CN102132658B - 一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农业机械切割工作部件的刃口曲线几何结构特征，特别是涉及一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式。本发明以蝗虫上颚为仿生研究对象，将其特有的几何结构特征应用于农业机械上的切割工作部件的刃口设计。该刃口的形式特征在于，所述的刃口曲线形式具有仿生几何结构，其特征可表示为：1)一个完整的刃口曲线单元由相同长度的A、B、C三段曲线及A与B、B与C之间的过渡圆弧组成。2)A、B、C三段曲线均外凸成峰，且每段曲线最高点的左右两侧呈非对称几何特征；其中A段曲线存在5处显著的局部形态特征，B段曲线存在6处显著的局部形态特征，C段曲线存在3处显著的局部形态特征。本发明应用于切割方面，减少能量消耗。

Description

一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式

技术领域：

本发明涉及一种农业机械切割工作部件的刃口曲线几何结构，特别是涉及一种具有仿生几何结构的刃口曲线形式，属于农业机械中的切割构件设计技术。

背景技术：

切割是机械运行的重要目的之一，在农业机械、林业设备、食品加工等众多领域中广泛应用。对于农业机械，收割机收割作物属于切割的一种形式，这与蝗虫撕咬叶子的目的一致，在园林机械当中，伐木或是对多种灌木的修剪都要求切割设备具有良好的切割性能，能够应对粗大的木料和坚硬的枝条。根据蝗虫的进食特点，食物的纤维结构与枝条木料类似，这就为有效切割奠定了基础。而在日常生活中，人们经常会使用刀具来对物体进行切割，合理的刀具刃口形式有效的保证了切割的顺利进行，使用起来也会感到得心应手。

蝗虫因蝗虫灾害而出名，蝗灾发生时，凡是蝗虫飞过的地方片绿皆无。造成这种现象的原因与其进食方式有直接的关系，而蝗虫的进食方式与它的口器结构特点和口器内各部分的运动机理密不可分。因为蝗虫主要是靠口器中的上颚部分切断、咬碎食物，因此蝗虫的上颚为切断工具的仿生研究对象，通过研究其口器的结构、形态和功能机理，可为农业收割、林业伐木、及为满足日常生活的切削、切割工具高效节能仿生设计提供仿生信息。因此探究蝗虫的口器特点对于改进切割型工具或用于切割的工作部件有着实在意义。

发明内容：

为了提高传统直线型刃口切割工作部件的切割效率和切割工作部件的寿命，本发明的目的在于提供一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，本发明与传统直线型刃口进行比较时，在切断相同茎杆直径的前提下，可大大减小能量消耗。

实现上述目的的技术方案结合附图说明如下：

蝗虫具有独特的进食性能，其口器不仅能够长时间连续的切断和撕咬叶片，而且对于相对自身较硬的食物也能很好的咬断，为下一步的消化打好基础。对提取的蝗虫上颚进行分析，得出蝗虫上颚两边齿形的非对称结构和单边齿形的不规则排列是其最大特点。与实际应用相结合，对于刃口曲线的形式要既考虑仿生，同时要便于应用加工。将传统具有直线型刃口的切割部件的刃口加工成刃口边缘呈具有本发明刃口曲线规则排列的形式，并将其切割部件应用于切割。

一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，该刃口的形式特征在于，所述的刃口曲线形式具有仿生几何结构，仿生刃口曲线的特征为：

1)一个完整的刃口曲线单元由相同长度的A、B、C三段曲线及A与B、B与C之间的过渡圆弧组成；

2)A、B、C三段曲线均外凸成峰，且每段曲线最高点的左右两侧呈非对称几何特征；其中在A段曲线中存在5个特征区段，各特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f；在B段曲线中存在6个特征区段，各特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f、g；在C段曲线中存在3个特征区段，各特征区段的分界点为a、b、c、d。

