基本信息
- 項目名稱：
- 偏心變位齒輪行星系分插機構(gòu)的機理分析和優(yōu)化設(shè)計
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本研究小組從《機械原理》課程中的變位齒輪得到啟發(fā)，通過輪齒變位改變齒厚來消除齒側(cè)間隙，提出一種新的結(jié)構(gòu)更簡單的能夠消除齒輪間隙的傳動機構(gòu)——偏心變位齒輪傳動機構(gòu)，并將其用于旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)中，發(fā)明了一種新的旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)——偏心變位齒輪行星系分插機構(gòu)。該分插機構(gòu)由三個偏心齒輪和兩個偏心變位齒輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)無側(cè)隙嚙合傳動，工作平穩(wěn)。 本項目研究的旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)在繼承了以往分插機構(gòu)的優(yōu)越性能的基礎(chǔ)上，著重從結(jié)構(gòu)和加工工藝上進行改進，使其結(jié)構(gòu)簡單，加工成本降低，促進產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)，具有較好的市場前景。
- 詳細介紹：
- 目前，在市場上銷售的各種高速插秧機(乘坐式插秧機)，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)大多是采用日本的專利。例如，用的較多的是偏心齒輪行星系分插機構(gòu)。偏心齒輪傳動機構(gòu)的不足之處是傳動過程中齒輪間隙會發(fā)生變化，引起振動和轉(zhuǎn)速跳動。日本的偏心齒輪行星系分插機構(gòu)由9個偏心齒輪構(gòu)成，采用兩個窩卷彈簧裝置來消除齒輪間隙，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 偏心變位齒輪行星系分插機構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)式高速插秧機的插秧機構(gòu)，插秧效率高、工作性能可靠、傳動平穩(wěn)。該分插機構(gòu)由三個偏心齒輪和兩個偏心變位齒輪構(gòu)成，其中，太陽輪和行星輪為偏心齒輪，中間輪為偏心變位齒輪。利用偏心齒輪與偏心變位齒輪外嚙合傳動來實現(xiàn)非勻速傳動，選擇合適的偏心量和中心距來形成所要求的非勻速傳動比及轉(zhuǎn)角關(guān)系，可以獲得滿足高速插秧機工作要求的“腰子形”靜軌跡，該機構(gòu)同時適合大小苗插秧要求。 偏心變位齒輪的設(shè)計是本項目的難點之一。偏心變位齒輪傳動包括主動偏心變位齒輪和從動偏心變位齒輪。該偏心變位齒輪傳動與偏心齒輪傳動和變位齒輪傳動都不同，該偏心變位齒輪的各齒都有不同的變位系數(shù)和變位量，在齒輪的形狀特征上表現(xiàn)為該種偏心變位齒輪的每個輪齒齒形不盡相同，其輪齒形狀由一對偏心齒輪傳動時的齒隙量決定，通過選取變位系數(shù)和計算變位量獲得，無需增加消除齒隙的裝置就可以消除一般偏心齒輪傳動時，由于幾何中心距變化而引起齒側(cè)間隙的變化，從而引起機構(gòu)運動誤差、沖擊和振動。偏心變位齒輪傳動可以實現(xiàn)無側(cè)隙的變速傳動。 分插機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是一個復(fù)雜的多目標優(yōu)化問題，各目標之間具有非線性、強耦合性和模糊性，現(xiàn)有的優(yōu)化方法難以解決分插機構(gòu)的目標參數(shù)優(yōu)化問題。因此，本項目的難點之二就是尋求一種新的優(yōu)化方法，解決分插機構(gòu)復(fù)雜的多目標優(yōu)化問題。 基于可視化編程語言VB6.0，開發(fā)了分插機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，解決旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)復(fù)雜的多目標運動學優(yōu)化問題，完成了機構(gòu)的二維和三維設(shè)計；對主要部件進行有限元強度分析，改進了栽植臂殼體的結(jié)構(gòu)和加工工藝，改進了齒輪加工方法，促進分插機構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)；利用ADAMS軟件進行該機構(gòu)的運動學和動力學仿真分析，優(yōu)化分插機構(gòu)的動態(tài)性能，降低分插機構(gòu)工作時的振動；加工了分插機構(gòu)部件和試驗基座，在分插機構(gòu)動力學試驗臺上，測試分插機構(gòu)的運動學和動力學特性，驗證理論分析和設(shè)計結(jié)果。