專利名稱：一種仿生齒狀圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機(jī)械切割部件，特別是涉及作物秸稈和根茬切割部件，屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
農(nóng)作物(如玉米、小麥和水稻等)秸稈的切割是這些作物收獲的一個(gè)重要工序，作物的根茬可作為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源材料收獲并加以利用。圓盤切割部件作為秸稈和根茬收獲、免耕播種開溝的重要部件，工作過程中承受到來自秸稈、根茬和土壤的阻力和磨損；因此，為保證其穩(wěn)定的工作狀態(tài)、合理的使用壽命及其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，需要耐磨性高、切割性能良好、能耗低、效率高的切割部件。土壤洞穴動(dòng)物的切挖器官具有優(yōu)良的切挖結(jié)構(gòu)和功能， 如臭蜣螂前足脛節(jié)外緣具有的齒狀結(jié)構(gòu)，能對(duì)粘濕的被加工物進(jìn)行切挖；鼴鼠被稱為活的 “挖掘機(jī)”，它的爪是主要的挖切器官，整體上呈齒狀結(jié)構(gòu)；螻蛄被稱為“地老虎”，亦具有很強(qiáng)的挖切能力，其前足為挖切足，整體上亦呈齒狀結(jié)構(gòu)。小家鼠和達(dá)烏爾黃鼠的四個(gè)足均具有很強(qiáng)的挖切能力，其足趾具有特定的彎曲特征。上述土壤洞穴動(dòng)物的挖切器官的結(jié)構(gòu)為圓盤切割部件的節(jié)能增效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了仿生學(xué)依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，提出一種仿生齒狀圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法，采用審計(jì)的圓盤切割部件可以較明顯地節(jié)約作業(yè)能耗，提高其作業(yè)效率。模仿臭蜣螂前足脛節(jié)外緣齒狀幾何結(jié)構(gòu)、螻蛄前足齒狀結(jié)構(gòu)、鼴鼠前足齒狀結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)圓盤切割部件外緣的仿生齒狀結(jié)構(gòu)，包括齒頂線輪廓、齒側(cè)線輪廓和齒側(cè)線與齒根圓之間的夾角；模仿小家鼠挖切足趾、達(dá)烏爾黃鼠挖切足趾及臭蜣螂前足脛節(jié)外緣齒頂包絡(luò)線的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)圓盤切割部件切割齒的橫斷面結(jié)構(gòu)。一種仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設(shè)計(jì)從生物體結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的研究中獲得基本參數(shù)，采用拋物線，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸形拋物線形狀y2 = 2Px，x軸為齒根圓切線方向，y軸為沿齒根圓法線方向，P為拋物線焦準(zhǔn)距，而背土面即齒形背部輪廓線與迎土面完全對(duì)稱；依耕深及圓盤外徑要求，齒高H定為15mm，齒寬W與齒高H之比W/H= 2 2. 5， 齒寬W即齒根圓節(jié)距，齒高H即齒頂圓與齒根圓半徑之差；由切割齒寬高比，可調(diào)節(jié)P值為6 < P < 7. 5和齒寬來設(shè)計(jì)齒數(shù)，因每個(gè)切割齒的齒根圓弧長度略大于齒寬W，則取近似值，齒數(shù)N < π (D-30) /W，由W = 2Η 2. 5Η，N取值范圍為π (D-30)/2. 5 2H，隨圓盤外徑D增大而增加，由齒數(shù)取整原則，確定準(zhǔn)確的W值；齒根厚S彡4_，刃厚b = 1_，刃角i = 30° ；圓盤中心一定范圍內(nèi)的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑ds = D-2XH，厚度 Sa = 0. 5mm。圓盤外緣全部齒的最外端點(diǎn)在同一個(gè)圓上，即齒頂圓。
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所述切割齒沿圓盤外徑連續(xù)分布。除切割齒外，圓盤入土部分覆蓋超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或其它具有疏水功能，即與水的接觸角大于90度，并具有較好耐土壤磨料磨損特性的材料。圓盤外緣齒狀結(jié)構(gòu)采用單面刃結(jié)構(gòu)的齒，圓盤平面與前進(jìn)方向偏角a = 30° 45°，鉛垂面夾角β =15° 30°，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸拋物線形，而背土面輪廓與其完全對(duì)稱。


