專利名稱：仿生減阻滅茬刀及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)和地面機(jī)械領(lǐng)域，具體涉及一種根據(jù)仿生理論對螻蛄挖掘切割爪趾生 物表面形態(tài)特性進(jìn)行研究，應(yīng)用于滅茬刀刃口部位，即在滅茬刀主刃口加工出仿螻蛄挖掘切 割爪趾幾何形態(tài)的仿生減阻滅茬刀及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
保護(hù)性耕作是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方法，旋耕滅茬是其中重要農(nóng)藝環(huán)節(jié)之一，旋 耕滅茬的能耗和工作質(zhì)量與滅茬刀的形狀有著直接關(guān)系，原有滅茬刀雖然達(dá)到農(nóng)藝要求，但 切割阻力較大，耗能較多，降低能耗對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合效益具有重要的現(xiàn)實意義。申請人對土壤動物進(jìn)行了大量的調(diào)査和采集，進(jìn)行了生物非光滑體表的生態(tài)學(xué)和行為學(xué) 研究。通過對典型土壤動物如蚯蚓、穿山甲、田鼠的觀察和電鏡分析發(fā)現(xiàn)，這類土壤動物具 有生物柔性體表結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于土壤動物的防粘降阻，防粘降阻的機(jī)理在于體表柔性 和非光滑的相互伴隨，互為一體的綜合作用。通過對典型的土壤動物蜣螂的形態(tài)特征的研究， 設(shè)計制造了多種非光滑曲面推土板，研制了仿生非光滑犁壁，以及仿生不粘飯勺和仿生電滲 鏟斗等。螻蛄是一種具有土中覓食行為特性的典型動物，其爪趾經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，逐步 形成了優(yōu)良的幾何形狀和極度優(yōu)化的生物力學(xué)功能，不但可有效挖掘切削，且 具有優(yōu)良的降阻功能，而在工程實際中有很多切割部件的工作情況與螻蛄行為及其相近，為降低切割部件與 土壤及作物根茬的阻力，更加使其能夠具有節(jié)能效果，我們可以從仿生學(xué)的角度，采用逆向 工程的方法對螻蛄的主要切割部位——挖掘切割爪趾進(jìn)行研究，設(shè)計出新型的滅荏刀。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有旋耕滅茬刀存在的切割阻力大，耗能高登缺點，通過對螻蛄 生物力學(xué)功能的仿生研究，提供 一 種仿生減阻滅茬刀及其設(shè)計方法。 本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，結(jié)合


如下一種仿生減阻滅茬刀，主要由刀刃和刀體組成，所說的刀刃上加工出鋸齒，鋸齒的幾何 形狀為齒距t為4 8毫米，齒高h(yuǎn)與齒距t的比為0.6~0.8之間，齒尖角卩為40° 55°，齒 喉角Y為0。 -22.5。，鋸齒兩側(cè)邊緣為凸起的曲線，齒根底部圓弧過渡。所說的齒尖角(3+齒背角a+齒喉角丫=90°。用于仿生減阻滅茬刀的設(shè)計方法是(1) 通過體式顯微鏡對螻蛄挖掘切割爪趾進(jìn)行攝像，提取出表面特征，可以觀察到其 爪趾帶有鋸齒；(2) 把爪趾上的鋸齒進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出爪趾鋸齒狀的曲線，曲線為ax4+bx3+CX2+d x+e;其中系數(shù)變化范圍如下a(0.0114 0.0185); b(-0.5897 -0.2950); c(0.7904 5.1837); d(-6.728-18.049); e(0 5.9365)之間變化，但曲線均為凸曲線。(3) 利用線切割的加工方式在常用的滅茬刀刃上加工出鋸齒，鋸齒兩側(cè)輪廓均為上述 曲線形式，必須保證曲線為凸曲線，得到了新型仿生滅茬刀。為了降低能耗，減少切割部件與土壤及作物根荏間的阻力，達(dá)到切割部件能夠具有節(jié)能 降阻的效果，提供一種新型結(jié)構(gòu)的仿生減阻滅茬刀刃及其設(shè)計方法。它以常用的滅茬刀為設(shè) 計原型，針對其主要切割部位一刀刃，采用逆向工程技術(shù)，提取具有良好的降低阻力效果的 螻蛄挖掘切割爪趾幾何模型，對旋耕滅茬刀刃進(jìn)行仿生設(shè)計，使其能夠具有降低阻力的效果。本發(fā)明主要是一種把螻蛄行為特性中主要的挖掘切割部位——爪趾表面進(jìn)行二維幾 何模型重建。