水稻插秧机的机械原理课程设计 精品.docx
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水稻插秧机的机械原理课程设计
1．水稻插秧机设计要求
水稻插秧机是用于栽植水稻秧苗的机具。
结构简单、体积小，使用寿命长。
它主要包括送秧机构、传动机构、分插机构、机架和船体等组成。
本设计主要完成分插机构和送秧机构的设计。
设计要求：
1）水稻插秧机应包括连杆机构、凸轮机构等常用机构。
2）插秧频率120次/min。
3）插秧深度10~25mm之间。
4）发动机功率2.42kw，转速2600r/min,传动机构始末传动比i=26。
5）对移箱机构（送秧机构）的设计要求：
a.每次移箱距离应与秧爪每次取秧宽度相配合，要求保证取秧准确、均匀。
b.移箱的时间应与秧爪的运动相配合。
c.传动平稳，结构简单，加工方便，必须使用可靠、耐久。
2.工作原理及其动作分解
分插机构是水稻插秧机的主要工作部件，由取秧器（栽植臂和秧爪），驱动机构和轨迹控制机构组成。
取秧器在驱动机构的驱动和轨迹控制机构的控制下，按照一定的轨迹从秧箱中分取一定数量的秧苗并将其插入土中，然后返回原始位置，开始下一次循环动作。
秧爪在栽植臂的带动下完成取秧和插秧工作，图1中虚线给出秧爪的静轨迹图，h为插秧深度。
图1
送秧机构的作用是按时、定量地把秧苗送到秧门处，使秧爪每次获得需要的秧苗。
按照送秧方向的不同，送秧机构分为纵向送秧机构和横向送秧机构。
横向送秧机构，其送秧方向同机器行进方向垂直，采用的是移动秧箱法。
因此，又称移箱机构。
本设计采用横向送秧箱机构。
工艺动作分解：
1）秧爪按照特定静轨迹（如图1所示）做往复运动。
2）秧箱做横向直线往复运动。
（在秧爪取秧过程中，秧箱需保持连续不断的匀速运动；在移至两端极限位置后，秧箱自动换向。
）
3．分插机构，送秧机构运动方案设计及确定
1）分插机构的设计方案
方案甲：
评价：
采用曲柄摇杆机构，主动件为曲柄，使秧爪按照特定轨迹运动。
此机构设计简单，传动准确，快速。
方案乙：
评价：
本机构采用连杆机构，利用油缸作为主动件，来实现秧爪的特定轨迹运动。
此机构设计简单，但是需要额外的液压油路。
结论：
方案甲结构简单，制造方便，符合设计要求，故分插机构选用方案甲。
2）送秧机构的方案设计
方案A：
评价：
采用凸轮机构，通过凸轮的回转运动，实现从动件（秧箱）的横向直线往复运动。
本机构结构简单，传力小，传动准确，运动灵活。
但凸轮廓线的设计较复杂。
方案B：
评价：
此系统以电动机为驱动元件，通过PLC控制系统，来控制齿轮的转动，从而影响齿条的运动，使齿条进行直线往复运动。
此机构设计简单，传动平稳，效率高，传动比准确，可靠。
但此方案需要PLC控制设备，成本较高。
结论：
方案A采用凸轮机构，结构简单，传动平稳，成本较低，故送秧机构选择方案A。
3）方案设计的确定
综上所述，考虑到插秧机的设计要求（水稻插秧机应包括连杆机构、凸轮机构等常用机构，送秧机构传动平稳，结构简单，加工方便，必须使用可靠、耐久。
）以及自身所学知识，本设计的分插机构选择方案甲，送秧机构选择方案A。
如图：
运动仿真图：
4．机构尺寸的设计
1）送秧机构
在设计要求中，电动机的转速为2600r／min。
由于传动机构始末传动比i=26，
故皮带轮与齿轮1的转速为100r／min。
在设计要求中，
插秧频率为120次/min，
故齿轮2的转速为120r／min，
即齿轮1与齿轮2的传动比为5:
6。
两齿轮的设计如下：
名称
齿轮1
齿轮2
