CN110214539B - 一种夹持式仿生切割刀具装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种用于收割牧草与作物秸秆的夹持式仿生切割刀具装置。包括第一、二、三锥齿轮、传动固定轴、外轴、内轴、第一、二刀盘。其中，刀盘由仿生切割刀片与旋转圆盘铆接构成。本发明在以蚁狮大腭的曲线轮廓为仿生原型，设计了双层反向旋转运动的仿生夹持刀具结构，与传统圆盘结构刀具相比，本发明的仿生切割刀具具有整体结构质量轻，结构强度大、许用应力值大，在工作中有着低切入阻值、高切割强度与平缓切断的效果。本发明能够在进行良好的滑移切割同时保证其低漏割率。整个装置使用上下反向运动的运动方式在确保作物完整切割的同时，平衡了工作中装置的惯性力，降低了在工作过程中装置非周期振幅，减振效果明显。

Description

一种夹持式仿生切割刀具装置

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种用于收割牧草与作物秸秆的夹持式仿生切割刀具装置。

背景技术

农业收获机械装备离不开收割装置。收割装置的好坏直接决定了在收获过程中机具的整体性能。收割装置的核心部件的切割装置则可以分为两大类：回转式切割装置与往复式切割装置。其中，往复式切割装置的结构相对较为简单，适用范围较广。但是在工作过程中，动刀片的往复惯性力较大，产生的振动极大，收割目标作物在其作用下会有大幅度的抖动与不同程度的倾斜，这导致了在收获过程中，容易产生一次切割不完全，进行多次切割的情况出现，这种情况会带来易于脱落的作物果穗籽脱落，提高了收过过程的损失率。并且多次切割同一秸秆或牧草会产生切割后割茬高度不统一的情况，降低了工作效率与工作质量。而回转式切割装置相对于往复式切割来说工作运行相对较为平稳，整机的振动相对较小。但是其有着工作幅宽小、功率消耗大的特点。并且在提高工作转速的过程中，局部的扭转振幅会有所增加。所以，需要设计一款切割阻力小、工作振幅小、结构强度大、工作幅宽大、切割性能好的切割部件。而蚁狮幼虫是一种食肉性昆虫，其头部具有钳状大腭。蚁狮幼虫是利用其两个大腭共同转动进行夹合来进行捕食作业。其大腭在捕食中的的合拢夹持动作与收获装置的切割装置有着很多的相似之处。其大腭的几何形状与合拢夹持的动作规划对回转式切割装置的减阻降能与提高收割效率的仿生设计有着一定的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有低切入阻值、低工作振幅、低工作能耗、高切割强度、高结构强度与大工作幅宽的圆盘切割装置，解决了现有收割装置存在的上述不足。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种夹持式仿生切割刀具装置，该装置包括第一锥齿轮1、传动固定轴2、第二锥齿轮3、第三锥齿轮4、第一刀盘5、第二刀盘6、内轴7、外轴8；所述第一刀盘5包括第一刀片和上旋转刀盘10；所述第二刀盘6包括第二刀片和下旋转刀盘11；所述内轴7中间部分嵌套在外轴8内并且与外轴8同轴心；所述内轴7上端安装有第一锥齿轮1；所述第一锥齿轮1与第二锥齿轮3啮合；所述第二锥齿轮3的中心位置安装有传动固定轴2；所述传动固定轴2的端部安装有进行动力输入的外接传动部件；所述第三锥齿轮4安装于外轴8上端；所述第二锥齿轮3与第三锥齿轮4啮合；所述第一刀盘5与第二刀盘6分别反向安装于外轴8的下端与内轴7的下端；所述第一刀片有五个，均匀固定在上旋转刀盘10的圆周上；所述第二刀片有五个，均匀固定在下旋转刀盘11的圆周上；所述上旋转刀盘10和下旋转刀盘11相对旋转。

所述第一刀片和第二刀片均为仿生切割刀片9；所述仿生切割刀片9的外围轮廓曲线为abcdefghijk连线，外围轮廓曲线由a—b曲线、b—c曲线、c—d曲线、d—e曲线、e—f曲线、f—g曲线、g—h曲线、h—i曲线、i—j曲线、j—k曲线构成；

