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。     

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。     

傅立叶节曲线非圆齿轮系分插机构运动学分析

为了提高插秧机作业质量,减少作业中产生的“推秧”、“漂秧”、“倒秧”以及“搭桥”等现象,该文提出了一种新型傅立叶节曲线非圆齿轮系旋转式分插机构。建立其运动学模型,借助计算机分析与优化软件,分析了该分插机构的运动学规律和该分插机构的变量参数对秧爪运动轨迹和插秧效果的影响。从该分插机构的运动仿真结果得出,运动轨迹呈“腰子形”,取秧角、插秧角、轨迹高度、插秧穴口等均满足插秧要求,同时该分插机构具有节曲线形状变化灵活、传动比变化范围大等特点。     

偏心齿轮行星系水稻分插机构的分析研究

为研制高速插秧机，研究证明了偏心齿轮行星系传动的３个重要性质，用解析方法建立了偏心齿轮行星系分插机构的运动学模型，对该机构进行了位移、速度和角速度分析，并求出了各结构参数变化而引起的分插机构秧爪的相对运动速度和绝对运动轨迹的变化，为采用偏心齿轮行星系分插机构的高速插秧机的设计提供了理论依据。     

转动副间隙对曲柄摇杆式分插机构性能的影响分析与试验

为了研究转动副间隙对曲柄摇杆式分插机构的影响,该文基于动力学理论及Lankarani-Nikravesh接触力模型,建立了含转动副间隙的曲柄摇杆式分插机构的动力学模型,并通过四阶龙格库塔法求解动力学模型。通过MATLAB仿真分析了转动副间隙对秧针尖的轨迹、速度、加速度和取秧位置的影响以及不同间隙大小和不同转动副含间隙对秧针尖加速度的影响。仿真分析结果表明,转动副间隙对秧针尖轨迹、速度和取秧位置的影响较小,对加速度的影响较大;随着转动副间隙的增大,分插机构取秧位置的偏离会增大,秧针尖的加速度的幅值和波动幅度会增大;在分析的3个转动副中,曲柄与连杆之间的转动副含间隙对秧针尖加速度的影响最大。通过试验与仿真对比得到基于Lankarani-Nikravesh接触力模型比基于连续接触模型更适用于含转动副间隙机构的分析。试验结果验证了基于Lankarani-Nikravesh接触力模型的仿真分析的正确性。研究结果为分插机构的结构优化设计和精度分配提供了参考。     

基于共轭凸轮的强制推秧机构反求设计

针对传统推秧机构存在的推秧结束时间提前或滞后问题,提出了基于共轭凸轮的强制推秧新型机构。该新型推秧机构由共轭凸轮实现推秧杆的推出和缩回。根据椭圆齿轮行星系驱动机构及插秧农艺要求构造了推秧杆的运动学曲线,建立了该推秧机构反求模型,并基于Visual Basic 6.0编写了该推秧机构的反求设计及仿真软件,反求得到一组满足农艺要求的较优参数,包括机构参数和凸轮廓线。主副凸轮最大压力角都小于许用压力角,表明该新型机构能很好地满足推秧机构效率和受力要求。     

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。     

双控制分插机构的运动特性和优化分析

叙述了一种高速插秧机分插机构——双控制分插机构的结构原理，其传动由曲柄摇杆机构和行星齿轮系组成，完成插秧所需的运动轨迹。同时建立了机构的运动学模型，利用VB平台优化结构参数，使其可适应南方早稻和北方小苗插秧，所研制的分插机构的工作轨迹、取秧角和插秧角与理论分析和优化的结果完全一致。     

