共轭凸轮—正圆齿轮水稻钵苗移栽机核心机构的设计及优化

发布时间：2020-05-26 14:10

【摘要】：我国稻作历史悠久,至少有7000年以上的历史。截至目前,我国水稻栽种面积常年维持在3000万公顷左右,遍及大陆30个省,占我国稻谷总种植面积的30%,占世界谷物总种植面积的20%,水稻总产量约20000万吨,占我国粮食产量的40%,占世界谷物产量的35%,居世界第一位。提高水稻的生产能力及产量,是保障我国粮食安全的长期战略目标。随着我国城镇化进程的推进,可耕种面积逐年缩少,从事农业劳动人口数量逐年下降,而我国人口的不断增加导致对粮食需求的增长,粮食供给更加困难。所以在有限劳动力及耕种面积的约束下,提高水稻生产机械化水平显得尤为重要。为提高水稻产量,农艺专家经多年比较试种证明,水稻钵苗移栽技术由于不伤秧根、无缓苗期、秧苗低节位分蘖多,对于提高水稻产量具有明显优势(相对于插秧可以提高产量10%-20%),而且可以实现省种、节肥、节水、节约成本、提高品质和增加粮食产量的目的,并且可以提高复种指数。作为水稻钵苗移栽机的核心组成部分,移栽机构的性能直接决定了移栽机的作业水平。现有的移栽机构结构复杂,稳定性差,作业质量难以保证,成为限制移栽技术在我国大面积推广的主要原因。如果能够研发出一种结构简单、稳定、高效且作业质量好的移栽机构,将解决机械化水稻钵苗移栽应用和推广的难题,并会使我国水稻种植机械化的水平得到提高。本文突破移栽机构的传统结构,成功设计出了一种“共轭凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构”,具有自主知识产权,主要研究内容如下:(1)回转式水稻钵苗移栽机构工作轨迹分析。通过比较国内外现有的水稻钵苗移栽机构的工作原理及对其运动特性的分析,总结了水稻钵苗移栽机构研究所面临的核心问题——如何利用一套机构依次完成取秧、输送和栽植三个动作。提出了高效、轻简化水稻钵苗移栽的发展趋势,即“回转式”钵苗移栽机构,并对回转式水稻钵苗移栽机构工作时所要形成的轨迹进行了分析。(2)首次提出了一种“共轭凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构”(专利公开号:CN102893737A)。该机构将共轭凸轮与正圆齿轮行星轮系相结合,利用共辄凸轮驱动移栽臂摆动与正圆齿轮行星轮系牵连运动叠加,使得移栽臂形成类似“8字形”(上小下大)的静工作轨迹。取苗段轨迹为“8字形”的上半部,成环扣状,移栽机夹秧片尖点沿着轨迹夹持秧苗根部,并沿着类直线段将秧苗拔出。取苗时移栽臂相对转角较小,能够保证移栽臂夹秧片将钵苗从钵盘中取出,栽植阶段轨迹为“8字形”的下半部,保证移栽臂有足够行程将钵苗栽入地中,从而实现钵苗移栽。该机构可依次完成取苗、输送、栽植三个钵苗移栽过程,且在工作中传动连续、平稳、结构简单、无刚性冲击、振动小、易加工且成本低。(3)共轭凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构建模。针对水稻钵苗移栽机构的运动学特性进行了分析,并建立了该机构的数学模型(包括:正圆齿轮行星轮系牵引机构及摆动式共轭凸轮机构的数学模型),为后续的移栽机构计算机辅助分析与优化软件的开发提供理论依据。(4)共辄凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻移栽机构计算机辅助分析与优化软件开发。基于VB技术,根据所建立的移栽机构数学模型,自主开发了水稻移栽机构计算机辅助分析与优化软件系统(软件著作权登记号:2014R11L041109),并阐述了各个子软件界面、功能及特点,该软件可以完成移栽机构和共轭凸轮的优化、设计及加工。(5)共辄凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻移栽机构运动学优化。根据水稻钵苗移栽的农艺要求及移栽机构的工作要求,制定了移栽机构的运动学优化目标,其中包括对移栽机构结构的要求。分析了当不同参数变化时,对移栽机构相对运动轨迹及机构结构的影响规律。利用自主研发的水稻移栽机构计算机辅助分析与优化软件,对移栽机构进行了运动学优化,并获得了一组可以满足水稻钵苗移栽工作要求的移栽机构参数组合。(6)共轭凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻移栽机构设计。根据优化结果,利用AutoCAD2010软件完成了移栽机构的整体结构及零部件的设计,并探讨了设计的注意事项。(7)共轭凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻移栽机构运动学仿真。在UGNX8.0软件平台下,进行了移栽机构零部件的三维建模及和虚拟装配后,导入到Adams中进行运动学仿真。仿真结果表明:移栽机构的运动学仿真轨迹、速度及加速度曲线与运动学优化结果高度相似,验证了机构的可行性及计算的正确性。(8)共轭凸轮——正圆齿轮行星轮系水稻移栽机构动力学仿真。在Ansys软件平台下,建立了移栽机构关键部件摆杆柔性体模型后,导入Adams中进行刚柔耦合动力学仿真。仿真结果表明:摆杆所受的最大应力为69.31MPa,小于所用材料40Cr的许用应力267.67MPa,说明了摆杆强度能够满足要求,为移栽机构加工提供有力保障。
【图文】：

