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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 偏心變位齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)的機(jī)理分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本研究小組從《機(jī)械原理》課程中的變位齒輪得到啟發(fā)，通過(guò)輪齒變位改變齒厚來(lái)消除齒側(cè)間隙，提出一種新的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的能夠消除齒輪間隙的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)——偏心變位齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并將其用于旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)中，發(fā)明了一種新的旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)——偏心變位齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)。該分插機(jī)構(gòu)由三個(gè)偏心齒輪和兩個(gè)偏心變位齒輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)側(cè)隙嚙合傳動(dòng)，工作平穩(wěn)。 本項(xiàng)目研究的旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)在繼承了以往分插機(jī)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(jìn)行改進(jìn)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本降低，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)，具有較好的市場(chǎng)前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 目前，在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的各種高速插秧機(jī)(乘坐式插秧機(jī))，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)大多是采用日本的專(zhuān)利。例如，用的較多的是偏心齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)。偏心齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不足之處是傳動(dòng)過(guò)程中齒輪間隙會(huì)發(fā)生變化，引起振動(dòng)和轉(zhuǎn)速跳動(dòng)。日本的偏心齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)由9個(gè)偏心齒輪構(gòu)成，采用兩個(gè)窩卷彈簧裝置來(lái)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(jī)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)式高速插秧機(jī)的插秧機(jī)構(gòu)，插秧效率高、工作性能可靠、傳動(dòng)平穩(wěn)。該分插機(jī)構(gòu)由三個(gè)偏心齒輪和兩個(gè)偏心變位齒輪構(gòu)成，其中，太陽(yáng)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(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)非勻速傳動(dòng)，選擇合適的偏心量和中心距來(lái)形成所要求的非勻速傳動(dòng)比及轉(zhuǎn)角關(guān)系，可以獲得滿(mǎn)足高速插秧機(jī)工作要求的“腰子形”靜軌跡，該機(jī)構(gòu)同時(shí)適合大小苗插秧要求。 偏心變位齒輪的設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。偏心變位齒輪傳動(dòng)包括主動(dòng)偏心變位齒輪和從動(dòng)偏心變位齒輪。該偏心變位齒輪傳動(dòng)與偏心齒輪傳動(dòng)和變位齒輪傳動(dòng)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(gè)輪齒齒形不盡相同，其輪齒形狀由一對(duì)偏心齒輪傳動(dòng)時(shí)的齒隙量決定，通過(guò)選取變位系數(shù)和計(jì)算變位量獲得，無(wú)需增加消除齒隙的裝置就可以消除一般偏心齒輪傳動(dòng)時(shí)，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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)誤差、沖擊和振動(dòng)。偏心變位齒輪傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)側(cè)隙的變速傳動(dòng)。 分插機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，各目標(biāo)之間具有非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合性和模糊性，現(xiàn)有的優(yōu)化方法難以解決分插機(jī)構(gòu)的目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。因此，本項(xiàng)目的難點(diǎn)之二就是尋求一種新的優(yōu)化方法，解決分插機(jī)構(gòu)復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。 基于可視化編程語(yǔ)言VB6.0，開(kāi)發(fā)了分插機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，解決旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)復(fù)雜的多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題，完成了機(jī)構(gòu)的二維和三維設(shè)計(jì)；對(duì)主要部件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，改進(jìn)了栽植臂殼體的結(jié)構(gòu)和加工工藝，改進(jìn)了齒輪加工方法，促進(jìn)分插機(jī)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)；利用ADAMS軟件進(jìn)行該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，優(yōu)化分插機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，降低分插機(jī)構(gòu)工作時(shí)的振動(dòng)；加工了分插機(jī)構(gòu)部件和試驗(yàn)基座，在分插機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)試分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)結(jié)果。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的 目前，我國(guó)機(jī)械化種植為11%左右，而機(jī)械收獲已占46%左右，機(jī)械插秧已成為我國(guó)水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化的“瓶頸”問(wèn)題。在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的各種高速插秧機(jī)(乘坐式插秧機(jī))，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)大多采用日本的專(zhuān)利。例如，用的較多的是偏心齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)由于齒隙變化引起振動(dòng)，需增加防振裝置，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)高速插秧機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，必須發(fā)明一種新的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)。 基本思路 對(duì)現(xiàn)有的高速插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和插秧軌跡形成原理進(jìn)行分析，將農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，對(duì)分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，通過(guò)理論分析，采用變位原理，對(duì)偏心圓齒輪進(jìn)行變位，設(shè)計(jì)出無(wú)側(cè)隙變速傳動(dòng)的分插機(jī)構(gòu)。