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椭圆齿轮行星系分插机构的动力性能分析、参数优化及实验验证

作　者: 陈建能
导　师: 赵匀
学　校: 浙江大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 分插机构动力学分析验证两级优化参数运动学分析高速摄像试验台
分类号: S223
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

水稻插秧机械化是提高插秧效率、减轻农民劳动强度的主要措施之一。如果我国插秧机械化水平提高1％，每年就能增产粮食3.75亿kg，但目前我国的机插率只有2.8％，其主要原因是国产插秧机的可靠性低，而进口的高速插秧机价格太高且对我国南方双季稻的晚稻大苗栽插适应性差，因而研究适合我国国情的高速水稻插秧机势在必行。分插机构是水稻插秧机的核心工作部分，其工作性能直接影响插秧质量和效率，因此研究分插机构对最终研制出符合我国国情的高速水稻插秧机具有理论价值和重大现实意义。旋转式高速水稻插秧机的分插机构具有其自身优点，插次可达400～600次／分钟，代表未来的发展趋势。浙江大学赵匀教授先后研究并发明了5种水稻插秧机的分插机构，它们都能满足各种水稻栽插的轨迹和姿态(取秧角和插秧角)的要求，但对这些机构的动力学特性未做进一步深入基础研究。本文的研究目的是以椭圆齿轮行星轮系分插机构为主要研究对象，分析其动力学特性，建立动力学模型并验证，最后建立动力学优化模型并找出最佳参数。本文主要的研究内容和结果如下： 1) 研究国内外各种类型的旋转式高速水稻插秧机分插机构的工作原理，指出尚待研究的问题——研究其动力学特性，以改善动力学特性，进一步提高插次；为此提出了动力学两级优化的创新性思路——以运动学优化(1级优化)得到的机构参数范围作为动力学优化(2级优化)的约束条件，最终得到的最佳参数不仅能满足运动学的要求，又具有最佳的动力学特性。 2) 提出了对椭圆齿轮行星系分插机构这种复杂机构进行运动学和动力学分析必须遵循的一些规则和方法，使复杂问题得以简化，避免出现各种错误。着重论述了反三角函数唯一值的求解方法，推导了解折形式的刚体复合运动微分方程，提出动力学方程组逐次求解的方法和与之配套的驱动力分析方法，为后续的运动学和动力学分析奠定基础。 3) 对椭圆齿轮行星系分插机构进行运动学分析，建立数学模型，开发了辅助分析软件，并通过高速摄像验证所建立的数学模型的正确性。 4) 根据所建立的运动学数学模型，构建人机一体优化系统，基于Visual Basic 6.0编写良好人机对话的优化软件。基于该系统得到满足插秧要求的椭圆齿轮行星系分插机构较佳参数范围(1级优化)。 5) 对椭圆齿轮行星系分插机构进行动力学分析，建立数学模型。在动力学分析时，考虑推秧装置的作用和取秧力的大小，并按照实际驱动工况分析驱动力。 6) 研制出国内第一台通用旋转式分插机构动力学试验台，可以适合研究不同类型旋转式分插机摘要构的动力学特性。并基于该试验台和高速摄像验证了所建立的动力学数学模型是可靠的。 7)研究基本遗传算法，指出它存在“封闭竞争”的缺陷，提出了基于“种间竞争”的改进算法，并通过典型算例验证了该算法的可靠性。 8)根据验证过的动力学数学模型，构建分插机构动力学特性多目标优化的目标函数，以1级运动学优化得到的能满足插秧要求的机构参数范围为约束方程，从而得到优化的数学模型。然后采用改进的遗传算法，基于VISual Basic 6.0编写动力学优化软件，进行动力学二级优化，得到最佳机构参数:Z二17，无== 0.987，a。一600，仇一450，S一150，该机构参数既能满足运动学的要求，又具有最佳的动力学特性。 9)根主;优化的最佳参数，对该类型的分插机构进行结构设计。 10)总结全文并提出进一步研究的设想及方法。

