本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電力驅(qū)動式的動態(tài)仿生松土開溝器。

背景技術(shù)：

開溝器是播種施肥機(jī)械上的重要組成部分，主要功能是按照播深要求開出種溝或肥溝，其性能優(yōu)劣直接影響機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量，也影響著種子發(fā)芽率，且東北地區(qū)低溫易旱，土壤板結(jié)嚴(yán)重，開溝器在作業(yè)過程中，開溝部件所受土壤阻力大，作業(yè)后土壤水分流失較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過對土壤動物的仿生松土作用機(jī)理研究，根據(jù)播種要求，提供一種電力驅(qū)動式動態(tài)仿生松土開溝器，以實現(xiàn)減少作業(yè)阻力、松碎壓實土壤、蓄水保墑，提高作業(yè)質(zhì)量和提高種子發(fā)芽率的目的。

本發(fā)明的目的是通過以下方案實現(xiàn)的，結(jié)合附圖：

一種動態(tài)仿生松土開溝器，包括減阻滑切入土開溝刀1、多個動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2和一對仿形限深壓土輪3，多個動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2對稱安裝在減阻滑切入土開溝刀1兩側(cè)，一對仿形限深壓土輪3通過連桿固定在減阻滑切入土開溝刀1兩側(cè)；所述動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)和凸起高度限位桿5，動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)置在仿蚯蚓柔性凸表面4內(nèi)側(cè)，仿蚯蚓柔性凸表面4可在動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)的帶動下產(chǎn)生收縮和擴(kuò)張的形變，凸起高度限位桿5 安裝在仿蚯蚓柔性凸表面4內(nèi)部，凸起高度限位桿5可沿其軸向伸縮。

進(jìn)一步地，所述動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2外表面采用高彈性耐磨橡膠材料，內(nèi)部填充高彈性泡沫材料18。

進(jìn)一步地，所述動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)包括2個伸縮驅(qū)動輪6、拉力彈簧8、限位桿9、對稱凸輪10、滑道，滑道安裝在所述減阻滑切入土開溝刀1上且位于仿蚯蚓柔性凸表面4內(nèi)側(cè)，2個伸縮驅(qū)動輪6安裝在滑道內(nèi)可沿滑道滾動，每個伸縮驅(qū)動輪6的輪軸前端安裝有1個頂針輪7，限位桿9安裝在2個伸縮驅(qū)動輪6的輪軸之間，拉力彈簧8纏繞在限位桿9上，拉力彈簧8兩端與伸縮驅(qū)動輪6輪軸焊接，兩個頂針輪7分別與對稱凸輪10兩側(cè)相配合，可在對稱凸輪10的驅(qū)動下做簡諧運(yùn)動，對稱凸輪10與安裝在所述減阻滑切入土開溝刀1內(nèi)部設(shè)有的電機(jī)11驅(qū)動連接。

進(jìn)一步地，所述對稱凸輪10輪廓曲線為：

進(jìn)一步地，所述凸起高度限位桿5由實心軸19和空心軸20組成，實心軸19可沿空心軸20軸向位移且實心軸19端部設(shè)有與空心軸20配合的限位凸緣，實心軸19前端與減阻滑切入土開溝刀1表面焊接，空心軸20與仿蚯蚓柔性凸表面4固連。實心軸19可相對空心軸20沿軸向移動，凸起高度限位桿5在Y軸上最大收縮狀態(tài)時的凸起曲線方程為：x＝y(tǒng)²-10y+31，其中0≤y≤10。

進(jìn)一步地，所述減阻滑切入土開溝刀1刀刃的曲線結(jié)構(gòu)為：θ＝tanαln R+C，其中，0.5＜＜α＜＜1；0≤c≤1。

進(jìn)一步地，所述仿形限深壓土輪3包括剛性內(nèi)輪12、柔性外輪13、伸縮桿14、壓土輪輪軸15、壓力彈簧16；剛性內(nèi)輪12與壓土輪輪軸15軸承連接，柔性外輪13罩在剛性內(nèi)輪12外部，剛性內(nèi)輪12與柔性外輪13之間連接有多個伸縮桿14，壓力彈簧16纏繞在伸縮桿14上，壓力彈簧16兩端分別與剛性內(nèi)輪12和柔性外輪13固連。