提取特征參數(shù)，并對其進(jìn)行各種參數(shù)與性能分析，得出最優(yōu)化參數(shù)，應(yīng)用到切 割部件中的研究，使切割部件具有降低能耗，減少切割阻力。本發(fā)明的技術(shù)效果是本發(fā)明具有提高旋耕滅茬作業(yè)質(zhì)量和減少旋耕滅茬機(jī)動力消耗的技術(shù)效果。由于減小工 作阻力，進(jìn)而降低的牽引阻力，節(jié)約燃油，提高效率，為農(nóng)戶節(jié)省大量資金，降低生產(chǎn)成本， 提高勞動生產(chǎn)率。通過實驗證明，將螻蛄挖掘切割爪趾的表面特征應(yīng)用于滅茬刀具刃上，滅 荏率達(dá)到92%以上，切割阻力降低5% 10%，牽引阻力減低5%~8%。

圖1為滅茬刀外形。圖2為滅茬刀鋸齒參數(shù)說明圖，其中圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (c)分別為3種鋸齒的放大圖，圖2 (a)為p=50°， Y=-22.5°， 圖2 (b)為卩=50°、 y=-15°，圖2 (c)為卩=50°、 y=0°。 圖3為仿生滅茬刀實例鋸齒局部放大圖。圖中t維齒距、h維齒高、卩為齒尖角、Y為齒喉角、a為齒背角。
具體實施例方式1、 通過體式顯微鏡對螻蛄挖掘切割爪趾進(jìn)行攝像，提取出表面特征，可以觀察到其爪 趾帶有鋸齒。2、 把爪趾上的鋸齒進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出爪趾鋸齒狀的曲線。 曲線方程為0.0185x4-0.5897x3+5.1837x2-6.7286x+5.93653、 在常用的L型滅茬刀主刃上加工出鋸齒，齒距tz6mm,齒高h(yuǎn)—mm,即h^2/3，齒喉 角丫=0°，齒尖角0=50°,則齒背角a=40°。鋸齒兩側(cè)用上述曲線擬合，齒根部分R1圓弧過渡，鋸齒放大圖參閱圖3所示。4、利用火花線切割的加工方式進(jìn)行加工，把上述圖形編程加入電腦操作臺，然后加工 得到了新型仿生滅茬刀。
權(quán)利要求
1. 一種仿生減阻滅茬刀，主要由刀刃和刀體組成，其特征在于所說的刀刃上加工出鋸齒，鋸齒的幾何形狀為齒距t為4～8毫米，齒高h(yuǎn)與齒距t的比為0.6～0.8之間，齒尖角β為40°～55°，齒喉角γ為0°～-22.5°，鋸齒兩側(cè)邊緣為凸起的曲線，齒根底部圓弧過渡。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生減阻滅茬刀，其特征在于所說的齒尖角卩+齒背角a+齒喉 角"90°。
3、 用于仿生減阻滅茬刀的設(shè)計方法，其特征在于(1) 通過體式顯微鏡對螻蛄挖掘切割爪趾進(jìn)行攝像，提取出表面特征，可以觀察到其 爪趾帶有鋸齒；(2) 把爪趾上的鋸齒進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出爪趾鋸齒狀的曲線，曲線為aX4+bx3+CX2+d x+e;其中系數(shù)變化范圍如下a(0.0114 0.0185); b(-0.5897 -0.2950); c(0.7904 5.1837); d(-6.728-18.049); e(0 5.9365)之間變化，但曲線均為凸曲線。(3) 利用線切割的加工方式在常用的滅茬刀刃上加工出鋸齒，鋸齒兩側(cè)輪廓均為上述 曲線形式，必須保證曲線為凸曲線，得到了新型仿生滅茬刀。
全文摘要
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)和地面機(jī)械領(lǐng)域，具體涉及一種仿生減阻滅茬刀及其設(shè)計方法。目的在于降低能耗，減少刀具切割阻力。具體技術(shù)方案是刀刃上加工出鋸齒，鋸齒的幾何形狀為齒距t為4～8毫米，齒高h(yuǎn)與齒距t的比為0.6～0.8之間，齒尖角β為40°～55°，齒喉角γ為0°～-22.5°。所說的齒尖角β+齒背角α+齒喉角γ＝90°。其設(shè)計方法是(1)提取出蛄挖掘切割爪趾表面特征，(2)把爪趾上的鋸齒進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出爪趾鋸齒狀的曲線ax⁴+bx³+cx²+dx+e；(3)利用線切割的加工方式在常用的滅茬刀刃上加工出鋸齒，鋸齒兩側(cè)輪廓均為上述曲線形式，必須保證曲線為凸曲線，得到了新型仿生滅茬刀。
文檔編號A01D82/02GK101258793SQ200810050638
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者銳 張, 張春華, 文立閣, 李因武, 李建橋, 猛 鄒, 斌 陳, 馬文哲 申請人:吉林大學(xué)