CN107864701A - 一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，属于现代农业领域。包括锄板和锄柄，锄板的前端设有锄柄孔，锄柄安装在锄柄孔中，锄板末端的切土刃口上设有若干个仿生函数锯齿，仿生函数锯齿的形状为函数曲线，函数曲线为y=ax²的二次函数曲线，函数曲线系数a为0.5到1，决定锯齿的方向和锯齿的尖锐程度；自变量x为10 mm到20 mm，确定单个单元锯齿的状态和锯齿的宽度；若干个仿生函数锯齿沿函数锯齿沿锄板2末端的切土刃口呈周期性依次排列，锄板2的表面均匀分布有若干个仿生凸包。本发明在保证碎化土壤作业质量的同时，可使锄头工作阻力降低，切土刃口耐磨性增强，锄板减少与土壤粘附，便于农作物快速生长。

Description

一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头

技术领域

本发明涉及一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，属于现代农业领域。

背景技术

锄地是一种人类生产行为，是农业生产的一个步骤。锄地可以除去杂草，让农作物快速生长，也有助于植物的根向土壤深处生长，以便于获取更多的水分和营养。锄头是我国传统的一种长柄农具，其刀身平薄而横装，专用于种耕、除草、翻土、挖穴、作垄等。面对小片耕地时，锄头可以方便快速的用于地表的铲掘，收拢地面散乱的谷物或沙土。采用锄头耕地不仅可以解决农业机械化的局限性，和一定程度的对土壤的破坏性，也可以保护农作物不被破坏，当草生长频繁的夏季时，除草次数较多，使用锄头方便，是农民重要的农业工具。尤其在土壤坚硬，小片耕地地区已经的到了广泛的应用。

尽管传统手工锄头有如上诸多优点，然而锄板以及锄板刃口进行碎土工作时土壤易粘附且切土阻力大，一直是现代农业领域未能有效合理解决的技术难题，锄板及其锄板刃口进行碎土工作时切土阻力大不仅浪费人力，对锄板刃口也造成极大的消耗损坏且粘附对于碎土工作也是非常不便的。由于锄板刃口进行碎土工作时切土阻力大，在较为坚硬的土壤工作时，必须使用更大的动力，导致锄柄折断，造成浪费，而土壤湿度较大锄头工作时的粘附更加严重。因此如何能用仿生形态降低锄头锄板及刃口切土时的粘附阻力，节能降耗，促进手工农具，碎土工作方便省力模式的推广应用已经成为当前现代农业领域研究的重要课题。此外随着农业机械化的发展，对现代手工农具的能耗要求也在不断提高，特别是对锄头等典型的土壤工作部件提出了更高的要求。

研究发现，锄头在工作过程中，除草碎土时，切土耕作的阻力主要来自于锄头锄板刃口入土阻力大，锄板粘附严重；因此改变锄板切土刃口结构，将可减小锄板刃口切土阻力大的问题，改变传统手工锄头的锄板结构可以降低粘附严重问题。研究证实，锄板切土刃口的锯齿形状和结构直接决定了锄头碎土阻力的大小，而锄板增加凸包表面可以降低粘附阻力。

目前公知的传统手工锄头其刀身平薄而横装，碎土时平切入土，尽管有效的完成碎土作业，但在实际操作中发现，平切入土阻力大，锄板易粘土，雨后耕地中土壤湿润，锄头作业时锄板更易粘土，是耕地作业进度缓慢，劳动力资源浪费，从而限制了手工农具的发展与推广。针对上述问题，需要改进碎土时的入土方式以及工作时粘附严重现象，采用仿生函数锯齿结构形式，入土方式为锯切，减小了入土阻力，将锄板增加了仿生凸包表面，降低了粘土现象，加快工作进度，从而使性能优异的仿生农业手工农具在我国生产力落后地区实现推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构和锄板具有仿生凸包表面的手工锄头 ，用于克服传统锄头切土作业阻力大、易于粘附，能耗高， 且耕地作业进度缓慢，劳动力资源浪费的问题，本发明以具有高效挖掘碎土能力的臭蜣螂前足胫节及壳体为仿生原型，进行抽象和简化，对锄头锄板的切土刃口进行仿生函数锯齿结构设计和锄板仿生凸包表面设计，以达到降低锄头的耕作阻力为目标，并降低传统锄头粘土现象。