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 發(fā)明目的 目前，我國機械化種植為11%左右，而機械收獲已占46%左右，機械插秧已成為我國水稻生產(chǎn)全程機械化的“瓶頸”問題。在市場上銷售的各種高速插秧機(乘坐式插秧機)，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)大多采用日本的專利。例如，用的較多的是偏心齒輪行星系分插機構(gòu)。這種機構(gòu)由于齒隙變化引起振動，需增加防振裝置，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。為了實現(xiàn)高速插秧機的國產(chǎn)化，必須發(fā)明一種新的結(jié)構(gòu)更簡單的旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)。 基本思路 對現(xiàn)有的高速插秧機分插機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和插秧軌跡形成原理進行分析，將農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合，對分插機構(gòu)進行機構(gòu)創(chuàng)新，通過理論分析，采用變位原理，對偏心圓齒輪進行變位，設(shè)計出無側(cè)隙變速傳動的分插機構(gòu)。建立運動學數(shù)學模型，進行機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，最后研制樣機并進行試驗驗證。 創(chuàng)新點 1）發(fā)明了一種新的結(jié)構(gòu)更簡單的旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)； 2）分插機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件的開發(fā)與虛擬試驗； 3）分插機構(gòu)零部件加工工藝的改進。 技術(shù)關(guān)鍵 1）偏心變位齒輪的設(shè)計； 2）解決分插機構(gòu)復(fù)雜的多目標優(yōu)化問題。 主要技術(shù)指標 作業(yè)行數(shù) 6行；行距 30cm；株距 12、14，16、18，18、21cm；插秧速度 0.3—1.6米/秒；工作效率 25株/s；插秧深度 12—45mm；整機重量 500kg左右；操作人員 1人。
科學性、先進性
- 幾種常見的高速插秧機分插機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與特性比較如下： 1）偏心齒輪行星系分插機構(gòu)（日本），由9個偏心齒輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需增加消除齒輪間隙的裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有齒側(cè)間隙，傳動不平穩(wěn)； 2）圓柱齒橢圓齒行星系分插機構(gòu)（國內(nèi)），由3個橢圓齒輪和4個圓齒輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無齒側(cè)間隙，傳動平穩(wěn)； 3）偏心變位齒輪行星系分插機構(gòu)（本研究小組設(shè)計），由3個偏心圓齒輪和2個偏心變位齒輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，無齒側(cè)間隙，傳動平穩(wěn)。 通過比較可以得到，與日本的偏心齒輪行星系分插機構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡單，可以實現(xiàn)無齒側(cè)間隙傳動，工作平穩(wěn)；與國內(nèi)的圓柱齒橢圓齒行星系分插機構(gòu)相比，盡管都能實現(xiàn)無齒側(cè)間隙傳動，傳動平穩(wěn)，但偏心變位齒輪行星系分插機構(gòu)的結(jié)構(gòu)更簡單。此外，本作品從結(jié)構(gòu)和加工工藝上進行改進，降低了加工成本，具有較好的市場前景。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年6月在浙江師范大學舉行的第十一屆“挑戰(zhàn)杯”浙江省大學生課外學術(shù)科技作品競賽中獲得特等獎。