結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤切割部件說明如下。圖1(a)仿生齒狀圓盤切割刀具作業(yè)示意圖。圖1 (b)是圖1 (a)的側(cè)視剖面圖。圖1 (c)切割齒局部放大側(cè)視圖。圖1(d)切割齒形狀示意圖。圖2仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤刀作業(yè)三維圖。圖3(a)圓盤大徑D = 900mm，齒數(shù)N = 81的仿生齒狀圓盤刀表面尺寸圖。圖3(b)是圖3(a)的側(cè)視剖面圖。圖3(c)切割齒局部放大側(cè)視圖。圖4(a)圓盤大徑D = 300mm，齒數(shù)N = 27的仿生齒狀圓盤刀表面尺寸圖。圖4(b)是圖4(a)的側(cè)視剖面圖。圖4(c)切割齒局部放大側(cè)視圖。圖5(a)圓盤大徑D = 600mm，齒數(shù)N = 51的仿生齒狀圓盤刀表面尺寸圖。圖5(b)是圖5(a)的側(cè)視剖面圖。圖5(c)切割齒局部放大側(cè)視圖。圖中S.刀具前進(jìn)方向B.刀具旋轉(zhuǎn)方向i.刃角b.刃厚Sa.疏水層厚度H.齒高 W.齒寬 S.圓盤中心厚度 D.齒頂圓直徑 ds.疏水層直徑Db.安裝孔直徑1.背土面2.迎土面3.切削齒4.齒頂圓5.齒根圓6.疏水層7.安裝孔
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明具體內(nèi)容圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設(shè)計(jì)從生物體結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的研究中獲得基本參數(shù)，采用拋物線或圓弧線形；模仿生物切挖過程中的作用關(guān)系，圓盤切割部件采用與機(jī)組前進(jìn)方向一致的正向運(yùn)動(dòng)，圓盤回轉(zhuǎn)平面與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角即圓盤偏角α —般取值在23°與32°之間，參考附圖2;外緣齒狀結(jié)構(gòu)為向后傾斜形結(jié)構(gòu)的齒，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面為一段上凸形拋物線(圖lc) :y2 = 2Px, P為焦準(zhǔn)距，χ軸為齒根圓切線方向，y軸沿齒根圓法線方向，而背土面(齒形背部)輪廓線與迎土面完全對(duì)稱，依耕深及圓盤外徑要求，齒高H定為15mm，齒寬W(齒根圓節(jié)距)與齒高H(齒頂圓與齒根圓半徑之差)之比W/H = 2 2. 5，由切割齒寬高比，可適當(dāng)調(diào)節(jié)P值(其取值范圍為6 < P< 7. 5)和齒寬來設(shè)計(jì)齒數(shù)，因每個(gè)切割齒的齒根圓弧長度略大于齒寬W，則取近似值，齒數(shù) N < 31 (D-30) /W，由 W = 2H 2. 5H, N 取值范圍為(π (D-30) /2. 5Η, π (D-30) /2H)，N 隨圓盤外徑D增大而增加，并由齒數(shù)取整原則確定準(zhǔn)確的W值。圓盤中心厚度S不小于4mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤中心一定范圍內(nèi)的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑 ds = D-2*H，厚度 0. 5mm。實(shí)例1參閱附圖3附圖3為仿生齒狀圓盤刀，結(jié)構(gòu)參考傳統(tǒng)圓盤犁基本參數(shù)，D = 900mm，安裝孔直徑 da = 71mm，圓盤厚度10mm，并模仿土壤洞穴動(dòng)物挖足部位，設(shè)計(jì)圓盤外緣的切割齒結(jié)構(gòu)，切割齒齒頂線與齒根線均為圓；切割齒沿圓盤外緣均勻連續(xù)分布，齒數(shù)N取值范圍為(91.06， 72. 848)，取中間值N = 81，齒寬W與齒高H的比值為2. 2，P取值為6. 8。圓盤中心厚度 10mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤疏水層直徑ds = 870mm，兩側(cè)厚度均為0. 5mm。實(shí)例2參閱附圖4附圖4為仿生齒狀圓盤刀，結(jié)構(gòu)參考傳統(tǒng)圓盤犁基本參數(shù)，D = 300mm,安裝孔直徑da = 31mm,并模仿土壤洞穴動(dòng)物挖足部位，設(shè)計(jì)圓盤外緣的切割齒結(jié)構(gòu)，切割齒齒頂線與齒根線均為圓；切割齒沿圓盤外緣均勻連續(xù)分布，齒數(shù)N取值范圍為(22.608,28.沈)，取 N = 27，齒寬W與齒高H的比值為2，P取值為7.5。圓盤中心厚度4mm，刃厚b = 1mm，刃角 i = 30° ；圓盤疏水層直徑ds = 270mm，兩側(cè)厚度均為0. 5mm。實(shí)例3參閱附圖5附圖5為仿生齒狀圓盤刀，結(jié)構(gòu)參考傳統(tǒng)圓盤犁基本參數(shù)，D = 600mm,安裝孔直徑da = 61mm，并模仿土壤洞穴動(dòng)物挖足部位，切割齒齒頂線與齒根線均為圓；切割齒沿圓盤外緣均勻連續(xù)分布，齒數(shù)N取值范圍為728，59. 66)，取N = 51，齒寬W與齒高H的比值為2. 3，P取值為6. 4。圓盤中心厚度5mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤疏水層直徑 ds = 570mm，兩側(cè)厚度均為0. 5mm。