本发明具体技术方案是：一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，包括锄板2和锄柄1，锄板2的前端设有锄柄孔，锄柄1安装在锄柄孔中，锄板2末端的切土刃口上设有若干个仿生函数锯齿，仿生函数锯齿的形状为函数曲线，函数曲线为y=ax²的二次函数曲线，函数曲线系数a为0.5到1，决定锯齿的方向和锯齿的尖锐程度；自变量x为10 mm到20mm，确定单个单元锯齿的状态和锯齿的宽度；若干个仿生函数锯齿沿函数锯齿沿锄板2末端的切土刃口呈周期性依次排列，锄板2的表面均匀分布有若干个仿生凸包。

所述的锯齿的宽度d1等于2倍的x。

所述的仿生凸包的表面为仿生臭蜣螂壳体的表面微观结构。

所述的仿生凸包为半圆球形，相邻两个凸包圆心之间的距离d为2〜6 mm，凸包半径r为1〜3 mm。

所述仿生函数锯齿结构的锯齿为函数曲线，其中函数曲线为y=ax²的二次函数曲线，函数曲线系数a来决定锯齿的方向和锯齿的尖锐程度。函数曲线系数a小则锯齿锐利，对土壤的锯切较为流畅且消耗动力小。但如果函数曲线系数a过小，锯齿结构单元的力学性能降低，锄板的切土刃口作业过程中若遇到坚硬土壤或石块容易弯曲和折断；函数曲线系数a增大，锯齿坚固，但若过大，则切削阻力大、消耗动力大、锯切不流畅，综合考虑以上因素，具有仿生函数锯齿结构的手工锄头锄板刃口的函数系数a的范围在0.5到1之间；

自变量x是另一个控制参数，自变量x确定单个单元锯齿的状态，他影响入土深度与摩擦力的大小。自变量x增大，宽度d1增大，这样的锯齿触土面积加大，锯切稳固流畅；而若自变量x过大，宽度d1加大加宽，入土深度小阻力加大，摩擦力也随之增加。综合考虑以上因素，具有仿生函数锯齿结构的手工锄头锄板刃口的自变量x的范围在10 mm到20 mm。

其中所述锄板锯齿为y=ax²的二次函数曲线；锯齿尖锐度范围a在0.5到1；自变量x为10 mm到20 mm；锯齿的宽度d1等于2倍的x，函数锯齿结构沿锄头切土刃口呈周期性依次排列。

所述锄板仿生凸包表面为仿生臭蜣螂壳体的非光滑表面。凸包是降低粘土严重的，凸包半径过大或过小起不到减粘降祖的作用，凸包与凸包的间距太大，凸包稀疏，减阻效果差；凸包与凸包的间距太小，凸包过密，土壤不易清理，综上考虑锄板仿生凸包表面的每个凸包之间的距离d为2〜6 mm，凸包半径r为1〜3 mm，凸包均匀的分布在锄板上。

本发明的创作来源为: 仿生学以蕴含于生物与自然中的特征或形态为蓝本，借助于现代技术手段，对其进行模仿，实现特定的技术功能或目标。这是由于生物体经过35亿年的漫长进化，形成了自身优化的特殊形状和结构，使其适应环境的变迁得以生存和繁衍。在实践中发现，许多人类发展中的农用手工农具难题都能从生物和自然中找到圆满解答，运用仿生学原理解决现代农业实际问题已经成为当今世界农业科学技术发展的一大进步，现代仿生学的研究与应用几乎已经渗透到现代农业的各个领域。

