CN112514555A - 一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀 - Google Patents

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CN112514555A CN202011428463.XA CN202011428463A CN112514555A CN 112514555 A CN112514555 A CN 112514555A CN 202011428463 A CN202011428463 A CN 202011428463A CN 112514555 A CN112514555 A CN 112514555A
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于海跃
邵雷童
张子强
张邦成
张维伦
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Changchun University of Technology
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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Abstract

本发明一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀，属于农业机械领域，其目的在于改善旋耕犁刀在耕犁土壤时刀刃上粘附土壤的现象，从而降低旋耕犁刀在耕犁土壤时的阻力，本发明运用仿生学的思想，借鉴蜣螂体表独特的凸包结构以及具有特殊流体动力学特性的叶序排布形式，提出一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀，按二维叶序排布形式在两个刀刃上布置仿生凸包结构，这些凸包结构改变耕犁时刀具的受力情况，从而达到减粘降阻的效果，延长使用寿命，减轻能量损耗，提高效率。

Description

一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀
技术领域：
本发明涉及一种耕犁刀具，具体涉及一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀，属于农业机械领域。
背景技术：
旋耕犁机是完成耕、耙作业的耕耘机械，其具有优异的碎土能力和耕后地表平整的能力，同时能够切碎土壤中的根茬，便于播种机作业，我国作为农业大国，其耕地面积巨大，传统耕犁农具逐渐被现代机械耕犁机械所代替，旋耕犁机成为我国一种重要的农业机械，旋耕犁刀是旋耕梨机的一个重要组成部分，旋耕犁刀在耕犁过程中，土壤会粘附在耕犁刀上，增大刀具在耕犁时的阻力，影响耕犁的效率，刀具阻力过大时甚至会出现断刀的现象，经过长时间的高速耕犁工作，需要定期清理旋耕犁刀表面，阻碍了耕种进程。
目前旋耕犁刀普遍通过改善刀具的弧面角度从而达到耕犁减阻的作用，然而旋耕犁刀面上粘附土壤的问题并没有得到较好的解决，改善后的旋耕犁刀面依然需要定期清理。
本发明将仿生学的理念引入到旋耕犁刀的设计中，最终使刀具达到抗土壤粘附的目的，从而降低刀具在耕犁土壤时的阻力以及刀具振动，减少清理刀具表面的次数，提高效率。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀，其特征在于旋耕犁刀的主刀刃与侧刀刃均设计有组合仿生结构，即借鉴土壤挖掘动物蜣螂优异的体表凸包结构，凸包结构为利用圆弧凸包增大刀刃与土壤的接触面积，并改变土壤与刀具的摩擦角，从而实现减粘降阻的效果，所述的凸包结构在刀刃上按照具有良好均匀特性的叶序排布形式排列，从而使刀刃表面受力均匀，减少振动。
本发明的技术方案如下：
本发明结合仿生学的思想，设计一种基于组合仿生抗冲蚀旋耕犁刀，本旋耕犁刀包括刀柄(1)、刀身(2)、主刀刃(3)和侧刀刃(4)，旋耕犁刀刃(3)和(4)布置有仿生凸包结构(5)，仿生结构借鉴了蜣螂体表凸包结构,所述的凸包结构改变土壤对其体表作用力的分布状态，在所述刀具刀刃表面按照具有植物叶序的二维形式排布。
本发明的设计思想来自于一种土壤挖掘动物—蜣螂，蜣螂经过长时间的进化，其体表进化出了一种优异的抗土壤粘附的结构，提取其表面结构的特征要素，即凸包结构，对于土壤对刀具的粘附力T，即土壤与刀具的粘合处在粘合面垂直方向上的抗拉强度：
Figure BDA0002819984520000021
式中
P为土壤作用于刀具粘合面垂直方向上的拉力，
S为土壤与仿生刀具的接触面积，
S0为土壤与原始刀具的接触面积，
n为凸包个数。
在土壤作用于刀具结合面垂直方向上的拉力P不变的情况下，凸包结构增大刀具与土壤的接触面积，仿生刀具的接触表面积大于原始刀具，仿生刀具上的粘附力要小于原始刀具，从而达到了减粘的效果。
刀具耕犁时的阻力F可由下列库伦公式得出：
F＝PCA+FNtanβ [2]
式中
PC为土壤与刀具间的粘附力，
A为土壤与刀具的实际接触面积，
FN为刀具分界面上的法向力，
β为土壤与刀具的摩擦角。
刀具耕犁土壤时土壤填充进凸包结构间隙中，使其粘附力PC和土壤与刀具的实际接触面积A均减小，圆弧凸包结构也会改变土壤与刀具之间的摩擦角β，刀具的阻力F也随之减小，从而达到减阻的效果。
以减少刀具工作时土壤的粘附力为主要指标，确定了抗粘附刀刃表面的微尺寸设计方案，凸包之间的排布方式，源于具有良好均匀特性的植物叶序螺旋排布，使得刀具表面受力更加均匀，叶序排布的三维数学模型为：
Figure BDA0002819984520000031
式中
r，
Figure BDA0002819984520000032
z为叶序点在三维数学模型中的坐标，
R0为叶序所在植物茎上的半径，
n为植物叶序点的序数，
α为相邻两叶序点之间的螺旋角，
式[3]中的α＝2πτ2是一个黄金角，根据黄金角度排布得到的叶序体系具有良好的均匀性，从而使刀具在耕犁时受力均匀，其中由斐波那契数列{1，1，2，3，5，8，13，21，…，Fk，Fk+1，…}相邻两数之比可得：
Figure BDA0002819984520000041
同时，仿生凸包结构改变了耕犁时刀刃表面的受力情况，凸包隔离了刀刃表面的应力集中点，并将大部分应力集中在凸包顶端，从而减小刀刃上的粘附力，延长了清理刀具的时间间隔，提高效率。
按照本发明提供的技术方案，所述的仿生凸包结构为圆弧凸包，所述叶序排布的发散角α＝2πτ2≈137·508°，其中
Figure BDA0002819984520000042
本发明很大程度上减少了土壤粘附在旋耕犁刀面的现象，减小耕犁阻力，降低了清理刀具的次数，同时降低刀具的振动现象，提高效率，加快耕犁进度。
附图说明：
图1为本发明仿生旋耕犁刀结构图
图2是图1中耕犁刀刃上凸包排布示意图
图3是图1中耕犁刀刃局部放大图
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行进一步描述：
图1所示的一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀，包括刀柄(1)、刀身(2)、主刀刃(3)和侧刀刃(4)，所述主刀刃(3)和侧刀刃(4)的前120mm部分布置有仿蜣螂体表抗土壤粘附的凸包结构(5)，所述凸包结构设计为圆弧状。
图2所述的仿生圆弧凸包二维叶序排布示意图，所述叶序排布密度取决于叶序系数h与R0，其中h＝1mm，R0＝10mm。
图3所述的仿生圆弧凸包局部放大图，所述圆弧凸包加工半径R＝0.5mm，圆弧凸包形心间距D＝2mm。

