适用于我国南方的小型水田高地隙喷杆喷雾机研发

　　0、 引言

　　我国水稻种植面积广且分散，病虫害发生频繁、防治次数多、所需劳动量大。然而，由于现有植保机械整机质量大，容易在水田里发生打滑及下陷，因而水田病虫害防治仍以手动喷雾器和担架式喷雾机为主，已不能适应水田植保防治要求。从设计轻量化、小型化以及满足我国施药技术基本要求出发，研发适用于我国国情的小型水田高地隙喷杆喷雾机，对提高农药利用率、施药作业效率、减轻农民工作量、减少农药对农民的危害、促进我国施药技术水平提高，以及保障水稻粮食生产安全具有重要意义。

　　1、 传动系统总体设计

　　通过对南方水稻种植特点的调研并结合农艺要求，得到了水稻的间距、行距及地隙等参数要求，最后确定水田高地隙喷杆喷雾机的具体参数如下:

　　配套动力/kW: 10
　　工作速度/m·s－1: 0． 3 ～1
　　喷雾量/L·min－1: 12 ～20
　　喷幅/m: 6 ～8
　　地隙高度/mm: 800 ～1 000

　　要解决喷雾机力和力矩传输、速度大小调节和方向调节的问题，就必然要经过一个传动系统。喷雾机主要采用机械传动方式，动力由发动机输出，经过齿轮箱及蜗轮蜗杆减速器的减速和变向，最终驱使水田叶轮和药泵转动。齿轮箱包含驱动喷杆喷雾机行走的行走传动系统和驱动药泵的喷施传动系统。

　　喷杆喷雾机的齿轮箱行走传动系统示意图如图 2所示。图 2 中，A1为输入轴常啮合齿轮，A2、B 为同轴固定齿轮，C1、C2为一级行走传动常啮合齿轮，D1、D2为二级行走传动常啮合齿轮，E1、E2为三级行走传动常啮合齿轮。喷杆喷雾机的齿轮箱喷施传动系统示意图如图 3 所示。A1为输入轴固定常啮合齿轮，O1、O2为喷施输入轴同轴固定齿轮，P1、P2为喷施输出轴同轴固定齿轮。

　　2、 传动齿轮箱参数化建模

　　水田高地隙喷杆喷雾机传动齿轮箱主要组成部分为: 2 个直齿锥齿轮、11 个直齿圆柱齿轮、13 个轴承和 9 根转动轴等。直齿锥齿轮和直齿圆柱齿轮作为高地隙喷杆喷雾机传动的基本传动件，都是非标准件，每次重复设计都会耗费设计者大量时间和精力。

　　因此，利用参数化建模技术，让设计者只需输入所需参数即能快速建模，可以大大提高设计的效率，为后续虚拟装配、ADAMS 仿真及 CAE 分析奠定基础。

　　2． 1 渐开线齿廓形成原理

　　由于渐开线齿廓能保证定传动比传动、齿廓之间的正压力方向不变以及传动具有可分性，而且便于制造、安装、测量及互换等，因此渐开线齿轮在机械工程中获得了特别广泛的应用。渐开线形成原理如图 4所示。当直线 n—n 沿圆周做相切纯滚动时，直线 n—n 上任一点 K 的轨迹 K0K 为该圆的渐开线。

　　假定 K 点的坐标为(x，y) ，根据渐开线成形原理及几何关系，可知

　　x = rcosα + rαsinα
　　y = rsinα － rαcosα

　　2． 2 齿轮箱直齿锥齿轮的参数化建模

　　直齿锥齿轮参数化建模需已知齿轮模数 m 、齿轮齿数 z1、与之啮合的齿轮齿数 z2、齿宽 B、压力角α 、齿顶高系数 ha*、齿隙系数 c*、变位系数 X 等参数。其他参数如分锥角、分度圆直径等可通过表 1 中的关系表达式计算

　　首先，在 Pro/E 设置直齿锥齿轮的基本输入参数和定义各非输入参数之间的关系，给曲线添加关系式，定义渐开线方程创建渐开线 ; 接着，由渐开线等曲线建立齿廓曲线; 然后，使用旋转的方式来创建椎体形状，使用扫描混合的方式构建轮齿或齿槽，通过阵列形成整个轮齿、齿槽，以及创建其他附加的机构(如键槽、孔等) ; 最后，通过程序建立设计参数的可输入模式，执行再生，系统会逐个提示输入所选的参数; 各参数值输入完成后，就会自动生成一个新的直齿锥齿轮。直齿锥齿轮参数化设计步骤。

　　至此，完成了锥齿轮的参数化建模。因为采用了全参数化建模，故只需修改参数列表中对应参数值，就可以得到任意锥齿数模型，而无需重新建模。

　　2． 3 直齿圆柱齿轮参数化建模

　　直齿圆柱齿轮参数化建模需已知直齿圆柱齿轮齿数 z 、模数 m 、齿宽 B、压力角 α 、齿顶高系数 ha*、齿隙系数 c*及变位系数 X 等参数。其他参数如分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径等可通过表 2 中的关系表达式计算。

　　首先，在 Pro/E 设置直齿圆柱齿轮的基本参数和定义各非输入参数之间的关系，给曲线添加关系式，使用旋转的方式来创建圆柱体形状; 然后，定义渐开线方程创建渐开线; 接着，由渐开线等曲线建立齿廓曲线; 最后，通过程序建立设计参数的可输入模式，执行再生，系统会逐个提示输入所选的参数，各参数值输入完成后，就会自动生成一个新的圆柱齿轮。

　　至此，完成了圆柱齿轮的参数化建模。因为采用了全参数化建模，故只需修改参数列表中对应参数值，就可以得到任意锥齿数模型，而无需重新建模。

　　3、 结论

　　1) 通过对南方水稻种植特点的调研并结合农艺要求，确定了水田高地隙喷杆喷雾机的具体参数，设计了喷雾机的传动齿轮箱，从而实现了整车的动力合理分配。

　　2) 利用 Pro / E 软件对水田高地隙喷杆喷雾机传动齿轮箱进行参数化设计，实现了不同参数齿轮模型的自动生成，并进行装配，提高了设计效率，降低了设计者的劳动量。

　　3) 为水田高地隙喷杆喷雾机传动齿轮箱进一步的 ADAMS、CAE 分析以及优化设计打下基础。

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