建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，最后研制樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 創(chuàng)新點(diǎn) 1）發(fā)明了一種新的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)； 2）分插機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)與虛擬試驗(yàn)； 3）分插機(jī)構(gòu)零部件加工工藝的改進(jìn)。 技術(shù)關(guān)鍵 1）偏心變位齒輪的設(shè)計(jì)； 2）解決分插機(jī)構(gòu)復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。 主要技術(shù)指標(biāo) 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(jī)重量 500kg左右；操作人員 1人。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 幾種常見(jiàn)的高速插秧機(jī)分插機(jī)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(jī)構(gòu)（日本），由9個(gè)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(dòng)不平穩(wěn)； 2）圓柱齒橢圓齒行星系分插機(jī)構(gòu)（國(guó)內(nèi)），由3個(gè)橢圓齒輪和4個(gè)圓齒輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無(wú)齒側(cè)間隙，傳動(dòng)平穩(wěn)； 3）偏心變位齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)（本研究小組設(shè)計(jì)），由3個(gè)偏心圓齒輪和2個(gè)偏心變位齒輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)齒側(cè)間隙，傳動(dòng)平穩(wěn)。 通過(guò)比較可以得到，與日本的偏心齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)齒側(cè)間隙傳動(dòng)，工作平穩(wěn)；與國(guó)內(nèi)的圓柱齒橢圓齒行星系分插機(jī)構(gòu)相比，盡管都能實(shí)現(xiàn)無(wú)齒側(cè)間隙傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，但偏心變位齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。此外，本作品從結(jié)構(gòu)和加工工藝上進(jìn)行改進(jìn)，降低了加工成本，具有較好的市場(chǎng)前景。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年6月在浙江師范大學(xué)舉行的第十一屆“挑戰(zhàn)杯”浙江省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 本作品已完成實(shí)物的加工和試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)，并成功安裝于高速插秧機(jī)上。將于6月底進(jìn)行田間插秧試驗(yàn)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓或部件銷(xiāo)售
作品可展示的形式
- 作品以田間插秧試驗(yàn)錄像和實(shí)物形式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 乘座式高速水稻插秧機(jī)是目前最先進(jìn)的插秧機(jī)械,工作效率高，適合于大田塊作業(yè)。目前，在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的各種高速插秧機(jī)(乘坐式插秧機(jī))，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)大多采用日本的專(zhuān)利，進(jìn)口機(jī)型每臺(tái)成本較高，約為10萬(wàn)元/臺(tái)，國(guó)產(chǎn)機(jī)型約為6萬(wàn)元/臺(tái)。 本研究小組研制的偏心變位齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)適用于高速水稻插秧機(jī)，是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分插機(jī)構(gòu)。具有振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低（參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)與產(chǎn)品的生產(chǎn)分析）等特點(diǎn)。例如，該分插機(jī)構(gòu)只有五個(gè)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(jìn)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(lái)的6-7萬(wàn)元降為3萬(wàn)多元，大大降低加工成本。 由于發(fā)明專(zhuān)利的獨(dú)家轉(zhuǎn)讓會(huì)給其它企業(yè)的推廣帶來(lái)困難，故將采用部件銷(xiāo)售的方式推廣分插機(jī)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(jī)構(gòu)具有更好的推廣前景。 本項(xiàng)目的研究將加快水稻種植機(jī)械化的研究步伐，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 國(guó)內(nèi)外對(duì)高速旋轉(zhuǎn)分插機(jī)構(gòu)的研究已有幾十年的歷史，不斷的有新的分插機(jī)構(gòu)出現(xiàn)，分插機(jī)構(gòu)也在不斷的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，工作更穩(wěn)定，性能更完善。 高速插秧機(jī)的研究始于日本，在上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行插秧機(jī)核心部件——分插機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性研究，發(fā)明了旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)，應(yīng)用在乘坐式插秧機(jī)上。 目前，在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的各種高速插秧機(jī)(乘坐式插秧機(jī))，其核心工作部件——旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)都是采用日本的專(zhuān)利，用的較多的是偏心齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)。偏心齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不足之處是傳動(dòng)過(guò)程中齒輪間隙會(huì)發(fā)生變化，引起振動(dòng)和沖擊。日本的偏心齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)由9個(gè)偏心齒輪構(gòu)成，其中太陽(yáng)輪為一個(gè)較厚的偏心齒輪，中間輪與行星輪分別由兩個(gè)偏心齒輪疊加而成。行星輪的兩個(gè)偏心齒輪上分別固定了銷(xiāo)，利用窩卷彈簧的彈力擠壓銷(xiāo)，使偏心齒輪發(fā)生錯(cuò)位，分別與它們嚙合的偏心齒輪也發(fā)生錯(cuò)位。發(fā)生錯(cuò)位的偏心齒輪以相反的方向作用于太陽(yáng)輪上，這樣保證偏心齒輪齒面都能與太陽(yáng)輪緊貼在一起，起到消除齒隙的作用。因此，日本采用兩個(gè)窩卷彈簧裝置來(lái)消除齒輪間隙的變化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)不平穩(wěn)。 國(guó)內(nèi)較具有實(shí)用性的有正齒行星輪系分插機(jī)構(gòu)、橢圓差速分插機(jī)構(gòu)和圓柱齒橢圓齒行星系分插機(jī)構(gòu)。其中正齒行星輪式分插機(jī)構(gòu)由4個(gè)全等正圓齒輪和3個(gè)全等橢圓齒輪組成，3個(gè)橢圓齒輪的回轉(zhuǎn)中心均在橢圓齒輪的焦點(diǎn)上，且初始相位相同。能實(shí)現(xiàn)無(wú)齒側(cè)間隙傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。橢圓差速分插機(jī)構(gòu)只有由3個(gè)全等的橢圓齒輪，齒輪數(shù)少，但其動(dòng)力輸入裝置復(fù)雜，需要2個(gè)輸入,并要保證太陽(yáng)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(jī)構(gòu)其傳動(dòng)部分由3個(gè)全等的橢圓齒輪和兩端各2個(gè)全等的圓齒輪組成，3個(gè)橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的連線(xiàn)與2個(gè)圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的連線(xiàn)不在同一條線(xiàn)上，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)齒側(cè)間隙傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
