CN103430648B - 仿生双翼通用除草铲 - Google Patents

Abstract

仿生双翼通用除草铲属农业机械技术领域，本发明中铲柄工作刃口段上下端分别与铲柄连接段和锄铲安装段固接，锄铲与锄铲安装段下端固接，锄铲具有锄铲尖部弧线D；工作刃口段与铲柄连接段连接断面处刃口截面可采用倒角形式、抛物线形式或正弦曲线形式，工作刃口段前表面刃口的准线具有仿生结构的高斯函数曲线A，其方程式为： 本发明兼顾除草和碎土性能，可使除草铲柄工作阻力减少约9%，提高除草铲的入土能力，并使其缠草和伤苗的几率降低。

Description

仿生双翼通用除草铲

技术领域

本发明属农业机械技术领域，具体涉及一种具有仿生结构的用于中耕机械的仿生双翼通用除草铲。

背景技术

保护性耕作技术的引入实现了我国农业耕作技术的一次革新，其所取得的成效为我国农业的发展做出了巨大贡献，保护性耕作发展初期采用化学除草剂管理农田杂草，随着杂草抗药性的出现以及保护性耕作使得农田杂草治理难度的加大，因此机械除草替代或者部分替代化学除草势在必行，同时还能减少化学试剂给自然环境带来的污染。中耕除草成为我国农业精耕细作的重要环节之一，中耕除草铲是中耕机具中重要的耕作部件，其中双翼通用铲兼顾了除草和碎土的双重性能，不仅能有效地灭除杂草，同时可以实现播前的土壤疏松，保证作物根系的发育，使作物充分吸收土壤中的养分，在农作物生长期间创造有利的条件是保证高产、稳产不可缺少的有效措施。但传统除草铲存在工作阻力大、缠草等技术问题。

研究发现，鼢鼠的前足爪趾是其主要的挖掘器官并且具有较强的切挖能力，鼢鼠作为一种土壤洞穴动物常年生活在地下，鼢鼠生活的土壤环境杂草丛生且植物根系发达，鼢鼠能在根系发达的土壤中实现高效切挖，且前足爪趾入土能力强，不缠绕杂草，这与其爪趾的特殊几何结构有关；对鼢鼠前足中趾研究发现，其下表面沿爪趾长度方向的轮廓线具有高斯函数曲线特征，这种结构特征是鼢鼠具有较强挖掘能力的主要原因。因此，将鼢鼠的这种高斯函数曲线特征形式和趾尖弧线的多项式曲线特征分别应用于除草铲铲柄和锄铲的结构仿生设计，能够提高除草铲的入土能力，降低除草铲工作过程中的阻力和减少缠草现象的发生。

发明内容

除草铲的工作阻力来自于在部件工作中对土壤的剪切阻力以及其与土壤的摩擦阻力，导致入土能力低，传统除草铲缠草情况的发生主要是除草铲设计存在缺陷，使得杂草不能顺利掉落，本发明的目的在于提供一种能解决传统除草铲入土能力低、工作阻力大以及缠草的技术问题，且具有高斯函数曲线形铲柄和多项式曲线形锄铲铲刃的仿生双翼通用除草铲。

本发明由铲柄Ⅰ和锄铲Ⅱ组成，其中铲柄Ⅰ由连接段1、工作刃口段2和锄铲安装段3组成，其中工作刃口段2上端与铲柄连接段1固接，工作刃口段2下端与锄铲安装段3上端固接，工作刃口段2的前表面刃口的作用是土垡破碎、分拨杂草；曲线A、B所构成的曲面能够辅助碎土和使杂草易于滑落；曲线C是为了与曲线A和曲线B相结合，满足整个铲柄弯曲部分的强度；铲柄连接段1上设有连接安装调节孔，锄铲安装段3上设有锄铲安装螺纹孔；锄铲Ⅱ与锄铲安装段3下端固接，锄铲Ⅱ具有锄铲尖部弧线D；工作刃口段2与铲柄连接段1连接断面处刃口的刃口角α₁为90°；工作刃口段2下端与锄铲安装段3连接断面处刃口的刃口角β₁为120°；工作刃口段2前表面刃口准线具有仿生结构的高斯函数曲线A，其方程式为：

$f\left(x\right)=2.993e^{-{\left(\frac{x+1.083}{3.365}\right)}^2}+4.27e^{-{\left(\frac{x-4.005}{5.79}\right)}^2}$

$+0.1844e^{-{\left(\frac{x-13.16}{2.04}\right)}^2}+1.419e^{-{\left(\frac{x-10.28}{3.596}\right)}^2}.$

所述的工作刃口段2与铲柄连接段1连接断面处刃口横向截面或采用抛物线形式，其抛物线方程式为：

f(x)=x²/2

其中：-10mm<x<10mm。

工作刃口段2与铲柄连接段1连接断面处刃口横向截面或采用正弦曲线形式，其正弦曲线方程式为：

f(x)=6sinx

其中：0<x<π。

所述的铲柄Ⅰ中铲柄宽度a与铲柄厚度S的比值为3:1，铲柄宽度a为35mm～45mm；除草铲总高度H为400mm～550mm；铲柄连接段高度H₁为100mm～200mm；工作刃口段高度H₂为250mm～300mm；锄铲安装段宽度S₁为30mm，锄铲安装螺纹孔间距t为45±0.5mm；铲柄前伸长度L为200mm～250mm。

