機械原理項目教學(xué)結(jié)題報告

連桿式定點灌溉裝置機械原理項目教學(xué)報告連桿式定點灌溉裝置組長：曲俊生組員：郭煒孟鴻飛指導(dǎo)教師：姚燕安2015年6月

目錄一．項目課題 2二．項目功能及原理 22.1平面四桿機構(gòu)概述 22.2平面四桿原理及示意圖 2三．項目機構(gòu)選型 3四．機構(gòu)設(shè)計及運動分析 44.1.1行走部車體設(shè)計 64.1.2連接齒輪 74.2.1曲柄滑塊的設(shè)計 74.2.2曲柄滑塊的運動學(xué)特性 94.2.3核對曲柄滑塊的運動學(xué)特性 154.3整體仿真 16五．結(jié)語 17

一．項目課題節(jié)水灌溉設(shè)備是指具有節(jié)水功能用于灌溉的機械設(shè)備的統(tǒng)稱。其種類主要有噴灌式、微灌式、全塑節(jié)水灌溉系統(tǒng)（又包括：軟管三通閥，低壓出地閥，半固定式噴灌與移動式）。農(nóng)業(yè)作為國家的經(jīng)濟命脈和用水大戶，長期以來，由于思想意識、資金、技術(shù)等方面的原因，一直沿用傳統(tǒng)落后的大水漫灌方式，極大地浪費了人力及物力資源。在中國廣大農(nóng)村地區(qū)逐漸推廣節(jié)水灌溉設(shè)備以及成為現(xiàn)代社會，農(nóng)業(yè)的一個主流。現(xiàn)階段國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械化水平較低，無法實施對播種、澆水、施肥的大規(guī)模機械化作業(yè)，播種時費時費力耗費勞動力成本，多采用人工勞作的方式，隨著我國農(nóng)業(yè)機械化、現(xiàn)代化的進程，大莊園、大農(nóng)場必將成為未來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要形式。我們的連桿式定點灌溉裝置即是基于此而產(chǎn)生的自動化設(shè)備。任務(wù)要求：設(shè)計定點灌溉裝置，實現(xiàn)對農(nóng)作物的定點灌溉功能。并繪制相關(guān)機構(gòu)簡圖，實現(xiàn)在Adams軟件上的仿真，導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)。二．功能及原理2.1平面四桿機構(gòu)概述平面四桿機構(gòu)是由四個剛性構(gòu)件用低副鏈接組成的，各個運動構(gòu)件均在同一平面內(nèi)運動的機構(gòu)?；拘问接秀q鏈四桿機構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙滑塊機構(gòu)。演變形式有曲柄滑塊機構(gòu)、偏心輪機構(gòu)、曲柄導(dǎo)軌機構(gòu)等。2.2平面四桿機構(gòu)原理及示意圖定理：桿長之和條件：平面四桿機構(gòu)的最短桿和最長桿的長度之和小于或者等于其余兩桿長度之和。在鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果某個轉(zhuǎn)動副能夠成為周轉(zhuǎn)副，則它所連接的兩個構(gòu)件中，必有一個為最短桿，并且四個構(gòu)件的長度關(guān)系滿足桿長之和條件。在有整裝副存在的鉸鏈四桿機構(gòu)中，最短桿兩端的轉(zhuǎn)動副均為周轉(zhuǎn)副。此時，如果取最短桿為機架，則得到雙曲柄機構(gòu)；若取最短桿的任何一個相連桿為機架，則得到曲柄搖桿機構(gòu)；如果取最短桿對面構(gòu)件為機架，則得到雙搖桿機構(gòu)。如果四桿機構(gòu)不滿足桿長條件，則不論選取哪個構(gòu)件為機架，所得到機構(gòu)均為雙搖桿機構(gòu)。上述系列結(jié)論稱為格拉霍夫定理。