宽窄行分插机构空间轨迹和姿态形成机理与设计方法研究

Traditional rice transplanter can not be used for the wide-narrow distance rice transplanting. The existing transplanting mechanism for wide-narrow distance rice transplanting picks the seedling obliquely and has oversize cave in its projection trajectory. The project breaks though the traditional design concept that the transplanting trajectory formed by the mechanism with inconstant transmission ratio must be in a plane, proposing and researching the wide-narrow distance rice transplanting mechanism composed by spatial planetary gear train to achieve a trajectory with the trait of upright picking seedling and suitable cave based on the design and optimization method for the mechanism with a given track. 1) To meet the demand of the wide-narrow distance rice transplanting by machinery for trajectory and attitude, the feasible mechanism combination is discussed. The transmission to form the upright picking seedling and suitable cave is researched. The wide-narrow distance rice transplanting mechanism with potential feasibility is proposed, the ideal transplanting trajectory of which is displayed, and the model for solving the transmission ratio of mechanism with a given track is set up. 2) The parameter-guided optimization method for multi-objectives based on 3D model is proposed. The optimal mechanism attitude and parameters are obtained, and its dynamic balance is optimized though the dynamics model. 3) The kinematics and dynamics test of the mechanism is conducted through simulation and experiment to verify the theoretical model. Eventually, the corresponding design theory and method are established, laying a theoretical foundation for development of new wide-narrow distance rice transplanter, playing a important role in promoting the sustainable development of our rice transplanter industry.

传统插秧机无法实现宽窄行插秧，而现有宽窄行分插机构的斜取秧、轨迹侧向大穴口等问题又一直未能得到很好的解决。本项目突破非匀速传动形成平面插秧轨迹的设计理念，提出并研究基于给定轨迹的机构设计与优化方法实现具有直取秧、小穴口轨迹特征的空间行星轮系宽窄行分插机构。1）根据宽窄行机械插秧所需的轨迹和姿态要求，探索可行的机构组合，研究形成直取秧、小穴口特征所需的传动特性，提出具有实现潜力的宽窄行分插机构，表示其理想的插秧轨迹，建立基于给定轨迹的机构传动比求解模型；2）提出并研究基于三维模型的参数自动导引的多目标优化方法，实现机构姿态和尺度优化，并以此为基础建立机构动力学模型完成动平衡优化；3）利用仿真和试验两种手段进行机构的运动学、动力学特性测试，以验证所建立的理论模型。最终，建立相应的设计理论和方法，为新型宽窄行插秧机的研制奠定理论基础，对促进我国插秧机行业的可持续发展具有迫切的现实意义。

水稻宽窄行插秧是由农艺专家根据国内的水稻种植要求而提出的一项种植技术，它是在保证秧苗种植数量的前提下，通过宽行与窄行间隔栽插的方式增加水稻行间通风、光照，从而达到防止病害、抗倒伏、增加产量(增产率在4%以上)、保证稻米品质的效果。宽窄行插秧机分插机构的插秧轨迹具有空间特性，开展具有空间插秧轨迹的宽窄行分插机构创新设计及相关理论研究对宽窄行插秧机的研制具有重要的应用价值。本项目通过理论分析和试验验证的方式研究机构的运动学和动力学特性，优化机构参数和动力学性能，并建立空间行星轮系宽窄行分插机构快速设计平台。主要研究内容和结果如下：.(1) 研究国内外插秧机的平面轨迹和空间轨迹行星轮系分插机构的工作原理，分析行星轮系机构在宽窄行分插机构设计中存在的问题，阐述了适合不同类型空间行星轮系分插机构的正向和反向建模和设计方法，研究空间传动齿轮的齿廓设计方法，建立非圆锥齿轮球面齿廓的数值计算模型，编写求解程序并完成非圆锥齿轮的快速设计。.(2) 根据宽窄行分插机构的两级传动空间行星轮系机构的设计要求，以宽窄行插秧轨迹的直取秧和小穴口为判断依据，分析不同组合类型的空间行星轮系机构在宽窄行分插机构设计中的优劣性，得出交错轴—相交轴组合行星轮系机构、两级两次相交轴行星轮系机构分别在形成直取秧、小穴口的空间腰子轨迹和空间海豚形轨迹具有潜力。.(3) 提出应用于高速宽窄行插秧机的交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构，建立机构运动学模型，分析了机构的运动学特性，给出了宽窄行分插机构的9个优化目标，建立优化目标与机构参数间的函数关系，利用Matlab的GUI开发平台开发目标引导式的人机交互优化软件，并优化出一组满足插秧要求的机构参数。.(4) 在插秧机通用试验台上利用高速摄像技术开展检测机构运动学特性的台架试验，研制旋转土槽的宽窄行插秧试验台，进行机构的无秧和带秧试验，检测插秧穴口大小、行距、株距、伤秧率、直立度、倒秧和漂秧率，结果符合水稻插秧的技术指标，检测结果验证了机构理论模型和设计方法的正确性，以及设计的宽窄行分插机构可以满足宽窄行插秧要求。.(5) 对交错斜齿轮—非圆锥齿轮行星轮系宽窄行分插机构进行动力学分析，建立动力学模型，通过加载配重块的方式进行机构动力学性能优化，改进动力学试验台，并对加载配重前后的分插机构进行动力试验，改善了机构动力学性能；研制了样机，完成田间试验。