水稻插秧機的機械原理課程設計

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1、 水稻插秧機的機械原理課程設計 1．水稻插秧機設計要求 水稻插秧機是用于栽植水稻秧苗的機具。結(jié)構(gòu)簡單、體積小，使用壽命長。它主要包括送秧機構(gòu)、傳動機構(gòu)、分插機構(gòu)、機架和船體等組成。本設計主要完成分插機構(gòu)和送秧機構(gòu)的設計。 設計要求： 1）水稻插秧機應包括連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等常用機構(gòu)。 2）插秧頻率120次/min。 3）插秧深度10~25mm之間。 4）發(fā)動機功率2.42kw，轉(zhuǎn)速2600r/min,傳動機構(gòu)始末傳動比i=26。 5) 對移箱機構(gòu)（送秧機構(gòu)）的設計要求： a.每次移箱距離應與秧爪每次取秧寬度相配合，要求保證取秧準確、均勻。 b.移箱的時間應與秧爪的運動

2、相配合。 c.傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，必須使用可靠、耐久。 2. 工作原理及其動作分解 分插機構(gòu) 是水稻插秧機的主要工作部件，由取秧器（栽植臂和秧爪），驅(qū)動機構(gòu)和軌跡控制機構(gòu)組成。取秧器在驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動和軌跡控制機構(gòu)的控制下，按照一定的軌跡從秧箱中分取一定數(shù)量的秧苗并將其插入土中，然后返回原始位置，開始下一次循環(huán)動作。 秧爪在栽植臂的帶動下完成取秧和插秧工作，圖1中虛線給出秧爪的靜軌跡圖，h為插秧深度。 圖1 送秧機構(gòu) 的作用是按時、定量地把秧苗送到秧門處，使秧爪每次獲得需要的秧苗。按照送秧方向的不同，送秧機構(gòu)分為縱向送秧機構(gòu)和橫向送秧機構(gòu)。橫

3、向送秧機構(gòu)，其送秧方向同機器行進方向垂直，采用的是移動秧箱法。因此，又稱移箱機構(gòu)。本設計采用橫向送秧箱機構(gòu)。 工藝動作分解： 1） 秧爪按照特定靜軌跡（如 圖1 所示）做往復運動。 2） 秧箱做橫向直線往復運動。（在秧爪取秧過程中，秧箱需保持連續(xù)不斷的勻速運動；在移至兩端極限位置后，秧箱自動換向。） 3．分插機構(gòu)，送秧機構(gòu)運動方案設計及確定 1) 分插機構(gòu)的設計方案 方案甲： 評價：采用曲柄搖桿機構(gòu)，主動件為曲柄，使秧爪按照特定軌跡運動。此機構(gòu)設計簡單，傳動準確，快速。 方案乙： 評價：本機構(gòu)采用連桿機構(gòu)，利用

4、油缸作為主動件，來實現(xiàn)秧爪的特定軌跡運動。此機構(gòu)設計簡單，但是需要額外的液壓油路。 結(jié)論：方案甲 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，符合設計要求，故 分插機構(gòu) 選用 方案甲。 2）送秧機構(gòu)的方案設計 方案A： 評價：采用凸輪機構(gòu)，通過凸輪的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)從動件（秧箱）的橫向直線往復運動。本機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，傳力小，傳動準確，運動靈活。但凸輪廓線的設計較復雜。 方案B： 評價：此系統(tǒng)以電動機為驅(qū)動元件，通過PLC控制系統(tǒng)，來控制齒輪的轉(zhuǎn)動，從而影響齒條的運動，使齒條進行直線往復運動。此機構(gòu)設計簡單，傳動平穩(wěn)，效率高，傳動比準確，可靠。但此方案需要PLC控

5、制設備，成本較高。 結(jié)論： 方案A 采用凸輪機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，成本較低，故 送秧機構(gòu) 選擇 方案A。 3）方案設計的確定 綜上所述，考慮到插秧機的設計要求（水稻插秧機應包括連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等常用機構(gòu)，送秧機構(gòu)傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，必須使用可靠、耐久。）以及自身所學知識，本設計的 分插機構(gòu) 選擇 方案甲 ，送秧機構(gòu) 選擇 方案A 。 如圖 ： 運動仿真圖： 4．機構(gòu)尺寸的設計 1）送秧機構(gòu) 在設計要求中，電動機 的 轉(zhuǎn)速 為 2600r／min。 由于 傳動機構(gòu) 始末傳動比 i = 26 ， 故 皮帶

