CN103797906B - 基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业耕作机械上的典型耕作部件深松铲，特别是涉及一种基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄，它由机架连接段(H₁)，触土曲线段(H₂)和铲尖连接段(H₃)组成。其特征在于：本发明是基于棕熊爪趾表面轮廓线，其形状具有幂函数的曲线形式，深松铲柄触土曲线段的内准线(F)和外准线(G)分别按如下幂函数方程式制得：y₁＝1917000x₁ ^(-1.658)+8.743；y₂＝5299x₂ ^(-0.5737)-114.3。铲尖连接段(H₃)的铲尖安装平面与水平面之间的夹角α为20°～24°。该种基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄可使深松铲的工作阻力减少9％，有利于节约能耗。

Description

基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄

技术领域

本发明涉及农业耕作机械上的一种具有减阻作用的基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄。

背景技术

随着深松技术的不断推广应用，对深松作业的耕作质量和能耗提出了更高的要求。深松铲是深松机最主要的工作部件，如果能够在保证作业质量的前提下，通过合理设计深松铲的结构从而降低深松作业的工作阻力，这对于进一步推广深松技术有着重要的意义。

深松铲的耕作阻力来自于铲柄和铲尖，而铲柄的结构形式对深松铲的阻力有巨大的影响，通过改变深松铲柄触土曲线，在保证作业质量的前提下减小耕作阻力。

研究发现，棕熊善于挖掘洞穴，这与其前爪趾的形状有着密不可分的关系，另外棕熊在挖掘洞穴的过程中是通过爪趾的移动来完成的，这与深松铲的耕作过程十分相似，因此，将其爪趾曲线应用于深松铲柄的设计有着较强的理论基础。在对棕熊前爪趾的研究过程中，发现其轮廓线具有幂函数曲线的特征，这种结构使得棕熊在挖掘洞穴的过程中能够大大减小阻力，因此，将该曲线形式应用于深松铲柄的设计中，能够达到降低耕作阻力的作用。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄，以达到减小耕作阻力节约能耗的作用。

本发明基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄如图1所示，它由机架连接段H₁，触土曲线段H₂和铲尖连接段H₃组成，内准线前部有60°刃角的刃口，刃口前轮廓线E与铲柄工作段内准线F平行，铲尖连接段H₃的铲尖安装平面与水平面之间的夹角α为20°～24°。在耕作时，触土曲线段能够模仿棕熊挖掘时的形态。触土曲线段内准线F和外准线G分别按照如下幂函数方程制得：

y₁＝1917000x₁ ^(-1.658)+8.743；

y₂＝5299x₂ ^(-0.5737)-114.3；

式中，x₁的取值范围是116≤x₁≤500，x₂的范围是26≤x₂≤500，拟合函数图像的x轴以pixels为单位。

本发明的有益效果是：基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄在耕作过程中可以使其刃口前方土壤斜向上运动，这样可以减少对土壤的挤压从而降低耕作阻力，同时这种曲线形式可以减小摩擦力，有效的减少了能耗。研究表明，使用这种基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄可以使深松机具的工作阻力减少9％。

附图说明

图1是基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图2所示A-A向剖面视图；

图4是棕熊的前爪中趾上表面轮廓曲线；

图5是棕熊的前爪中趾下表面轮廓曲线。

具体实施方式

下面结合附图所示实例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

参照图1至图3，基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄由由机架连接段H₁，触土曲线段H₂和铲尖连接段H₃组成，内准线前部有60°刃角的刃口，刃口前轮廓线E与铲柄工作段内准线F平行，铲尖连接段H₃的铲尖安装平面与水平面之间的夹角α为20°～24°。根据深松铲作业一般要求，H₁+H₂+H₃＝600mm，H₁为280mm(依据国标JB/T9788-1999标准)，I为55mm，J为25mm(依据国标JB/T9788-1999标准)。触土曲线段H₂为采用幂函数曲线得到的仿生结构，由E、F、G三段曲线构成，曲线取自棕熊爪趾轮廓曲线(拍摄棕熊爪趾照片，利用Matlab软件对爪趾轮廓进行描点，经曲线拟合得到其幂函数形式的曲线方程)。触土曲线段的内准线F和外准线G是分别按照拟合得到的如下两个方程制得的曲线：

y₁＝1917000x₁ ^(-1.658)+8.743；

y₂＝5299x₂ ^(-0.5737)-114.3；

式中，x₁的取值范围是116≤x₁≤500，x₂的范围是26≤x₂≤500，拟合函数图像的x轴以pixels为单位。根据深松铲柄的设计要求，将得到的曲线进行等比例缩小，经过优化设计后的曲线段E、F、G如图1所示。铲柄前伸量L与耕深D的比值L/D的取值范围0.7≤L/D≤0.85。

以中华人民共和国机械行业标准JB/T9788-1999《深松铲和深松铲柄》所规定的中型深松铲的尺寸和结构为基础进行设计制作。

耕深要求D＝320mm，取x₁的范围是116≤x₁≤500，x₂的范围是26≤x₂≤500，将图2及图3中的曲线坐标值x₁、y₁、x₂、y₂整体缩小，比例系数为0.47，得到L＝250mm，L/D＝0.78。

内准线和外准线前端铲尖连接段H₃中N为10mm，P为25mm，其他尺寸按照国标中规定的进行设计。

Claims (1)

1.基于幂函数曲线的仿生减阻深松铲柄，它由机架连接段(H₁)，触土曲线段(H₂)和铲尖连接段(H₃)组成，内准线(F)的前部有60°刃角的刃口，刃口前轮廓线(E)与内准线(F)平行，其特征在于铲尖安装平面与水平面之间的夹角α为20°～24°，铲柄前伸量L与耕深D的比值L/D的取值范围0.7≤L/D≤0.85；触土曲线段的内准线(F)和外准线(G)采用幂函数曲线特征的仿生结构，所用的曲线方程为：

y₁＝1917000x₁ ^(-1.658)+8.743；

y₂＝5299x₂ ^(-0.5737)-114.3；

式中，x₁的取值范围是116≤x₁≤500，x₂的范围是26≤x₂≤500，拟合函数图像的x轴以pixels为单位。