一种基于生物仿形的玉米摘穗装置的制作方法

本发明涉及仿生农业机械领域，具体涉及一种基于生物仿形的玉米摘穗装置。

背景技术：

玉米摘穗装置是玉米收获机械的核心部件，摘穗装置的性能将直接决定了玉米收获机械的工作性能。现今普遍使用的玉米收获机械所配置的摘穗装置大多有摘穗辊式、摘穗板—拉茎辊组合式，其中摘穗板—拉茎辊组合式以其宽泛的适应性被广泛应用于现有的玉米收获机械上。摘穗板拉茎辊组合式摘穗装置在适应性方面优点突出，但是在减少果穗挤伤、籽粒损伤、籽粒损失以及降低由于玉米茎秆断裂造成的果穗含杂率以及断茎堵塞等方面有所不足。随着仿生学在农业机械领域的不断应用创新与突破，越来越多的仿生元素也被应用于玉米摘穗装置的设计与创新上，现有仿生理论的应用大多集中在突破传统摘穗方式的创新上，比如研究人员提出了一种模仿人手摘穗的反向弯曲拉伸摘穗方式，但是对于在传统摘穗方式基础上采用仿生理论进行设计的较少。本发明是采用仿生方法对摘穗装置及其部件进行设计创新，以解决现有的摘穗板拉茎辊组合式摘穗装置所存在的问题。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种基于生物仿形的玉米摘穗装置，本发明的发明目的是降低摘穗过程中的玉米籽粒的损失以及减少拉茎辊在拉茎过程中为获得足够拉茎力而对玉米茎秆造成的损伤的问题。

本发明提供的技术方案为：

一种玉米摘穗装置，包括：

摘穗板，其包括平板部及凹面槽，并且所述摘穗板对称设置，所述凹面槽相对安装，所述平板部之间不接触；

拉茎辊，其对称设置，并且安装在所述摘穗板下方，能够向内侧相对转动；

其中，所述凹面槽的截面曲线段的曲线方程为：

y＝0.1026x³-0.6749x²+1.7436x+0.0745。

优选的是，所述平板部之间距离大于玉米茎秆直径。

优选的是，所述拉茎辊上加工有螺旋槽。

优选的是，所述螺旋槽的轴向剖面包括第一直线段、第二直线段以及圆弧段。

优选的是，所述凹面槽为截面曲线段绕一中心轴并且以r为半径旋转角度σ得到，所述半径r的取值范围为20mm≤r≤30mm，旋转角度σ的取值范围为

优选的是，所述平板部之间距离

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、摘穗板凹面槽外形采用了仿形原理，模仿玉米果穗根部变化弧线回转形状设计，在摘穗过程中与果穗根部完全贴合，将传统摘穗板的点线受力变为弧面受力，增大了受力面积，从而避免玉米果穗的啃伤；同时将挤压力均分到接触面上的多个玉米籽粒上，可以有效的减小单个籽粒受力，避免籽粒损伤以及避免籽粒因受较大力脱落而造成的摘穗籽粒损失；

2、拉茎辊的特殊螺旋结构在双辊配合工作时可以对进入其中的茎秆起到强制输送的作用，避免摘穗过程中因拉茎不及时等原因导致玉米茎秆在拉茎辊上的堵塞，进而避免过多的茎秆堵塞拉茎辊造成拉茎辊过载；

3、拉茎辊工作时，其与玉米茎秆作用部位为模仿茎秆外形而设计，在另一拉茎辊的挤压作用下茎秆与拉茎辊接触部位可以形成弧面接触，增大了与茎秆表面接触面积，增大了拉茎力的同时又将挤压力分散到弧面上各点上，减少玉米茎秆的压伤，避免拉茎过程中茎秆断裂造成摘穗失败和断茎堵塞；

