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外 文 翻 譯
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：一種插秧機(jī)株距調(diào)整變速箱設(shè)計(jì)
原文1： Development of a mechanism for transplanting
rice seedlings
譯文1：水稻幼苗移植裝置的發(fā)展
原文2： Detecting cracks in the tooth root of gears
譯文2： 齒輪齒根的裂縫檢測(cè)
水稻幼苗移植裝置的發(fā)展
作者：Edathiparambil Vareed Thomas
出處：Mechanism and Machine Theory 37 (2002) 395–410
摘要：幼苗移植是水稻種植中的一種勞動(dòng)密集型操作。它是一種需要技能的工作，涉及彎腰工作。人們有將這種操作機(jī)械化的需要。正是基于此目的，一種機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)根據(jù)分析合成方法已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施。一個(gè)平面四桿機(jī)構(gòu)與耦合器擴(kuò)展被選為基本的設(shè)計(jì)。由機(jī)械裝置產(chǎn)生的路徑被繪制在電腦屏幕上。通過(guò)改變機(jī)械裝置中各個(gè)桿的尺寸規(guī)格來(lái)獲得各耦合點(diǎn)的輸出運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。依據(jù)拾取路徑（輸送和種植幼苗以及返回運(yùn)動(dòng)的軌跡）的適度性確定連桿的尺寸規(guī)格。一個(gè)使用以上機(jī)械裝置和優(yōu)化種植曲線的四列自行式插秧機(jī)就被制造出來(lái)并加以測(cè)試。該機(jī)械裝置的移植系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。
1 介紹
印度主要是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),水稻是主要的糧食作物。它每年生產(chǎn)大約8000萬(wàn)噸大米,這是世界上大約22%的稻米生產(chǎn)。從文化方面來(lái)講，將生長(zhǎng)20至35天的幼苗移植到水田中比直接種植要好。由于更好的作物管理實(shí)踐前者能帶來(lái)更高的產(chǎn)量。水稻移植需要大量的人手，而且這是一項(xiàng)非常艱辛的工作，它需要?jiǎng)趧?dòng)者彎腰工作，并且在泥濘的水田里移動(dòng)。因此，這是一項(xiàng)需要機(jī)械化的活動(dòng)。機(jī)械化移栽有利于水稻生產(chǎn)的后續(xù)活動(dòng)也得以機(jī)械化。這種早已在日本和韓國(guó)時(shí)間成功的機(jī)器可能不會(huì)被印度采用，主要是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)條件約束以及這個(gè)國(guó)家主流文化的影響。
命名法
曲柄AB長(zhǎng)度
耦合器長(zhǎng)度
隨動(dòng)桿長(zhǎng)度
固定桿長(zhǎng)度
耦合器的擴(kuò)展連桿長(zhǎng)度
F點(diǎn)的X軸坐標(biāo)
F點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)
固定桿的傾斜角度
耦合器和從動(dòng)桿之間的夾角
耦合器夾角
從動(dòng)桿夾角
數(shù)學(xué)常數(shù)，3.14…
曲柄夾角
耦合器和耦合器擴(kuò)展之間的夾角
操作機(jī)械移植系統(tǒng)可能被可視化為如下（圖1）。
l 幼苗被堆放在一個(gè)托盤(pán)。
l 一個(gè)被合適機(jī)構(gòu)操作的機(jī)械手從托盤(pán)中拾取秧苗。
圖1 一個(gè)機(jī)械水稻插秧機(jī)的示意圖
l 秧苗被帶到土壤然后以直立的姿勢(shì)被插入恰當(dāng)?shù)纳疃取?