進(jìn)一步地，所述多個伸縮桿14采取縱向設(shè)置和斜向設(shè)置交錯排列分布的形式。

進(jìn)一步地，所述柔性外輪13內(nèi)側(cè)曲面MN選取開溝作業(yè)后種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，其曲面方程為：x²+y²+z²＝(0.1x²-1.2x+0.7)²。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益的效果是:

1、松碎土壤、蓄水保墑效果好。動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2可模擬出仿蚯蚓體表結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形態(tài)，通過仿蚯蚓柔性凸表面4的伸縮往復(fù)彈動，有效實現(xiàn)土壤松碎壓實；且可在一定程度上對開出的溝槽起到鎮(zhèn)壓效果，有利于蓄水保墑。

2、減小工作阻力。采用了減阻滑切入土開溝刀1，可有效減小工作時土壤阻力，減少功率消耗，提高工作效率。

3、仿形限深壓土輪內(nèi)側(cè)曲面mn選取開溝作業(yè)后種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，使其與土壤具有更大的接觸面積。仿形限深壓土輪3通過壓力彈簧6與伸縮桿14將剛性內(nèi)輪12與柔性外輪13連接，同時設(shè)有縱向和斜向壓力彈簧6，并采取交錯排列分布的形式，使柔性外輪13受力更加均勻，具有更好的仿形擠土效果。

附圖說明

圖1是動態(tài)仿生松土開溝器軸測圖

圖2是動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)示意圖

圖3是動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)的動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)示意圖

圖4是減阻滑切入土開溝刀沿X軸方向局部剖視圖

圖5(a)是動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程示意圖

圖5(b)是動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程示意圖

圖6(a)是仿蚯蚓柔性凸表面收縮狀態(tài)示意圖

圖6(b)是仿蚯蚓柔性凸表面擴(kuò)張狀態(tài)示意圖

圖6(c)是動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)仿蚯蚓柔性凸表面內(nèi)部填充物示意圖

圖7(a)是限位桿正視圖

圖7(b)是圖7(a)A-A處剖視圖

圖8是減阻滑切入土開溝刀刀刃曲線結(jié)構(gòu)示意圖

圖9是仿形限深壓土輪軸測圖

圖10是仿形限深壓土輪剖視圖

圖中標(biāo)記說明:1.減阻滑切入土開溝刀，2.動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)，3.仿形限深壓土輪，4.仿蚯蚓柔性凸表面，5.凸起高度限位桿，6.伸縮驅(qū)動輪，7.頂針輪，8.拉力彈簧，9.限位桿，10.對稱凸輪，11.電機(jī)，12.剛性內(nèi)輪，13.柔性外輪，14.伸縮桿，15.輪軸，16.壓力彈簧，17.電機(jī)支架，18.高彈性泡沫材料，19.實心軸，20.空心軸。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作詳細(xì)的描述:

如圖1所示，一種動態(tài)仿生松土開溝器，主要由減阻滑切入土開溝刀1、3對動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2和一對仿形限深壓土輪3，3對動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2對稱安裝在減阻滑切入土開溝刀1兩側(cè)，一對仿形限深壓土輪3通過連桿固定在減阻滑切入土開溝刀1兩側(cè)。

如圖2、圖6所示，每個動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、2個動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)和2個凸起高度限位桿5。動態(tài)仿生松土機(jī)構(gòu)2的仿蚯蚓柔性凸表面4是基于蚯蚓的結(jié)構(gòu)形態(tài)所設(shè)計的，其外表面采用高彈性耐磨橡膠材料，內(nèi)部填充高彈性泡沫材料18。仿蚯蚓柔性凸表面4可在動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)的帶動下產(chǎn)生收縮和擴(kuò)張的形變。2個凸起高度限位桿5分別安裝在仿蚯蚓柔性凸表面4內(nèi)部上下端部，凸起高度限位桿5可沿其軸向進(jìn)行一定程度伸縮，其伸縮最大位移距離與仿蚯蚓柔性凸表面4在X軸上的最大擴(kuò)張長度相同。