将生物体表组织器官所具有的某些功能应用于手工农具设计之中，以满足农民需要是仿生学与农业机械设计与制造的结合。这些特征恰好可以为手工农具的仿生设计提供很好的借鉴。

通过大量研究发现，自然界中的许多具有高效挖掘碎物且不粘土能力的甲虫，如臭蜣螂、黑蜣螂、巨陶锹甲以及克氏原鳌虾，其中臭蜣螂前足胫节宽扁短粗，外缘具坚硬的齿，状似钉耙，宜于掘土，其表面具有特殊得非光滑凸包结构，利于脱土减阻，并实现高效的连续挖掘且不粘土，最大限度地减小了能量消耗，提高了工作效率，基于上述发现，本发明综合学习不同土壤挖掘甲虫挖掘切土器官肢体表面结构的锯齿状结构特征合非光滑表面凸包表面特征，归纳其几何结构特征共性和规律，提取、抽象并最大程度简化这些特殊的锯齿结构，将其应用于锄头切土刃口的仿生函数锯齿结构的设计和锄板具有仿生凸包表面设计中。

本发明的有益效果是：具有仿生函数锯齿结构和仿生凸包表面的手工锄头锄板及其切土刃口与传统手工锄头的锄板和切土刃口进行比较，具有仿生函数锯齿结构和仿生凸包表面的手工锄头的切土刃口将传统锄头切土刃口对土壤的碎土方式变为了阻力较小的锯切方式，将传统的锄板变为了凸包锄板，在保证作业质量的前提下，在不同土壤下工作阻力可降低，减阻减粘效果明显，从而可大大减小作业能量消耗，人力资源的浪费。所采用的仿生函数锯齿结构和仿生凸包表面通过常规传统加工设备和工艺，可得到仿生函数锯齿和仿生凸包表面的手工锄头，易于实现，生产制造成本不高，加快耕地作业时的速度，适用于小片耕地地区，便于在我国大部分地区推广。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明锯齿结构的一种函数曲线示意图；

图3是本发明锯齿结构另一种函数曲线示意图；

图4是本发明锯齿结构第三种函数曲线示意图；

图5是本发明仿生凸包分布的一种示意图；

图6是本发明仿生凸包分布的另一种示意图；

图7是本发明仿生凸包分布的第三种示意图。

图中各标号为：锄柄-1，锄板-2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1、2、 5所示，一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，包括锄板2和锄柄1，锄板2的前端设有锄柄孔，锄柄1安装在锄柄孔中，锄板2末端的切土刃口上设有若干个仿生函数锯齿，仿生函数锯齿的形状为函数曲线，函数曲线为y=ax²的二次函数曲线，函数曲线系数a为0.5到1，决定锯齿的方向和锯齿的尖锐程度；自变量x为10 mm到20 mm，确定单个单元锯齿的状态和锯齿的宽度；若干个仿生函数锯齿沿函数锯齿沿锄板2末端的切土刃口呈周期性依次排列，锄板2的表面均匀分布有若干个仿生凸包。

进一步地，所述的锯齿的宽度d1等于2倍的x。

进一步地，所述的仿生凸包的表面为仿生臭蜣螂壳体的表面微观结构。

进一步地，所述的仿生凸包为半圆球形，相邻两个凸包圆心之间的距离d为2〜6mm，凸包半径r为1〜3 mm。

通过a和自变量x来确定锯齿宽度d1和高度h从而确定锯齿结构大小。

该实施例中函数锯齿结构特点是：函数曲线系数a为0.5，自变量x为10 mm，锯齿宽度d1为20 mm，相邻两个凸包圆心间距为2 mm，凸包半径为1 mm，该锯齿宽度较宽，锯齿强度加大，锯齿不易断裂，凸包半径小，凸包密集，但缺点是锯齿入土深度不大，入土阻力相对较大，减粘降祖效果不明显，粘土不易于清理。

实施例2：如图1、3、 6所示，一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，包括锄板2和锄柄1，锄板2的前端设有锄柄孔，锄柄1安装在锄柄孔中，锄板2末端的切土刃口上设有若干个仿生函数锯齿，仿生函数锯齿的形状为函数曲线，函数曲线为y=ax²的二次函数曲线，函数曲线系数a为0.5到1，决定锯齿的方向和锯齿的尖锐程度；自变量x为10 mm到20 mm，确定单个单元锯齿的状态和锯齿的宽度；若干个仿生函数锯齿沿函数锯齿沿锄板2末端的切土刃口呈周期性依次排列，锄板2的表面均匀分布有若干个仿生凸包。

