CN105144982B - 具有仿生结构的玉米根茬切割装置 - Google Patents
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Abstract
具有仿生结构的玉米根茬切割装置属农业收获机械技术领域，本发明的二侧刀杆上部与连接架的二套管固接，二侧刀杆下端固接于切茬刀片的二孔位置；2‑5个凹槽设于二孔之间；切茬刀片底边与水平面夹角η为10‑15°；凹槽纵向、二侧刀杆中侧刀刀刃角α朝向与切茬刀片工作时的前进方向一致；二孔中心连线与凹槽垂直，与奇数的中间凹槽中心点(偶数凹槽纵向中心线中点)相交；切茬刀片基体的梯形底边与凹槽的夹角为40‑60°；切茬刀片刀刃前部为6‑50个切齿，切齿外缘仿蝉若虫前爪锯齿状轮廓线设计，曲线单元按直线型连续排布，总宽度为切茬刀片刀刃长度；本发明的仿生切茬刀片与传统切茬刀片相比，其功耗降低近6％，且切茬刀片的耐磨性和工作效率提高。
Description
技术领域
本发明属农业收获机械技术领域，具体涉及一种具有仿生结构的玉米根茬切割装置。
背景技术
玉米根茬收获技术近年来得到长足的发展，根茬收获过程中首要步骤是将根茬与土壤分离，而后完成捡拾、脱土等工作。由于玉米根系庞杂，根茬会裹挟大量土壤，形成复杂的根土复合体。传统的直刃或带有锯齿的切割刀片，在切割过程中会消耗大量能量，同时影响根茬收获的整体效率，所以减小机具切割根茬的阻力，提高其耐磨性，是提高根茬收获机具生产率，降低成本的关键。
蝉是我国北方地区常见的一种昆虫，蝉若虫于5月下旬至8月中下旬钻出土壤完成蜕变。研究发现，蝉若虫在地下30-50mm通过挖洞方式爬到地面，在其挖洞过程中负责挖掘工作的是一对前爪。经过漫长的自然选择过程，蝉若虫前爪在挖掘、切割土壤方面有着得天独厚的优势，蝉若虫切挖土壤的过程中要切割与土壤裹挟在一起的植物根系，这一过程与根茬切割装置切割根茬十分相似，因此，蝉若虫前爪独特的齿状结构和沟壑结构为根茬切割部件设计提供了仿生原型。通过逆向工程技术，提取蝉若虫前爪锯齿状结构的轮廓曲线，将其应用到玉米根茬切割工作部件中，这为改进玉米根茬切割工作部件，为玉米根茬切割的高质量、高效率、低功耗作业提供了设计依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种切割根茬阻力小、工作能耗低，能提高根茬收获机工作效率的具有仿生结构的玉米根茬切割装置。
本发明的仿生结构来自于蝉若虫前爪锯齿状结构和蝉若虫前爪沟壑结构，这些结构有助于蝉若虫在切割土壤过程中降低阻力。
本发明由连接架1、左侧刀杆2、切茬刀片3、右侧刀杆4组成，其中右侧刀杆4的上部经螺栓与连接架1的右套管10固接，右侧刀杆4的下端固接于切茬刀片3的孔Ⅲ15位置；左侧刀杆2的上部经螺栓与连接架1的左套管9固接，左侧刀杆2的下端固接于切茬刀片3的孔Ⅱ17位置；所述的切茬刀片3由切茬刀片基体18和切齿20组成，其中切茬刀片基体18呈梯形，切茬刀片基体宽度d为70--160mm,切茬刀片刀刃宽度c为10--40mm,切茬刀片刀刃角φ为20--45°，切茬刀片基体厚度h1为10--15mm,切茬刀片基体18梯形底边与侧边的夹角θ为55--70°，切茬刀片基体18上设有孔Ⅲ15和孔Ⅱ17，孔Ⅲ15和孔Ⅱ17之间设有2--5个凹槽16，孔Ⅲ15和孔Ⅱ17对称设于