如圖3至圖5所示，動態(tài)伸縮機(jī)構(gòu)包括2個伸縮驅(qū)動輪6、2個頂針輪7、拉力彈簧8、限位桿9、對稱凸輪10、滑道，滑道安裝在減阻滑切入土開溝刀1上且位于仿蚯蚓柔性凸表面4內(nèi)側(cè)，2個伸縮驅(qū)動輪6安裝在滑道內(nèi)可沿滑道滾動，每個伸縮驅(qū)動輪6的輪軸前端安裝1個頂針輪7，可伸縮的限位桿9安裝在2個伸縮驅(qū)動輪6的輪軸之間，拉力彈簧8纏繞在限位桿9上，拉力彈簧8兩端與伸縮驅(qū)動輪6輪軸焊接，兩個頂針輪7分別與對稱凸輪10兩側(cè)相配合，可在對稱凸輪10的驅(qū)動下做簡諧運(yùn)動。減阻滑切入土開溝刀1為空心結(jié)構(gòu)，在減阻滑切入土開溝刀1內(nèi)部設(shè)有3個電機(jī)支架17，每個電機(jī)支架17上安裝有2個電機(jī)11，每個電機(jī)11兩側(cè)各設(shè)有一個驅(qū)動軸，驅(qū)動軸與相應(yīng)側(cè)的對稱凸輪10連接，使對稱凸輪10可在電機(jī)11的驅(qū)動下勻速旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)對稱凸輪10在電機(jī)11的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動后，同一滑道內(nèi)的2個伸縮驅(qū)動輪6在頂針輪7和拉力彈簧8的共同作用下進(jìn)行同步的簡諧運(yùn)動，同時仿蚯蚓柔性 凸表面4在伸縮驅(qū)動輪6軸心外側(cè)連桿的驅(qū)動下進(jìn)行Y軸方向上收縮和XOZ平面內(nèi)擴(kuò)張→Y軸方向上擴(kuò)張和XOZ平面內(nèi)收縮的往復(fù)式運(yùn)動，對稱凸輪10輪廓曲線為：

從而使仿蚯蚓柔性凸表面4以余弦加速度規(guī)律進(jìn)行擴(kuò)張和收縮，減小機(jī)構(gòu)震動與沖擊。

如圖7所示，凸起高度限位桿5由實心軸19和空心軸20組成，實心軸19可沿空心軸20軸向位移且實心軸19端部設(shè)有與空心軸20配合的限位凸緣。實心軸19前端與減阻滑切入土開溝刀1表面焊接，空心軸20與仿蚯蚓柔性凸表面4固連。實心軸19可相對空心軸20沿軸向移動，其最大位移距離與凸表面在X軸上的最大擴(kuò)張長度相同。依據(jù)仿蚯蚓柔性凸表面4在土壤中行進(jìn)過程中的形態(tài)變化，設(shè)計凸起高度限位桿5Y軸上最大收縮狀態(tài)時的凸起曲線方程為：x＝y(tǒng)²-10y+31，其中0≤y≤10。仿蚯蚓柔性凸表面4在Y軸上最大擴(kuò)張長度為8-12mm，最小收縮長度為3-6mm，在X軸上最大凸起高度為5-7mm，最小凸起高度為2-3mm。

如圖8所示，減阻滑切入土開溝刀1刀刃的曲線結(jié)構(gòu)為：θ＝tanαln R+C，其中，0.5＜＜α＜＜1；0≤c≤1。其入土及開溝作業(yè)時，開溝刀刀刃上各點與土壤的動態(tài)滑切角之和為最大值，從而達(dá)到更加開溝減阻效果。

