插秧机设计论文.doc

1、安徽农业大学经济技术学院毕 业 论 文（设计）论文题目 proe机动插秧机曲柄摇杆式分插机构运动轨迹设计 姓 名 孙艳丽 学 号 08530012 院 系 经济技术学院 专 业 08机械设计制造及其自动化指导教师 陈迎春 职 称 副教授 中国合肥二一二 年六月PROE机动插秧机曲柄摇杆式分插机构运动轨迹设计摘要曲柄摇杆分插机构具有结构简单、工作可靠和插秧质量好等特点,在水稻分插机中普遍使用。由于其运动轨迹不是很直观反应出来，故对其进行运动仿真，从而得到运动轨迹。首先，对其数学模型进行分析，用三角形向量对其运动轨迹进行诠释，再根据实际测绘的数据加以修改，再用proe三维软件建模，装配，机构仿真，

2、绘出曲柄摇杆式分插机构的运动轨迹。从而，更直观地了解分插机构的插秧轨迹，与实际情况对比，基本符合要求。关键词：曲柄摇杆 分插机构 运动轨迹 目 录1 引言12 水稻插秧机的研究与发展12.1水稻插秧机械化的重要作用12.2 我国插秧机的研究与发展22.2.1 人力插秧机22.2.2 机动插秧机22.2.3 大小苗两用插秧机22.2.4 2ZT系列机动插秧机22.3 发展水稻插秧机械化的经济效益和社会效益32.3.1 节省秧田32.3.2节水省肥省药32.3.3 节本增效32.3.4 高产稳产32.3.5 如何推广机械化水稻32.3.6 加强示范，提高农民购买的兴趣42.4 展望43曲柄摇杆式分

3、插机构的技术要求43.1分插机构概述43.2 曲柄摇杆式分插机构概述63.2.1曲柄摇杆式分插机构的类型73.2.2 曲柄摇杆式分插机构运动学数学模型833曲柄摇杆式分插机构测绘及零件建模113.4 模型装配及运动轨迹143.5运动轨迹总结15结论16参考文献18Abstract19致谢20- II -PROE机动插秧机曲柄摇杆式分插机构运动轨迹设计作者：孙艳丽 指导老师：陈迎春（安徽农业大学经济技术学院 08机械设计制造及其自动化专业 合肥 230036）1 引言水稻插秧机械化是继品种和栽培技术更新之后，进一步提高水稻劳动生产率的又一次技术革命。目前，世界上水稻机械插秧技术已经成熟，日本、韩

4、国等国家以及我国台湾省的水稻生产已经全面实现了机械化。我国是世界上最早研究实验机动插秧机的国家。20世纪50年代初，中国就已经提出秧箱移动、群体分秧、独轮驱动、波浪形船底和利用插入段取秧器失控原理来保持秧苗直立性等设计方案，成功地设计制成我国第一台畜水力水稻插秧机。到1960年，各地推荐生产上使用的人力、畜力插秧机已达21种。1967年，第一台自走式机动插秧机“东风-2S”型通过鉴定定型并投入生产,每天可插秧1520亩。日本于1898年,发表第一个水稻插秧机专利；意大利于1915年开始研究拔秧苗的水稻插秧机，至50年代已有拖拉机配套的商品出售,但都由于结构复杂、造价高,作业时需用辅助劳力多而未

5、能推广。日本于60年代研制带土小苗的栽植技术和相应的水稻插秧机。2 水稻插秧机的研究与发展2.1水稻插秧机械化的重要作用水稻是我国主要粮食作物之一，在我国粮食生产中有着举足轻重的地位。水稻在我国有悠久的栽培历史，水稻插秧是我国农业精耕细作的优良传统。但历来依靠手工栽插，工作条件差，劳动强度大，作业效率低。插秧季节又是其他农活的大忙季节，劳动力比较紧张。因此，用机械插秧来代替传统的“弯腰曲背手插秧”是艰巨而迫切的任务。因此解决水稻插秧机械化问题，是实现水稻生产机械化的重要部分。据有关部门测算，如果我国插秧机械化水平提高，就能增产3.75亿千克。资料表明用插秧机插秧的增产效果为51 09。因此，实

