非圆锥齿轮球面齿廓数值计算方法

非圆锥齿轮传动是宽窄行分插机构实现空间插秧轨迹的重要组成部分,而满足不同机型的宽窄行分插机构需要设计不同参数的非圆锥齿轮。针对目前设计不同非圆锥齿轮需建立不同齿廓计算模型的问题,该文开展了基于样条曲线拟合封闭球面曲线的非圆锥齿轮大端齿廓数值计算方法研究,利用三次Nurbs曲线拟合方法建立了球面节曲线的统一表达式;根据齿形法线法和球面三角形性质建立了大端齿廓和齿根过渡曲线的数值计算模型,编写了基于Matlab的非圆锥齿轮大端齿廓计算程序;以一种步行式宽窄行分插机构的传动齿轮为例,当节点数取720时,齿槽齿厚差值可达到0.0037 mm,可以满足加工要求;并在ADAMS软件中采用齿间加载接触力的方式得到了与理论计算结果相吻合的齿轮传动比,验证了该齿廓计算方法的正确性,从而实现了非圆锥齿轮的通用化设计,为行星轮系式的宽窄行分插机构、取苗机构、植苗机构等种植机械关键部件实现期望运动轨迹提供技术支持。     

整体结构式弧齿锥齿轮铣齿机虚拟加工

弧齿锥齿轮铣齿机结构和加工原理复杂,是复杂制造装备的典型代表,因此,提高中国弧齿锥齿轮铣齿机的制造水平具有重要意义。通过分析弧齿锥齿轮加工原理和凤凰Ⅱ型弧齿锥齿轮铣齿机结构及运动关系,推导了整体结构式弧齿锥齿轮铣齿机各轴运动参数的计算方法,利用VERICUT三维仿真加工软件平台,建立了整体结构式弧齿锥齿轮铣齿机虚拟加工模型,并对一对给定几何参数的弧齿锥齿轮进行了虚拟加工。仿真结果表明,机床各运动模块与切齿刀盘在虚拟加工过程中没有出现干涉等设计缺陷,虚拟加工结果满足弧齿锥齿轮铣齿机功能性验证要求。弧齿锥齿轮铣齿机仿真加工可以为弧齿锥齿轮铣齿机设计提供参考依据。     

基于网络集成的弧齿锥齿轮数字化闭环制造技术

为突破弧齿锥齿轮数字化闭环制造过程信息继承性与集成性低的局限,实现弧齿锥齿轮齿面数字化闭环过程的集成运行和齿面制造信息的集成管理,该文提出了一种弧齿锥齿轮的网络化闭环制造模型,建立了网络化闭环制造的运行机制,采用基于TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol,传输控制/网络通讯协定)的分布式集成控制模式构建网络化闭环制造模型的通信网络,利用Web服务应用集成方法建立闭环制造过程信息集成机制,并通过设计开发闭环制造集成系统实现网络化闭环制造信息的集成统一管理。应用结果表明:该模型及其实现技术可行实用,实现了齿面制造过程的数字化和集成化运行,使齿轮副的齿面精度和啮合性能都得到明显提高。以该文的准双曲面齿轮副滚动检测试验为例,辐射噪声降低约7%,振动加速度幅值降低约15%。该研究为弧齿锥齿轮的网络化和集成化制造提供参考。     

基于球面曲线的空间非匀速行星轮系分插机构逆向设计

针对目前非圆锥齿轮行星系分插机构运动轨迹、姿态设计中存在的对机构参数选择和参数对设计目标影响的不确定性问题,提出一种基于球面曲线的空间行星轮系机构逆向设计方法。在利用样条曲线描述光滑、连续、封闭理想平面插秧轨迹的基础上,采用保测地曲率投影方式将平面轨迹映射到给定球面获得目标球面轨迹;由二杆三自由度空间开式机构复演球面轨迹,并根据杆件的空间几何关系建立行星轮系机构的总传动比反求模型;通过在杆件上依附非圆锥齿轮、非圆齿轮,实现基于给定运动要求的各级传动比分配和齿轮节曲线再现;利用Matlab编写反求程序,并在高速水稻宽窄行分插机构的设计中,实现非圆齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构的参数反求。最后,通过设计并加工机构实物进行台架试验,由高速摄像技术测试并得到了与给定球面轨迹一致的插秧轨迹,验证了方法的可行性,为宽窄行分插机构设计提供了新的方法。     

采用遗传算法计入摩擦力作用的标准斜齿轮传动模糊可靠优化

传统的齿轮强度理论不考虑齿间摩擦的影响。针对这一观点，该文以渐开线斜齿圆柱齿轮传动的小齿轮齿数、法面模数、螺旋角、齿宽系数为设计变量，以两齿轮的体积之和为最小目标函数，通过应用模糊设计理论和可靠性设计理论，建立摩擦力作用下标准斜齿圆柱齿轮传动的模糊可靠性优化设计的数学模型，并采用遗传算法对其进行优化。研究表明，效果很好。     