急回特性：在曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)搖桿位于兩個極限位置時，曲柄兩個對應(yīng)位置夾的銳角被稱為極位夾角。用表示通常用行程速度變化系數(shù)K來衡量急回運動的相對程度。偏置曲柄滑塊機構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機構(gòu)同樣具有急回特性。對心曲柄滑塊機構(gòu)無急回特性。平面四桿結(jié)構(gòu)示意圖三．機構(gòu)選型我們的連桿式定點灌溉裝置主要由兩部分組成，即走行部和灌溉部。走行部采用根據(jù)所學(xué)知識設(shè)計成電機驅(qū)動的小車。走行部功能圖初步預(yù)想的結(jié)構(gòu)圖1（后舍棄）初步預(yù)想的結(jié)構(gòu)圖2（后舍棄）進行項目研究初期擬采用四桿機構(gòu)完成澆水，后發(fā)現(xiàn)四桿機構(gòu)在實際工作時有結(jié)構(gòu)位置不易控制、水箱補水不夠方便等缺點，故更改方案。由于曲柄滑塊運動形式簡單，故可將其設(shè)計成灌溉部分。曲柄由小車的電機驅(qū)動，整周回轉(zhuǎn)帶動滑塊實現(xiàn)往復(fù)運動，在水箱中間開一個小孔，實現(xiàn)漏水即澆水。曲柄長25mm,連桿長465mm。曲柄輸入為30轉(zhuǎn)/分鐘。四．機構(gòu)設(shè)計及運動分析小車總圖1小車總圖2小車總圖34.1.1行走部車體設(shè)計行走部的預(yù)期設(shè)想是由一個四輪支撐、兩輪驅(qū)動的小車，驅(qū)動電源為交流電機。在小車底盤上載有灌溉部的大水箱，并且車體上裝載左右兩個曲柄滑塊機構(gòu)。曲柄滑塊與小車通過一對齒輪由同一個電機驅(qū)動，電機驅(qū)動為30R/m車架14.1.2連接齒輪目前我們項目采用兩個相同的齒輪，實際情況我們可以采用兩種不同的方法改變行進路程的長度與澆灌頻率之間的關(guān)系:1.選取不同齒數(shù)的齒輪，即采用不同的傳動比2．改變輪子的直徑。連接齒輪圖4.2.1曲柄滑塊的設(shè)計按照要求在Solidworks中畫出曲柄滑塊，設(shè)置曲柄長25mm,連桿長465mm，圖形如下。曲柄滑塊機構(gòu)60x30x10滑塊760長R=25曲柄4.2.2曲柄滑塊的運動學(xué)特性首先需要對曲柄滑塊機構(gòu)做解析法，分析，簡化以設(shè)計好的機構(gòu)如圖所示。取A點為坐標(biāo)原點，x軸水平向右。在任意瞬時t，機構(gòu)的位置如圖。可以假設(shè)C點的矢徑為：==+C點的坐標(biāo)為其矢徑在坐標(biāo)軸上的投影：根據(jù)圖形可知：所以：式中，是曲柄長與連桿長之比。將上式代入的表達式中，并考慮到，就得到了滑塊的運動方程：若將此式對時間求導(dǎo)數(shù)，其運算較繁瑣。在工程實際中，值通常不大（=1/4-1/6），故可在上式中將根式展開成的冪級數(shù)并略去起的各項而作近似計算：上式再對時間取導(dǎo)數(shù)，便可以得到速度和加速度的表達式：其中都是的周期函數(shù)。曲柄滑塊機構(gòu)滑塊位移、速度、加速度計算結(jié)果時間t/s048121620位移s/mm49.0-47.2-44.7-44.7-47.2-49.0速度v/(mm/s)0.0050.0760.043-0.043-0.0760.001加速度a/(mm/s2)0.000260.00007-0.00002-0.00002-0.000070.00026在matla軟件下的曲柄滑塊機構(gòu)滑塊位移、速度、加速度的運動圖像分別在下面展示，對應(yīng)的程序如下：1.