宫霞霞,刘 丽

(成都大学工业制造学院,四川成都 610106)

0 引 言

水稻在栽插时要求插秧机的插植臂在回转运动的过程中,当秧针取秧时苗箱横向移动的速度减慢,而在非取秧的时间间隔中苗箱的横向移动速度加快,从而实现非匀速送秧.这样可减少对秧块横向的挤压和撕扯,提高取秧精度,确保插秧效率.据此,为保证插秧过程中的农艺要求精度,对步行式插秧机的偏置椭圆齿轮后插旋转式分插机构进行优化设计.

1 机构简化图及运动分析

1.1 机构简化图

偏置椭圆齿轮后插旋转式分插机构的结构如图1所示.图1中,在一个回转的壳体里(相当于轮系机构的行星架)安装3个全等的椭圆齿轮,3个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的焦点上,且相位相同,并支撑在壳体上,两套对称的栽植臂分别与两个行星轮轴相固连.工作时,壳体4作为一个原动件绕中心轮1的回转中心的转动,而中心轮1作为另一个原动体以壳体2倍的转速同向转动.栽植臂上秧爪输出的绝对运动为随壳体的平动和绕行星轮轴心的不等速转动的合成,从而使秧爪获得适于分秧、插秧的运动轨迹.另外,在栽植臂中附加推秧机构(由6、7、9和10组成),其作用是插秧时将秧苗准确推入土壤中.机构中,分插机构椭圆齿轮机构的结构设计精度决定了插秧机插秧效率及精度.因此,可将分插机构中的一套栽植臂轮系机构独立出来,简化成椭圆齿轮曲柄连杆滑块机构,其机构简图如图2所示.

图1 偏置椭圆齿轮后插旋转式分插机构结构示意图

图2 椭圆齿轮曲柄连杆滑块机构简图

1.2 机构运动分析

在简化后的椭圆齿轮曲柄连杆机构中,主动轮1和从动轮2是全等共轭的一对椭圆齿轮,P为瞬时节点,以O1P和O2P分别作为两轮极轴,当轮1以角速度ω1转过φ1角时,轮2则以变角速度ω2逆时针转过φ2角,节曲线上转过的弧长,MP⌒=NP⌒.同时,两轮的向径满足,r1+r2=A=2a.令向径 r1的极角为φ2,椭圆长半轴为 a,椭圆偏心率为e.

主动椭圆齿轮的节曲线方程为,

从动轮的节曲线方程为,

传动比函数为,

椭圆齿轮副的位置函数为,

则有,

对于曲柄滑块部分,以O2为坐标原点建立坐标系 xO2y,其位移方程为,

则,

对位移方程求导,得到速度方程为,

因为,

有,

因此,滑块的速度,即分插的速度,可表示为,

由此可见,分插速度为主动椭圆齿轮转角φ1的函数即,

2 分插机构优化设计

插秧机分插机构秧针取秧时,苗箱横向移动的速度减慢.而在非取秧的时问间隔中,苗箱的横向移动速度加快,从而实现非匀速送秧.根据这一农艺特点,建立机构优化设计数学模型.

2.1 确定设计变量

以椭圆齿轮节曲线的偏心率e,曲柄 l1相对于从动轮2的位置角α,曲柄l1的长度,连杆l2的长度及滑块的偏置距离 l3为设计变量,有,

2.2 建立优化设计目标函数

为保证取秧精度和插秧速度,以秧针取秧时的运动速度,即滑块进程时速度等于设定最佳速度(设为c),为设计目标,并确定滑块的左右两个极限位置时,曲柄O2B与x轴正向的夹角θ1,即:

左极限,

右极限,

据此,目标函数可以写为,

2.3 约束条件及优化设计模型

(1)边界条件,

(2)四杆机构曲柄存在条件,

(3)最小传动角条件,

(4)椭圆齿轮运动无突跳条件,即从动轮最大与最小角速度之比需满足 K≤5,即,

(5)曲柄和连杆的长度关系,

则,机构优化设计数学模型为,

其中,c=0.34m/s,ω1=180 rpm,Z=31,m=2.利用约束随机方向法进行求解得到,

优化参数即得到,

3 总 结

通过对插秧机偏置椭圆齿轮后插旋转式分插机构简化成非圆齿轮曲柄连杆滑块机构,并对简化模型通过数学建模和优化设计计算,以确定机构的各结构参数,从而保证插秧机取秧精度及插秧效率的农艺要求.

[1]吴序堂,王贵海.非圆齿轮及非匀速比传动[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2]周杰,周少华.椭圆齿轮曲柄滑块机构的运动分析及设计计算[J].武汉交通科技大学学报,1998,22(3):84-87.

[3]方明辉,李革,赵匀,等.基于Matlab的非圆齿轮副齿廓算法研究[J].农机化研究,2010,32(8):57-60.

[4]程启森.基于UG的非圆齿轮设计与实现[J].煤矿机械, 2011,32(1):221-224.

[5]于大坚,邬义杰,王彬,等.基于非圆齿轮传动的精密压力机驱动机构设计[J].组合机床与自动化加工技术,2010, 52(12):13-18.

[6]尹建军,赵匀,张际先.高速插秧机差速分插机构的工作原理及其CAD/CAE[J].农业工程学报,2003,19(3):1-5.