基于运动学目标函数的插秧机分插机构参数优化

分插机构优化属于多目标、多参数优化问题。该文为了简化与加快参数优化的过程,提高分插机构的优化效率,在原来"试凑法"的基础上,提出了基于现代目标函数的参数优化方法,即在数学建模的基础上,对分插机构的运动学约束条件进行数字化设计与分析,建立了11个运动学目标函数,求解出目标函数的取值范围分别为:Y1-2 mm,Y290 mm,|Y3|4 mm,40 mmY480 mm,55°Y560°,Y6260 mm,Y730 mm,-10°Y820°,65°Y980°,Y102.5,Y1120 mm。在分插机构辅助分析设计平台中,给定初始参数:椭圆齿轮长半轴a=16.65 mm,椭圆短轴与长轴之比k=0.98,栽植臂相对行星架初始安装角α0=-100°,行星架的初始安装角φ0=24°,行星架拐角δ0=7°,秧针尖点与行星轮转动中心的距离S=176 mm,株距H=150 mm,中心轴的角速度W=200 rad/s。利用目标函数的取值要求进行机构参数优化,得到了满足插秧要求的机构参数:a=22.65 mm,k=0.987,α0=-52°,φ0=27°,δ0=16°,S=181 mm,H=130 mm,W=200 rad/s。经比较分析验证本方法可有效提高分插机构参数优化精度与效率,对其他农业机械参数优化问题具有一定的借鉴意义。     

偏心齿轮-非圆齿轮行星轮系在后插旋转式分插机构中的应用

针对步行式水稻插秧机的工作要求,将偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系应用于水稻插秧机后插式分插机构的设计中,研制出偏心齿轮-非圆齿轮后插旋转式分插机构。分析了偏心齿轮—非圆齿轮行星轮系的运动学特性,建立运动学模型,并自主开发了分插机构辅助分析与优化软件,通过人机交互优化方式对该分插机构进行参数优化,完成了该分插机构的二维和三维设计,并进行了虚拟样机试验,试验结果表明：该分插机构可以形成“海豚形”插秧静轨迹,满足步行式水稻插秧机的工作要求。     

同步膜上开孔插秧装置运动学仿真与参数优化试验

为解决秸秆基纤维地膜敷设后直接插秧造成的秧苗根系损伤的问题,设计了一种同步膜上开孔插秧装置,并对装置进行运动学仿真分析及试验研究。根据秧针尖点与纵向开孔刀尖点轨迹方程,通过数学模型推导计算,从理论上分析装置设计的可行性,应用ADAMS进行了运动仿真,得到秧针及纵向开口刀关键点的运动轨迹,应用三因素三水平虚拟正交试验方法,以分插机构旋转速度、纵向开孔刀长度、纵向开孔刀与秧针夹角为影响因子,以膜孔长度、膜孔与秧针偏差为响应函数,对纵向开孔刀的结构参数进行优化试验研究及试验台验证。结果表明:当作业速度≤1.4 m/s,在120、140和160 mm 3种株距条件下,纵向开孔刀长为65 mm、纵向开孔刀与秧针夹角为0°时,所开膜孔长度为31.8~42 mm,膜孔与穴口偏差0.21~0.78 mm,膜孔合格率达92%以上。研究结果为水稻秸秆基纤维地膜敷设插秧机同步膜上开孔装置的设计提供了参考。     

双平行多杆栽植机构运动学分析与试验

为提高幼苗移栽质量,设计了1套双平行多杆栽植机构。为了分析和优化该机构的结构参数,建立了该机构的数学模型和运动学方程,并基于Matlab-gui编写了人机交互式程序界面。结合移栽农艺要求,建立了栽植机构运动轨迹与幼苗移栽直立度合格率的关系模型。根据仿真结果,优选了1组机构杆件长度、安装位置和初始角度等参数,并根据该参数设计和制造了幼苗移栽机样机。样机路面静轨迹和动轨迹的高速摄像试验表明,样机实际运动规律符合仿真设计要求,证明了机构设计、数学模型、软件程序和关系模型准确无误;田间试验时接苗准确率和直立度合格率均达100%,试验结果表明双平行多杆栽植机构符合幼苗作物移栽要求,同时也证明了Matlab-gui的人机交互优化方法在多杆式移栽机构分析中准确可行。该研究形成的多杆式移栽机构的运动规律对提高机械化作物幼苗移栽质量具有一定的指导意义。     

