农业机械结构分析与设计实习报告

2014级农业机械化及其自动化专业（）班（）小组农业机械结构分析与设计实习报告指导老师：实验师1）学号/姓名：（组长）2）学号/姓名：3）学号/姓名：4）学号/姓名：5）学号/姓名：6）学号/姓名：7）学号/姓名：2018年1月8日s前言1.1意义水稻是我国主要粮食作物之一，在我国粮食生产中有着举足轻重的地位。

我国水稻种植的机械化水平很低，这严重制约了我国的水稻种植业的发展。

虽然近年来水稻种植的机械化水平有了显著的增长，但是相对比日、韩等发达国家，我国仍有巨大的差距，远远落后于其它发达国家。

尤其是在水稻种植业的机械化方面，我国要走的道路还很长。

而水稻作为我国最重要的粮食作物，其机械化发展前景巨大，实现水稻插秧机械化是我国水稻生产发展的必然趋势。

因此，要实现水稻生产机械化，扩大机插面积，对插秧机的核心分插机构进行研究是一项很有意义的工作。

1.2内容结合分插机构的机械原理，进行理论计算和分析，进一步分析插秧机分插机构的结构。

1.3文献综述赵匀等对推秧装置的凸轮和拨叉进行分析，提出优化方案并试制样机进行试验，该方案能大大降低了振动和磨损。

白海英等从质点动能定理出发，也对推秧装置进行运动分析，得到改进凸轮轮廓的方案，减少凸轮的磨损和整机的振动。

陈德俊、胡杭湘等采用了轨迹再现的方法，研究了适合多熟制水稻插秧的分插机构。

即先给定秧针轨迹的几个特征点，通过运动分析得到与这些预定特征点距离最小的目标函数，并列出约束函数，采用随机方向法，优化得到最佳机构参数。

邵陆寿等以插穴大小适中为目标函数，以保证秧苗垂直下插、秧爪不刮撞已插秧苗、秧爪入土和出土姿态为约束条件，用优化方法来确定机构参数。

2.所选用分插机构的结构原理2.1转臂滑道式机构转臂滑道式分插机构，由于其栽插元件的主动件作圆周运动，取秧器以近乎垂直的方向在土壤中作下插运动实现秧苗定值，往往称为滚动直插式分插机构，以区别于主动件作往复运动的往复直插式机构。

2.2转臂滑道式机构的结构原理转臂滑道式分插根据分秧器端点的相对运动轨迹设计分插机构，就是按照轨迹进行机构综合设计的问题。

机构要求分秧器端点的轨迹能依次通过给定的入秧门点、取秧点、入土点、最深点、出土点等几个特定的位置。

用以控制秧爪排运动的滑道，由多个不同曲率半径的圆弧相切而成。

为满足不同株距的栽植要求，秧爪排的轨迹控制机构在秧爪人土后的一定位置，即解除控制。

此时，秧爪排的运动受到土壤的粘滞，实现由下插到退出的整个定植过程。

3.关键部件的理论计算和分析（理论计算与分析，机构自由度等）3.1工作原理：滚动直插的工作原理可以简述为：带有梳式或夹式取秧器的栽插元件（秧爪排）在作等速圆周运动的主动件（转臂）的驱动下和轨迹控制机构(转臂滑道式机为滚子与滑道) 的制约下，按照栽插质量的要求，完成分秧、取秧和在土壤中直插定值。

3.2运动方程：3.2.1受控状态的运动方程以起始位置的分插轮中心为坐标原点O，机具前进方向为X轴方向，过O点的铅垂线为Z轴，向上为正，分插轮转臂由OZ向OX方向回转，则秧爪排轴心P点的轨迹为tRP tRtvPffz ffmxωωcos sin=+=秧爪尖Q的轨迹为)cos(cos )sin(sin p f f f z p f f f m x t l t R P t l t R t v Q ϕωωϕωω+-=+++=可知由四连杆机构i OPmO210βαγγβαϕ-++=-+∠+∠=x x i i p Pm O OPO的夹角与为角，为拐臂与秧爪杆基线夹式中：OP PQ p x ϕα因i iPOO OP OO ∠=sin sin 1γ()ii i PO Pm m O PO Pm ⋅⋅-+=2cos 2222γ已知：()；轴的夹角与；的距离；即滑道曲率半径为；，的坐标位置iii i i i i i i i i i Z X OZ OO Z X A OO R m O Z X O arctan22=+=φ则)cos(2)sin(sin 221i f f fi f t AR R A t A φωφωγ--+-=02222222)cos(22)cos(2cos βαφωφωγ-+--+---++=x i f f fm i f f i m f t AR R A R t AR R R R A因此22222222)cos(22)cos(2arccos)cos(2)sin(arcsinβαφωφωφωφωϕ-+--+--+-+++--+-=x i f f fm i f f i m f i f f fi f p t AR R A R t AR R R R A t AR R A t A 或：令)cos(222i f f f t AR R A W φω--+=则22222222)(4)cos()sin()(βαφωφωϕ-+-+--±-+-=x m i m i m i f i f i m p WR W R R R R t A t W R R A由上式求时间t 的一阶导数与二阶导数可得秧爪尖的运动速度和加速度。

从而判断秧爪的平稳性和分秧速度，是否产生抖动等。

3.2.2失控状态的运动方程失控状态的运动如前所示，是复摆运动。

平移运动的速度来源于前进速度和P 点圆周速度。

平移时的速度v 可由下式求得：tR v t R v v f f f z f f f m x ωωωωsin cos -=+=围绕P 点转动的角速度来源于瞬时力矩和。

