CN104813765B - 适用于秸秆覆盖农田地表的仿生拨茬轮 - Google Patents

Abstract

适用于秸秆覆盖农田地表的仿生拨茬轮属农业机械技术领域，本发明拨茬片均布并固接于拨茬盘的主体外圈中部，拨茬片正面一侧表面设有凸包；轴承外圈与拨茬盘的中心孔Ⅰ固接，轴承外圈轴向由拨茬盘的凸台和轴承端盖限位；轴承内圈与支撑轴的台阶轴Ⅲ固接，轴承端盖的中心孔套于支撑轴的台阶轴Ⅰ，并经螺钉Ⅱ与拨茬盘上端固接；密封圈的中心孔套于支撑轴的台阶轴Ⅰ，并经螺钉Ⅰ与轴承端盖固接；防尘盖与拨茬盘的主体下端固接；本发明拨茬效率高，柔性拔除根茬和秸秆的效果显著，可有效防止的卡堵和堆积，拨茬片外侧仿鼹鼠挖掘轨迹的曲线使切土阻力小，且可降低拨茬片对土壤的搅动。

Description

适用于秸秆覆盖农田地表的仿生拨茬轮

技术领域

本发明属农业机械技术领域，具体涉及一种适用于秸秆覆盖农田地表的仿生旋转拨茬部件，具体地说是一种模仿鼹鼠爪趾挖掘运动特征的旋转拨茬部件。

背景技术

在实施保护性耕作的地块中，地表覆盖有大量，播种机在未清除的地块作业时，其开沟器容易堵塞，影响播种机作业质量。现有免耕播种机所采用的清茬草机构，通过外形优化和参数改进，可以提高清茬效果。如：一种仿形爪式浮动清茬、草机构CN 101336575，利用一对“八”字型拨草轮清除种床杂草。

仿生学研究表明，土壤动物在其挖掘过程中，其爪趾挖掘曲线具有较低的切削阻力。通过分析并模拟典型土壤动物的几何结构和运动学特征，可以优化爪趾-土壤接触曲线达到更好的挖掘效果。如：一种具有仿生几何结构的耕作旋转工作部件200910066892.4，通过模仿鼹鼠爪趾的几何结构，可以在保证耕作质量的前提下，大大减小耕作作业时的能量消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种模仿鼹鼠挖掘过程曲线、具有拨茬和抛茬功能的，适用于覆盖有秸秆的农田地表的仿生旋转拨茬部件。本发明所公开的仿生旋转拨茬部件，其拨茬片的外边缘借鉴了鼹鼠挖掘轨迹的曲线形状，作业时具有拨茬和抛茬功能，可以有效地扫除作业区域的秸秆、残茬以及土块，装在免耕播种机施肥开沟器或播种开沟器前，可以提高免耕播种机的通过性能。该部件具有结构简单、无须附加动力、动土量小、防堵性好等优点。本发明综合机械优化设计与工程仿生的优点，模仿土壤动物鼹鼠爪趾的运动特征，设计一种仿鼹鼠爪趾挖掘运动曲线的旋转拨茬轮，拨茬轮的部分外缘曲线仿鼹鼠挖掘过程曲线，能提高免耕播种机作业时农田地表秸秆的清除效果。

本发明由螺钉Ⅰ1、密封圈2、螺钉Ⅱ3、轴承端盖4、轴承5、支撑轴6、拨茬片7、拨茬盘8和防尘盖9组成，其特征在于其中拨茬片7为3-9个，螺钉Ⅰ1为6个，螺钉Ⅱ3为4个；拨茬片7均布并固接于拨茬盘8的主体14外圈中部，拨茬片7正面一侧表面设有凸包10；轴承5外圈与拨茬盘8的中心孔Ⅰ11固接，轴承5外圈轴向由拨茬盘8的凸台13和轴承端盖4限位；轴承5内圈与支撑轴6的台阶轴Ⅲ18固接，轴承端盖4的中心孔套于支撑轴6的台阶轴Ⅰ16，并经螺钉Ⅱ3与拨茬盘8上端固接；密封圈2的中心孔套于支撑轴6的台阶轴Ⅰ16，并经螺钉Ⅰ1与轴承端盖4固接；防尘盖9与拨茬盘8的主体14下端固接。