6、輪 與 齒輪1 的 轉(zhuǎn)速 為 100r／min 。 在設計要求中， 插秧頻率 為 120次/min ， 故 齒輪2 的 轉(zhuǎn)速 為 120r／min ， 即 齒輪1 與 齒輪2 的 傳動比 為 5:6 。 兩齒輪的設計如下： 名稱 齒輪1 齒輪2 模數(shù)m 3 齒數(shù) 36 30 分度圓直徑 d 108 90 齒頂高 ha 6 6 齒根高 hf 7.5 7.5 基圓直徑 db 100 84 傳動比 i 5：6 嚙合角 α 22.19 22.19 齒輪1 與 齒輪2 之間的中心距為 99 mm 。 齒輪傳動 如圖：

7、 連桿機構(gòu)： 桿AB為 曲柄，桿CD為 搖桿，BE與 連桿BC 固結(jié)。本設計的要求中，點E的軌跡如 圖1中所示。 假設AB長為10mm，BC長為30mm，CD長為20mm，AD長為30mm， BE長為55mm ， 以 A 為 原點，AD 所在直線為 x軸，建立平面直角坐標系。 由 10 *cosθ1 + 30 *cosθ2 = 30 + 20 *cosθ3， 10 *sinθ1 + 30* sinθ2 = 20* sinθ3， 得， θ2 = 2* arctan ﹛2*sinθ1 — [16 — ( 2*cosθ1 +1) ]

8、﹜/ （4 * cosθ1 — 11） 點E的軌跡方程如下： x = 10 *cosθ1 + 55*cos（θ2+θ） y = 10* sinθ1 + 55 *sin（θ2+θ） 利用 MATLAB軟件，通過改變角θ的大小（θ的值依次取10,15，20，25，30，35，40，45，50），來獲得 點E的9個軌跡圖。 在 MATLAB 編譯器中輸入以下語言： for i=1:9 theta1=0:pi/100:2*pi; theta2=2*atan((2*sin(theta1)-sqrt(16-(2*cos(theta1)+1).^2

9、))./(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 得出軌跡圖： （第一行，θ的值依次為 10,15，20， 第二行，θ的值依次為 25，30，35， 第三行，θ的值依次為 40，45，50。） 經(jīng)過比較這9個軌跡圖，發(fā)現(xiàn) 第二行第二列 的軌跡圖（θ=30）中的軌跡

10、與 圖1中的軌跡近似，故 選擇 第二行第二列 的軌跡圖（θ=30）。 考慮到設計要求插秧深度在10~25mm之間，而通過觀察此軌跡圖，發(fā)現(xiàn)點E軌跡最右端點的x坐標（略小于40）與點D的x坐標（等于30）之差小于10mm且大于5mm，所以需改進方案尺寸： 將各桿的長度增加一倍，即 AB = 20 mm ，BC = 60 mm ，CD = 40 mm ，AD = 60 mm ，BE = 110 mm ， θ= 30 在此情況下，點E軌跡 最右端點的x坐標與 點D的x坐標 之差必大于10mm且小于20mm，即 方案可以滿足插秧深度在10~25mm之間的要求。 2）送秧機構(gòu)

11、 從動件（秧箱）運動線圖的設計，采用擺線運動修正等速運動規(guī)律的加速度曲線（從動件無柔性沖擊，運行平穩(wěn)），如下所示： 從動件的運動線圖分為6個階段， 各階段運動方程式如下： 1) 0≤ψ≤φ1 （秧箱做加速運動） S = S1[ψ/φ1—sin(πψ/φ1)/ π] v = S1ω[1 — cos（πψ/φ1）] /φ1 a = πS1ωsin(πψ/φ1) /φ1 2) φ1＜ψ＜φ2 （秧箱做勻速運動） S = S1 + (S2 - S1)( ψ-φ1)/( φ2 -φ1) v = 2 S1ω/φ1 a = 0