位移程序：l1=11.8;%連桿長R=5;%運動半徑dt=0.3;t=0;n=pi*0.1/3;w=[];s=-2.5;whilet<60t=t+dt;x1=sqrt((l1)^2-(R*sin(n*t))^2);%連桿在運動過程中橫軸上的有效長度x2=R*cos(n*t);%半徑在運動過程中橫軸上的有效長度x3=-sqrt(l1^2-(sin(n*t)*R)^2)-(R*cos(n*t));%滑塊在運動過程中的右頂點坐標(biāo)位置w=[w;x3];endh2=figure;tt=0:0.01:2;plot(tt,w);title('位移圖像');axis([02-50-43]);xlabel('時間t');ylabel('位移x');位移圖2.速度程序：l1=11.8;%連桿長R=5;%運動半徑dt=0.3;t=0;n=pi*0.1/3;v=[];s=-2.5;whilet<60t=t+dt;x1=sqrt((l1)^2-(R*sin(n*t))^2);%連桿在運動過程中橫軸上的有效長度x2=R*cos(t);%半徑在運動過程中橫軸上的有效長度x3=-sqrt(l1^2-(sin(n*t)*R)^2)-(R*cos(n*t));%滑塊在運動過程中的右頂點坐標(biāo)位置v=[v;x3-s];s=x3;endh2=figure;tt=0:0.01:2;plot(tt,v);title('速度分析');axis([02-0.100.10]);xlabel('時間t');ylabel('速度t');速度圖3.加速度程序：l1=11.8;%連桿長R=5;%運動半徑dt=0.3;t=0;n=pi*0.1/3;v=[];s=-2.5;whilet<60t=t+dt;x1=sqrt((l1)^2-(R*sin(n*t))^2);%連桿在運動過程中橫軸上的有效長度x2=R*cos(t);%半徑在運動過程中橫軸上的有效長度x3=-sqrt(l1^2-(sin(n*t)*R)^2)-(R*cos(n*t));%活塞在運動過程中的右頂點坐標(biāo)位置v=[v;x3-s];s=x3;endu=v';k=2;a=[];whilek<200k=k+1;drtv=u(1,k)-u(1,k-1);a=[a;drtv];endtt=0.01:0.01:1.98;plot(tt,a);title('加速度分析');axis([02-0.0040.004]);xlabel('時間t');ylabel('加速度a')加速度圖4.2.3核對曲柄滑塊的運動特性使用SolidWorksmotion對滑塊機構(gòu)進行仿真分析，得到如下圖像：位移位移速度加速度線圖加速度4.3整體仿真之前我們在將已經(jīng)在Solidworks軟件中進行了各個零件的設(shè)計，并初步完成行走部和灌溉部的初步分析，進行了灌溉部——曲柄滑塊機構(gòu)的仿真與參數(shù)導(dǎo)出。接下來我們便將之前所畫各個部分進行了配合組裝，然后將結(jié)果導(dǎo)入到Adams軟件中，通過加驅(qū)動使得整個裝置能夠整體的運行起來，得到了較好的仿真結(jié)果，能夠初步完成我們的預(yù)期功能。Adams軟件中的仿真圖Solidworks導(dǎo)出的PDF格式三視圖五．結(jié)語經(jīng)過這次項目教學(xué)的訓(xùn)練，我覺得自己的收獲還是很大的，首先是對于自己將來可能要從事的機械學(xué)科項目產(chǎn)品研究、生產(chǎn)等整個過程更加熟悉和了解。其次是對于Solidworks、Adams和Matlab這三個軟件更加熟練的運用，當(dāng)然主要應(yīng)用的還是Solidworks這個繪圖軟件，完成這個項目的過程中一直在驚嘆這個軟件的強大，可以像AutoCAD一樣出二維圖和三維圖，并且更加智能化，也可以導(dǎo)出相關(guān)圖像指導(dǎo)實際制造零件的過程，還可以用SolidworksMotion這樣的插件進行進行比較初步的動力學(xué)、運動學(xué)仿真，導(dǎo)出相關(guān)的參數(shù)。在完成這個項目教學(xué)的過程中，我們遇到的最大困難就是