设单位长度为X，则该刃口曲线形式中的A段几何形状确定为：

1)A段曲线存在5个特征区段，各形态特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f；

2)a点与f点两点之间的水平距离为14X～14.5X；

3)a点与b点的连线与水平的倾角为58°～62°；

4)b点与c点的连线与水平的倾角为28°～32°；

5)b点与a点两点之间的垂直距离为6X～6.5X；

6)c点与a点两点之间的垂直距离为6.9X～7.5X；

7)c点与d点的连线与水平的倾角为30°～35°；

8)c点与d点两点之间的垂直距离为1.8X～2.2X；

9)d点与e点的连线与水平的倾角为14.5°～15°；

10)d点与e点两点之间的垂直距离为0.8X～1.1X；

11)e点与f点的连线与水平的倾角为47°～51°；

12)e点与a点两点之间的垂直距离为4X～4.2X。

设单位长度为X，过A段最外侧点建立水平基准线，则该刃口曲线形式中的B段几何形状确定为：

1)B段曲线存在6个特征区段，各形态特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f、g；

2)a点与g点两点之间的水平距离为14X～14.5X；

3)a点与水平基准线之间的垂直距离为1.5X～1.7X；

4)a点与b点的连线与水平的倾角为80°～83°；

5)b点与c点的连线与水平的倾角为40°～42°；

6)b点与水平基准线之间的垂直距离为3.5X～38X；

7)c点与水平基准线之间的垂直距离为7.5X～8X；

8)c点与d点的连线与水平的倾角为40°～42°；

9)d点与水平基准线之间的垂直距离为3.5X～4X；

10)d点与e点，e点与f点均为两个不同圆弧上的点，且d、e两点所形成的圆弧半径约为e、f点所形成的圆弧半径的1.4～1.6倍；

11)f点与g点的连线与水平的倾角为42°～45°。

设单位长度为X，过A段最外侧点建立水平基准线，则该刃口曲线形式中的C段几何形状确定为：

1)C段曲线存在3个特征区段，各形态特征区段的分界点为a、b、c、d；

2)a点与d点两点之间的水平距离为14X～14.5X；

3)a点与b点的连线与水平的倾角为75°～77°；

4)b点与水平基准线之间的垂直距离为2.5X～2.8X；

5)b点与c点的连线与水平的倾角为30°～40°；

6)c点与水平基准线之间的垂直距离为为6.5X～7X；

7)c点与d点的连线与水平的倾角为42°～47°。

本实用新型的有益效果：当将传统剪刀的刀刃部分改为具有本发明的刃口曲线的刀刃与传统剪刀通过万能试验机进行切断对比试验时，对同一绿篱枝进行切割，安排实地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，符合滑切原理，切割效率高，植物茎同直径条件下能量消耗低，且性能优良。较传统刀或剪，具有切割省力、不需二次处理、切口质量好等优点。

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，以曲线形式呈直线式重复分布排列和呈圆弧式重复分布排列为例。结合附图详细说明：

图1为刃口曲线形式示意图；

图2为将刃口曲线形式分为A、B、C三段曲线的示意图

图3为A段曲线分界点示意图

图4为B段曲线分界点示意图

图5为C段曲线分界点示意图

图6为带有仿生刃口曲线的剪刀俯视图；

图7为带有仿生刃口曲线的刀的示意图；

图8为带有仿生刃口曲线的圆锯片的示意图；

图9为蝗虫单边上颚示意图

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，以曲线形式呈直线式重复分布排列和呈圆弧式重复分布排列为例。结合附图详细说明：

本发明的非限定实施例如下：

实施例一：

剪刀

本例具有仿生几何结构特征的刃口曲线的新型剪刀的具体结构由图6示出。该例的新型仿生剪刀结构特点是：剪刀的两个配对刀刃的刃口为仿生曲线形式，异于传统刀刃的直线或锯齿刃口形式，且符合刃口曲线上的A段a点与B段g点与C段a、d点的连线在同一直线上和刃口曲线上的A段曲线、B段曲线、C段曲线呈周期性的重复出现的要求。

实施例二：

日常切冻肉用刀

本例具有仿生几何结构特征的刃口曲线的新型刀的具体结构由图7示出。本例所述的具有仿生几何外形的新型日常切冻肉用刀与传统日常生活用的刀的主要区别是：刀刃的刃口为仿生几何结构特征的刃口曲线形式。与实施例一不同的是：刀刃的刃口满足本发明刃口曲线的部分应用的要求，有曲线上的A段或B段或C段的局部曲线的出现。

实施例三：

用于旋转切割的圆锯片

本例具有仿生几何结构特征的刃口曲线的新型圆锯片的具体结构由图8示出。本例所述的具有仿生几何外形的新型用于旋转切割的圆锯片的特点是：该例圆锯刀片的最外圆为仿生几何结构特征的刃口曲线形式，仿生刃口曲线的大小由对应圆心或半(直)径确定。与实施例一不同的是：满足刃口曲线上的A段a点与B段g点与C段a、d点的连线在同一圆上的要求。

Claims (12)

1.一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是所述的刃口曲线形式具有仿生几何结构，仿生刃口曲线的特征为：