所述a—b曲线方程为：

所述b—c曲线方程为：

所述c—d曲线方程为：

所述d—e曲线方程为：

所述e—f曲线方程为：

所述f—g曲线方程为：

所述g—h曲线方程为：

所述h—i曲线方程为：

所述i—j曲线方程为：

所述j—k曲线方程为：

其中，g—h曲线与h—i曲线构成内齿，d—e曲线与e—f曲线构成中齿，a—b曲线、b—c曲线与c—d曲线构成外齿。

所述第一锥齿轮1与第三锥齿轮4的齿数与模数相同。

所述第一锥齿轮1、第二锥齿轮3、第三锥齿轮4的材料为40Cr。

所述上旋转刀盘10和下旋转刀盘11的外径相同，内径均与内轴7和外轴8相同。

在双向强制切割的工作状态中，随着所述第一刀片内齿齿根、第二刀片内齿齿根与旋转中心所组成的内齿齿根角∠i₁oi₂即的转动，内齿夹持切割角/>满足下列：

随着所述第一刀片中齿齿根、第二刀片中齿齿根与旋转中心所组成的中齿齿根角∠f₁of₂即的转动，中齿夹持切割角/>满足下列：

随着第一刀片外齿齿根、第二刀片外齿齿根与旋转中心所组成的外齿齿根角∠d₁od₂即的转动，外齿夹持切割角/>满足下列：

本发明的有益效果为：

本发明以蚁狮幼虫的大腭为仿生原型，对其结构几何轮廓与夹持运动方式进行模拟。蚁狮幼虫在捕捉猎物过程中，经常会遇到体积较大，外壳坚硬的猎物，而其大腭可以对多种猎物进行夹持与切入，从而进食。针对这一现象，对蚁狮幼虫的大腭形状与运动过程进行了提取与结构优化，最终得到了工作效率高、工作能耗小的切割装置。在上、下刀盘反向旋转过程中，装置对物料循环进行单向切割与夹持切割。仿生刀具内部曲线外形使得刀具在单侧切割时，物料在刀具刃口的滑移量较大，减小破坏物料表皮所需的工作压力，使得相对于其他切割器而言，更多的物料可以被切割。在单侧切割的中后期，逐渐变化的刀具刀刃曲线曲率，保证了在切割过程中，对物料施加的压力逐渐增大，保证切割物料的切割强度。夹持切割的工作方式模拟蚁狮幼虫捕捉昆虫的夹持动作，确保完整切割聚拢的作物。夹持切割时期，两侧的内齿、中齿与外齿的夹持切割角以固定曲线方程变化规律逐渐减小，两侧相同变化规律保证夹持切割前期，物料沿刀刃口长度方向滑移量较大，并进行有支撑切割，这种滑动支撑切割进一步促进了微观状态下刀刃的切割作用，刀具对物料的破坏作用以剪切破坏为主。大多数物料剪切破坏极限要小于压力破坏极限，故前期可以有效降低切入的物料破坏极限。夹持切割后期，夹持切割角逐渐增大，正切割压力逐渐增大，切割强度逐渐增加，将其余前期未切入与切断的物料逐渐进行有支撑的切入切割。逐渐过渡减小的切割角对不易切割的物料逐渐进行切入切割。避免在夹持切割末期，切割压力被迫突然急剧增大，导致刀具变形寿命缩减。刀具内部平滑曲线有助于在切割整个过程中相对平缓，大幅降低了应力徒然增大的情况发生几率。刀具外部曲线与根部曲线外形可以使得刀具有较大结构强度，许用应力大。故装置在工作中有低切入阻值、高切割强度、平缓切断与防漏割的工作特点，工作能耗与普通刀具相比会有所降低。总体来看可以在保证刀具工作寿命的情况下，以较小的工作功率进行切割。并且可以使装置在工作中平衡装置的惯性力，减小装置非周期振幅，割茬平整度提高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为第一刀盘的结构示意图；