凹槽16两边，且孔Ⅲ15中心和孔Ⅱ17中心的连线与凹槽16垂直，且与奇数的中间凹槽16的中心点相交，若凹槽16为偶数，则孔Ⅲ15中心和孔Ⅱ17中心的连线与两个中间凹槽纵向中心线的中点相交；孔Ⅲ15和孔Ⅱ17的中心距e为90-150mm，孔Ⅲ15和孔Ⅱ17的直径为12mm；切茬刀片基体18的梯形底边与凹槽16的夹角β为40-60°，凹槽16的纵向、左侧刀杆2和右侧刀杆4中侧刀刀刃角α的朝向与切茬刀片3工作时的前进方向一致，每两个凹槽16的凹槽间距a为8-30mm；切茬刀片3的底边与水平面的夹角η为10-15°；切茬刀片刀刃19前部为切齿20,切齿20的个数为6-50，切齿20外缘轮廓的曲线单元21的函数表达式为：
其中：66.7<x<82.5；
曲线单元21的宽度为8-40mm，在保持宽高比不变的情况下放大或缩小；曲线单元21按直线型连续排布，总宽度则为切茬刀片刀刃长度L，切茬刀片刀刃长度L为48-400mm；凹槽16的宽度b与曲线单元21的宽度之比为1：1，凹槽16的深度h2与曲线单元21的宽度之比为1:5；凹槽16的个数为切齿20个数的0.1-0.2倍。
所述的连接架1由连接板7、左套管9和右套管10组成，左套管9和右套管10对称固接于连接板7的中部两边，连接板7上设有六个孔Ⅰ8，左套管9上设有两对右螺栓对孔6，右套管10上设有两对左螺栓对孔5。
所述的左侧刀杆2上部设有四个左孔11，左侧刀杆2下部前端设有左侧刀12，侧刀刀刃角α为30--60°。
所述的右侧刀杆4上部设有四个右孔13，右侧刀杆4下部前端设有右侧刀14，侧刀刀刃角α为30--60°。
本发明的有益效果：
采用本发明的切茬刀片对玉米根茬的切割实验证明，与传统刀片相比，本发明可使切割玉米根茬的功耗降低近6％，并且提高了刀片的耐磨性和工作效率。
本发明将土壤穴居昆虫的爪部挖掘曲线应用到传统的农业土壤耕作部件上，解决了玉米根茬根茬切割困难的问题。其结构相对简单，切割阻力小，效率高。不仅适用于玉米根茬的收获，对于一些需要挖掘收获的农作物，如马铃薯、木薯、花生等，也可以进行挖掘。
附图说明
图1为具有仿生结构的玉米根茬切割装置的结构示意图
图2为连接架的结构示意图
图3为左侧刀杆的结构示意图
图4为右侧刀杆的结构示意图
图5为侧刀刀刃角的示意图
图6为切茬刀片的结构示意图
图7为凹槽尺寸标识示意图
图8为图6中A-A向截面视图
图9为切茬刀片的底边与水平面的夹角示意图
图10为曲线单元示意图
其中：1.连接架 2.左侧刀杆 3.切茬刀片 4.右侧刀杆 5.左螺栓对孔 6.右螺栓对孔 7.连接板 8.孔Ⅰ 9.左套管 10.右套管 11.左孔 12.左侧刀 13.右孔 14.右侧刀15.孔Ⅲ 16.凹槽 17.孔Ⅱ 18.切茬刀片基体 19.切茬刀片刀刃 20.切齿21.曲线单元
a-凹槽间距 b-凹槽宽度 c切茬刀片刀刃宽度 d--切茬刀片基体宽度 L-切茬刀片刀刃长度 h1-切茬刀片基体厚度 h2--凹槽深度 α-侧刀刀刃角 β-切茬刀片基体底线与凹槽的夹角 θ-仿生切茬刀片基体底线与侧边的夹角 φ-切茬刀片刀刃角 η-切茬刀片的底边与水平面的夹角
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