进一步地，所述的锯齿的宽度d1等于2倍的x。

进一步地，所述的仿生凸包的表面为仿生臭蜣螂壳体的表面微观结构。

进一步地，所述的仿生凸包为半圆球形，相邻两个凸包圆心之间的距离d为2〜6mm，凸包半径r为1〜3 mm。

通过a和自变量x来确定锯齿宽度d1和高度h从而确定锯齿结构大小。

该实施例中函数锯齿结构特点是：函数曲线系数a为0.75，自变量x为15 mm，锯齿宽度d1为30 mm，相邻两个凸包圆心间距为4 mm，半径为2 mm，该锯齿锯齿尖锐度增加，宽度增加，坚固耐磨，作业时对土壤中坚实土块有较好的破碎作用，适用于土壤坚硬的小片耕地地区，且防粘减阻效果好。

实施例3：如图1、4 、7所示，一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，包括锄板2和锄柄1，锄板2的前端设有锄柄孔，锄柄1安装在锄柄孔中，锄板2末端的切土刃口上设有若干个仿生函数锯齿，仿生函数锯齿的形状为函数曲线，函数曲线为y=ax²的二次函数曲线，函数曲线系数a为0.5到1，决定锯齿的方向和锯齿的尖锐程度；自变量x为10 mm到20 mm，确定单个单元锯齿的状态和锯齿的宽度；若干个仿生函数锯齿沿函数锯齿沿锄板2末端的切土刃口呈周期性依次排列，锄板2的表面均匀分布有若干个仿生凸包。

进一步地，所述的锯齿的宽度d1等于2倍的x。

进一步地，所述的仿生凸包的表面为仿生臭蜣螂壳体的表面微观结构。

进一步地，所述的仿生凸包为半圆球形，相邻两个凸包圆心之间的距离d为2〜6mm，凸包半径r为1〜3 mm。

该实施例中锯齿几何结构特点是：函数曲线系数a为1，自变量x为20 mm，锯齿宽度d1为40 mm，相邻两个凸包圆心间距为6 mm，半径为3 mm。该锯齿结构排列致密、刃口锐利，便于切断，作业时对土壤中坚实土块易于破损，不易粘土，凸包稀疏，凸包半径较大易于清理粘土。但缺点是口刀片较锐利，碎土作业时遇土壤中坚实土块易于断裂，造成浪费，由于凸包稀疏，减粘降祖效果较差。

本发明在保证碎化土壤作业质量的同时，可使锄头工作阻力降低，切土刃口耐磨性增强，锄板减少与土壤粘附，便于农作物快速生长。并且，相对于传统手工农具，该切土刃口的仿生函数锯齿结构可明显降低切土阻力，节省人力，锄板的凸包结构也大大降低粘附现象，便于在土壤坚硬、农业落后、降雨量较大的小片耕地地区实现推广。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，其特征在于：包括锄板（2）和锄柄（1），锄板（2）的前端设有锄柄孔，锄柄（1）安装在锄柄孔中，锄板（2）末端的切土刃口上设有若干个仿生函数锯齿，仿生函数锯齿的形状为函数曲线，函数曲线为y=ax²的二次函数曲线，函数曲线系数a为0.5到1，决定锯齿的方向和锯齿的尖锐程度；自变量x为10 mm到20mm，确定单个单元锯齿的状态和锯齿的宽度；若干个仿生函数锯齿沿函数锯齿沿锄板（2）末端的切土刃口呈周期性依次排列，锄板（2）的表面均匀分布有若干个仿生凸包。

2.根据权利要求1所述的一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，其特征在于：所述的锯齿的宽度d1等于2倍的x。

3.根据权利要求1所述的一种切土刃口具有仿生函数锯齿结构的手工锄头，其特征在于：所述的仿生凸包的表面为仿生臭蜣螂壳体的表面微观结构。

4.根据权利要求3所述的切土刃口具有仿生函数锯齿结构的锄板切土刃口，其特征在于：所述的仿生凸包为半圆球形，相邻两个凸包圆心之间的距离d为2〜6 mm，凸包半径r为1〜3 mm。