图3为第二刀盘的结构示意图；

图4为仿生切割刀片的结构示意图；

图5为双向强制切割的工作状态角度示意图。

图中：1、第一锥齿轮；2、传动固定轴；3、第二锥齿轮；4、第三锥齿轮；5、第一刀盘；6、第二刀盘；7、内轴；8、外轴；9、仿生切割刀片；10、上旋转圆盘；11、下旋转刀盘。

具体实施方式

参阅图1—图3，一种夹持式仿生切割刀具装置，该装置包括第一锥齿轮1、传动固定轴2、第二锥齿轮3、第三锥齿轮4、第一刀盘5、第二刀盘6、内轴7、外轴8；所述第一刀盘5包括第一刀片和上旋转圆盘10；所述第二刀盘6包括第二刀片和下旋转刀盘11；所述内轴7中间部分嵌套在外轴8内并且与外轴8同轴心；所述内轴7上端安装有第一锥齿轮1；所述第一锥齿轮1与第二锥齿轮3啮合；所述第二锥齿轮3的中心位置安装有传动固定轴2；所述传动固定轴2的端部安装有进行动力输入的外接传动部件；所述第二锥齿轮3与第三锥齿轮4啮合；所述第三锥齿轮4安装于外轴8上端；所述第一刀盘5与第二刀盘6分别反向安装于外轴8的下端与内轴7的下端；所述第一刀片有五个，均匀固定在上旋转圆盘10的圆周上；所述第二刀片有五个，均匀固定在下旋转刀盘11的圆周上；所述上旋转刀盘10和下旋转刀盘11能够相对旋转。

所述第一锥齿轮1与第三锥齿轮4的齿数与模数相同。

所述第一锥齿轮1、第二锥齿轮3、第三锥齿轮4的材料为40Cr。

所述上旋转圆盘10和下旋转刀盘11的外径相同，内径均与内轴7和外轴8相同。

参阅图4，所述第一刀片和第二刀片均为仿生切割刀片9，仿生切割刀片9的外围轮廓曲线为abcdefghijk连线，外围轮廓曲线由a—b曲线、b—c曲线、c—d曲线、d—e曲线、e—f曲线、f—g曲线、g—h曲线、h—i曲线、i—j曲线、j—k曲线构成；

所述a—b曲线方程为：

所述b—c曲线方程为：

所述c—d曲线方程为：

所述d—e曲线方程为：

所述e—f曲线方程为：

所述f—g曲线方程为：

所述g—h曲线方程为：

所述h—i曲线方程为：

所述i—j曲线方程为：

所述j—k曲线方程为：

其中，g—h曲线与h—i曲线构成内齿，d—e曲线与e—f曲线构成中齿，a—b曲线、b—c曲线与c—d曲线构成外齿。

参考图5，在双向强制切割的工作状态中，随着所述第一刀片内齿齿根、第二刀片内齿齿根与旋转中心所组成的内齿齿根角∠i₁oi₂即的转动，内齿夹持切割角/>满足下列：

随着所述第一刀片中齿齿根、第二刀片中齿齿根与旋转中心所组成的中齿齿根角∠f₁of₂即的转动，中齿夹持切割角/>满足下列：

随着第一刀片外齿齿根、第二刀片外齿齿根与旋转中心所组成的外齿齿根角∠d₁od₂即的转动，外齿夹持切割角/>满足下列：

本发明的工作原理为：

仿生切割装置安装于收获机的前端，动力固定轴2的外端连接收获机的动力传送装置，在仿生切割装置中其定位与动力输出的作用。工作时，动力由动力固定轴2传入，带动第二锥齿轮3转动。第二锥齿轮3与第一锥齿轮1与第三锥齿轮4啮合，且第一锥齿轮1与第三锥齿轮4齿数相同，所以，第二锥齿轮3带动第一锥齿轮1与第三锥齿轮4反向等速转动。第一锥齿轮1与内轴7相连，第三锥齿轮4与外轴8相连，所以内轴7、外轴8在工作中反向等速转动，带动第一刀盘5与第二刀盘6等速反向转动。在切割作物时，第一刀盘5与第二刀盘6的内部轮廓与作物接触并进行单向切割，该仿生刀具内部轮廓使得在工作中有良好滑切角度与仿漏割作用。外部轮廓确保在较大应力作用下，刀具不会变形失效。针对不易切割的粗茎秆作物，第一刀盘5与第二刀盘6在切割过程中不能完全切断，而会随着切割过程进行一定角度的倾斜，第一刀盘5与第二刀盘6中在工作中反向运动，其刀具在一段时间内会有交汇，类似于蚁狮捕捉昆虫的夹持动作。双向强制切割中，夹持切割角会不断变化，使得部分不易切割的作物茎秆会以较小工作功率下切断。刀具的外部轮廓保证在切断时刀具不会发生变形破坏失效。完成交汇后，刀具又会重新开始滑切作物，进行单向切割，并将不易切割的作物进行重新聚拢并进行双向切割。

