原地360。转弯，作业运转机体平稳，对各种陡坡不打滑，行走笔直，可轻松、顺畅地完成作业。微型履带耕作机主机结构简图如图5所示。图5 微型履带耕作机主机结构简图变速箱两侧动力输出轴驱动驱动轮，驱动轮用来卷饶履带，驱动轮轮齿与履带板磙子依次逐个啮合，卷饶履带推动微耕机前进。张紧轮引导履带正确饶动，防止履带横向滑动，使履带保证一定的张紧度，支重轮用支撑微耕机重量，并防止履带横向滑动，另一路动力输出通过动力离合器手把，将动力传至旋耕机刀轴， 由仿形升降机构实现深度调整，完成旋耕作业。3.3.5 设计组合驱动轮 组合驱动轮由橡胶轮和铁轮联体组合而成，结构设计关键有3点：

17、一是铁轮和橡胶轮的连接方式；二是铁轮驱动齿设计及连接；三是铁轮驱动齿的工作和非工作状态的快速转换结构。组合驱动轮结构图如图6所示。图6 组合驱动轮结构图 铁轮和橡胶轮的连接是用4个螺栓将铁轮轮架和橡胶轮钢圈进行连接，再安装到臂式传动箱输出轴上，这样在进行长期运输或旱地作业时，拆去4个螺栓，即可方便将铁轮拆卸，以减小负载。3.3 方案评价第一种方案将微型耕作机的犁拱模型化分析，理论上可行度高，但过于简单，实际操作效果可能并不佳；第二种方案改进微型耕作机驱动轮的位置，使驱动轮位置无级调节机构，实现根据实际泥脚深度调节驱动轮位置，经济实用；第三种方案在驱动轮位置增加液压调节装置，根据浮式原理实现在水

18、田、深泥田自由作业，但改良工作较为复杂；第四种方案将轮式微型耕作机改为履带式，效果上的确趋于完美，但经济上增加不少负担；第五种方案设计组合驱动轮，在更换农具时较为复杂且不安全。经过对以上方案进行功能技术和经济实用等评价综合比较，选定第二种方案较为合适。4、心得体会经过一个学期机械系统分析与综合的学习，我初步掌握了解决问题的基本思路：遇到一种现象或问题，首先应分析问题，找出问题的本质，只有把问题分析透彻才能提出更多更好的解决方案，其次应根据对问题的分析从不同的角度提出多种可供选择的解决方案，对其中的解决方案相互比较，衡量各自的优缺点，然后根据实际情况选择最适合的方案，最后再对其进行优化，完成最后的设计、制造等具体工作。我想，对机械系统问题的