非圆齿轮-连杆组合传动式蔬菜钵苗移栽机构设计

针对现有的单行星架轮系机构无法实现取栽一体式蔬菜移栽机构所需的作业轨迹和姿态问题,该文基于曲柄摇杆机构的变速摆动和非圆齿轮的不等速传动特性相结合的思想,提出一种双行星架非圆齿轮与连杆机构组合传动的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构。该机构的副行星架相对主行星架作变速摆动,移栽臂相对副行星架作回转运动。采用三次非均匀B样条拟合非圆齿轮节曲线建立移栽机构运动学模型。结合西芹移栽株距220 mm、苗高100～150 mm和穴钵深度40 mm的移栽农艺要求,优选出一组适合西芹钵苗取栽一体作业的尖嘴形轨迹和姿态。轨迹取苗段长度33 mm,植苗点距离行星架壳体运动最低点距地面高度55 mm,取苗角23°,取苗过程变化角16°,推苗角65°,轨迹整体高度355 mm,动轨迹环口高度125 mm。通过对比分析仿真轨迹、试验轨迹与理论分析的轨迹基本一致,验证了移栽机构作业轨迹的正确性和设计方案的可行性,该研究可为实现兼顾轨迹高度、取苗深度和作业姿态的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构设计提供技术参考。     

钵苗移栽机椭圆齿轮行星系植苗机构运动学建模与分析

为了分析该文提出的钵苗移栽机椭圆齿轮行星系植苗机构的作业性能,建立了该机构的运动学模型,推导了栽植嘴的(角)位移、(角)速度和(角)加速度方程。在此基础上,采用Visual Basic 6.0编写了该机构的运动学仿真与优化软件,并利用该软件分析几个主要参数对该机构作业性能的影响,这些主要参数包括椭圆齿轮长半轴、椭圆齿轮短长轴之比、行星架初始安装角和株距,作业性能包括穴口大小、栽植嘴的轨迹姿态及其直立性和机构作业的稳定性等。由参数影响分析结果,得到一组较优的机构参数,其对应的栽植嘴轨迹和姿态等作业性能满足蔬菜钵苗移栽农艺要求,且与往复式的植苗机构相比具有较小的速度和加速度波动。     

蔬菜移栽机斜插夹钵式取投苗装置研制

针对目前中国蔬菜穴盘苗全自动移栽作业,取投苗装置复杂、易失败等问题,该文设计了一种斜插夹钵式取投苗装置。通过对取投苗装置原理的分析,运用投影法对装置进行设计,确定了装置各结构参数。为保证装置具有良好的取投苗效果,对苗盘倾斜角度及苗夹入穴参数进行了设计,同时分析其运动过程,对比仿真轨迹曲线和试验实际轨迹曲线,验证了方案的可行性。综合考虑影响取投苗效果的因素,以取投苗成功率作为取投苗效果评价指标,选取弹簧刚度系数、主动杆转速、苗盘倾斜角度为试验因素,进行正交试验。试验结果表明:在给定因素水平下,当弹簧刚度系数为500 N/m,主动杆转速为12 r/min,苗盘倾斜角度为45°时,取投苗效果最佳,此时基质破碎率为3.13%,钵苗脱落率为2.43%,取投苗成功率为94.44%,装置的可靠性较高。研究结果可为全自动化移栽研究提供参考。     

基于苗钵力学特性的自动移栽机执行机构参数优化试验

为有效减少加工番茄机械化移栽过程钵苗基质的损伤，提高移栽机取苗、植苗成功率，该文构建了移栽过程中取苗、植苗阶段加工番茄钵体的力学模型，结合钵体的抗压力学特性试验，研究移栽过程中造成钵苗基质破损、影响取苗、植苗成功率的因素，通过试验分析适合机械化移栽的钵体和移栽机执行机构的相关参数。参数组合重复性验证试验表明：钵体基质配比（珍珠岩：砾石：泥炭）为1∶1∶2，钵体绝对含水率为72%，取苗夹片插入穴孔深度为35 mm，取苗夹片对钵体的夹持角度为14°，投苗点与接苗碰撞点高度为90 mm，鸭嘴锥度为38°时，移栽成功率满足加工番茄穴盘苗机械移栽要求。该研究为机械化移栽的加工番茄钵苗培育农艺及移栽机参数优化设计提供了参考。