CN101258793B - 仿生减阻灭茬刀及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业和地面机械领域，具体涉及一种仿生减阻灭茬刀及其设计方法。目的在于降低能耗，减少刀具切割阻力。具体技术方案是：刀刃上加工出锯齿，锯齿的几何形状为：齿距t为4～8毫米，齿高h与齿距t的比为0.6～0.8之间，齿尖角β为40°～55°，齿喉角γ为0°～-22.5°。所说的齿尖角β+齿背角α+齿喉角γ＝90°。其设计方法是：(1)提取出蛄挖掘切割爪趾表面特征；(2)把爪趾上的锯齿进行数据拟合，得出爪趾锯齿状的曲线：ax4+bx3+cx2+dx+e；(3)利用线切割的加工方式在常用的灭茬刀刃上加工出锯齿，锯齿两侧轮廓均为上述曲线形式，必须保证曲线为凸曲线，得到了新型仿生灭茬刀。
Description
技术领域
本发明属于农业和地面机械领域，具体涉及一种根据仿生理论对蝼蛄挖掘切割爪趾生物表面形态特性进行研究，应用于灭茬刀刃口部位，即在灭茬刀主刃口加工出仿蝼蛄挖掘切割爪趾几何形态的仿生减阻灭茬刀及其设计方法。
背景技术
保护性耕作是实现农业可持续发展的重要方法，旋耕灭茬是其中重要农艺环节之一，旋耕灭茬的能耗和工作质量与灭茬刀的形状有着直接关系，原有灭茬刀虽然达到农艺要求，但切割阻力较大，耗能较多，降低能耗对提高农业生产综合效益具有重要的现实意义。
申请人对土壤动物进行了大量的调查和采集，进行了生物非光滑体表的生态学和行为学研究。通过对典型土壤动物如蚯蚓、穿山甲、田鼠的观察和电镜分析发现，这类土壤动物具有生物柔性体表结构，这种结构有利于土壤动物的防粘降阻，防粘降阻的机理在于体表柔性和非光滑的相互伴随，互为一体的综合作用。通过对典型的土壤动物蜣螂的形态特征的研究，设计制造了多种非光滑曲面推土板，研制了仿生非光滑犁壁，以及仿生不粘饭勺和仿生电渗铲斗等。
蝼蛄是一种具有土中觅食行为特性的典型动物，其爪趾经过亿万年的进化，逐步形成了优良的几何形状和极度优化的生物力学功能，不但可有效挖掘切削，且具有优良的降阻功能，
而在工程实际中有很多切割部件的工作情况与蝼蛄行为及其相近，为降低切割部件与土壤及作物根茬的阻力，更加使其能够具有节能效果，我们可以从仿生学的角度，采用逆向工程的方法对蝼蛄的主要切割部位——挖掘切割爪趾进行研究，设计出新型的灭茬刀。
发明内容
本发明的目的在于克服现有旋耕灭茬刀存在的切割阻力大，耗能高等缺点，通过对蝼蛄生物力学功能的仿生研究，提供一种仿生减阻灭茬刀及其设计方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：
一种仿生减阻灭茬刀，主要由刀刃和刀体组成，所说的刀刃上加工出锯齿，锯齿的几何形状为：齿距t为4～8毫米，齿高h与齿距t的比为0.6～0.8之间，齿尖角β为40°～55°，齿喉角γ为0°～-22.5°，锯齿两侧边缘为凸起的曲线，齿根底部圆弧过渡。
所说的齿尖角β+齿背角α+齿喉角γ＝90°。
用于仿生减阻灭茬刀的设计方法是：
(1)通过体式显微镜对蝼蛄挖掘切割爪趾进行摄像，提取出表面特征，可以观察到其爪趾带有锯齿；
(2)把爪趾上的锯齿进行数据拟合，得出爪趾锯齿状的曲线，曲线为：ax4+bx3+cx2+dx+e；其中系数变化范围如下：a(0.0114～0.0185)；b(-0.5897～-0.2950)；c(0.7904～5.1837)；d(-6.728～18.049)；e(0～5.9365)之间变化，但曲线均为凸曲线。
(3)利用线切割的加工方式在常用的灭茬刀刃上加工出锯齿，锯齿两侧轮廓均为上述曲线形式，必须保证曲线为凸曲线，得到了新型仿生灭茬刀。
为了降低能耗，减少切割部件与土壤及作物根茬间的阻力，达到切割部件能够具有节能降阻的效果，提供一种新型结构的仿生减阻灭茬刀刃及其设计方法。它以常用的灭茬刀为设计原型，针对其主要切割部位-刀刃，采用逆向工程技术，提取具有良好的降低阻力效果的蝼蛄挖掘切割爪趾几何模型，对旋耕灭茬刀刃进行仿生设计，使其能够具有降低阻力的效果。
本发明主要是一种把蝼蛄行为特性中主要的挖掘切割部位——爪趾表面进行二维几何模型重建。提取特征参数，并对其进行各种参数与性能分析，得出最优化参数，应用到切割部件中的研究，使切割部件具有降低能耗，减少切割阻力。
本发明的技术效果是：
本发明的技术效果是：
本发明具有提高旋耕灭茬作业质量和减少旋耕灭茬机动力消耗的技术效果。由于减小工作阻力，进而降低的牵引阻力，节约燃油，提高效率，为农户节省大量资金，降低生产成本，提高劳动生产率。通过实验证明，将蝼蛄挖掘切割爪趾的表面特征应用于灭茬刀具刃上，灭茬率达到92％以上，切割阻力降低5％～10％，牵引阻力减低5％～8％。
附图说明：
图1为灭茬刀外形。
图2为灭茬刀锯齿参数说明图，其中：
图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为3种锯齿的放大图，图2(a)为β＝50°，γ＝-22.5°，
图2(b)为β＝50°、γ＝-15°，图2(c)为β＝50°、γ＝0°。
图3为仿生灭茬刀实例锯齿局部放大图。
图中：t维齿距、h维齿高、β为齿尖角、γ为齿喉角、α为齿背角。
具体实施方式：
1、通过体式显微镜对蝼蛄挖掘切割爪趾进行摄像，提取出表面特征，可以观察到其爪趾带有锯齿。
2、把爪趾上的锯齿进行数据拟合，得出爪趾锯齿状的曲线。
曲线方程为：0.0185x4-0.5897x3+5.1837x2-6.7286x+5.9365
3、在常用的L型灭茬刀主刃上加工出锯齿，齿距t＝6mm，齿高h＝4mm，即h/t＝2/3，齿喉角γ＝0°，齿尖角β＝50°，则齿背角α＝40°。锯齿两侧用上述曲线拟合，齿根部分R1圆弧过渡， 锯齿放大图参阅图3所示。
4、利用火花线切割的加工方式进行加工，把上述图形编程加入电脑操作台，然后加工得到了新型仿生灭茬刀。
Claims (1)
1.一种仿生减阻灭茬刀，主要由刀刃和刀体组成，刀刃上加工出锯齿，其特征在于，所说的锯齿的几何形状为：齿距t为4～8毫米，齿高h与齿距t的比为0.6～0.8之间，齿尖角β为40°～55°，齿喉角γ为0°～-22.5°，锯齿两侧边缘为凸起的曲线，齿根底部圆弧过渡，所说的齿尖角β+齿背角α+齿喉角γ＝90°。
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