卷盘式喷灌机大传动比行星传动系统优化设计及仿真

发布时间：2020-07-15 15:26

【摘要】：卷盘式喷灌机因为具备性价比高,操作简单,维护方便,喷洒的均匀度高等优点,现已变为我国最具备发展和普及前景的灌溉机械之一。但是,目前国内卷盘式喷灌机主要存在以下问题:传统的水涡轮驱动装置效率低、低工况下动力不足;现有的带传动、齿轮传动和链传动组成的复合传动系统效率低、传动结构冗杂、传动系统关键零部件质量差等问题。采用高效率的直流电机代替水涡轮进行驱动能极大的改善原动机性能,但电机转速远高于水涡轮,整个传动系统所需的传动比非常大,若采用现有的传动系统方案,则会导致传动系统效率低、变速箱体积和质量大等问题。针对上述问题,本文从理论分析、试验验证和仿真分析角度,重新优化设计出了一种JP75型卷盘式喷灌机的高效大传动比的行星齿轮传动系统:(1)创新设计了一种高效大传动比的行星齿轮传动系统。针对由直流电机驱动的卷盘式喷灌机机型,从理论和试验等方面,分析了卷盘负载和直流电机的转矩转速特性;根据直流电机与卷盘负载的匹配情况,以整机的高效性、动力性和经济性为目标,重新设计了一种基于行星齿轮传动的高效大传动比的传动系统,该传动系统中变速箱的第一档和第二档传动比分别为548.40和382.71,大牙盘传动比为19.23。(2)采用了基于行星轮系体积最小和结构紧凑的优化设计方法,并确定了整机在能耗最低情况下的换挡速度。以三级行星轮系的总体体积最小为目标,运用MATLAB遗传算法工具箱对新型传动系统方案中的三级行星轮系中的模数、齿数和齿宽进行了优化,优化后的总体体积较优化前减少了12.9%。在SIMULINK中对整机进行能耗值仿真研究,确定了喷头小车速度的最佳换挡速度为35m/h,此时直流电机的效率恒大于71%。最后对新设计的传动系统进行了试验,试验结果表明新设计的传动系统综合效率比现有的带传动、齿轮传动和链传动组成的复合传动系统效率提高了35%以上,整机的最大驱动功率由原来采用蜗轮蜗杆传动系统的机型的500W降低为300W,验证了行星齿轮传动系统的高效性。(3)通过运动学和动力学仿真验证了行星齿轮传动系统设计的合理性。在UG软件中对JP75型卷盘式喷灌机行星传动系统的关键零部件进行建模和装配。并将三维模型导入到ADAMS软件中对其进行运动学和动力学仿真,仿真结果表明传动系统中各级轮系传动比的仿真误差均低于0.18%,第一档和第二档总传动比的仿真误差分别为0.22%和0.21%,各齿轮转速和传动比的仿真误差均在可接受范围内;各齿轮所受的轴向力为0,所受切向力和轴向力的仿真误差均低于0.26%,仿真值与理论计算值误差很小,验证了行星齿轮传动系统的合理性。(4)利用有限元分析方法预估了传动系统的各齿轮的疲劳寿命。对传动系统各齿轮的稳态啮合进行了研究,分析了在给定的工作状况下它的静力学特征。最后对行星轮系传动系统进行了模态分析,确定了太阳轮的固有频率和模态振型。仿真结果表明,定轴齿轮和行星轮系的所受最大应力分别为40.917Mpa和116.72Mpa,均在材料屈服极限允许的范围内;最大变形量、等效应变均出现在各齿轮的齿根处,且不会影响齿轮正常工作;各级齿轮啮合时的安全因子均大于许用安全因子1.25,所有齿轮疲劳寿命均大于2.47×105h,满足设计要求;太阳轮最低阶的固有频率为47576,远高于直流电机最大转速引起的激励响应频率,在运行期间不会发生共振,满足设计要求。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S277.94
【图文】：

水涡轮,喷灌机,盘式,负载匹配

.3 问题提出综上，传统 JP75 型卷盘式喷灌机水涡轮驱动装置和传动系统特性如图 1.1~1.4 所[29] [31]。6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17流量/m3·h-1n=300 n=400n=500 n=600n=700 n=800n=90005101520效率/%图 1.1 JP75 型卷盘式喷灌机水涡轮驱动装置的效率图Figure 1.1 Efficiency of water turbine driving device for JP75 type coil sprinkler

结构图,传动系统,结构图,水涡轮

图 1.3 现有卷盘式喷灌机的传动系统结构图Fig. 1.3 Drive system structure diagram of current hose reel irrigator1-水涡轮；2，3-V 带轮；4~16-圆柱齿轮；17-链轮；18-大牙盘123456789图 1.4 传统卷盘式喷灌机的动力传动系统Figure 1.4 The power transmission system of the traditional reel sprinkler

示意图,受力分析,卷盘,状态

驱动轴图 2.2 PE 管在卷盘截面上的缠绕示意图Figure 2.2 Diagram of winding of a PE pipe on a reel section为卷盘内径；R 为卷盘外径；R1为 PE 管一层缠绕半径；R2为 PE 管二层缠绕半径；R3为 PE 管三层缠绕半径；R4为 PE 管四层缠绕半径；.2 负载和直流电机特性2.1 负载转矩分析在设计卷盘式喷灌机传动系统时，应该根据它的使用要求和工作状况来进行，因首先应该了解卷它的负载特性。卷盘将 PE 管缠绕到卷盘上需要克服以下作用力：地与 PE 卷管之间的滑动摩擦力、地面与喷头小车之间的滚动摩擦力、提升时所需克服 PE 管和水的重力。此外，若在启动阶段或者加速过程中，则需克服是地面与 PE 管、头小车的最大静摩擦力和惯性力。卷盘式喷灌机在工作时要求匀速喷洒，因此本文要考虑卷盘式喷灌机匀速状态的负载模型如图 2.3 所示[21]。

【参考文献】