CN101548592A - 一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于驱动型耕整地机械的旋转工作部件几何结构，特别是涉及一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件。本发明以鼹鼠具有高效挖掘性能的前足爪趾为仿生研究对象，提取其特有的几何结构特征，并将其应用于耕作机械上旋转工作部件(旋耕刀或碎茬刀)的设计。该部件主要由具有侧切刃的侧切面、具有正切刃的正切面和连接正、侧切面的过渡面以及连接正、侧切刃的过渡刃组成，其特征在于，所述的正切刃(6)采用具有仿生圆弧结构，其几何形状按下式确定：正切刃单刀作业幅宽为L，圆弧刃口对应圆心角为(θ)，对应半径为(r)，圆弧个数为(n)，则对应表达式为：L/2nr＝sin(θ/2)。本发明在保证耕作质量的前提下，可大大减小耕作作业时能量消耗。

Description

一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件

技术领域：

本发明涉及一种用于驱动型耕整地机械的旋转工作部件几何结构，特别是涉及一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件，属于农业机械中的耕作机械设计技术。

背景技术：

旋耕机是一种由动力驱动工作部件切碎土壤的耕作机械。它是利用刀轴上刀片的旋转和前进的复合运动对未耕地和已耕地进行碎土作业，其性能特点是碎土能力强，一次旋耕能达到一般犁耙几次的效果，旋耕后的田地可满足播种或插秧的要求。旋耕机作业质量好、工效高，既能抢农时、节省劳力，又可减少机器下地次数，减轻行走部件对土壤的压实，在我国南北方均有广泛使用。其主要工作部件就是旋耕弯刀和碎茬刀(简称刀片)。高速旋转的刀片将作物残茬和土块打碎，以起到耕整地的作用。刀片的质量直接影响耕整地质量、机械能量的消耗以及整机的使用寿命。

由于农业机具在工作时，触土部件表面与土壤接触产生的粘附现象会增大工作阻力，降低作业效率和作业质量，增大能耗，同时增加对土壤的扰动和破坏，使土壤失墒严重，甚至使机械无法工作。而很多仿生部件不仅阻力小，而且脱土好，可减小对土壤的的扰动，降低土壤中水分的散失，很好的做到蓄水保墒。

鼹鼠，被称为“活的挖掘机”，它能在一夜时间内挖出长达91米的地道，而其身长只有0.10-0.18米，足见其掘土效率之高。鼹鼠爪趾挖掘功能为土壤切削工具和挖掘工具提供了良好的仿生研究对象，通过研究其掘土器官的结构、形态和功能机理，可为土壤切削工具和挖掘工具高效节能仿生设计提供仿生信息。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件，在保证耕作质量的前提下，可大大减小耕作作业时能量消耗。

实现上述目的的技术方案结合附图说明如下：

鼹鼠具有高效掘土性能，其爪趾不仅挖掘阻力小，且脱土性能好。在挖掘过程中，鼹鼠爪趾置于身侧，以挖掘肢为中心做回转运动，运动形式类似旋耕及碎茬作业中的旋转作业，而拟合圆弧可模拟其爪趾特有的几何结构，参阅图13。因此，根据鼹鼠爪趾几何结构特征设计本发明的旋转工作部件，仿生应用主要部分为刀片正切刃及正切面，既考虑仿生，同时要便于应用加工。

一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件，主要由具有侧切刃的侧切面、具有正切刃的正切面和连接正、侧切面的过渡面以及连接正、侧切刃的过渡刃组成，所述的正切刃(6)采用具有仿生圆弧结构，其几何形状按下式确定：正切刃单刀作业幅宽为L，圆弧刃口对应圆心角为(θ)，对应半径为(r)，圆弧个数为(n)，则对应表达式为： $\frac{L}{2\mathrm{nr}}=\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}.$

所述的正切面(5)侧视截面近似为三角形。

正切刃刃口仿生圆弧个数(n)为一个或多个，多个圆弧大小相等或不等，圆弧大小随圆心角(θ)或刃口半径(r)变化。

把仿生旋转部件安装到土槽试验台上与国标旋耕刀、碎茬刀进行功率消耗对比试验，并安排田间试验检测其作业质量。试验结果表明：本发明吸收了仿生学的研究成果，切土阻力小，同幅宽条件下能量消耗低，且性能优良，作业质量满足后续农艺要求。较传统旋耕刀或碎茬刀，具有切土阻力小、功率消耗低、作业质量好等优点。