6、现水稻插秧机械化，既能减轻劳动强度，又能增加收入，必将使农业生产产生一个大的飞跃，促进整个国民经济的发展与农民收入水平的提高。2.2 我国插秧机的研究与发展我国是首先研制并用于生产插秧机的国家之一，于1953年开始研究插秧机，在此之前，国外只有意大利、日本等国研究过插秧机，但因质量差、成本高等原因均未使用。我国插秧机的研究大致分4个阶段：2.2.1 人力插秧机1953年原华东农业科学研究所(1957年改建为南京农机所)将插秧机列入科研课题i1956年梳齿纵拉分秧原理初步成型，试制出样机；1956年4月，在武昌召开的全国第一次插秧机试验座谈会上，有两台插秧机参加田问试验，证明了实现插秧机械化的可

7、能性。1965年，广西65型人力夹式水稻插秧机通过部级鉴定。产品定型后，由南宁插秧机厂与耒阳插秧机厂生产。3年调整期间，在压缩基本建设投资的情况下，国家仍分别投资143万元和62万元给南宁和末阳插秧机厂，以推动插秧机的发展。2.2.2 机动插秧机我国于1964年开始出现机动插秧机，1967年l1月东风2S型机动插秧机通过部级鉴定，该机获全国科技发明奖。它是一种插洗根苗的插秧机，采用转臂滑道式分插机构。2.2.3 大小苗两用插秧机7O年代为适应农业部推广带土苗移栽的要求，出现既可插带土苗，又可插洗根大苗的两用插秧机。如东风一74型、湖北一32型等。为便于推广使用，国家决定统一插秧机型号，定点生产

8、，以保证质量。1979年，全国统型2Z系列机动水稻插秧机通过部级鉴定。这一系列共l2个型号，吸收了各机型的优点，插秧方式为滚动直插式。分插机构为转臂滑道式机构，继续采用单轮水田叶轮驱动、铰接秧船滑行的行走方式，配备408kW的风冷柴油机，有效地解决了插秧机作业的行走问题，该系列基本满足我国各地农业的要求，部件通用化程度达到70，零件通用化率达8088。2.2.4 2ZT系列机动插秧机1979年我国从日本引进成套的水田农机具。上海市和四平市在2Z的系列插秧机的基础上，参照日本插秧机的曲柄摇杆式分插机构，研制成中头日尾式2ZLr系列机型t于1980年和1982年分别通过鉴定。其代表为我国普遍使用的

9、吉林延边插秧机厂制造的2ZT-935系列插秧机。2Z3-935型机的分插机构以日本井关公司的PL_820型为原型设计的，分插频率高，为263次min，行距3Om，插6行，生产率为16hah-2hah实践证明，该种机型用于栽插带土中、小苗较为理想。2.3 发展水稻插秧机械化的经济效益和社会效益2.3.1 节省秧田由于机械插采用的是毯状秧苗，育秧凸显高密度、短秧龄特性、秧田及肥水利用率高，可大量节省秧田并显著提高育秧工效，秧田利用率比常规育秧提高8-10倍。课大幅度节约耕地，增加农民收入。全国4亿亩水稻秧田，常规育秧约需占用4000万亩，节约秧田面积3600万亩，将极大的降低水稻生产成本，因此带来

10、的间接效益也极为可观。特别是在我国耕地面积日益减少的情况下。具有重大的现实意义。2.3.2节水省肥省药机插育秧苗期易于管理，大大提高肥、水、药的使用效果，减少了施用量。大田期，采用薄水活棵，间歇灌溉的管水方式，亦可大量节省用水。适当调节用肥比例与用肥时机，可大大提高肥料的增产效果。由于机插秧采用的是大小秧苗，其播期比常规育秧适当延迟，错开了条纹叶枯病等病害的高发期，有效降低了水稻害虫的侵染途径，移栽至大田时带病率低，因而发病的轻，能减少用药次数。另外，机插秧宽行移栽，通风透光条件优越，也增强了水稻的抗逆性。因此，机插水稻省肥省药优势明显，机插秧防治病虫用药要比手工插秧省2-3次，对“无公害”、

11、“绿色”稻米生产有显著作用，更能体现发展资源节约型和环境友好型农业的要求。2.3.3 节本增效机插秧与传流手工种植方式相比，可大幅降低育秧和栽插环节的劳动强度，有明显的省工优势。一般人工手插水稻每亩需15个工作日，采用手扶插秧机和高速插秧机栽插每亩需15-20分钟。在生产成本方面，与常规作业相比，机插秧节本优势明显，而且种植规模越大，效益越显著。此外，机插双模、软盘育秧流程与技术工艺简单明了，易操作，适应性广，投资少，农民易接受应用。2.3.4 高产稳产机插秧实现了款行、浅栽、定穴、定苗栽插，栽后发根力抗逆性强，能够早扎根力苗，早活早发，秧龄短、栽后分蘖期短增加了两个分蘖节，为增足穗奠定了基础