Claims (3)

1.一种夹持式仿生切割刀具装置，其特征在于，该装置包括第一锥齿轮(1)、传动固定轴(2)、第二锥齿轮(3)、第三锥齿轮(4)、第一刀盘(5)、第二刀盘(6)、内轴(7)、外轴(8)；所述第一刀盘(5)包括第一刀片和上旋转刀盘(10)；所述第二刀盘(6)包括第二刀片和下旋转刀盘(11)；所述内轴(7)中间部分嵌套在外轴(8)内并且与外轴(8)同轴心；所述内轴(7)上端安装有第一锥齿轮(1)；所述第一锥齿轮(1)与第二锥齿轮(3)啮合；所述第二锥齿轮(3)的中心位置安装有传动固定轴(2)；所述传动固定轴(2)的端部安装有进行动力输入的外接传动部件；所述第三锥齿轮(4)安装于外轴(8)上端；所述第二锥齿轮(3)与第三锥齿轮(4)啮合；所述第一刀盘(5)与第二刀盘(6)分别反向安装于外轴(8)的下端与内轴(7)的下端；所述第一刀片有五个，均匀固定在上旋转刀盘(10)的圆周上；所述第二刀片有五个，均匀固定在下旋转刀盘(11)的圆周上；所述上旋转刀盘(10)和下旋转刀盘(11)相对旋转；

所述第一刀片和第二刀片均为仿生切割刀片(9)；所述仿生切割刀片(9)的外围轮廓曲线为abcdefghijk连线，外围轮廓曲线由a—b曲线、b—c曲线、c—d曲线、d—e曲线、e—f曲线、f—g曲线、g—h曲线、h—i曲线、i—j曲线、j—k曲线构成；

所述a—b曲线方程为：

所述b—c曲线方程为：

所述c—d曲线方程为：

所述d—e曲线方程为：

所述e—f曲线方程为：

所述f—g曲线方程为：

所述g—h曲线方程为：

所述h—i曲线方程为：

所述i—j曲线方程为：

所述j—k曲线方程为：

其中，g—h曲线与h—i曲线构成内齿，d—e曲线与e—f曲线构成中齿，a—b曲线、b—c曲线与c—d曲线构成外齿；

所述上旋转刀盘(10)和下旋转刀盘(11)的外径相同，内径均与内轴(7)和外轴(8)相同；

在双向强制切割的工作状态中，随着所述第一刀片内齿齿根、第二刀片内齿齿根与旋转中心所组成的内齿齿根角∠i₁oi₂即的转动，内齿夹持切割角/>满足下列：

随着所述第一刀片中齿齿根、第二刀片中齿齿根与旋转中心所组成的中齿齿根角∠f₁of₂即的转动，中齿夹持切割角/>满足下列：

随着第一刀片外齿齿根、第二刀片外齿齿根与旋转中心所组成的外齿齿根角∠d₁od₂即的转动，外齿夹持切割角/>满足下列：

2.根据权利要求1所述一种夹持式仿生切割刀具装置，其特征在于，所述第一锥齿轮(1)与第三锥齿轮(4)的齿数与模数相同。

3.根据权利要求1所述一种夹持式仿生切割刀具装置，其特征在于，所述第一锥齿轮(1)、第二锥齿轮(3)、第三锥齿轮(4)的材料为40Cr。