如圖9、圖10所示，仿形限深壓土輪3包括剛性內(nèi)輪12、柔性外輪13、伸 縮桿14、壓土輪輪軸15、壓力彈簧16，剛性內(nèi)輪12與壓土輪輪軸15軸承連接，柔性外輪13罩在剛性內(nèi)輪12外部，剛性內(nèi)輪12與柔性外輪13之間連接有多個伸縮桿14，每個伸縮桿14的空心部與剛性內(nèi)輪12焊接，實心部與柔性外輪13固連，壓力彈簧16纏繞在伸縮桿14上，壓力彈簧16兩端分別與剛性內(nèi)輪12和柔性外輪13固連。多個伸縮桿14采取縱向設(shè)置和斜向設(shè)置交錯排列分布的形式，使柔性外輪受13力更加均勻，具有更好的仿形擠土效果。

仿形限深壓土輪3柔性外輪13內(nèi)側(cè)曲面MN選取開溝作業(yè)后種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，其曲面方程為：x²+y²+z²＝(0.1x²-1.2x+0.7)²，使其與土壤具有更大的接觸面積。

以下介紹本發(fā)明的工作原理：

開溝器入土作業(yè)后，隨拖拉機(jī)以速度V前進(jìn)，電機(jī)11驅(qū)動對稱凸輪10開始順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)對稱凸輪10轉(zhuǎn)動角度在0→90°和180°→270°范圍時，頂針輪7在拉力彈簧8的作用下按照對稱凸輪10的輪廓曲線進(jìn)入回程，仿蚯蚓柔性凸表面4兩側(cè)的伸縮驅(qū)動輪6做相互接近的余弦加速度運(yùn)動，伸縮驅(qū)動輪6通過連桿促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y軸方向上收縮和在XOZ平面內(nèi)擴(kuò)張；當(dāng)對稱凸輪10轉(zhuǎn)動角度在90→180°和270→360°范圍時，頂針輪7在對稱凸輪10的作用下進(jìn)入推程，仿蚯蚓柔性凸表面4兩側(cè)的伸縮驅(qū)動輪6做相互遠(yuǎn)離的余弦加速度運(yùn)動，伸縮驅(qū)動輪6通過連桿促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y軸方向上擴(kuò)張和在XOZ平面內(nèi)收縮；隨著對稱凸輪10的不斷轉(zhuǎn)動，仿蚯蚓柔性凸表面4模擬出蚯蚓前進(jìn)運(yùn)動中縱肌收縮環(huán)肌擴(kuò)張與縱肌擴(kuò)張環(huán)肌收縮相互交替的往復(fù)運(yùn)動過程，從而起到擠壓松碎土壤，增大土壤孔隙度和蓄水保墑的作用。

凸起高度限位桿5的實心軸19可在空心軸20內(nèi)沿軸向移動，其最大位移距離與凸表面在X軸上的最大擴(kuò)張長度相同。仿蚯蚓柔性凸表面4可隨著同一 滑道內(nèi)的兩個伸縮驅(qū)動輪6之間距離的變化，改變自身結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)兩個伸縮驅(qū)動輪6之間距離最大時，蚯蚓柔性凸表面在Y軸上擴(kuò)張長度達(dá)到最大8-12mm，在X軸上的凸起達(dá)到最小值2-3mm，當(dāng)兩個伸縮驅(qū)動輪6之間距離最小時，蚯蚓柔性凸表面在Y軸上擴(kuò)張長度達(dá)到最小3-6mm，在X軸上的凸起達(dá)到最大值5-7mm。

開溝作業(yè)后，土壤表面及種溝內(nèi)土壤高低不平嚴(yán)重影響播種質(zhì)量，仿形限深壓土輪內(nèi)側(cè)曲面mn選取開溝作業(yè)后種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，使其可與土壤產(chǎn)生更大的接觸面積，和土壤的貼合性更加。