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求定位机构具有一定的准确度，顶杆磨损严重，造成钵苗不能成功脱离钵盘，因此失败。接逡逑着曰本洋马农机株式会社研制出了一种顶出式水稻钵苗移栽机构，该移栽机构是由顶出式分逡逑秧机构和旋转式栽植机构组成［１３１，顶出式分秧机构的工作过程如图１－１所示，当钵盘运动到逡逑分秧位置时，顶杆快速伸入小孔，将秧苗顶出后，并迅速退出钵盘，在整个过程中，钵盘处逡逑于运动状态，这就要求整个机构协同度高。但在顶针的运动中，自身承受的冲击载荷大，对逡逑机构精度要求高，长期工作磨损后，整个机构协同度下降，常出现顶偏，损坏塑料秧盘，顶逡逑出时挂住秧苗的现象，且对整地和育秧质量有较高要求［１４１。逡逑２邋３逡逑１．钵盘下移逦２．顶杆运功逦３．顶杆顶出秧苗逡逑图１．１日本有序抛秧机构顶秧过程示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｅｅｄｉｎｇ邋ｅｊｅｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋Ｊａｐａｎｅｓｅ邋ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ逡逑２00４年，，日本研制出了旋转式栽植机构，其核心部件是由两个行星轮机构串联而成，如逡逑图１－２所示。其齿轮箱相当于行星架，第一齿轮箱由９个齿轮（其中２个扇形齿轮）和一套逡逑２逡逑

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但由于是两套机构完成移栽过程，且轨迹和机构较为复杂，可靠性低，设计和制造成本较高，逡逑所以该机器未能得到应用。逡逑如图１－４，是日本井关农机株式会社生产的一台有序水稻钵苗移栽机［１６］。该机器具有不逡逑伤秧和栽植精度较高的特点，但其分秧、输送、栽植分别是由三套不同的机构完成，结构复逡逑图１－２钵苗移栽机构逦图１－３日制水稻钵苗有序移栽机逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｅｅｄｌｉｎｇ邋ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｒｉｃｅ邋ｓｅｅｄｌｉｎｇ邋ｏｒｄｅｒｌｙ邋ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ逡逑ｍａｃｈｉｎｅ逡逑１．２．２国内研究情况逡逑１９９０年代以来，我国的科研工作者们也逐渐开始了对水稻钵苗移栽机械的研究，在吸收逡逑国内外先进技术的基础上，中国农业大学、南京农业机械研究所、浙江大学、浙江理工大学、逡逑东北农业大学和黑龙江省八一农垦大学等国内各大高校、科研院所、企事业单位中的许多专逡逑家学者都相继开始了对钵苗育秧技术与移栽技术的研究［１７］，并陆续研制出了一些移栽机器及逡逑模型。其中较为典型的机型如下：逡逑黑龙江八一农垦大学在１９９２年研制出的２ＳＰ－４型水稻抛秧机（｜８１，如图１－４邋（ａ）所示。逡逑该机器是由机械手滚筒机构与纵向、横向进给机构等组成。其核心部件的工作原理为：如图逡逑１－４邋（ｂ）所示，套筒４固定在滚筒６上，随滚筒６旋转，伸缩凸轮５置于滚筒６内，固定不逡逑动，用来控制伸缩杆３的伸缩，伸缩杆３位于套筒４内，其一端伸入滚筒６内与伸缩凸轮５逡逑接触
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S223.9

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