關(guān)于水稻插秧機的機械原理課程設計

1、<p><b>　　水稻插秧機</b></p><p>　　1．水稻插秧機設計要求</p><p>　　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。</p><p><b>　　設計要求：</b>

2、;</p><p>　　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)。</p><p>　　2）插秧頻率120次/min。</p><p>　　3）插秧深度10~25mm之間。</p><p>　　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。</p><p>　　5) 對移箱機構(gòu)

3、（送秧機構(gòu)）的設計要求：</p><p>　　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。</p><p>　　b.移箱的時間應與秧爪的運動相配合。</p><p>　　c.傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，必須使用可靠、耐久。</p><p>　　2. 工作原理及其動作分解</p><p>　　分

4、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。</p><p>　　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。</p><p><b>　　圖1</b

5、></p><p>　　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)。</p><p><b>　　工藝動作分解：</b></p><p>　

6、　秧爪按照特定靜軌跡（如 圖1 所示）做往復運動。</p><p>　　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。）</p><p>　　3．分插機構(gòu)，送秧機構(gòu)運動方案設計及確定</p><p>　　1) 分插機構(gòu)的設計方案</p><p><b>　　方案甲：&l

7、t;/b></p><p>　　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。</p><p><b>　　方案乙：</b></p><p>　　評價：本機構(gòu)采用連桿機構(gòu)，利用油缸作為主動件，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。</p><p

8、>　　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。</p><p>　　2）送秧機構(gòu)的方案設計</p><p><b>　　方案A：</b></p><p>　　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。

9、</p><p><b>　　方案B：</b></p><p>　　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控制設備，成本較高。</p><p>　　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

10、本較低，故 送秧機構(gòu) 選擇 方案A。</p><p><b>　　3）方案設計的確定</b></p><p>　　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 。</p><p&

11、gt;<b>　　如圖 ：</b></p><p><b>　　運動仿真圖：</b></p><p><b>　　4．機構(gòu)尺寸的設計</b></p><p><b>　　1）送秧機構(gòu)</b></p><p>　　在設計要求中，電動機 的 轉(zhuǎn)速 為 2600

12、r／min。</p><p>　　由于 傳動機構(gòu) 始末傳動比 i = 26 ，</p><p>　　故 皮帶輪 與 齒輪1 的 轉(zhuǎn)速 為 100r／min 。</p><p><b>　　在設計要求中，</b></p><p>　　插秧頻率 為 120次/min ，</p><p>　　故 齒

13、輪2 的 轉(zhuǎn)速 為 120r／min ，</p><p>　　即 齒輪1 與 齒輪2 的 傳動比 為 5:6 。</p><p><b>　　兩齒輪的設計如下：</b></p><p>　　齒輪1 與 齒輪2 之間的中心距為 99 mm 。</p><p><b>　　齒輪傳動 如圖：</b>&

14、lt;/p><p><b>　　連桿機構(gòu)：</b></p><p>　　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。</p><p>　　假設AB長為10mm，BC長為30mm，CD長為20mm，AD長為30mm， BE長為55mm ，</p><p>　　以 A 為 原

15、點，AD 所在直線為 x軸，建立平面直角坐標系。</p><p>　　由 10 *cosθ1 + 30 *cosθ2 = 30 + 20 *cosθ3，</p><p>　　10 *sinθ1 + 30* sinθ2 = 20* sinθ3， 得，</p><p>　　θ2 = 2* arctan ﹛2*sinθ1 — [16 — ( 2*cosθ1

16、 +1) ² ]½ ﹜/ （4 * cosθ1 — 11）</p><p>　　點E的軌跡方程如下：</p><p>　　x = 10 *cosθ1 + 55*cos（θ2+θ）</p><p>　　y = 10* sinθ1 + 55 *sin（θ2+θ）</p><p>　　利用 MATLAB軟件，通過改變角θ的大?。?/p>

17、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。</p><p>　　在 MATLAB 編譯器中輸入以下語言：</p><p><b>　　for i=1:9</b></p><p>　　th

18、eta1=0:pi/100:2*pi;</p><p>　　theta2=2*atan((2*sin(theta1)-sqrt(16-(2*cos(theta1)+1).^2))./(4*cos(theta1)-11));</p><p>　　x=10*cos(theta1)+55*cos((i-1)*3.75*pi/180+pi/12+theta2);</p><p&

19、gt;　　y=10*sin(theta1)+55*sin((i-1)*3.75*pi/180+pi/12+theta2);</p><p>　　subplot(3,3,i);</p><p>　　plot(x,y);</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　得出軌跡圖：</

20、b></p><p>　?。ǖ谝恍?，θ的值依次為 10°,15°，20°，</p><p>　　第二行，θ的值依次為 25°，30°，35°，</p><p>　　第三行，θ的值依次為 40°，45°，50°。）</p><p>　　經(jīng)過比較這9個

21、軌跡圖，發(fā)現(xiàn) 第二行第二列 的軌跡圖（θ=30°）中的軌跡與 圖1中的軌跡近似，故 選擇 第二行第二列 的軌跡圖（θ=30°）。</p><p>　　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：</p><p>　　將各桿的長度增加一

22、倍，即</p><p>　　AB = 20 mm ，BC = 60 mm ，CD = 40 mm ，AD = 60 mm ，BE = 110 mm ，</p><p><b>　　θ= 30°</b></p><p>　　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