l 機(jī)械手回到它的原始位置以便重復(fù)剛才的進(jìn)程。
l 機(jī)器向前移動(dòng)到另外一個(gè)位置繼續(xù)種植。
在目前的研究中，一種機(jī)械裝置被設(shè)計(jì)完成水稻幼苗移植。該機(jī)械裝置被大約40轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。插秧機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)也是應(yīng)用同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)。插秧機(jī)輪子和種植機(jī)構(gòu)曲柄之間的速度比例取決于秧苗間的距離。
1.1 動(dòng)力操作插秧機(jī)中種植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
有匿名者的文章[1]指出大多數(shù)動(dòng)力操作插秧機(jī)的種植裝置可以被劃分為四連桿機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。作為裝置中連接桿的一部分的種植手指，會(huì)將幼苗從幼苗托盤(pán)中分離出來(lái)然后種植在土壤中。種植手指所走過(guò)的曲線可能會(huì)對(duì)幼苗種植的穩(wěn)定性有一定的影響。種植裝置的運(yùn)動(dòng)分析對(duì)于理解它的操作及進(jìn)一步提高其性能是必不可少的。
1.2 裝置設(shè)計(jì)
Erdman和Sandor[2]指出大多數(shù)機(jī)械裝置任務(wù)要求單一的輸入被轉(zhuǎn)換為單一的輸出。因此，單自由度的機(jī)械裝置是被應(yīng)用最頻繁的形式。Shigley[6]指出Grubler的標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)心機(jī)械裝置中連桿的數(shù)量以及運(yùn)動(dòng)對(duì)的數(shù)量和種類(lèi)。它可以用來(lái)決定機(jī)械裝置的自由度。Erdman和Sandor[2]指出分析技術(shù)可以在測(cè)試和錯(cuò)誤設(shè)計(jì)中用來(lái)取代昂貴和耗時(shí)的物理樣機(jī)的構(gòu)建和測(cè)試。分析技術(shù)一般形成合成方法的基礎(chǔ)部分。Norton[4]指出四連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)該是解決被探討的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題的首要考慮的方法之一。能夠完成工作的部件越少，通常是最廉價(jià)，最可靠的解決方案。Norton[4]指出格拉曉夫條件可以作為一個(gè)非常簡(jiǎn)單的關(guān)系，它可以基于連桿長(zhǎng)度預(yù)測(cè)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。Zimmerman[7]指出如果在四連桿機(jī)構(gòu)中有一根桿的長(zhǎng)度比其它三根桿的長(zhǎng)度之和都要長(zhǎng)，那這個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)是不能運(yùn)動(dòng)的。Hirschhorn[3]指出在四連桿機(jī)構(gòu)中，截然不同類(lèi)型的機(jī)構(gòu)可以通過(guò)反演而得到。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以通過(guò)固定與最短鏈路成對(duì)的兩個(gè)鏈接之一而得到。Paul[3]建議可以使用的Newton-Raphson方法可以用于解決非線性方程組，這種方程組被用來(lái)解決四連桿機(jī)構(gòu)的位置問(wèn)題。Zimmerman[7]認(rèn)為四連桿鏈可以為一個(gè)基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題提供的解決方案是找到四連桿機(jī)構(gòu)的耦合點(diǎn)，它可以近似地描述所需要尋找的軌跡。
2 方法
在機(jī)械插秧機(jī)中，機(jī)械手指按照所需路徑運(yùn)動(dòng)。選用轉(zhuǎn)動(dòng)副平面四連桿機(jī)構(gòu)，因?yàn)槠浜?jiǎn)單，所以由其構(gòu)成的機(jī)械裝置容易維護(hù)且制造成本最少。輸入運(yùn)動(dòng)施加到曲柄從而使運(yùn)動(dòng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。輸出運(yùn)動(dòng)遵循一個(gè)合適的路徑從而滿(mǎn)足下面指出的插秧機(jī)要求。該機(jī)械裝置應(yīng)該有一個(gè)自由度和一個(gè)能夠不斷循環(huán)運(yùn)動(dòng)地耦合點(diǎn)。種植手指將被裝在耦合點(diǎn)處。
2.1擬議的種植機(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動(dòng)要求
（1）幼苗能從被放置的托盤(pán)中取出。托盤(pán)上設(shè)有槽以便取苗器不間斷地運(yùn)動(dòng)。在向下行進(jìn)期間，取苗器能夠?qū)⒀砻缛〕霾У酵寥馈?