本实例的具有仿生结构的玉米根茬切割装置参阅图1至图10。本实施例的特点是由连接架1、左侧刀杆2、切茬刀片3、右侧刀杆4组成，其中右侧刀杆4的上部经螺栓与连接架1的右套管10固接，右侧刀杆4的下端固接于切茬刀片3的孔Ⅲ15位置；左侧刀杆2的上部经螺栓与连接架1的左套管9固接，左侧刀杆2的下端固接于切茬刀片3的孔Ⅱ17位置；
所述的切茬刀片3由切茬刀片基体18和切齿20组成，其中切茬刀片基体18呈梯形，切茬刀片基体宽度d为77mm(设计范围为70--160mm),切茬刀片刀刃宽度c为27.5mm(设计范围为10--40mm),切茬刀片刀刃角φ为20°(设计范围为20--45°)，切茬刀片基体厚度h1为10mm(设计范围为10--15mm),切茬刀片基体18梯形底边与侧边的夹角θ为70°(设计范围为55--70°)，切茬刀片基体18上设有孔Ⅲ15和孔Ⅱ17，孔Ⅲ15和孔Ⅱ17之间设有3个(凹槽16的个数为切齿20个数的0.1-0.2倍，设计范围为2--5个)凹槽16，孔Ⅲ15和孔Ⅱ17对称设于凹槽16两边，孔Ⅲ15中心和孔Ⅱ17中心的连线与凹槽16垂直，且与奇数的中间凹槽16的中心点相交，若凹槽16为偶数，则孔Ⅲ15中心和孔Ⅱ17中心的连线与两个中间凹槽纵向中心线的中点相交；孔Ⅲ15和孔Ⅱ17的中心距e为120mm(设计范围90-150mm)，孔Ⅲ15和孔Ⅱ17的直径为12mm；切茬刀片基体18的梯形底边与凹槽16的夹角β为60°(设计范围为40-60°)，凹槽16的纵向、左侧刀杆2和右侧刀杆4中侧刀刀刃角α的朝向与切茬刀片3工作时的前进方向一致，每两个凹槽16的凹槽间距a为12mm(设计范围为8-30mm)；切茬刀片3的底边与水平面的夹角η为10°(设计范围为10-15°)；切茬刀片刀刃19前部为切齿20,切齿20是通过逆向工程技术，提取蝉若虫前爪锯齿状结构的轮廓曲线而设计，切齿20的个数为22个(设计范围为6-50)，切齿20外缘轮廓的曲线单元21的函数表达式为：
其中：66.7<x<82.5；
曲线单元21的宽度为13mm(设计范围为8-40mm)，在保持宽高比不变的情况下放大或缩小；
曲线单元21按直线型连续排布，总宽度则为切茬刀片刀刃长度L，切茬刀片刀刃长度L为286mm(设计范围为48-400mm)；
凹槽16的宽度b为13mm(设计范围为与曲线单元21的宽度之比为1：1)，凹槽16的深度h22.6mm(设计范围为与曲线单元21的宽度之比为1:5)；
所述的连接架1由连接板7、左套管9和右套管10组成，左套管9和右套管10对称固接于连接板7的中部两边，连接板7上设有六个孔Ⅰ8，左套管9上设有两对右螺栓对孔6，右套管10上设有两对左螺栓对孔5。
所述的左侧刀杆2上部设有四个左孔11，左侧刀杆2下部前端设有左侧刀12，可以从侧面分离根茬与土壤，侧刀刀刃角α为30°(设计范围为30--60°)。
所述的右侧刀杆4上部设有四个右孔13，右侧刀杆4下部前端设有右侧刀14，可以从侧面分离根茬与土壤，侧刀刀刃角α为30°(设计范围为30--60°)。
实施例2
本实例的具有仿生结构的玉米根茬切割装置参阅图1至图10。本实例所述的具有仿生结构的玉米根茬切割装置与实施例1不同的是：
切茬刀片3上曲线单元21的宽度为18mm，切齿20的长度为18mm，共有16个切齿20，切茬刀片刀刃长度L为288mm；凹槽16的深度h2为3.6mm(设计范围为与曲线单元21的宽度之比为1:5)；凹槽16的凹槽间距a为25mm。本实例的参数设置与实施例1相比，适合于在与实施例1性质不同的根茬土壤环境中完成根茬切割作业。