23、度在10~25mm之間的要求。</p><p><b>　　2）送秧機構(gòu)</b></p><p>　　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：</p><p>　　從動件的運動線圖分為6個階段，</p><p>　　各階段運動方程式如下：</p

24、><p>　　1) 0≤ψ≤φ1 （秧箱做加速運動）</p><p>　　S = S1[ψ/φ1—sin(πψ/φ1)/ π]</p><p>　　v = S1ω[1 — cos（πψ/φ1）] /φ1</p><p>　　a = πS1ω²sin(πψ/φ1) /φ1²</p><p&g

25、t;　　2) φ1＜ψ＜φ2 （秧箱做勻速運動）</p><p>　　S = S1 + (S2 - S1)( ψ-φ1)/( φ2 -φ1)</p><p>　　v = 2 S1ω/φ1</p><p><b>　　a = 0</b></p><p>　　3) φ2≤ψ＜π （秧箱做減速運

26、動）</p><p>　　S = S1﹛ (ψ-φ2)/ φ1—sin [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ]/ π﹜+ S2</p><p>　　v = S1ω﹛1 — cos [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ] ﹜/φ1</p><p>　　a = πS1ω²sin [π（ψ-φ2+φ1）/φ1 ] /φ1²</p><p&g

27、t;　　4) π≤ψ≤π+φ1 （秧箱做加速運動）</p><p>　　S = S1﹛（2φ1+φ2—ψ）/φ1—sin [π（3φ1+φ2-ψ）/φ1 ]/ π﹜</p><p>　　v = S1ω﹛[cos [π（ψ—φ2—φ1）/φ1] — 1 ﹜ /φ1</p><p>　　a = —πS1ω²sin [π（ψ—φ2—φ1）/φ1

28、 ] /φ1²</p><p>　　5) π+φ1 ＜ψ＜π+φ2 （秧箱做勻速運動）</p><p>　　S = S1 + (S2 - S1)( 2φ2 +φ1 - ψ)/( φ2 -φ1)</p><p>　　v = —2 S1ω/φ1</p><p><b>　　a = 0</b><

29、/p><p>　　6) π+φ2 ≤ψ≤2π （秧箱做減速運動）</p><p>　　S = S1﹛ (2φ2 + 2φ1 — ψ)/ φ1—sin [π（2φ2 + 2φ1 — ψ）/φ1 ]/ π﹜</p><p>　　v = S1ω﹛cos [π（ψ + 2φ1）/φ1] — 1﹜ /φ1</p><p>　　a = πS

30、1ω²sin [π（ψ - 2φ2 -φ1）/φ1 ] /φ1²</p><p>　　設計要求“每次移箱距離應與秧爪每次取秧寬度相配合”，</p><p><b>　　即</b></p><p>　　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</p><p>　　點E的

31、往復運動周期已知，周期大小為0.5 s 。</p><p>　　設 取秧寬度 為10 mm ，</p><p>　　則 v = 2×S1×ω／φ1 = 20mm／s ，</p><p>　　即 從動件（秧箱）的勻速運動速度的大小為 20mm／s 。</p><p>　　根據(jù)實際需要，設定φ1，φ2，S1，S2的值，&l

32、t;/p><p><b>　　且滿足 </b></p><p>　　2 * S1 * ω／φ1 = 20 mm／s 。</p><p>　　φ1，S1應盡量小些，</p><p>　　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。</p><p>　　取φ1 = π/6, φ2 = 5π/6 ，

33、S1 = 10 mm ，S2 = 110 mm ，</p><p>　　將 φ1，φ2，S1，S2 的值 代入 行程 S 的表達式 ，得</p><p>　　S = 60ψ/π - 10sin(6ψ)/π, ( 0 ≤ ψ ≤ π/6 )</p><p>　　S = 150ψ/π - 15, ( π/6 ＜

34、ψ ＜ 5π/6 )</p><p>　　S = 60ψ/π - 10sin(6ψ)/π + 60， （ 5π/6 ≤ ψ ＜ π ）</p><p>　　S = 70 - 60ψ/π + 10sin（6ψ）/π, ( π ≤ ψ ≤ 7π/6 )</p><p>　　S = 285 - 150ψ/π, ( 7

35、π/6 ＜ ψ ＜ 11π/6 )</p><p>　　S = 120 - 60ψ/π + 10sin(6ψ)/π. ( 11π/6 ≤ ψ ≤ 2π )</p><p>　　由2 * S1 * ω／φ1 = 20mm／s，S1 = 10 mm，φ1 = π/6，得</p><p>　　ω =π/6 rad/s,</p><p>　　

36、即 凸輪轉(zhuǎn)速 為 5 r/min 。</p><p>　　根據(jù)已求出的從動件的 行程S 的表達式 ，</p><p>　　則 對心從動件凸輪機構(gòu) 的 凸輪廓線方程式 為可寫：</p><p>　　X =（rb + S）* sinψ </p><p>　　Y =（rb + S）* cosψ </p><p>　?。?/p>

37、rb為 凸輪基圓 的 半徑值）</p><p>　　取rb = 20 mm ，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：</p><p>　　凸輪機構(gòu)的運動仿真圖：</p><p><b>　　5. 心得體會：</b></p><p>　　本課程設計考察了我們所學的機械原理

38、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。</p><p>　　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

39、設計過程中一個比較大的遺憾。</p><p>　　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。</p><p>　　通過本次設計，積