12、，群体质量易于调控，且适应性广，容易获得高产稳产。2.3.5 如何推广机械化水稻我国水稻机械化种植技术应当以机插秧为主要发展方向。当前，我国形成了机抛秧、机直播、机插秧等几种水稻机械化种植方式。这几种种植方式与人工作业相比都能够大幅度减轻劳动强度，提高劳动生产率，获得水稻高产，且机插秧可利用不同地区气候条件所造成的插秧时间差，组织插秧机跨区作业。所以机插秧更具有大面积推广的前景。2.4 机械插秧发展前景国家重视农业的发展。我国农业部制定的水稻生产机械化发展“九五”和2010年规划中要求。到2000年水稻机械化栽植面积达到4500kha，占种植面积的15左右，到2010年全面实行水稻生产机械化。

13、经1993年国务院批准，插秧机械产品享受13的增值税率。这些均为插秧机的发展提供了良好的环境与条件。在从传统农业向现代农业转变的过程中，随着农村产业结构的调整，农民收入水平、生活水平的提高和劳动观念的改变，特别是南方主要水稻生产区，经济发展较快，劳动力不断转移到其它产业，机插面积较少，对水稻插秧机的需求更为强烈。当插秧机质量提高，插秩机所创造的经济效益、物质利益大于人力，农民将踊跃购买既能减轻劳动强度又能增加收入的插秧机。我们相信实现农业机械化指日可待。3曲柄摇杆式分插机构的技术要求3.1分插机构概述分插机构是目前应用最普遍的水稻秧苗栽植机构，该机构主要特点是工作可靠，插秧质量好。国内生产的较

14、先进的2ZT一935型水稻插秧机，其分插部件就采用了这种形式。田间实际工作插次为每分钟200次左右。使用表明，当插次增至每分钟260次以上时， 振动相当剧烈， 以至无法正常工作。为解决这一问题，并为探索分插机构的工作机理， 本文以主要振动力源曲柄轴和连杆轴作用力为主要研究对象，对分插机构进行分析和探讨。在此过程中，为了使分析更接近于机构的实际工作状态，改变了把机构简化为一般的曲柄摇杆机构的传统研究方式，分析了推秧装置的推秧和碰撞过程。分插机构是水稻插秧机的主要工作部件，由取秧器及其驱动机构和轨迹控制机构组成。取秧器在驱动机构的驱动和轨迹控制机构的控制下，按照一定的轨迹从秧箱中分取一定数量的秧苗

15、并将其插入土中，然后返回原始位置开始下一次循环动作。按分秧动作，有横分和纵分两种。横分取秧器有适于拔取苗栽插的秧夹和适于带土苗栽插的切扒式秧爪，两者根据需要可互换使用。秧夹由活动夹片和固定夹片构成，其张开度根据秧苗的粗细和秧苗数量进行调节；切扒式秧爪带有脱秧片，使带土秧苗从秧爪上顺利脱出。纵分取秧器有适于拔取苗栽插的梳式秧爪，适于带土苗栽插的有装上脱秧器的梳式秧爪，或采用筷子式秧爪。梳式秧爪在分秧过程中对秧苗有分理作用；筷子式秧爪在插入带土秧苗中取秧时，由推秧片把带土苗强制推出。一定数量的秧夹或秧爪按规定行距配置在秧夹（或秧爪）排上。在滚动直插式插秧机上，一般有24个秧爪排与作圆周运动的分插轮

16、转臂铰接相连；在摆动直插式插秧机上。一般是一个秧爪排同作往复摆动的摇臂铰接相连，也可将一个取秧器直接装在一组曲柄连杆机构的连杆上，进行分组驱动。在多数插秧机上，取秧器的运动轨迹除由驱动机构控制外，还受轨迹控制机构的控制。常用的轨迹控制机构有导槽、滑道、凸轮、行星齿轮和四杆机构等，与各种驱动机构配合组成各种类型的分插秧机构。水稻插秧机的分插机构的技术要求：l 保证每穴株达到要求，在一定范围内调节并有较高的均匀度；一般为每穴3-5株。l 适合栽植规格。包括行距，株距和插深；因地制宜选用。行距：9寸（300mm）适合于北方稻区。7寸（238mm）适合于南方稻区。穴距：3寸（100mm）、4寸（133