面向弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息集成管理系统

为了更有效地支持弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息交互与集成运行,实现整个网络化制造过程信息数据的集成化管理与控制。该文结合弧齿锥齿轮生产制造过程特点,从信息集成与网络化管理层面,提出了一种面向弧齿锥齿轮网络化制造过程的信息集成管理系统体系结构,建立了弧齿锥齿轮网络化制造的集成运行模式,构建了制造过程信息描述与集成框架和信息集成管理系统的功能模型,开发了信息集成管理系统的原型系统,实现了弧齿锥齿轮网络化制造过程信息的集成统一管理。实际应用结果表明:该文提出的面向弧齿锥齿轮网络化制造过程信息集成管理系统体系架构和实现方法可行实用,可有效提高整个弧齿锥齿轮网络化制造过程的运行和管理效率。以该文企业应用试验的弧齿锥齿轮网络化制造过程为例,相对于该企业传统分散式的生产制造和信息管理模式,生产率提高了约8%,管理效率提高了25%左右,生产成本降低了3%以上。该研究可为开展弧齿锥齿轮网络化制造模式的深入研究和应用实施提供参考。     

斜齿交错-非圆锥齿轮行星系水稻宽窄行分插机构设计与优化

为获取一般性的空间行星轮系传动比,以达到直取秧和小穴口的插秧要求,在斜齿交错椭圆锥行星轮系分插机构的基础上,引入非圆锥齿轮,得到一种斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构,并应用于高速宽窄行插秧机当中。建立了非圆锥齿轮副节曲线的数学表达式和机构的运动学模型;基于Matlab开发平台开发了机构参数优化软件,利用该软件分析了节曲线形状、行星架初始安装角、斜齿轮螺旋角和非圆锥齿轮锥距对理想轨迹姿态、直取秧特征和穴口大小的影响,并以理想轨迹姿态、直取秧、小穴口等要求为目标,通过人机交互方式优选机构参数;与斜齿交错-椭圆锥行星轮系分插机构形成的总传动比及其轨迹进行对比,并得出了斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构轨迹在改进直取秧姿态、降低伤苗率等方面作业性能更优的结论。利用仿真软件Adams进行了机构的运动学仿真,加工分插机构实物,利用通用分插机构试验台完成机构插秧轨迹测试,得出斜齿交错-非圆锥行星轮系分插机构可以更好的满足水稻宽窄行插秧的要求,从而验证了非圆锥齿轮在宽窄行分插机构中应用的优越性。     

端曲面齿轮-连杆复合机构的特性分析与应用

为研究异形齿轮及其与其他机构复合之后的运动特性,以典型异形齿轮—端曲面齿轮副为例进行研究,根据其相交轴间变传动比的特点结合连杆机构,提出了一种可同时实现预期运动轨迹和运动速度的运动形式,端曲面齿轮—连杆复合运动机构。建立了复合运动机构的传动坐标系,以坐标变换为基础推导了复合机构运动方程,通过矩阵实验软件(matrixlaboratory,MATLAB)分析了复合运动机构的位移、速度和加速度的影响因子及其变化规律。并基于复合机构的传动特性,设计了一种饲草压捆机捆压机构;采用Solidworks和机械系统动力学自动分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems,ADAMS)进行仿真加工,构建了该机构的仿真模型并进行运动仿真分析,同时加工了齿轮副部分进行试验,将试验结果与MATLAB的理论结果、ADAMS的仿真结果对比,得到的位移误差为0、速度误差为3.4%、加速度误差为3.6%,验证了理论分析的正确性,该研究在齿轮机构与连杆机构的复合运动、机构简化方面具有指导意义。     

基于D-H变换矩阵的宽窄行分插机构运动特性分析与设计

为满足水稻插秧机宽窄行插秧的需要,以高速插秧机的行星系分插机构为研究基础,根据宽窄行空间插秧轨迹的要求,提出了一种斜齿椭圆齿轮交错啮合传动的行星轮系分插机构。确定了分插机构空间插秧轨迹的关键参数,利用D-H变换矩阵建立了机构的轨迹模型,分析了关键参数对插秧轨迹的影响,并进行了机构的运动特性研究。利用编写的机构优化程序,通过人机交互的方式优化出一组满足空间插秧要求的机构参数,并根据参数完成了机构的设计。最后,通过虚拟仿真验证斜齿椭圆齿轮交错啮合传动的分插机构可以满足水稻宽窄行插秧的要求。     