12、 3) φ2≤ψ＜π （秧箱做減速運動） S = S1﹛ (ψ-φ2)/ φ1—sin [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ]/ π﹜+ S2 v = S1ω﹛1 — cos [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ] ﹜/φ1 a = πS1ωsin [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ] /φ1 4) π≤ψ≤π+φ1 （秧箱做加速運動） S = S1﹛（2φ1+φ2—ψ）/φ1—sin [π（3φ1+φ2-ψ）/φ1 ]/ π﹜ v = S1ω﹛[cos [π（ψ—φ2—φ1）/φ1] — 1 ﹜ /φ1 a = —πS1ωsin [π（ψ—φ2—

13、φ1）/φ1 ] /φ1 5) π+φ1 ＜ψ＜π+φ2 （秧箱做勻速運動） S = S1 + (S2 - S1)( 2φ2 +φ1 - ψ)/( φ2 -φ1) v = —2 S1ω/φ1 a = 0 6) π+φ2 ≤ψ≤2π （秧箱做減速運動） S = S1﹛ (2φ2 + 2φ1 — ψ)/ φ1—sin [π（2φ2 + 2φ1 — ψ）/φ1 ]/ π﹜ v = S1ω﹛cos [π（ψ + 2φ1）/φ1] — 1﹜ /φ1 a = πS1ωsin [π（ψ - 2φ2 -φ1）/φ1 ] /φ1 設計要求“

14、每次移箱距離應與秧爪每次取秧寬度相配合”， 即 取秧寬度 ／ 點E的往復運動周期 = 從動件（秧箱）的勻速運動速度 點E的往復運動周期已知，周期大小為0.5 s 。 設 取秧寬度 為10 mm ， 則 v = 2S1ω／φ1 = 20mm／s ， 即 從動件（秧箱）的勻速運動速度的大小為 20mm／s 。 根據(jù)實際需要，設定φ1，φ2，S1，S2的值， 且滿足 2 * S1 * ω／φ1 = 20 mm／s 。 φ1，S1應盡量小些， 以減小從動件從啟動達到穩(wěn)定速度所經(jīng)過的時間和位移。 取φ1 = π/6, φ2 = 5π/6 ，S1

15、= 10 mm ，S2 = 110 mm ， 將 φ1，φ2，S1，S2 的值 代入 行程 S 的表達式 ，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,

16、 ( 7π/6 ＜ ψ ＜ 11π/6 ) S = 120 - 60ψ/π + 10sin(6ψ)/π. ( 11π/6 ≤ ψ ≤ 2π ) 由2 * S1 * ω／φ1 = 20mm／s，S1 = 10 mm，φ1 = π/6，得 ω =π/6 rad/s, 即 凸輪轉(zhuǎn)速 為 5 r/min 。 根據(jù)已求出的從動件的 行程S 的表達式 ， 則 對心從動件凸輪機構(gòu) 的 凸輪廓線方程式 為可寫： X =（rb + S）* sinψ Y =（rb + S）* cosψ （rb為 凸輪基圓 的 半徑值） 取rb = 20 mm

17、 ，滾子半徑為10 mm，在制作 運動仿真 過程中，得到 理論廓線 和 實際廓線，如下圖所示： 凸輪機構(gòu)的運動仿真圖： 5. 心得體會： 本課程設計考察了我們所學的機械原理知識。在設計過程中，要綜合多方面的要求和需要來進行合理的選擇，這是一個并不簡單的過程。由此可以了解到，自己的能力遠不能解決復雜的實際問題。我們還應不斷地學習和積累。 在對水稻插秧機完全不了解的情況下，通過網(wǎng)絡，查找了大量的相關(guān)資料。盡管對現(xiàn)實生活中的水稻插秧有了一定的了解，但這些資料對其工作的描述仍不夠詳細和清晰。我們未能對水稻插秧機的工作流程和原理完全清楚，比如秧箱的具體結(jié)構(gòu)和工作方式。這是設計過程中一個比較大的遺憾。 設計尺寸的部分是其中最難的步驟，我們只能在做出一個自我感覺合理的尺寸假設的前提下，繼續(xù)以后的設計，而且應用了一個之前我們完全陌生的軟件 MATLAB 。因為不懂得如何使用該軟件，所以尋求朋友的幫助，我們順利得出了點E（秧爪）的與要求軌跡近似的靜軌跡圖。接下來的步驟水到渠成，花費較多時間是一些繁雜的運算。 通過本次設計，積累了經(jīng)驗，對已學知識的理解更加深刻。表面看似簡單的問題，在解決的過程中，逐漸顯現(xiàn)出其復雜。在以后的學習中，應避免犯眼高手低的錯誤。