1)一个完整的刃口曲线单元由相同长度的A、B、C三段曲线及A与B、B与C之间的过渡圆弧组成；

2)A、B、C三段曲线均外凸成峰，且每段曲线最高点的左右两侧呈非对称几何特征；其中在A段曲线中存在5个特征区段，各特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f；在B段曲线中存在6个特征区段，各特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f、g；在C段曲线中存在3个特征区段，各特征区段的分界点为a、b、c、d。

2.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是设单位长度为X，则该刃口曲线形式中的A段几何形状确定为：

1)A段曲线存在5个特征区段，各形态特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f；

2)a点与f点两点之间的水平距离为14X～14.5X；

3)a点与b点的连线与水平的倾角为58°～62°；

4)b点与c点的连线与水平的倾角为28°～32°；

5)b点与a点两点之间的垂直距离为6X～6.5X；

6)c点与a点两点之间的垂直距离为6.9X～7.5X；

7)c点与d点的连线与水平的倾角为30°～35°；

8)c点与d点两点之间的垂直距离为1.8X～2.2X；

9)d点与e点的连线与水平的倾角为14.5°～15°；

10)d点与e点两点之间的垂直距离为0.8X～1.1X；

11)e点与f点的连线与水平的倾角为47°～51°；

12)e点与a点两点之间的垂直距离为4X～4.2X。

3.根据权利要求2所述的刃口曲线形式中的A段几何形状，其特征是A段几何形状描述为：

1)A段曲线左侧分两段，上坡开始坡度较陡，快到顶点处开始坡度变缓；

2)A段曲线右侧分三段，下坡开始坡度较陡，随后变缓，再随后急剧变陡。

4.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是设单位长度为X，过A段最外侧点建立水平基准线，则该刃口曲线形式中的B段几何形状确定为：

1)B段曲线存在6个特征区段，各形态特征区段的分界点为a、b、c、d、e、f、g；

2)a点与g点两点之间的水平距离为14X～14.5X；

3)a点与水平基准线之间的垂直距离为1.5X～1.7X；

4)a点与b点的连线与水平的倾角为80°～83°；

5)b点与c点的连线与水平的倾角为40°～42°；

6)b点与水平基准线之间的垂直距离为3.5X～38X；

7)c点与水平基准线之间的垂直距离为7.5X～8X；

8)c点与d点的连线与水平的倾角为40°～42°；

9)d点与水平基准线之间的垂直距离为3.5X～4X；

10)d点与e点，e点与f点均为两个不同圆弧上的点，且d、e两点所形成的圆弧半径约为e、f点所形成的圆弧半径的1.4～1.6倍；

11)f点与g点的连线与水平的倾角为42°～45°。

5.根据权利要求4所述的刃口曲线形式中的B段几何形状，其特征是B段几何形状描述为：

1)B段曲线左侧分两段，上坡开始坡度较陡，随后开始坡度变缓；

2)B段曲线右侧分四段，B段曲线右侧整体坡度一致，但其不同于A段曲线右侧，其明显特征为在B段曲线右侧的中部有明显的外凸圆弧，且圆弧与右侧直线段光滑过渡。

6.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是设单位长度为X，过A段最外侧点建立水平基准线，则该刃口曲线形式中的C段几何形状确定为：

1)C段曲线存在3个特征区段，各形态特征区段的分界点为a、b、c、d；

2)a点与d点两点之间的水平距离为14X～14.5X；

3)a点与b点的连线与水平的倾角为75°～77°；

4)b点与水平基准线之间的垂直距离为2.5X～2.8X；

5)b点与c点的连线与水平的倾角为30°～40°；

6)c点与水平基准线之间的垂直距离为为6.5X～7X；

7)c点与d点的连线与水平的倾角为42°～47°。

7.根据权利要求6所述的刃口曲线形式中的C段几何形状，其特征是C段几何形状描述为：

1)A段曲线左侧分两段，上坡开始坡度较陡，随后坡度变缓；

2)A段曲线右侧一段，下坡坡度在上坡两段坡度值之间。

8.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是刃口曲线上的A段a点与B段g点与C段a、d点的连线在同一直线上。

9.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是刃口曲线上的A段曲线、B段曲线、C段曲线呈周期性的重复出现。

10.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是刃口曲线上的A段a点与B段g点与C段a、d点的连线可在同一弧线上或可在同一圆上。

11.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是刃口曲线的部分应用，含有曲线上的A段或B段或C段的局部曲线的出现。

12.根据权利要求1所述的一种具有仿生几何结构特征的刃口曲线形式，其特征是过A段最外侧点建立水平基准线，则B段的最高点高于A段的最高点，A段的最高点高于C段的最高点，A与B之间的过渡圆弧的最低点高于B与C之间的过渡圆弧的最低点。

Images