（2）秧苗能夠被種植到期望的深度。
（3）秧苗能夠被近似之力的種植。允許有30度的偏差。
（4）種植完成后取苗器能夠回到初始位置。在返回運(yùn)動(dòng)中，取苗器不能影響已經(jīng)被種植的秧苗。在種植結(jié)束時(shí)取苗器運(yùn)動(dòng)速度的逆向回轉(zhuǎn)有助于實(shí)現(xiàn)這一要求。
（5）在返回運(yùn)動(dòng)中，取苗器經(jīng)過(guò)的路徑必須不能干涉托盤(pán)。這是為了防止任何可能的干擾在托盤(pán)中布置好的幼苗。因此，前行運(yùn)動(dòng)和返回運(yùn)動(dòng)必須是不同的路徑。
（6）取苗器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須不能與機(jī)械的其它裝置發(fā)生干涉。
（7）機(jī)械裝置的部件必須與田地之間有恰當(dāng)?shù)拈g隙以使在這些部件上的土壤積累量最少。拾取點(diǎn)離土壤必須有恰當(dāng)?shù)母叨纫员阌酌缤斜P(pán)與水田之間有恰當(dāng)?shù)拈g隙。
（8）在機(jī)器以恒定的速度向前移動(dòng)的過(guò)程中，種植循環(huán)必須是連續(xù)的。
齒輪齒根的裂縫檢測(cè)
作者：Ales Belsak , Joze Flasker
出處：Engineering Failure Analysis 14 (2007) 1466–1475
摘要：齒輪齒根的裂縫對(duì)齒輪單元是最不希望的破壞形式，它經(jīng)常導(dǎo)致齒輪單元運(yùn)作的失敗。齒輪單元的一種可能破壞形式可以通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)來(lái)加以鑒別。與此相關(guān)，不同的時(shí)間信號(hào)分析方法就產(chǎn)生了。信號(hào)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。輪齒剛度的顯著變化是由于齒根的疲勞裂紋的產(chǎn)生。隨之而產(chǎn)生的，破損齒輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與未損齒輪是不同的。通過(guò)頻率分析，時(shí)間信號(hào)的振幅隨時(shí)間頻率分析以頻譜的頻率函數(shù)形式呈現(xiàn)。
1 介紹
將技術(shù)系統(tǒng)（齒輪單元）維持在最合適的工作環(huán)境是保養(yǎng)的目標(biāo)；它的目的是發(fā)現(xiàn)，診斷，預(yù)測(cè)，阻止，預(yù)測(cè)以及消除破壞。然而，現(xiàn)代保養(yǎng)的目的，不僅僅是為了消除破壞，也是為了定義系統(tǒng)操作突然發(fā)生故障的潛在危險(xiǎn)的階段。診斷在于判斷系統(tǒng)當(dāng)前的環(huán)境以及位置，破壞的形狀及原因。下面的診斷評(píng)價(jià)方法常用于確定不正確的操作方法，破壞的可能性及位置以及消除這些破壞的可能性：不同的信號(hào)，條件參數(shù)以及其它間接的信號(hào)。損害的形式從完好的齒輪系統(tǒng)的偏差形式的基礎(chǔ)上確定。
2 模擬和裂紋構(gòu)成
齒輪直接嚙合區(qū)域的激發(fā)來(lái)產(chǎn)生于以下內(nèi)部來(lái)源：齒輪開(kāi)始嚙合時(shí)的影響，齒剛度，參數(shù)激勵(lì)，齒和軸承及軸變形的幾何偏差[1]。齒根的疲勞裂紋會(huì)導(dǎo)致輪齒剛度的顯著變化；其動(dòng)態(tài)響應(yīng)與未損齒輪的是不同的。動(dòng)態(tài)測(cè)試??的機(jī)器的機(jī)械元件用于形成兩個(gè)不同齒輪中小齒輪齒根的裂紋。兩條裂紋的長(zhǎng)度是4.5毫米（圖1）和1.1毫米。
動(dòng)態(tài)測(cè)試（形成預(yù)期裂紋長(zhǎng)度所需要的恰當(dāng)?shù)脑诤鸵约凹虞d周期的數(shù)量）的參數(shù)由采用的有限元方法（FEM）決定。有限元分析的目的在于與真實(shí)疲勞裂紋的實(shí)際產(chǎn)生掛鉤。由Glodez[2]提出的模型是有用的。這一模型使監(jiān)測(cè)齒輪單元關(guān)于裂紋尺寸的壽命成為可能。通過(guò)有限元方法獲得的結(jié)果使得確定對(duì)于裂紋長(zhǎng)度非常重要的循環(huán)次數(shù)成為可能。
對(duì)于真正的直齒圓柱齒輪的使用壽命的計(jì)算測(cè)定，表1中給出了完整的數(shù)據(jù)集。齒輪采用高強(qiáng)度合金鋼16MnCr5（含有0.16%的碳，1.15%的錳，1.15%的鉻，0.25%的硅）制成，楊氏模量E=2.1*105MPa，泊松比v=0.3。齒輪材料熱處理如下：加熱到810攝氏度，維持2分鐘；在油中淬硬3分鐘；保持180攝氏度2小時(shí)。
在疲勞裂紋萌生過(guò)程中， MSC/FATIGUE有限元程序代碼框架下的應(yīng)變壽命方法被運(yùn)用，其目的是為了確定裂紋萌生所需要的應(yīng)力循環(huán)數(shù)?；邶X輪數(shù)據(jù)和材料性能的有限元模型被構(gòu)建為在平面應(yīng)變條件下的齒輪齒根應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算。輪齒被施加正常的嚙合力，它作用于單齒接觸的外點(diǎn)。計(jì)算分析齒根產(chǎn)生最大主應(yīng)力的點(diǎn)。