所述的拨茬片7为空间三维立体结构，边缘由直线AB、圆弧BC、曲线CD和螺旋线AD组成，其中直线AB、圆弧BC、曲线CD由拨茬片7在垂直于拨茬盘8轴线的平面上投影所得；在垂直于拨茬盘8轴线的平面上投影，直线AB与拨茬盘8中心径向过A点的放射线的夹角α为15°，放射线OA半径为330mm，直线AB长度为60mm；圆弧BC为半径为48mm的圆上的一段弧，其圆心角为50.4°；圆弧BC在B点与直线AB相切，圆弧BC的C点与仿鼹鼠挖掘轨迹曲线CD在C点重合；CD为仿鼹鼠挖掘轨迹曲线，在垂直于轮轴线的投影面上，得到曲线CD的投影方程式为：

x＝-0.0001y³+0.0017y^２+1.3326y+15.3498

其中：y属于[17.6，98]，单位为mm；

取笛卡尔直角坐标系OXYZ，坐标原点O位于防尘盖9底面的中心，Z轴为拨茬盘8轴向方向，X、Y轴分别为拨茬盘8径向方向；直线AB的A点在YOZ面上；螺旋线AD方程式为：

其中：θ属于[π/6，π/2]，单位为弧度；

拨茬片7的空间曲面是由曲线AE按照螺旋线AD扫掠而生成的，即曲线AE沿着螺旋线AD，由A扫掠到D，在所选坐标系中，曲线AE与平面YOZ平行，曲线AE的方程式为：

其中：y属于[40，120]，单位为mm。

所述的一个拨茬片7正面与相邻的另一个拨茬片7反面的间距L为30-60mm，拨茬片7的厚度为3-9mm。

所述的拨茬轮的外圆直径为280-350mm。

所述的凸包10为半球型凸包19、水滴型凸包22、短条型凸包25或长条型凸包28，每列凸包上的中心点与拨茬片7边缘曲线的距离相等；其中半球型凸包19为半径3mm的半球，内侧半球型凸包列21的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离为10mm，外侧半球型凸包列20的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离为20mm；内侧半球型凸包列21的半球型凸包19为4-7个，外侧半球型凸包列20的半球型凸包19为6-10个；水滴型凸包22为四分之一半球体与半圆锥体光滑相接而成，所述的半球体半径为3mm，圆锥体底面半径为3mm，高为7mm；外侧水滴型凸包列23的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为20mm，内侧水滴型凸包列24的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为10mm；内侧水滴型凸包列24的水滴型凸包22为4-7个，外侧水滴型凸包列23的水滴型凸包22为6-10个；短条型凸包25为长10mm，宽5mm，高3mm的立方体，外侧短条型凸包列26的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为10mm，内侧短条型凸包列27的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为20mm；内侧短条型凸包列27的短条型凸包25为4-7个，外侧短条型凸包列26的短条型凸包25为6-10个；长条型凸包28截面为半径为3mm的半圆，外侧长条型凸包列29的半圆截面圆心处所在曲线与拨茬片7边缘曲线的距离为10mm，内侧长条型凸包列30的半圆截面圆心处所在曲线与拨茬片7边缘曲线的距离为20mm。

所述的凸包10的材料为1608橡胶(GB5574-85)。

本发明的有益效果主要有：工作时，拨茬轮的拨茬片与地表上的秸秆或残茬接触，靠秸秆或残茬的摩擦阻力驱动使拨茬轮旋转。旋转的拨茬片将较长的秸秆拾起向侧后方抛出，较碎小的残茬被前端拨茬片分向两侧。拨茬片的投影的外侧含有一段仿生曲线，可以增大拨茬效率，柔性凸包可增大拨茬片与秸秆之间的摩擦力，更好的拔除根茬和秸秆；相邻两拨茬片根部之间的空间距离L大于秸秆直径，可防止秸秆在拨茬片根部卡住；两拨茬片之间存在较大空间可以减少秸秆的堆积；拨茬片外侧仿鼹鼠挖掘轨迹的曲线可以降低拨茬片对土壤的搅动，且具有较小的切土阻力。