所述的锄铲尖部弧线D为仿生多项式曲线，其方程式为：

f(x)=-2.146×10^-9x⁶+4.274×10^-6x⁵-0.003533x⁴+1.552x³-382x²+4.998×10⁴x-2.715×10⁶。

所述的锄铲Ⅱ中锄铲翼张角2γ为50°～80°，碎土角β₂为22°～42°，切土角β₀为22°～25°，隙角ζ为10°，铲翼宽度Ⅰd₁为40mm～60mm,铲翼宽度Ⅱd₂:铲翼宽度Ⅰd₁=2:3，铲翼厚度δ为5mm，铲胸升角α₂为16°，锄铲工作幅宽度e为385mm。

本发明的技术效果：

仿生双翼通用除草铲的高斯函数曲线形刃口和多项式函数曲线形入土弧线，在除草铲工作过程中改变了传统除草铲的圆弧形刃口和入土的方式，这种方式的改变使得除草铲在剪切土壤过程中剪切阻力与土壤之间的摩擦阻力减小，入土能力提高，同时也使得杂草更容易滑过除草铲，使除草铲缠草和伤苗的几率降低，并在中耕作业时可有效保护作物苗床,这种仿生双翼通用除草铲可以减少工作阻力约9%。

附图说明

图1为仿生双翼通用除草铲主视图

图2为仿生双翼通用除草铲铲柄主视图

图3为仿生双翼通用除草铲铲柄左视图

图4为图2中i-i截面（刃口截面呈倒角形式）的示意图

图5为图2中j-j截面（刃口截面呈倒角形式）的示意图

图6为图2中i-i截面（刃口截面呈抛物线形式）的示意图

图7为图2中i-i截面（刃口截面呈正弦曲线形式）的示意图

图8为仿生双翼通用除草铲锄铲主视图

图9为图8中k-k截面示意图

图10为仿生双翼通用除草铲锄铲俯视图

图11为10中m-m截面示意图

图12为10中n-n截面示意图

其中：Ⅰ-铲柄 Ⅱ-锄铲 D-锄铲尖部弧线 1.铲柄连接段 2.工作刃口段； 3.锄铲安装段 a-铲柄宽度 b-铲柄横向截面呈抛物线形式的刃口 c-铲柄横向截面呈正弦曲线形式的刃口 t-锄铲安装螺纹孔间距 H-除草铲总高度；H₁-铲柄连接段高度 H₂-工作刃口段高度H₃-锄铲安装段高度 L-铲柄前伸长度 S-铲柄厚度；S₁-锄铲安装段宽度 2γ-锄铲翼张角β₁-工作刃口段下端与锄铲安装段连接断面处刃口的刃口角 β₂-碎土角 β₀-切土角 ζ-隙角；d₁-铲翼宽度Ⅰ d₂-铲翼宽度Ⅱ δ-铲翼厚度 α₁-工作刃口段与铲柄连接段连接断面处刃口的刃口角 α₂-铲胸升角e-锄铲工作幅宽度

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。

本发明所涉及的高斯函数曲线形仿生双翼通用除草铲由铲柄Ⅰ和锄铲Ⅱ组成，其中铲柄由与机架紧固连接的铲柄连接段1、工作刃口段2（对土壤进行剪切破坏、辅助碎土）和锄铲安装段3组成。根据一般的除草铲铲柄设计要求，机引中耕机除草铲总高度H=H₁+H₂+H₃=475mm(除草铲总高度H可以根据需要取不同值，取值范围为400～550mm)，其中铲柄连接段高度H₁为186mm，工作刃口段高度H₂为262mm，锄铲安装段高度H₃为27mm，铲柄宽度a为45mm(根据JB/T6272)，铲柄厚度S为16mm(根据JB/T6272)。锄铲安装段高度H₃的尺寸可以根据双翼通用铲锄铲的形式和标准（JB/T6272）来确定。铲柄前伸长度L为245mm；其中锄铲翼张角2γ为65°，碎土角β₂为22°，切土角β₀为25°，隙角ζ为10°，铲翼宽度Ⅰd₁为60mm，铲翼宽度Ⅱd₂为40mm，铲翼厚度δ为5mm，铲胸升角α₂为16°，锄铲工作幅宽度e为300mm。所述的弯曲切土段为具有高斯函数曲线特征的仿生结构，包括曲线A、曲线B、曲线C。曲线段取自鼢鼠前爪中间趾下表面沿爪趾长度方向的轮廓曲线，所述的锄铲尖端入土部分D具有多项式函数曲线特征，曲线取自鼢鼠前爪中趾趾尖，利用逆向工程软件得到中趾的三维点云，利用CAD中LIST命令得到轮廓线的坐标点，并利用Matlab软件拟合得到爪趾下表面的高斯函数形式和爪趾尖端的多项式函数形式。