FRANC2D有限元程序包被用來(lái)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬。初始裂紋垂直于表面，并放置在齒輪輪齒拉伸區(qū)的最大主應(yīng)力的點(diǎn)處。在數(shù)值計(jì)算中，假設(shè)初始裂紋對(duì)應(yīng)于閾值裂紋長(zhǎng)度。
輪齒負(fù)荷等于數(shù)值分析得到的疲勞裂紋萌生時(shí)的負(fù)載。在圖2中展示了由數(shù)值方法確定的齒輪根部的裂紋擴(kuò)展路徑。
根據(jù)裂紋的萌生（Ni）和裂紋擴(kuò)展(Np)計(jì)算結(jié)果，有可能獲得齒輪齒根完整的壽命Nc。對(duì)于臨界裂紋長(zhǎng)度為7.9毫米，載荷為700牛頓/毫米時(shí)，總的循環(huán)次數(shù)為3.87*107，而臨界裂紋長(zhǎng)度為6.1毫米，載荷為900牛頓/毫米時(shí)，總的循環(huán)次數(shù)為4.62*106。
當(dāng)比較圖1和圖2時(shí)，可以清楚的看到，測(cè)試齒輪的裂紋擴(kuò)展方向與數(shù)值模擬中的結(jié)果是一樣的。依據(jù)為了獲得恰當(dāng)裂紋長(zhǎng)度而由數(shù)值確定的載荷循環(huán)次數(shù)，為了獲得相應(yīng)結(jié)果所需要的時(shí)間成功建立起來(lái)。
圖1. 具有真實(shí)齒根疲勞裂紋的齒
表1處理后直齒圓柱齒輪數(shù)據(jù)
輪廓
漸開(kāi)線
法向模數(shù)
Mn=4mm
齒數(shù)
Z=19
節(jié)圓壓力角
輪廓位移系數(shù)
X=0.228
齒寬
B=23mm
圖2.齒輪齒根的預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展
在小齒輪的一個(gè)齒根部，真正的疲勞裂紋形成后（使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備對(duì)機(jī)械元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試），然后齒輪被安裝在測(cè)試平臺(tái)上。因此，一個(gè)類(lèi)似于嚙合時(shí)齒輪受力的疲勞載荷被加載上。在特定載荷F=700牛頓/毫米下，為了獲得4.5毫米的裂紋長(zhǎng)度，載荷總共的循環(huán)次數(shù)為Nc=3.7*107，為了獲得1.1毫米的裂紋長(zhǎng)度，載荷總共的循環(huán)次數(shù)為Nc=3.2*107。
3 測(cè)試裝置
下面是兩對(duì)直齒圓柱齒輪的振動(dòng)測(cè)量方法。一對(duì)齒輪中有一個(gè)有疲勞裂紋而另一個(gè)沒(méi)有。測(cè)試在恒定載荷和振動(dòng)下由加速度計(jì)直接測(cè)得，它被固定在外殼上。測(cè)試在功率測(cè)試裝置上進(jìn)行。每一個(gè)齒輪單元包含了輪滲碳厚度為4毫米的直齒圓柱齒。小齒輪有19 個(gè)輪轂，34個(gè)齒。在[3]中齒輪進(jìn)一步的數(shù)據(jù)可以利用。呈現(xiàn)的結(jié)果與一個(gè)名義上的小齒輪20Nm的轉(zhuǎn)矩和名義上的齒輪1200 rpm（20Hz）的轉(zhuǎn)速是相關(guān)的。在工業(yè)應(yīng)用中,對(duì)這種類(lèi)型的齒輪單元，這是十分典型的載荷條件。實(shí)驗(yàn)裝置方案如圖3.
輸入軸的旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)矩由Mohile Steiger測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。固定在齒輪單元上的溫度傳感器用來(lái)測(cè)量齒輪重要部分的溫度。這些參數(shù)啟用齒輪單元的負(fù)載控制。在小齒輪軸承座上（在法蘭的中部），在徑向方向上進(jìn)行測(cè)量加速度振動(dòng)信號(hào)，以65.5的采樣頻率進(jìn)行采樣。兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)從齒輪單元的殼體進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。用于此目的的兩個(gè)壓電加速度計(jì)以及ICP電源被用到。預(yù)制的螺紋鉆孔可以使兩個(gè)加速度計(jì)固定在齒輪單元的殼體上。信號(hào)由ICP供應(yīng)單元控制。除此之外，一個(gè)精度等級(jí)為6度的指示軸的角位置的測(cè)速信號(hào)被采用。國(guó)家儀器采集卡
圖3.實(shí)驗(yàn)裝置方案
用于獲取這些信號(hào)，然后保存在個(gè)人電腦硬盤(pán)中。分析頻率上限為9KHz。雖然如此，它仍然包含最重要的嚙合諧波。