附图说明

图1为适用于秸秆覆盖农田地表的仿生拨茬轮的主视图

图2为拨茬盘的结构示意图

图3为支撑轴的结构示意图

图4为适用于秸秆覆盖农田地表的仿生拨茬轮的爆炸结构示意图

图5为拨茬轮在XOY面上的投影示意图

图6为曲线AE和螺旋线AD的空间示意图

图7为拨茬轮的轴侧图

图8为在XOY面上仿鼹鼠挖掘轨迹CD的示意图

图9为在YOZ面上曲线AE的示意图

图10为半球型凸包示意图

图11为水滴型凸包示意图

图12为短条型凸包示意图

图13为长条型凸包示意图

图14为拨茬片间距离分布图

其中：1.螺钉Ⅰ 2.密封圈 3.螺钉Ⅱ 4.轴承端盖 5.轴承 6.支撑轴 7.拨茬片8.拨茬盘 9.防尘盖 10.凸包 11.中心孔Ⅰ 12.螺纹孔 13.凸台 14.主体 15.中心孔Ⅱ 16.台阶轴Ⅰ 17.台阶轴Ⅱ 18.台阶轴Ⅲ 19.半球型凸包 20.外侧半球型凸包列21.内侧半球型凸包列 22.水滴型凸包 23.外侧水滴型凸包列 24.内侧水滴型凸包列25.短条型凸包26.外侧短条型凸包列 27.内侧短条型凸包列 28.长条型凸包 29.外侧长条型凸包列 30.内侧长条型凸包列

具体实施方式

如图1所示，本发明中拨茬片7为6个(设计范围为3-9个)，螺钉Ⅰ1为6个，螺钉Ⅱ3为4个；拨茬片7均布并固接于拨茬盘8的主体14外圈中部，拨茬片7正面一侧表面设有凸包13；轴承5外圈与拨茬盘8的中心孔Ⅰ11固接，轴承5外圈轴向由拨茬盘8的凸台13和轴承端盖4限位；轴承5内圈与支撑轴6的台阶轴Ⅲ18固接；轴承端盖4的中心孔套于支撑轴6的台阶轴Ⅰ16，并经螺钉Ⅱ3与拨茬盘8上端固接；密封圈2的中心孔套于支撑轴6的台阶轴Ⅰ16，并经螺钉Ⅰ1与轴承端盖4固接；防尘盖9与拨茬盘8的主体14下端固接。

如图1，2所示，实施例中拨茬轮仿形的拨茬片7数量取6个，拨茬轮高度为100mm，拨茬轮外圆直径为330mm(设计范围为280-350mm)，拨茬盘8直径为90mm、中心孔直径为60mm、螺钉Ⅰ1直径为6mm，拨茬片7厚度为4mm(设计范围为3-9mm)。

拨茬轮中间为圆环状的拨茬盘8，拨茬盘8与拨茬片7为一整体、由25Mn钢铸造而成，拨茬片7沿拨茬盘8均匀分布。

如图3所示，支撑轴6为阶梯轴式直杆类结构件，轴上包含台阶轴Ⅰ16、台阶轴Ⅱ17、台阶轴Ⅲ18。其中台阶轴Ⅲ18与轴承5内圈相接触，台阶轴Ⅰ16和台阶轴Ⅱ17所形成的轴肩分别与轴承端盖4和轴承5接触。

拨茬盘8中心有中心孔，拨茬片7上分布有2列柔性凸包，拨茬片7上有柔性凸包的相对应的一侧拨茬盘上均匀分布有6个螺纹孔。

拨茬轮由拨茬片7部分和拨茬盘8组成。

如图5所示，拨茬片7为空间三维立体结构，边缘由直线AB、圆弧BC、曲线CD和螺旋线AD组成，其中直线AB、圆弧BC、曲线CD由拨茬片7在垂直于拨茬盘8轴线的平面上投影所得；

在垂直于拨茬盘8轴线的平面上投影，直线AB与拨茬盘8中心径向过A点的放射线的夹角α为15°，放射线OA半径为330mm，直线AB长度为60mm；圆弧BC为半径为48mm的圆上的一段弧，其圆心角为50.4°；圆弧BC在B点与直线AB相切，圆弧BC的C点与仿鼹鼠挖掘轨迹曲线CD在C点重合；