模数m
3
齿数
36
30
分度圆直径d
108
90
齿顶高ha
6
6
齿根高hf
7.5
7.5
基圆直径db
100
84
传动比i
5：
6
啮合角α
22.19°
22.19°
齿轮1与齿轮2之间的中心距为99mm。
齿轮传动如图：
连杆机构：
杆AB为曲柄，杆CD为摇杆，BE与连杆BC固结。
本设计的要求中，点E的轨迹如图1中所示。
假设AB长为10mm，BC长为30mm，CD长为20mm，AD长为30mm，BE长为55mm，
以A为原点，AD所在直线为x轴，建立平面直角坐标系。
由10*cosθ1+30*cosθ2=30+20*cosθ3，
10*sinθ1+30*sinθ2=20*sinθ3，得，
θ2=2*arctan﹛2*sinθ1—[16—（2*cosθ1+1）²]½﹜/（4*cosθ1—11）
点E的轨迹方程如下：
x=10*cosθ1+55*cos（θ2+θ）
y=10*sinθ1+55*sin（θ2+θ）
利用MATLAB软件，通过改变角θ的大小（θ的值依次取10°,15°，20°，25°，30°，35°，40°，45°，50°），来获得点E的9个轨迹图。
在MATLAB编译器中输入以下语言：
fori=1:
9
theta1=0:
pi/100:
2*pi;
theta2=2*atan（（2*sin（theta1）-sqrt（16-（2*cos（theta1）+1）.^2））./（4*cos（theta1）-11））;
x=10*cos（theta1）+55*cos（（i-1）*3.75*pi/180+pi/12+theta2）;
y=10*sin（theta1）+55*sin（（i-1）*3.75*pi/180+pi/12+theta2）;
subplot（3,3,i）;
plot（x,y）;
end
得出轨迹图：
（第一行，θ的值依次为10°,15°，20°，
第二行，θ的值依次为25°，30°，35°，
第三行，θ的值依次为40°，45°，50°。
）
经过比较这9个轨迹图，发现第二行第二列的轨迹图（θ=30°）中的轨迹与图1中的轨迹近似，故选择第二行第二列的轨迹图（θ=30°）。
考虑到设计要求插秧深度在10~25mm之间，而通过观察此轨迹图，发现点E轨迹最右端点的x坐标（略小于40）与点D的x坐标（等于30）之差小于10mm且大于5mm，所以需改进方案尺寸：
将各杆的长度增加一倍，即
AB=20mm，BC=60mm，CD=40mm，AD=60mm，BE=110mm，
θ=30°
在此情况下，点E轨迹最右端点的x坐标与点D的x坐标之差必大于10mm且小于20mm，即方案可以满足插秧深度在10~25mm之间的要求。
2）送秧机构
从动件（秧箱）运动线图的设计，采用摆线运动修正等速运动规律的加速度曲线（从动件无柔性冲击，运行平稳），如下所示：
从动件的运动线图分为6个阶段，
各阶段运动方程式如下：
1）0≤ψ≤φ1（秧箱做加速运动）
S=S1[ψ/φ1—sin（πψ/φ1）/π]
v=S1ω[1—cos（πψ/φ1）]/φ1
a=πS1ω²sin（πψ/φ1）/φ1²
2）φ1＜ψ＜φ2（秧箱做匀速运动）
S=S1+（S2-S1）（ψ-φ1）/（φ2-φ1）
v=2S1ω/φ1
a=0
3）φ2≤ψ＜π（秧箱做减速运动）
S=S1﹛（ψ-φ2）/φ1—sin[π（ψ-φ2+φ1）/φ1]/π﹜+S2
v=S1ω﹛1—cos[π（ψ-φ2+φ1）/φ1]﹜/φ1
a=πS1ω²sin[π（ψ-φ2+φ1）/φ1]/φ1²