将鼢鼠前爪中趾伸出部分（鼢鼠挖掘过程中承担主要的挖掘功能）作为高斯函数曲线形双翼通用除草铲铲柄弯曲部分结构的设计依据。充分考虑到铲柄的设计标准以及实际设计参数，对高斯函数曲线进行优化，经优化后的高斯函数曲线形仿生铲的工作刃口段的尺寸参阅图1所示的A段曲线。曲线A、曲线B、曲线C均取自同一高斯函数曲线形式，其中曲线A为仿生铲柄的工作刃口段的切土刃口，曲线B和C与曲线A所围成的结构，使得铲柄的工作刃口段刃口具有更强的切土和使杂草易于滑落的能力。铲柄其它结构尺寸在结合实际的设计要求和农业机械设计手册的标准基础上确定；将鼢鼠前爪中趾尖端部分作为锄铲尖端入土部分的具有多项式函数形式的设计。本发明双翼通用除草铲兼顾除草和碎土性能，可使除草铲工作阻力减少约9%，提高入土能力，使铲柄缠草和伤苗的几率降低。

实施例1

图2和图3为仿生双翼通用除草铲铲柄的主视图和左视图

图4和图5是仿生双翼通用除草铲铲柄的工作刃口段刃口截面为倒角形式，考虑到结构的强度，工作刃口段下端与锄铲安装段连接断面处刃口的刃口角β₁为120°,其余部分截面夹角α₁为90°，图10为仿生双翼通用除草铲锄铲的俯视图，尖端入土部分锄铲尖部弧线D为多项式曲线形式，此种形式仿生双翼通用除草铲相比于传统除草铲可以减少阻力约9%。

实施例2

图6是仿生双翼通用除草铲铲柄的工作刃口段刃口截面为抛物线形式的示意图，抛物线方程为：

f(x)=x^2/2

其中：-10mm<x<10mm；

对曲线进行优化处理，经优化后形成除草铲的仿生铲柄的工作刃口段刃口截面形状,图10为仿生双翼通用除草铲锄铲的俯视图，尖端入土部分锄铲尖部弧线D为多项式曲线形式，此种仿生双翼通用除草铲相比于传统除草铲可以减小阻力约8.5%。

实施例3

图7是仿生双翼通用除草铲铲柄的工作刃口段刃口截面为正弦曲线形式的示意图，正弦曲线方程为：f(x)=6sinx

其中：0<x<π；

对曲线进行优化处理，经优化后形成除草铲的仿生铲柄的工作刃口段刃口截面形状，图10为仿生双翼通用除草铲锄铲的俯视图，尖端入土部分锄铲尖部弧线D为多项式曲线形式，此种仿生双翼通用除草铲相比于传统除草铲可以减少阻力约9%。

Claims (3)

1.一种仿生双翼通用除草铲，由铲柄(Ⅰ)和锄铲(Ⅱ)组成，其中铲柄(Ⅰ)由连接段(1)、工作刃口段(2)和锄铲安装段(3)组成，其特征在于所述的工作刃口段(2)上端与铲柄连接段(1)固接，工作刃口段(2)下端与锄铲安装段(3)上端固接；铲柄连接段(1)上设有连接安装调节孔，锄铲安装段(3)上设有锄铲安装螺纹孔，锄铲(Ⅱ)与锄铲安装段(3)下端固接，锄铲(Ⅱ)具有锄铲尖部弧线D；工作刃口段(2)与铲柄连接段(1)连接断面处刃口的刃口角α₁为90°；工作刃口段(2)下端与锄铲安装段(3)连接断面处刃口的刃口角β₁为120°；工作刃口段(2)前表面刃口准线具有仿生结构的高斯函数曲线A，其方程式为：

$\begin{array}{c}f\left(x\right)=2.993e^{-{\left(\frac{x+1.083}{3.365}\right)}^2}+4.27e^{-{\left(\frac{x-4.005}{5.79}\right)}^2}\\ +0.1844e^{-{\left(\frac{x-13.16}{2.04}\right)}^2}+1.419e^{-{\left(\frac{x-10.28}{3.596}\right)}^2}\end{array}.$

2.按权利要求1所述的仿生双翼通用除草铲，其特征在于所述的工作刃口段(2)与铲柄连接段(1)连接断面处刃口横向截面或采用抛物线形式，其抛物线方程式为：

f(x)＝x²/2

其中：-10mm<x<10mm；

工作刃口段(2)与铲柄连接段(1)连接断面处刃口横向截面或采用正弦曲线形式，其正弦曲线方程式为：

f(x)＝6sin x

其中：0<x<π。

3.按权利要求1所述的仿生双翼通用除草铲，其特征在于所述的锄铲尖部弧线D为仿生多项式曲线，其方程式为：

f(x)＝-2.146×10^-9x⁶+4.274×10^-6x⁵-0.003533x⁴+1.552x³-382x²+4.998×10⁴x-2.715×10⁶。