如图8所示，因为鼹鼠挖掘轨迹比较省力，与土壤接触后能有效拨动土壤，故拨茬片7面的外围曲线仿鼹鼠挖掘轨迹。CD为仿鼹鼠挖掘轨迹曲线，在垂直于轮轴线的投影面上，得到曲线CD的投影方程式为：

x＝-0.0001y^３+0.0017y^２+1.3326y+15.3498

其中：y属于[17.6，98]，单位为mm。

如图6、图9所示，取笛卡尔直角坐标系OXYZ，坐标原点O位于防尘盖9底面的中心，Z轴为拨茬盘8轴向方向，X、Y轴分别为拨茬盘8径向方向；直线AB的A点在YOZ面上；螺旋线AD方程式为：

其中：θ属于[π/6，π/2]，单位为弧度；

如图6所示，拨茬片7的空间曲面是由曲线AE按照螺旋线AD扫掠而生成的，即曲线AE沿着螺旋线AD，由A扫掠到D，在所选坐标系中，曲线AE与平面YOZ平行，曲线AE的方程式为：

其中：y属于[40，120]，单位为mm；

如图7所示，所述的拨茬片7，其一侧表面均匀分布有2列橡胶材质的柔性凸包，外侧一列8个柔性凸包，内侧4个一列柔性凸包，每列柔性凸包均匀分布，其中外侧一列柔性凸包的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线(空间曲线BCD)上点的最短距离均为10mm，内侧一列柔性凸包的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的最短距离均为20mm。每列凸包上的中心点与拨茬片7边缘曲线的距离相等；

如图10所示，半球型凸包19为半径3mm的半球，内侧半球型凸包列21的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离为10mm，外侧半球型凸包列20的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离为20mm；内侧半球型凸包列21的半球型凸包19为4个(设计范围为4-7个)，外侧半球型凸包列20的半球型凸包19为7个(设计范围为6-10个)；

如图11所示，水滴型凸包22为四分之一半球体与半圆锥体光滑相接而成，所述的半球体半径为3mm，圆锥体底面半径为3mm，高为7mm；外侧水滴型凸包列23的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为20mm，内侧水滴型凸包列24的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为10mm；内侧水滴型凸包列24的水滴型凸包22为4个(设计范围为4-7个)，外侧水滴型凸包列23的水滴型凸包7个(设计范围为22为6-10个)；

如图12所示，短条型凸包25为长10mm，宽5mm，高3mm的立方体，外侧短条型凸包列26的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为10mm，内侧短条型凸包列27的每个凸包的中心点与拨茬片7边缘曲线上点的距离均为20mm；内侧短条型凸包列27的短条型凸包25为4个(设计范围为4-7个)，外侧短条型凸包列26的短条型凸包25为7个(设计范围为6-10个)；

如图13所示，

长条型凸包28截面为半径为3mm的半圆，外侧长条型凸包列29的半圆截面圆心处所在曲线与拨茬片7边缘曲线的距离为10mm，内侧长条型凸包列30的半圆截面圆心处所在曲线与拨茬片7边缘曲线的距离为20mm。

凸包10的材料为1608橡胶(GB5574-85)，镶嵌并粘贴到拨茬片7上。

本实施例中的秸秆、根茬仿生清理部件中采用6个拨茬片7设计范围为3-9个，依次均匀分布在拨茬盘8上，如图14所示，一个拨茬片7正面与相邻的另一个拨茬片7反面的间距L为40mm(设计范围为30-60mm)，拨茬片7的厚度为4mm(设计范围为3-9mm)，可防止秸秆在拨茬片根部卡住。

拨茬盘8通过支撑轴6连在支架上。

Claims (2)