全文目录

摘要  12-14
Abstract  14-17
附图索引  17-21
附表索引  21-23
第1章水稻插秧机分插机构的研究进展及尚待研究的问题  23-36
  1.1 水稻插秧机分插机构研究的意义和目的  23-24
  1.2 水稻插秧机分插机构的研究进展  24-30
    1.2.1 传统插秧机分插机构  24-27
    1.2.2 高速插秧机分插机构  27-30
  1.3 分插机构尚待研究的问题及其研究方法  30-32
    1.3.1 分插机构的研究趋势  30-31
    1.3.2 尚待进一步研究的问题  31
    1.3.3 创新性研究方法及技术路线的提出  31-32
  1.4 本章小结  32
  1.5 参考文献  32-36
第2章椭圆齿轮行星系分插机构运动学和动力学数值分析的基础理论  36-46
  2.1 机构数值分析的规定  36-37
    2.1.1 坐标系方向的设定  36
    2.1.2 方程中角位移的设定  36-37
    2.1.3 机构示意图和坐标原点设置  37
  2.2 驱动力的分析与求解  37-39
    2.2.1 链条传动  37-38
    2.2.2 椭圆齿轮传动  38-39
  2.3 动力学方程组逐次求解方法  39-40
    2.3.1 动力学方程组逐次求解的方法与思路  39
    2.3.2 切、法线方向作用力的力矩方程形式  39-40
    2.3.3 逐次求解方法的应用实例  40
  2.4 解析形式的刚体复合运动微分方程推导及其应用规则  40-45
    2.4.1 解析形式的刚体复合运动微分方程推导  40-44
    2.4.2 解析形式的刚体复合运动微分方程的应用规则  44-45
  2.5 本章小结  45
  2.6 参考文献  45-46
第3章椭圆齿轮行星系分插机构的运动学分析与高速摄像验证  46-64
  3.1 椭圆齿轮行星系分插机构的组成、工作原理和特点  46-47
    3.1.1 椭圆齿轮行星轮分插机构组成和工作原理  46
    3.1.2 椭圆齿轮行星系分插机构的特点  46-47
  3.2 椭圆齿轮传动的运动分析  47-49
    3.2.1 椭圆齿轮的啮合特性和优点  47
    3.2.2 椭圆齿轮的角位移、角速度和传动比分析  47-49
  3.3 椭圆齿轮行星系分插机构运动学模型的建立  49-54
    3.3.1 分插机构的角位移分析  49-50
    3.3.2 运动学分析符号说明  50-51
    3.3.3 运动学模型的建立  51-54
  3.4 椭圆齿轮行星系分插机构运动学分析的程序框图  54-55
  3.5 运动学分析实例  55-57
    3.5.1 运动学分析相关数据  55
    3.5.2 运动学分析结果  55-57
  3.6 运动学参数的高速摄像验证  57-62
    3.6.1 实验设备与实验方法  57-58
    3.6.2 测定参数的确定  58
    3.6.3 分插机构运动运动学参数测定与测定结果分析  58-62
    3.6.4 高速摄像试验的结论  62
  3.7 本章小结  62-63
  3.8 参考文献  63-64
第4章满足插秧要求的椭圆齿轮行星系分插机构最佳参数范围的优化  64-72
  4.1 插秧农艺对椭圆齿轮行星系分插机构的运动学要求  64-65
  4.2 常用的复杂约束优化问题的求解方法及其缺陷  65
  4.3 人机一体优化方法的应用  65-70
    4.3.1 人机一体优化的方法简介  65-66
    4.3.2 椭圆齿轮行星系分插机构人机一体优化系统的构建  66
    4.3.3 基于人机一体优化系统的机构参数优化  66-70
  4.4 两级动力学优化思路的提出  70
  4.5 动力学优化约束条件的确定  70
  4.6 本章小结  70-71
  4.7 参考文献  71-72
第5章椭圆齿轮行星系分插机构的动力学分析  72-91
  5.1 椭圆齿轮行星系分插机构动力学分析的目的和假设条件  72-73
    5.1.1 动力学分析的目的  72-73
    5.1.2 动力学分析的假设条件  73
  5.2 所采用动力学分析方法的特色和创新点  73
  5.3 椭圆齿轮行星系分插机构动力学模型的建立  73-83
    5.3.1 分插机构工作循环及其受力情况分析  73-74
    5.3.2 动力学分析符号说明  74-76
    5.3.3 推秧装置动力学模型的建立  76-79
    5.3.4 分插机构动力学模型的建立  79-83