4）π≤ψ≤π+φ1（秧箱做加速运动）
S=S1﹛（2φ1+φ2—ψ）/φ1—sin[π（3φ1+φ2-ψ）/φ1]/π﹜
v=S1ω﹛[cos[π（ψ—φ2—φ1）/φ1]—1﹜/φ1
a=—πS1ω²sin[π（ψ—φ2—φ1）/φ1]/φ1²
5）π+φ1＜ψ＜π+φ2（秧箱做匀速运动）
S=S1+（S2-S1）（2φ2+φ1-ψ）/（φ2-φ1）
v=—2S1ω/φ1
a=0
6）π+φ2≤ψ≤2π（秧箱做减速运动）
S=S1﹛（2φ2+2φ1—ψ）/φ1—sin[π（2φ2+2φ1—ψ）/φ1]/π﹜
v=S1ω﹛cos[π（ψ+2φ1）/φ1]—1﹜/φ1
a=πS1ω²sin[π（ψ-2φ2-φ1）/φ1]/φ1²
设计要求“每次移箱距离应与秧爪每次取秧宽度相配合”，
即
取秧宽度／点E的往复运动周期=从动件（秧箱）的匀速运动速度
点E的往复运动周期已知，周期大小为0.5s。
设取秧宽度为10mm，
则v=2×S1×ω／φ1=20mm／s，
即从动件（秧箱）的匀速运动速度的大小为20mm／s。
根据实际需要，设定φ1，φ2，S1，S2的值，
且满足
2*S1*ω／φ1=20mm／s。
φ1，S1应尽量小些，
以减小从动件从启动达到稳定速度所经过的时间和位移。
取φ1=π/6,φ2=5π/6，S1=10mm，S2=110mm，
将φ1，φ2，S1，S2的值代入行程S的表达式，得
S=60ψ/π-10sin（6ψ）/π,（0≤ψ≤π/6）
S=150ψ/π-15,（π/6＜ψ＜5π/6）
S=60ψ/π-10sin（6ψ）/π+60，（5π/6≤ψ＜π）
S=70-60ψ/π+10sin（6ψ）/π,（π≤ψ≤7π/6）
S=285-150ψ/π,（7π/6＜ψ＜11π/6）
S=120-60ψ/π+10sin（6ψ）/π.（11π/6≤ψ≤2π）
由2*S1*ω／φ1=20mm／s，S1=10mm，φ1=π/6，得
ω=π/6rad/s,
即凸轮转速为5r/min。
根据已求出的从动件的行程S的表达式，
则对心从动件凸轮机构的凸轮廓线方程式为可写：
X=（rb+S）*sinψ
Y=（rb+S）*cosψ
（rb为凸轮基圆的半径值）
取rb=20mm，滚子半径为10mm，在制作运动仿真过程中，得到理论廓线和实际廓线，如下图所示：
凸轮机构的运动仿真图：
5.心得体会：
本课程设计考察了我们所学的机械原理知识。
在设计过程中，要综合多方面的要求和需要来进行合理的选择，这是一个并不简单的过程。
由此可以了解到，自己的能力远不能解决复杂的实际问题。
我们还应不断地学习和积累。
在对水稻插秧机完全不了解的情况下，通过网络，查找了大量的相关资料。
尽管对现实生活中的水稻插秧有了一定的了解，但这些资料对其工作的描述仍不够详细和清晰。
我们未能对水稻插秧机的工作流程和原理完全清楚，比如秧箱的具体结构和工作方式。
这是设计过程中一个比较大的遗憾。
设计尺寸的部分是其中最难的步骤，我们只能在做出一个自我感觉合理的尺寸假设的前提下，继续以后的设计，而且应用了一个之前我们完全陌生的软件MATLAB。
因为不懂得如何使用该软件，所以寻求朋友的帮助，我们顺利得出了点E（秧爪）的与要求轨迹近似的静轨迹图。
接下来的步骤水到渠成，花费较多时间是一些繁杂的运算。
通过本次设计，积累了经验，对已学知识的理解更加深刻。
表面看似简单的问题，在解决的过程中，逐渐显现出其复杂。
在以后的学习中，应避免犯眼高手低的错误。
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