權(quán)利要求
1.一種仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設(shè)計(jì)從生物體結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的研究中獲得基本參數(shù)，采用拋物線，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸形拋物線形狀y2 = 2Px，x軸為齒根圓切線方向，y軸為沿齒根圓法線方向，P為拋物線焦準(zhǔn)距，而背土面即齒形背部輪廓線與迎土面完全對(duì)稱；依耕深及圓盤外徑要求，齒高H定為15mm，齒寬W與齒高H之比W/H = 2 2. 5，齒寬 W即齒根圓節(jié)距，齒高H即齒頂圓與齒根圓半徑之差；由切割齒寬高比，可調(diào)節(jié)P值為6 < P < 7. 5和齒寬來設(shè)計(jì)齒數(shù)，因每個(gè)切割齒的齒根圓弧長度略大于齒寬W，則取近似值，齒數(shù)N < π (D-30) /W，由W = 2Η 2. 5Η，N取值范圍為π (D-30)/2. 5 2H，隨圓盤外徑D增大而增加，由齒數(shù)取整原則，確定準(zhǔn)確的W值；齒根厚S彡4mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤中心一定范圍內(nèi)的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑ds = D-2XH,厚度= 0. 5mmο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 圓盤外緣全部齒的最外端點(diǎn)在同一個(gè)圓上，即齒頂圓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述切割齒沿圓盤外徑連續(xù)分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 除切割齒外，圓盤入土部分覆蓋超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或其它具有疏水功能，即與水的接觸角大于90度，并具有較好耐土壤磨料磨損特性的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生齒狀結(jié)構(gòu)圓盤切割部件設(shè)計(jì)方法，其特征在于，圓盤外緣齒狀結(jié)構(gòu)采用單面刃結(jié)構(gòu)的齒，圓盤平面與前進(jìn)方向偏角a = 30° 45°，鉛垂面夾角β =15° 30°，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸拋物線形，而背土面輪廓與其完全對(duì)稱。
全文摘要
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械上的切割部件升級(jí)方法，特別是涉及一種仿生齒狀圓盤切割部件的設(shè)計(jì)方法。其目的是解決現(xiàn)有圓盤刀粘土及阻力大等問題。技術(shù)方案是，圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設(shè)計(jì)從生物體結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的研究中獲得基本參數(shù)，采用拋物線，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸形拋物線形狀y2＝2Px，x軸為齒根圓切線方向，y軸為沿齒根圓法線方向，而背土面即齒形背部輪廓線與迎土面完全對(duì)稱。圓盤中心一定范圍內(nèi)的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑ds＝D-2*H，厚度0.5mm，其圓盤切割部件具有減小切割阻力和不粘土的特征。本發(fā)明可以較明顯地節(jié)約作業(yè)能耗，提高其作業(yè)效率。
文檔編號(hào)A01D34/73GK102349392SQ20111025704
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者佟金, 周江, 孫霽宇, 李默, 陳東輝, 陳玉香, 馬云海 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)