17、mm）、5寸（167mm）、6寸（200mm）。由于各地自然条件、品种类型不同而有所差异；随着旱育稀植技术的推广，要求穴距加大；在行距300mm时，甚至有穴距达到6-8寸（200-267mm）的“超稀植”。插深：一般10-25mm，应可调节。l 作业质量指标应达到标准。漏插率：5%伤秧率：4%相对均匀度合格率：85%秧苗：高度80-250mm；土厚：15-25mm；秧苗原始空格率小于5%，泥土湿度适宜，插前床土含水率35%-55%，育秧土必须经过4-6mm孔筛过，无杂物。水田：泥土要耙烂、整平，泥脚深度小于300mm；水层深度10-30mm。(下图为曲柄摇杆式插秧机的实图)3.2 曲柄摇杆式分

18、插机构概述曲柄摇杆式分插机构由曲柄、栽植臂（连杆）、摇杆和机架固定杆组成四连杆机构。曲柄固定在传动轴上做圆周运动，摇杆相对其摆动中心做往复运动，而分离针（秧爪）固定栽植臂，栽植臂及连杆做平面复杂运动，其秧爪的运动轨迹及连杆曲线的一种。这种分插机构属于往复直插式的工作原理，可以达到分秧与插秧要求。适用于带土苗插秧，结构简单，运转平稳，密封性好，广泛应用于国内外插秧机上。（上图为直插原理） 3.2.1曲柄摇杆式分插机构的类型曲柄摇杆式分插机构根据分布方式可以分为两种类型：卧式布置（又称前插式或秧箱前倾式）指曲柄和摇杆在机架上的铰结点连线基本平行于地面，按左右排列的插秧机；立式布置（又称后插式或秧箱

19、后倾式）指曲柄和摇杆在机架上的铰结点连线基本垂直于地面，按上下排列的插秧机。本次研究的是立式分插机构：立式机的秧箱是后倾的，有利于手扶式步行插秧机装秧和续秧；分插机构在秧箱前方，视野清晰，便于观察和操纵机器，保证驾驶安全；秧箱在后部有利于整机前后平衡。和卧式机相比，立式机的特点在于秧爪的动轨迹摆环交叉点的高度与所插秧苗高度无关，摆环交叉点在秧苗的前方（而卧式机秧爪动轨迹摆环交叉点限制了秧苗高度，过高易造成“搭桥”现象而产生伤秧），因而在满足同样秧苗高度的条件下，立式机可以采用较小的机构设计尺寸；并且由于构件质心配置合理而惯性力较小，可以提高每分钟插秧次数。3.2.2 曲柄摇杆式分插机构运动学数

20、学模型 对于农业机械上各类机构及像位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、力、力矩等向量的分析研究，已采用复数矢量法比较方便。下面以复数矢量法来解释曲柄摇杆式分插机构运动学的数学模型。1) 复数矢量：复数矢量是放置在复数平面上的矢量。它可以分别表示成为代数式、三角式和指数式 R = X + jY =rcos + jrsin =rej 其中，R = rej是复数矢量，r为这个矢量的模，从X轴正方向到矢量R的角度以逆时针为正，即角为幅角。2) 复数矢量的三角法：设两个矢量A和B之和为R。R=A+B分别表示成指数式时则有： R = rej；A = aej；B = bej；rej = aej +

21、 bej 两端分别取实部、虚部应相等。 rcos = acos + bcos rsin =asin + bsin 式和是有关各个标量在数量形式上的标量方程式。由此可见，在平面内的矢量方程式R=A+B包括了两个标量方程式：即一个矢量方程式在平面内可以求解两个未知数。设计机构的目的是传递运动。在原动件上给予某种运动时，随动件可以得到所希望的运动。输入和输出应当存在某种固定的函数关系。可以描述成确定的矢量图，因而表示机构的矢量方程式是可解的方程式。平面机构都可以化成为三角形的形式来表达。所以研究复数矢量的三角解法非常重要。3) 牧野洋提出的平面矢量分类及复数矢量三角解法分类见表15-1、表15-2.

