基本信息
- 项目名称：
- 偏心变位齿轮行星系分插机构的机理分析和优化设计
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究小组从《机械原理》课程中的变位齿轮得到启发，通过轮齿变位改变齿厚来消除齿侧间隙，提出一种新的结构更简单的能够消除齿轮间隙的传动机构——偏心变位齿轮传动机构，并将其用于旋转式分插机构中，发明了一种新的旋转式分插机构——偏心变位齿轮行星系分插机构。该分插机构由三个偏心齿轮和两个偏心变位齿轮构成，结构简单，可以实现无侧隙啮合传动，工作平稳。 本项目研究的旋转式分插机构在继承了以往分插机构的优越性能的基础上，着重从结构和加工工艺上进行改进，使其结构简单，加工成本降低，促进产业化的实现，具有较好的市场前景。
- 详细介绍：
- 目前，在市场上销售的各种高速插秧机(乘坐式插秧机)，其核心工作部件——旋转式分插机构大多是采用日本的专利。例如，用的较多的是偏心齿轮行星系分插机构。偏心齿轮传动机构的不足之处是传动过程中齿轮间隙会发生变化，引起振动和转速跳动。日本的偏心齿轮行星系分插机构由9个偏心齿轮构成，采用两个窝卷弹簧装置来消除齿轮间隙，结构复杂。 偏心变位齿轮行星系分插机构是一种旋转式高速插秧机的插秧机构，插秧效率高、工作性能可靠、传动平稳。该分插机构由三个偏心齿轮和两个偏心变位齿轮构成，其中，太阳轮和行星轮为偏心齿轮，中间轮为偏心变位齿轮。利用偏心齿轮与偏心变位齿轮外啮合传动来实现非匀速传动，选择合适的偏心量和中心距来形成所要求的非匀速传动比及转角关系，可以获得满足高速插秧机工作要求的“腰子形”静轨迹，该机构同时适合大小苗插秧要求。 偏心变位齿轮的设计是本项目的难点之一。偏心变位齿轮传动包括主动偏心变位齿轮和从动偏心变位齿轮。该偏心变位齿轮传动与偏心齿轮传动和变位齿轮传动都不同，该偏心变位齿轮的各齿都有不同的变位系数和变位量，在齿轮的形状特征上表现为该种偏心变位齿轮的每个轮齿齿形不尽相同，其轮齿形状由一对偏心齿轮传动时的齿隙量决定，通过选取变位系数和计算变位量获得，无需增加消除齿隙的装置就可以消除一般偏心齿轮传动时，由于几何中心距变化而引起齿侧间隙的变化，从而引起机构运动误差、冲击和振动。偏心变位齿轮传动可以实现无侧隙的变速传动。 分插机构参数优化是一个复杂的多目标优化问题，各目标之间具有非线性、强耦合性和模糊性，现有的优化方法难以解决分插机构的目标参数优化问题。因此，本项目的难点之二就是寻求一种新的优化方法，解决分插机构复杂的多目标优化问题。 基于可视化编程语言VB6.0，开发了分插机构辅助分析与优化软件，解决旋转式分插机构复杂的多目标运动学优化问题，完成了机构的二维和三维设计；对主要部件进行有限元强度分析，改进了栽植臂壳体的结构和加工工艺，改进了齿轮加工方法，促进分插机构产业化的实现；利用ADAMS软件进行该机构的运动学和动力学仿真分析，优化分插机构的动态性能，降低分插机构工作时的振动；加工了分插机构部件和试验基座，在分插机构动力学试验台上，测试分插机构的运动学和动力学特性，验证理论分析和设计结果。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的 目前，我国机械化种植为11%左右，而机械收获已占46%左右，机械插秧已成为我国水稻生产全程机械化的“瓶颈”问题。在市场上销售的各种高速插秧机(乘坐式插秧机)，其核心工作部件——旋转式分插机构大多采用日本的专利。例如，用的较多的是偏心齿轮行星系分插机构。这种机构由于齿隙变化引起振动，需增加防振装置，结构较复杂。为了实现高速插秧机的国产化，必须发明一种新的结构更简单的旋转式分插机构。 基本思路 对现有的高速插秧机分插机构的结构和插秧轨迹形成原理进行分析，将农机与农艺相结合，对分插机构进行机构创新，通过理论分析，采用变位原理，对偏心圆齿轮进行变位，设计出无侧隙变速传动的分插机构。建立运动学数学模型，进行机构参数优化，最后研制样机并进行试验验证。 创新点 1）发明了一种新的结构更简单的旋转式分插机构； 2）分插机构优化设计软件的开发与虚拟试验； 3）分插机构零部件加工工艺的改进。 技术关键 1）偏心变位齿轮的设计； 2）解决分插机构复杂的多目标优化问题。 主要技术指标 作业行数 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；整机重量 500kg左右；操作人员 1人。