1.一种适用于秸秆覆盖农田地表的仿生拨茬轮，由螺钉Ⅰ(1)、密封圈(2)、螺钉Ⅱ(3)、轴承端盖(4)、轴承(5)、支撑轴(6)、拨茬片(7)、拨茬盘(8)和防尘盖(9)组成，其中拨茬片(7)为3-9个，螺钉Ⅰ(1)为6个，螺钉Ⅱ(3)为4个；轴承(5)外圈与拨茬盘(8)的中心孔Ⅰ(11)固接，轴承(5)外圈轴向由拨茬盘(8)的凸台(13)和轴承端盖(4)限位；轴承(5)内圈与支撑轴(6)的台阶轴Ⅲ(18)固接，轴承端盖(4)的中心孔套于支撑轴(6)的台阶轴Ⅰ(16)，并经螺钉Ⅱ(3)与拨茬盘(8)上端固接；密封圈(2)的中心孔套于支撑轴(6)的台阶轴Ⅰ(16)，并经螺钉Ⅰ(1)与轴承端盖(4)固接；防尘盖(9)与拨茬盘(8)的主体(14)下端固接，拨茬片(7)均布并固接于拨茬盘(8)的主体(14)外圈中部，拨茬片(7)正面一侧表面设有凸包(10)，其特征在于所述的拨茬片(7)为空间三维立体结构，边缘由直线AB、圆弧BC、曲线CD和螺旋线AD组成，其中直线AB、圆弧BC、曲线CD由拨茬片(7)在垂直于拨茬盘(8)轴线的平面上投影所得；在垂直于拨茬盘(8)轴线的平面上投影，直线AB与拨茬盘(8)中心径向过A点的放射线的夹角α为15°，放射线OA半径为330mm，直线AB长度为60mm；圆弧BC为半径为48mm的圆上的一段弧，其圆心角为50.4°；圆弧BC在B点与直线AB相切，圆弧BC的C点与仿鼹鼠挖掘轨迹曲线CD在C点重合；CD为仿鼹鼠挖掘轨迹曲线，在垂直于轮轴线的投影面上，得到曲线CD的投影方程式为：

x＝-0.0001y³+0.0017y²+1.3326y+15.3498

其中：y属于[17.6，98]，单位为mm；

取笛卡尔直角坐标系OXYZ，坐标原点O位于防尘盖(9)底面的中心，Z轴为拨茬盘(8)轴向方向，X、Y轴分别为拨茬盘(8)径向方向；直线AB的A点在YOZ面上；螺旋线AD方程式为：

$\left\{\begin{array}{c}x=40\cos \mathrm{\θ}\\ y=40\sin \mathrm{\θ}\\ z=38.2\mathrm{\θ}+10\end{array}\right.$

其中：θ属于[π/6，π/2]，单位为弧度；

拨茬片(7)的空间曲面是由曲线AE按照螺旋线AD扫掠而生成的，即曲线AE沿着螺旋线AD，由A扫掠到D，在所选坐标系中，曲线AE与平面YOZ平行，曲线AE的方程式为：

$\left\{\begin{array}{c}z=-0.0009y^2+0.0953y+72.2592\\ x=0\end{array}\right.$

其中：y属于[40，120]，单位为mm。

2.按权利要求1所述的适用于秸秆覆盖农田地表的仿生拨茬轮，其特征在于所述的凸包(10)为半球型凸包(19)、水滴型凸包(22)、短条型凸包(25)或长条型凸包(28)，每列凸包上的中心点与拨茬片(7)边缘曲线的距离相等；其中半球型凸包(19)为半径3mm的半球，内侧半球型凸包列(21)的每个凸包的中心点与拨茬片(7)边缘曲线上点的距离为10mm，外侧半球型凸包列(20)的每个凸包的中心点与拨茬片(7)边缘曲线上点的距离为20mm；内侧半球型凸包列(21)的半球型凸包(19)为4-7个，外侧半球型凸包列(20)的半球型凸包(19)为6-10个；水滴型凸包(22)为四分之一半球体与半圆锥体光滑相接而成，所述的半球体半径为3mm，圆锥体底面半径为3mm，高为7mm；外侧水滴型凸包列(23)的每个凸包的中心点与拨茬片(7)边缘曲线上点的距离均为20mm，内侧水滴型凸包列(24)的每个凸包的中心点与拨茬片(7)边缘曲线上点的距离均为10mm；内侧水滴型凸包列(24)的水滴型凸包(22)为4-7个，外侧水滴型凸包列(23)的水滴型凸包(22)为6-10个；短条型凸包(25)为长10mm，宽5mm，高3mm的立方体，外侧短条型凸包列(26)的每个凸包的中心点与拨茬片(7)边缘曲线上点的距离均为10mm，内侧短条型凸包列(27)的每个凸包的中心点与拨茬片(7)边缘曲线上点的距离均为20mm；内侧短条型凸包列(27)的短条型凸包(25)为4-7个，外侧短条型凸包列(26)的短条型凸包(25)为6-10个；长条型凸包(28)截面为半径为3mm的半圆，外侧长条型凸包列(29)的半圆截面圆心处所在曲线与拨茬片(7)边缘曲线的距离为10mm，内侧长条型凸包列(30)的半圆截面圆心处所在曲线与拨茬片(7)边缘曲线的距离为20mm。