221c p p J M ω∑=或P O R C c p M M M M J +++=221ω式中：附加力矩。

由于抓取的秧等产生的矩；为秧爪排轴承的摩擦力；为土壤反力产生的力矩力矩；为由秧爪排重量产生的）；点的力矩和（在为）；为瞬时角速度（）；点的惯性矩（为秧爪排在P O R C pc p M M M M mm g P Ms rad s mm g P J ./..2∑ω的方向相反为正。

向为的方向，按实际回转方设f c ωω失控状态是秧爪尖Q 的轨迹方程为⎰⎰-+=tt tt c x x x dtl dt v Q Q 0000cos θω ⎰⎰-+=tt tt c z z z dtl dt v Q Q 000sin θω由上式求得均为刚失控时的参数，，，式中000θz x Q Qπϕωθ-+=000p f t的变化。

力为变数，取决于土壤反由于R c ω故通过实验得出)(t F c =ω，上述方程即可求解。

3.3机构自由度转臂滑道式分插机构的自由度只有1。

4.结果分析 （计算结果与分析，利用软件ANSYS 等制作仿真模型） 4.1 试验对象与设备实验对象：分插机构。

插秧机分插机构是插秧机最核心的部分，往往根据插秧机分插机构来区别插秧机的优劣。

所以，开展水稻插秧机分插机构的设计研究工作具有重要的理论。

实验设备：插秧机（如下图）图1 转臂滑道式分插机构4.2 试验步骤与过程（附上照片）4.2.1量尺寸在测量尺寸的时候，主要用到的工具有卷尺、游标卡尺、螺丝刀和梅花扳手等，螺丝刀和扳手主要用于拆装。

图2 滑道4.2.2画三维图图3 转臂滑道式分插机构装配图4.2.3运动仿真4.2.3.1机构运动仿真的基本方法首先根据分插机构及传动系统各构件的实际尺寸，在SolidWorks平台上建立各构件的三维模型，然后将各构件通过装配模块组装得到完整的装配图。

利用SolidWorks的Simulation模块，根据设计要求设定机构中的约束和连接，设置伺服电机，启动运动分析模块，得到机构的运动轨迹和各构件间的相对运动情况，观察机构在运动中是否存在干涉，并可将运动状态存为影像格式。

另外可得出关键点的位移的变化图，便于进行分析。

总的仿真设计流程如图所示：（1）定义模型利用SolidWorks软件分别对分插机构的各个零部件进行实体建模，并组装得到整体的装配图。

定义各零件与主体零件间的连接方式如销钉等，以取得相应的相对运动形式。

（2）添加约束、荷载和驱动器在Simulation模块中，确定各运动副和机构的荷载，添加伺服电机，设定固定件和运动件。

（3）准备分析设置了驱动器（伺服电机）后，定义约束、运动类型，设置各运动参数，确定秧爪轴的转速，使机构运转起来，以此来进行机构运动仿真。

（4）分析模型, 获得结果通过观看机构运动过程，检查机构运动状态，检测干涉。

应用轨迹跟踪和测量功能，测量仿真过程中插秧点（即秧针端部中点）的运动轨迹曲线，以及插秧点运动的位移，并对仿真结果进行分析。

通过对运动仿真的结果进行分析，可以不断优化运动模型、改变运动的环境，最终使机构的相关参数趋于完善。

4.2.3.2运动轨迹仿真和分析（1）运动仿真在SolidWorks软件中对分插机构及传动系统的运动仿真和分析，主要包括两方面的内容：首先是创建机构，其次是添加驱动器。

主要内容包括建立曲柄摇杆式分插机构的虚拟样机模型，绘制秧爪运动轨迹，求解取秧点各项运动参数等。

1）插植机构三维模型的建立转臂滑道式分插机构中各杆件的尺寸，经测量后用SolidWorks进行三维建模。

建立插植机构各杆件的三维图，并组装得到插植臂的装配图如图4所示。

图4 插植臂的装配图2）分插机构及其传动系统的模型装配模型装配是指将己经用SolidWorks软件绘制好的各零件图通过构件之间建立一定的约束关系，将各零件组装成一个整体，装配图在整体上具有真实立体的效果。

其中建立构件之间的约束就是约束零件之间的自由度，使各零件的自由度变为零。

SolidWorks在装配过程中的约束,分插机构所包含的零件较多，分为若干子组件，再将子组件装配成总的装配图。

3）添加约束和伺服电机设置将零件建模和装配后，将秧爪轴(电机中心端)固定，并将与秧爪轴通过花键连接的插植臂的曲柄设置为销钉连接，曲柄与连杆为销钉连接，摇杆与连杆之间为销钉连接，摇杆与秧爪固定块也采用销钉连接如图4所示。

4.3 试验结果对分插机构的传动系统进行了动力学分析，对分插机构进行了Pro/E的运动仿真和分析。

对分插机构的运动仿真和分析主要包括：建立秧爪取秧点运动的数学模型，利用Pro/E平台实体建模，秧爪运动仿真和取秧点位置分析。

利用Pro/E软件进行实体建模和仿真分析，可较大程度地简化设计开发过程、缩短设计时间，同时达到减少开发成本、优化机构性能的目的。

5.分插机构的优化设计（原机构的不足和缺陷、此机构若在其他方面的应用创新等）5.1 原机构的不足和缺陷。