水稻插秧机的机械原理课程设计 精品.docx
《水稻插秧机的机械原理课程设计 精品.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《水稻插秧机的机械原理课程设计 精品.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![水稻插秧机的机械原理课程设计 精品.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2023-1/26/e635fb8f-3a09-4dcf-8688-d8a44ec0290e/e635fb8f-3a09-4dcf-8688-d8a44ec0290e1.gif)
水稻插秧机的机械原理课程设计精品
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。