作品所處階段
- 本作品已完成實物的加工和試驗臺上的試驗，并成功安裝于高速插秧機上。將于6月底進行田間插秧試驗。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓或部件銷售
作品可展示的形式
- 作品以田間插秧試驗錄像和實物形式進行現(xiàn)場演示。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 乘座式高速水稻插秧機是目前最先進的插秧機械,工作效率高，適合于大田塊作業(yè)。目前，在市場上銷售的各種高速插秧機(乘坐式插秧機)，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)大多采用日本的專利，進口機型每臺成本較高，約為10萬元/臺，國產(chǎn)機型約為6萬元/臺。 本研究小組研制的偏心變位齒輪行星系分插機構(gòu)適用于高速水稻插秧機，是一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分插機構(gòu)。具有振動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、造價低（參考國內(nèi)外同類技術(shù)與產(chǎn)品的生產(chǎn)分析）等特點。例如，該分插機構(gòu)只有五個齒輪，減少了齒輪數(shù)，降低了模具加工成本；栽植臂殼體的加工工藝改進后，能完成一次性壓鑄，減少了加工工序，模具加工成本由原來的6-7萬元降為3萬多元，大大降低加工成本。 由于發(fā)明專利的獨家轉(zhuǎn)讓會給其它企業(yè)的推廣帶來困難，故將采用部件銷售的方式推廣分插機構(gòu)。這樣即可減少企業(yè)的一次性投入，又可面向多家企業(yè)，使分插機構(gòu)具有更好的推廣前景。 本項目的研究將加快水稻種植機械化的研究步伐，促進我國農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外對高速旋轉(zhuǎn)分插機構(gòu)的研究已有幾十年的歷史，不斷的有新的分插機構(gòu)出現(xiàn)，分插機構(gòu)也在不斷的改進，結(jié)構(gòu)更簡單，工作更穩(wěn)定，性能更完善。 高速插秧機的研究始于日本，在上個世紀80年代開始進行插秧機核心部件——分插機構(gòu)的創(chuàng)新性研究，發(fā)明了旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)，應(yīng)用在乘坐式插秧機上。 目前，在市場上銷售的各種高速插秧機(乘坐式插秧機)，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)都是采用日本的專利，用的較多的是偏心齒輪行星系分插機構(gòu)。偏心齒輪傳動機構(gòu)的不足之處是傳動過程中齒輪間隙會發(fā)生變化，引起振動和沖擊。日本的偏心齒輪行星系分插機構(gòu)由9個偏心齒輪構(gòu)成，其中太陽輪為一個較厚的偏心齒輪，中間輪與行星輪分別由兩個偏心齒輪疊加而成。行星輪的兩個偏心齒輪上分別固定了銷，利用窩卷彈簧的彈力擠壓銷，使偏心齒輪發(fā)生錯位，分別與它們嚙合的偏心齒輪也發(fā)生錯位。發(fā)生錯位的偏心齒輪以相反的方向作用于太陽輪上，這樣保證偏心齒輪齒面都能與太陽輪緊貼在一起，起到消除齒隙的作用。因此，日本采用兩個窩卷彈簧裝置來消除齒輪間隙的變化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動不平穩(wěn)。 國內(nèi)較具有實用性的有正齒行星輪系分插機構(gòu)、橢圓差速分插機構(gòu)和圓柱齒橢圓齒行星系分插機構(gòu)。其中正齒行星輪式分插機構(gòu)由4個全等正圓齒輪和3個全等橢圓齒輪組成，3個橢圓齒輪的回轉(zhuǎn)中心均在橢圓齒輪的焦點上，且初始相位相同。能實現(xiàn)無齒側(cè)間隙傳動，傳動平穩(wěn)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。橢圓差速分插機構(gòu)只有由3個全等的橢圓齒輪，齒輪數(shù)少，但其動力輸入裝置復(fù)雜，需要2個輸入,并要保證太陽輪與行星架的轉(zhuǎn)速比為2:1。圓柱齒橢圓齒行星系分插機構(gòu)其傳動部分由3個全等的橢圓齒輪和兩端各2個全等的圓齒輪組成，3個橢圓齒輪轉(zhuǎn)動中心的連線與2個圓齒輪轉(zhuǎn)動中心的連線不在同一條線上，可以實現(xiàn)無齒側(cè)間隙傳動，傳動平穩(wěn)，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