  5.4 椭圆齿轮行星系分插机构动力学分析的程序框图  83-84
  5.5 动力学分析实例  84-89
    5.5.1 动力学分析相关数据  84
    5.5.2 动力学分析结果  84-89
  5.6 本章小结  89-90
  5.7 参考文献  90-91
第6章通用旋转式分插机构动力学试验台的研制及椭圆齿轮行星系分插机构动力学模型的验证  91-105
  6.1 通用旋转式分插机构动力学试验台的研制  91-99
    6.1.1 动力学试验台测定参数及其测定方法的确定  91
    6.1.2 动力学试验台设计的要求  91-92
    6.1.3 动力学试验台总体传动方案的选择  92-96
    6.1.4 配套的实验设备  96-97
    6.1.5 弹性元件、测量电桥和动力学参数测量电路的设计  97-98
    6.1.6 动力学试验台的创新点  98-99
    6.1.7 动力学试验台的外观图  99
  6.2 椭圆齿轮行星系分插机构动力学参数的验证  99-103
    6.2.1 推秧装置动力学模型的验证  99-101
    6.2.2 分插机构动力学模型的验证  101-103
  6.3 本章小结  103-104
  6.4 参考文献  104-105
第7章基于改进遗传算法的椭圆齿轮行星系分插机构的动力学参数优化  105-115
  7.1 基本遗传算法简介  105-108
    7.1.1 计算步骤  105-107
    7.1.2 基本遗传算法的特点  107
    7.1.3 基本遗传算法存在的问题  107-108
  7.2 基于种间竞争的遗传算法的改进  108-109
    7.2.1 改进思路与计算步骤  108
    7.2.2 算法的比较分析和结论  108-109
  7.3 椭圆齿轮行星系分插机构的动力学优化模型的建立  109-110
    7.3.1 目标函数的建立  109-110
    7.3.2 约束方程的建立  110
    7.3.3 动力学优化数学模型  110
  7.4 基于改进遗传算法的椭圆齿轮行星系分插机构的动力学参数优化  110-113
    7.4.1 约束方程的处理与编码方法  110-111
    7.4.2 基于改进遗传算法的动力学参数优化  111-112
    7.4.3 分插机构最佳参数的运动学和动力学特性  112-113
  7.5 本章小结  113-114
  7.6 参考文献  114-115
第8章椭圆齿轮行星系分插机构两级优化软件的开发及应用  115-119
  8.1 软件的开发  115-118
    8.1.1 椭圆齿轮参数计算  115
    8.1.2 椭圆齿轮行星系分插机构的运动学分析  115-116
    8.1.3 椭圆齿轮行星系分插机构的角位移、(角)速度、(角)角速度分析  116-117
    8.1.4 椭圆齿轮行星系分插机构的动力学分析  117
    8.1.5 椭圆齿轮行星系分插机构的动力学优化  117-118
    8.1.6 帮助  118
  8.2 软件的应用  118
  8.3 本章小结  118
  8.4 参考文献  118-119
第9章椭圆齿轮行星系分插机构的结构设计  119-128
  9.1 椭圆齿轮的设计与加工  119-123
    9.1.1 椭圆齿轮节曲线弧长的计算  119-120
    9.1.2 椭圆齿轮啮合的压力角及根切校验  120-121
    9.1.3 椭圆齿轮的设计  121-123
    9.1.4 椭圆齿轮的加工  123
  9.2 其它部件设计及其应注意的几个问题  123-127
    9.2.1 栽植臂的设计与运动干涉  123-124
    9.2.2 凸轮、拨叉的设计与凸轮安装位置的确定  124-126
    9.2.3 取秧点和秧门位置的确定  126-127
  9.3 本章小结  127
  9.4 参考文献  127-128
第10章结论与展望  128-131
  10.1 结论  128-129
  10.2 本论文的主要创新点  129-130
  10.3 进一步研究的展望  130-131
附录椭圆齿轮行星系分插机构动力学试验的原始数据  131-141
致谢  141-142
博士学习期间发表的相关论著、主持的课题和申报的专利  142-143
本论文采用的实验仪器设备  143

椭圆齿轮行星系分插机构的动力性能分析、参数优化及实验验证

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