22、这个分类是根据不同的情况，求解矢量方程式的解。对连杆和凸轮这样的矢量元件，应当用矢量方程式来求解。符号极坐标形式说明终点所在范围KCBLPkejqcejqbejqlejqpejq已知矢量常数矢量长度已知、方向未知方向已知、长度未知方向未知、长度未知动点固定点圆周上直线上平面上表15-1分类矢量方程式几何学说明解数分类1分类2分类3分类4Pc=Kn+KaLc=Lb+KaLc=Bb+KaBc=Bb+Ka已知矢量求和直线与直线的交点直线和圆的交点圆和圆的交点1122表15-24) 用复数矢量三角解法建立数学模型：a) 将机构图画成矢量图，利用复数矢量来表示各构件。以O点作为坐标原点，机架杆B1、曲柄

23、B2、辅助矢量B3、连杆B4、摇杆B5、秧爪B6、秧爪尖失径B7，运算中所用符号：Bi为复数矢量的模，qi为其幅角，Wi为同下标矢量的角速度，ei为其角加速度。b) 秧爪尖的位移解。用三角解法： 由DAOC B3 = B2 + B1 求B3、q3，而B2 = B2ejq2 由DACB B3 =B4 + B5 求q4、q5 由DAOE B7 = B2 +B6 求E点轨迹c) 秧爪尖的速度。对位移矢量一次求导可以求得速度： 由DAOC 3 = 2 3 =jq2B2ejq2 由DACB 3 = 4 + 5 求w4、w5 由DAOE 7 = 2 + 6 求E点的速度d) 秧爪尖的加速度解。对速度矢量方

24、程的一次求导可得加速度： DAOC 3 = 2 = -B2 ejq2 DACB 3 = 4 + 5 求e4、e5 DAOE 7 = 2 + 6 求E点的加速度33曲柄摇杆式分插机构测绘及零件建模proe是美国PTC引公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，

25、是现今最成功的CAD/CAM软件之一。 现在使用最多的版本：Pro/ENGINEER Wildfire野火4.0。基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。根据实际曲柄摇杆式分插机构测绘而来的数据建模得到主要的零件实体模型图如下：插植臂

26、拨叉：它起到力和运动的传递的作用，所以它很容易受损，所以材料要选用机械性能比较高的材料。比且在接触的地方要求耐磨。桃形凸轮：运动的传递和力的承载轴承曲柄摇杆连杆 推秧器栽植臂底座顶盖 主轴以上每一个零件都是根据测绘的数据建模的，一些螺钉、螺母、连接件就不在这里一一列举了。测绘到建模的过程中，我不断修改，不断规范数据，不断改进数据。从而得到比较合理的模型。接下来，便是装配零件，把零散的零件组合成为能够运动的机构。首先，要把一些简单的机构组装起来如图：栽植臂3.4 模型装配及运动轨迹零件建模完成装配结果如图然后对模型进行添加销钉约束，通过伺服马达驱动轴转动，相继带动摇杆转动，接着凸轮转动带动拨叉运

27、动，当凸轮不接触拨叉时，弹簧推动推秧器向下移动，就这样，反复运动，就形成了插秧的轨迹。3.5运动轨迹总结插秧轨迹根据观察比较，该轨迹与实际情况对比基本一致。结论2012年4月，我开始了我的毕业设计论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了很多难忘的回忆和收获。4月初，在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：曲柄摇杆式分插机构运动轨迹分析。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料

28、的收集工作中，当时有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。接下来，便是收集资料和数据，我在学校图书馆，还在网上查找各类相关资料，有助于论文的编写。最让我难忘的是对实物的测绘，用扳手把把机器拆开，对里面的零件一一测量，再把数据记在笔记本上，并附于简单的手绘图形，经过三次的反复测量，终于数据基本得到。紧接着，我就开始了三维图的绘制，连续奋战了好多天，把模型完成了，期中包括建模，装配，运动学轨迹模拟等，同时截出图形和进行论文编写。4月底，材料已经准备完毕了，并及时和导师联系，并和同学互相交流，导师同学指出了模型的不足，我一一做出

29、修改。6月初，在老师和同学的帮助下基本完成论文的编写。接下来，在老师的指导校对下，毕业设计完成了。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在自己努力下，掌握了机械设计的过程，机械设计的思维，在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。参考文献1 李宝筏. 农业机械学 20032 赵匀.农业机械计算机辅助分析和设计19983 林清安. proe零件设计4 赵匀等. 曲柄摇扦式水稻栽植机构动力学分析和试验研究.第一次全国种植机械情报同年会论文， 19895 王清疑 李道椿. 连杆式水稻插秧枫分