涂层强化齿轮传动抗胶合机理分析与试验

为提高农机装备传动齿轮于润滑条件恶劣、变速、重载工况下的抗胶合承载性能，该研究将表面涂层强化技术应用于啮合齿面。首先，基于齿轮啮合原理、摩擦学、热力学等理论，建立涂层与齿轮接触特性、胶合承载能力关系数学模型，分析不同膜基弹性模量比下系统应力场的分布特点，阐明齿面摩擦系数对油膜厚度、瞬时接触温度的影响规律，为择取齿面抗胶合涂层提供理论参考。由此进一步对标准钢球表面分别沉积含钨ta-C和a-C:H碳膜，通过四球法评价涂层材料摩擦学性能，并在FZG（Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme）传动试验台上对两种涂层齿轮进行耐胶合试验。结果表明：与无涂层齿轮相比，碳膜摩擦副跑合性更好，其中a-C:H涂层的sp² C-C键含量高于ta-C，具有更低的摩擦系数（0.055～0.058）；ta-C涂层齿轮抗胶合承载能力提高了2个FZG载荷级，a-C:H涂层齿轮至少提升了4个载荷级；ta-C齿面展现为涂层剥落后的磨粒磨损和黏着磨损；且无涂层齿面与ta-C齿面均显示出热胶合与微点蚀损伤竞争性关系，并兼存齿面塑性变形；而a-C:H涂层主要表现为常规性疲劳磨损，在齿轮上适用性较佳。研究结果可为涂层强化技术在高性能农机装备齿轮乃至服役工况苛刻的其他传动系统应用奠定基础。     

基于无函数表达节曲线的非圆齿轮分插机构设计与试验

针对行星轮系分插机构的非圆齿轮节曲线形状复杂、反求时难以用函数对非圆齿轮节曲线拟合的问题,把非圆齿轮的节曲线用数值点形式表示,提出了无函数表达非圆齿轮节曲线的设计方法。应用数值分析方法,对分插机构的秧针进行运动学分析;编写了人机交互设计和优化软件,研究设计变量对秧针运动轨迹和运动姿态的影响,对反求得到的无函数表达节曲线的非圆齿轮系进行检验和修正,完成了对行星架初始安装角等分插机构参数的优化。结果显示:非圆齿轮中心距为40.7 mm,齿轮齿数为19,行星架初始安装角为35°,栽植臂初始安装角为42°,秧针长度为142 mm,取秧角为12°,推秧角为75°为满足农业要求的分插机构的结构参数。秧针相对运动轨迹的高速摄影分析和田间插秧试验说明,求得的旋转式分插机构能够很好地满足插秧要求。该研究结果为高速插秧机核心工作部件的研发提供参考。     

自适应最大相关峭度反褶积方法诊断齿轮轴承复合故障

为了解决传统最大相关峭度反褶积(maximum correlated kurtosis deconvolution,MCKD)在故障诊断中容易出现因参数选择不当而影响诊断效果的问题,该文提出了一种基于量子遗传算法(quantum genetic algorithm,QGA)的自适应最大相关峭度反褶积方法(maximum correlated kurtosis deconvolution with quantum genetic algorithm,QMCKD)用于齿轮和轴承复合故障诊断。通过量子遗传算法自适应选择最大相关峭度反褶积的2个关键参数滤波器长度(L)和反褶积周期(T)。使用QMCKD处理原始振动信号,提取复合故障信号中的所有单个故障信号,分别对单个故障信号进行频谱分析从而识别故障特征。在对齿面磨损-滚动轴承外圈损伤复合故障诊断中,QMCKD能够识别齿轮故障频率及其2~4倍频,识别轴承故障频率及其2~6倍频,且主要频率成分周围干扰谱线很少,故障类型容易识别。与直接频谱分析和变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)相比,该方法在诊断效果上具有优越性。在对齿根裂纹-轴承滚动体损伤复合故障诊断中,QMCKD能够突出齿轮故障频率及其2~5倍频,突出轴承故障频率及其2~8倍频,齿轮和轴承故障特征明显,验证了方法的稳定性。试验结果表明QMCKD能够有效识别复合故障中齿轮和轴承的故障特征,可用于齿轮箱的齿轮、轴承复合故障诊断。     

差速水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构设计

针对水稻钵苗宽窄行Z字形移栽农艺要求,提出了一种差速式水稻钵苗Z字形宽窄行移栽机构,利用差速轮系的不等速传动和空间传动,以空间轨迹实现水稻钵苗Z字形宽窄行移栽.将非均匀B样条曲线理论应用于非圆齿轮节曲线的拟合,并采用坐标变换方法建立了机构齿轮箱轮系的数学模型.将水稻钵苗Z字形宽窄行移栽的轨迹和姿态要求参数化为9个具体的运动学优化目标,编写了基于机构数学模型的可视化参数优化界面,利用该软件界面分析了传动箱非圆齿轮节曲线和齿轮箱非圆齿轮节曲线对轨迹形状的影响,以及斜齿轮螺旋角和取秧夹片长度与轨迹偏移量的关系.通过优化得到取秧段偏移量为3.9mm,取秧段轨迹有效长度为45.6mm,移栽机构离地高度为32.6mm,夹片离从动非圆齿轮牙嵌轴距离6.7mm的大环扣式移栽轨迹.完成了移栽机构的虚拟仿真与样机试制,利用自制试验台架、工业相机和图像处理软件对机构移栽臂运动轨迹和姿态进了分析,结果与理论数据吻合,验证了移栽机构方案的可行性和结构的合理性.