科学性、先进性
- 几种常见的高速插秧机分插机构的结构与特性比较如下： 1）偏心齿轮行星系分插机构（日本），由9个偏心齿轮构成，结构复杂，需增加消除齿轮间隙的装置，结构复杂，有齿侧间隙，传动不平稳； 2）圆柱齿椭圆齿行星系分插机构（国内），由3个椭圆齿轮和4个圆齿轮构成，结构较复杂，无齿侧间隙，传动平稳； 3）偏心变位齿轮行星系分插机构（本研究小组设计），由3个偏心圆齿轮和2个偏心变位齿轮构成，结构简单，无齿侧间隙，传动平稳。 通过比较可以得到，与日本的偏心齿轮行星系分插机构相比，结构更简单，可以实现无齿侧间隙传动，工作平稳；与国内的圆柱齿椭圆齿行星系分插机构相比，尽管都能实现无齿侧间隙传动，传动平稳，但偏心变位齿轮行星系分插机构的结构更简单。此外，本作品从结构和加工工艺上进行改进，降低了加工成本，具有较好的市场前景。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月在浙江师范大学举行的第十一届“挑战杯”浙江省大学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。
作品所处阶段
- 本作品已完成实物的加工和试验台上的试验，并成功安装于高速插秧机上。将于6月底进行田间插秧试验。
技术转让方式
- 专利转让或部件销售
作品可展示的形式
- 作品以田间插秧试验录像和实物形式进行现场演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 乘座式高速水稻插秧机是目前最先进的插秧机械,工作效率高，适合于大田块作业。目前，在市场上销售的各种高速插秧机(乘坐式插秧机)，其核心工作部件——旋转式分插机构大多采用日本的专利，进口机型每台成本较高，约为10万元/台，国产机型约为6万元/台。 本研究小组研制的偏心变位齿轮行星系分插机构适用于高速水稻插秧机，是一种具有自主知识产权的分插机构。具有振动小、运转平稳、结构简单、造价低（参考国内外同类技术与产品的生产分析）等特点。例如，该分插机构只有五个齿轮，减少了齿轮数，降低了模具加工成本；栽植臂壳体的加工工艺改进后，能完成一次性压铸，减少了加工工序，模具加工成本由原来的6-7万元降为3万多元，大大降低加工成本。 由于发明专利的独家转让会给其它企业的推广带来困难，故将采用部件销售的方式推广分插机构。这样即可减少企业的一次性投入，又可面向多家企业，使分插机构具有更好的推广前景。 本项目的研究将加快水稻种植机械化的研究步伐，促进我国农业机械化的发展。
同类课题研究水平概述
- 国内外对高速旋转分插机构的研究已有几十年的历史，不断的有新的分插机构出现，分插机构也在不断的改进，结构更简单，工作更稳定，性能更完善。 高速插秧机的研究始于日本，在上个世纪80年代开始进行插秧机核心部件——分插机构的创新性研究，发明了旋转式分插机构，应用在乘坐式插秧机上。 目前，在市场上销售的各种高速插秧机(乘坐式插秧机)，其核心工作部件——旋转式分插机构都是采用日本的专利，用的较多的是偏心齿轮行星系分插机构。偏心齿轮传动机构的不足之处是传动过程中齿轮间隙会发生变化，引起振动和冲击。日本的偏心齿轮行星系分插机构由9个偏心齿轮构成，其中太阳轮为一个较厚的偏心齿轮，中间轮与行星轮分别由两个偏心齿轮叠加而成。行星轮的两个偏心齿轮上分别固定了销，利用窝卷弹簧的弹力挤压销，使偏心齿轮发生错位，分别与它们啮合的偏心齿轮也发生错位。发生错位的偏心齿轮以相反的方向作用于太阳轮上，这样保证偏心齿轮齿面都能与太阳轮紧贴在一起，起到消除齿隙的作用。因此，日本采用两个窝卷弹簧装置来消除齿轮间隙的变化，结构复杂，传动不平稳。 国内较具有实用性的有正齿行星轮系分插机构、椭圆差速分插机构和圆柱齿椭圆齿行星系分插机构。其中正齿行星轮式分插机构由4个全等正圆齿轮和3个全等椭圆齿轮组成，3个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的焦点上，且初始相位相同。能实现无齿侧间隙传动，传动平稳，但结构较复杂。椭圆差速分插机构只有由3个全等的椭圆齿轮，齿轮数少，但其动力输入装置复杂，需要2个输入,并要保证太阳轮与行星架的转速比为2:1。圆柱齿椭圆齿行星系分插机构其传动部分由3个全等的椭圆齿轮和两端各2个全等的圆齿轮组成，3个椭圆齿轮转动中心的连线与2个圆齿轮转动中心的连线不在同一条线上，可以实现无齿侧间隙传动，传动平稳，但其结构较复杂。