附图说明：

本发明具体实施方式设计时综合考虑了仿生应用及部件加工的可行性，以单刀幅宽L为60mm的旋耕刀为例，同理可应用于碎茬刀设计。结合附图详细说明：

图1(a)刀片结构示意图；

图1(b)是图1(a)的俯视图；

图2仿生耕作旋转部件正切面侧视图；

图3分布1个相同向外仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图4分布1个相同向内仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图5平均分布2个相同向外仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图6平均分布2个相同向内仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图7平均分布3个相同向外仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图8平均分布3个相同向内仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图9分布两个不同向外仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图10分布两个不同向内仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图11分布三个不同向外仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图12分布三个不同向内仿生刃口的仿生旋转部件示意图；

图13鼹鼠爪趾几何结构及拟合圆弧示意图。

图1(a)及(b)中，1、侧切面；2、侧切刃；3、过渡面；4、过渡刃；5、正切面；6、正切刃；7、弯折线。

具体实施方式：

以下结合附图所述实施例进一步说明本发明的具体内容及实施方式。实施方式设计时综合考虑了仿生应用及部件加工的可行性，以单刀幅宽L为60mm的旋耕刀为例，同理可应用于碎茬刀设计。结合附图详细说明：

本发明的非限定实施例如下：

实施例一：

本例具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件的具体结构由图3与图4示出。该例的新型耕作旋转部件结构特点是：从侧面看刀片正切面截面为三角形，异于传统刀片的长方形截面。在刀片正切刃分布有1个仿生圆弧刃口，方向分别朝内及朝外，弦长即固定为刀片幅宽L，即60mm，圆刃对应中心角可调，对应中心角变化或圆半(直)径变化，仿生刃口大小亦变化。

实施例二：

本例具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件的具体结构由图5与图6示出。本例所述的具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件与例一不同的是：该例刀片的正切面侧视图为三角，正切刃平均分布2个朝内(朝外)仿生圆弧刃口，弦长皆为L/2，即30mm，若对应圆心角或圆弧对应半(直)径变化，2个仿生刃口大小亦随之改变。

实施例三：

本例具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件的具体结构由图7与图8示出。本例所述的具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件与例一及例二不同的是：该例刀片的正切面侧视图为三角，且正切刃平均分布3个朝内(朝外)仿生圆弧刃口，弦长皆为L/3，即20mm，仿生刃口大小由对应圆心角或半(直)径确定。

实施例四：

本例具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件的具体结构由图9与图10示出。本例所述的具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件与前3例不同的是：该例的刀片正切面侧视图为三角形，且正切刃分布2个朝内(朝外)仿生圆弧刃口，弦长皆为L/2，即30mm，但对应的圆心角或对应半(直)径不同，则仿生刃口大小亦变化。

实施例五：

本例具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件的具体结构由图11与图12示出。本例所述的具有仿生几何外形的新型耕作旋转工作部件与前4例不同的是：该例刀片的正切面从侧面看为三角形，且正切刃分布3个朝内(朝外)仿生圆弧刃口，弦长皆为L/3，为20mm，但仿生圆弧刃口大小不同，即对应圆心角或半(直)径不等。

Claims (3)

1、一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件，主要由具有侧切刃的侧切面、具有正切刃的正切面和连接正、侧切面的过渡面以及连接正、侧切刃的过渡刃组成，其特征在于，所述的正切刃(6)采用具有仿生圆弧结构，其几何形状按下式确定：正切刃单刀作业幅宽为L，圆弧刃口对应圆心角为(θ)，对应半径为(r)，圆弧个数为(n)，则对应表达式为：

$\frac{L}{2\mathrm{nr}}=\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}.$

2、根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件，其特征在于，所述的正切面(5)侧视截面近似为三角形。

3、根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件，其特征在于，正切刃刃口仿生圆弧个数(n)为一个或多个，多个圆弧大小相等或不等，圆弧大小随圆心角(θ)或刃口半径(r)变化。

Images