其余未述之处与实施例1中所述相同。
Claims (4)
1.一种具有仿生结构的玉米根茬切割装置，其特征在于由连接架(1)、左侧刀杆(2)、切茬刀片(3)、右侧刀杆(4)组成，其中右侧刀杆(4)的上部经螺栓与连接架(1)的右套管(10)固接，右侧刀杆(4)的下端固接于切茬刀片(3)的孔Ⅲ(15)位置；左侧刀杆(2)的上部经螺栓与连接架(1)的左套管(9)固接，左侧刀杆(2)的下端固接于切茬刀片(3)的孔Ⅱ(17)位置；所述的切茬刀片(3)由切茬刀片基体(18)和切齿(20)组成，其中切茬刀片基体(18)呈梯形，切茬刀片基体宽度d为70--160mm,切茬刀片刀刃宽度c为10--40mm,切茬刀片刀刃角φ为20--45°，切茬刀片基体厚度h1为10--15mm,切茬刀片基体(18)梯形底边与侧边的夹角θ为55--70°，切茬刀片基体(18)上设有孔Ⅲ(15)和孔Ⅱ(17)，孔Ⅲ(15)和孔Ⅱ(17)之间设有2--5个凹槽(16)，孔Ⅲ(15)和孔Ⅱ(17)对称设于凹槽(16)两边，且孔Ⅲ(15)中心和孔Ⅱ(17)中心的连线与凹槽(16)垂直，且与奇数的中间凹槽16的中心点相交，若凹槽16为偶数，则孔Ⅲ15中心和孔Ⅱ17中心的连线与两个中间凹槽纵向中心线的中点相交；孔Ⅲ(15)和孔Ⅱ(17)的中心距e为90-150mm，孔Ⅲ(15)和孔Ⅱ(17)的直径为12mm；切茬刀片基体(18)的梯形底边与凹槽(16)的夹角β为40-60°，凹槽(16)的纵向、左侧刀杆(2)和右侧刀杆(4)中侧刀刀刃角α的朝向与切茬刀片(3)工作时的前进方向一致，每两个凹槽(16)的凹槽间距a为8-30mm；切茬刀片(3)的底边与水平面的夹角η为10-15°；切茬刀片刀刃(19)前部为切齿(20),切齿(20)的个数为6-50，切齿(20)外缘轮廓的曲线单元(21)的函数表达式为：
其中：66.7<x<82.5；
曲线单元(21)的宽度为8-40mm，在保持宽高比不变的情况下放大或缩小；曲线单元(21)按直线型连续排布，总宽度则为切茬刀片刀刃长度L，切茬刀片刀刃长度L为48-400mm；凹槽(16)的宽度b与曲线单元(21)的宽度之比为1：1，凹槽(16)的深度h2与曲线单元(21)的宽度之比为1:5；凹槽(16)的个数为切齿(20)个数的0.1-0.2倍。
2.按权利要求1所述的具有仿生结构的玉米根茬切割装置，其特征在于所述的连接架(1)由连接板(7)、左套管(9)和右套管(10)组成，左套管(9)和右套管(10)对称固接于连接板(7)的中部两边，连接板(7)上设有六个孔Ⅰ(8)，左套管(9)上设有两对右螺栓对孔(6)，右套管(10)上设有两对左螺栓对孔(5)。
3.按权利要求1所述的具有仿生结构的玉米根茬切割装置，其特征在于所述的左侧刀杆(2)上部设有四个左孔(11)，左侧刀杆(2)下部前端设有左侧刀(12)，侧刀刀刃角α为30--60°。
4.按权利要求1所述的具有仿生结构的玉米根茬切割装置，其特征在于所述的右侧刀杆(4)上部设有四个右孔(13)，右侧刀杆(4)下部前端设有右侧刀(14)，侧刀刀刃角α为30--60°。
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