Claims (4)

1.一种基于组合仿生思想的抗粘附旋耕犁刀，其特征在于旋耕犁刀的两个刀刃均设计有组合仿生结构，即借鉴土壤挖掘动物蜣螂体表的凸包结构，所述的凸包结构在刀刃上按照具有良好均匀特性的叶序排布形式排列。
对于土壤对刀具的粘附力T，即土壤与刀具的粘合处在粘合面垂直方向上的抗拉强度:
Figure FDA0002819984510000011
式中
P为土壤作用于刀具粘合面垂直方向上的拉力,
S为土壤与仿生刀具的接触面积,
S0为土壤与原始刀具的接触面积,
n为凸包个数。
在土壤作用于刀具结合面垂直方向上的拉力P不变的情况下，凸包结构增大刀具与土壤的接触面积，仿生刀具的接触表面积大于原始刀具，仿生刀具上的粘附力要小于原始刀具，从而达到了减粘的效果。
刀具耕犁时的阻力F可由下列库伦公式得出：
F＝PCA+FNtanβ [2]
式中
PC为土壤与刀具间的粘附力,
A为土壤与刀具的实际接触面积,
FN为刀具分界面上的法向力,
β为土壤与刀具的摩擦角。
刀具耕犁土壤时土壤填充进凸包结构间隙中，使其粘附力PC和土壤与刀具的实际接触面积A均减小,圆弧凸包结构也会改变土壤与刀具之间的摩擦角β，刀具的阻力F也随之减小，从而达到减阻的效果。
叶序排布的三位数学模型为：
Figure FDA0002819984510000021
式中
r，
Figure FDA0002819984510000023
z为叶序点在三维数学模型中的坐标,
R0为叶序所在植物茎上的半径,
n为植物叶序点的序数,
α为相邻两叶序点之间的螺旋角。
式[3]中的α＝2πτ2是一个黄金角，根据黄金角度排布得到的叶序体系具有良好的均匀性，从而使刀具在耕犁时受力均匀。
其中由斐波那契数列{1，1，2，3，5，8，13，21，…，Fk，Fk+1，…}相邻两数之比可得：
Figure FDA0002819984510000022
2.根据权利要求1所述的一种旋耕梨刀的刀刃上设有仿蜣螂体表的凸包结构(5)，所述凸包结构为圆弧凸包，所述圆弧凸包直径为1mm，所述圆弧凸包凸起高度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种旋耕犁刀刀刃上的凸包结构按照具有良好均匀特性的植物叶序排布的二维形式排列，所述叶序排布的二维形式为植物叶子螺旋排布沿侧面展开的形式，所述螺旋排布的发散角为黄金角α＝2πτ2≈137.508°，其中
Figure FDA0002819984510000031
所述螺旋排布密度取决于叶序系数h与R0，其中h＝1mm，R0＝10mm。
4.根据权利要求1所述的一种旋耕犁刀刀刃上的凸包结构在前刀刃(3)和侧刀刃(4)前120mm部分处布置。
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