4、成对使用的两个拉茎辊凸棱的边沿线的倒角边沿线可以在一定安装初始位置的情况下工作时消除横向间距，避免进入的玉米茎秆不随螺旋槽输送方向运动，减少拉茎辊的堵塞。

附图说明

图1为仿生摘穗板与仿生拉茎辊工作相对位置示意图。

图2为仿生摘穗板总体示意图。

图3为摘穗板分离单个仿生凹面槽结构示意图。

图4为玉米果穗示意图。

图5为工作时传统摘穗板对玉米果穗作用方式示意图。

图6为工作时仿生摘穗板对玉米果穗作用方式示意图。

图7为仿生拉茎辊结构示意图。

图8为仿生拉茎辊螺旋凹槽槽线示意简图。

图9为图8中仿生拉茎辊螺旋凹槽槽线2-1处局部放大图。

图10为仿生拉茎辊工作时对玉米茎秆作用方式示意图。

图11为仿生摘穗板和拉茎辊组合工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明采用摘穗板—拉茎辊组合式摘穗方式，其中摘穗板是应用仿生中仿形原理模仿玉米果穗根部变化弧线设计，拉茎辊表面采用模仿玉米茎秆形状设计，具体为一种基于生物仿形的玉米摘穗装置，包括：摘穗板边缘设计有模仿玉米果穗根部变化弧线的凹面槽，其中弧线方程为y＝0.1026x³-0.6749x²+1.7436x+0.0745；摘穗板设置在拉茎辊的上方，摘穗板与拉茎辊平行安装，与拉茎辊有一定间隔，其摘穗板长度与拉茎辊工作长度相同。

拉茎辊成对使用，一对拉茎辊安装时有初始位置，初始安装保证两个拉茎辊旋转时其各自结构相互不干涉；两个拉茎辊同步转动且转动方向相反；在拉茎辊表面加工有螺旋凹槽，其螺旋凹槽在拉茎辊轴向截面形状为模仿玉米茎秆截面圆弧形状设计。

在另一种实施例中，所述平板部之间距离大于玉米茎秆直径。

在另一种实施例中，所述拉茎辊上加工有螺旋槽。

在另一种实施例中，所述螺旋槽的轴向剖面包括第一直线段、第二直线段以及圆弧段。

在另一种实施例中，所述凹面槽为截面曲线段绕一中心轴并且以r为半径旋转角度σ得到，所述半径r的取值范围为20mm≤r≤30mm，旋转角度σ的取值范围为

在另一种实施例中，所述平板部之间距离

如图1所示，摘穗板成对使用，摘穗板110a和110b安装在拉茎辊120a和120b上方，与拉茎辊间隔一定距离，摘穗板的长度与拉茎辊工作长度相同；拉茎辊成对使用，拉茎辊120a和120b安装在摘穗板下方，拉茎辊120a和120b上加工有螺旋槽，拉茎辊120a和120b的结构相同，但是螺旋槽螺旋线相反，其螺旋线方向如图5所示；拉茎辊120a和拉茎辊120b工作时同步转动，其旋转方向如图1中所示；拉茎辊120a和120b有安装初始位置，初始安装时首先保证拉茎辊120a和120b之间在两个拉茎辊进行同步如图1方向旋转时不发生干涉，其次保证拉茎辊120a和120b之间凸棱和凹槽的位置如图6所示。

如图2所示，摘穗板110成对使用，为摘穗板110a和110b总体结构示意图，图3为截取的摘穗板110a和110b的一部分，并对摘穗板110a进行剖分以显示其截面线形状；如图3所示，其中，截面的弧线1-1是模仿玉米果穗根部变化弧线得到的，弧线遵循三次曲线，其曲线方程为：y＝0.1026x³-0.6749x²+1.7436x+0.0745。

如图2、图3、图4所示，摘穗板110a或者110b的每一个凹面槽为弧线1-1绕一中心轴并且以r为半径旋转一定角度σ而得到的(σ大小决定了摘穗板110a与摘穗板110b之间的间距)，此旋转中心为成对安装的摘穗板110a和110b的每个相对凹面槽的中心线200；成对使用的摘穗板110a和110b安装有一定要求，成对安装的摘穗板110a和110b的每个凹面槽相对，在图3中截面线1-1绕中心线旋转成的曲面与摘穗板110a和110b重合，即处于图2和图3所示位置的摘穗板类似于将截面线1-1绕中心线旋转，然后切去槽宽l所得到的位置，其中，槽宽l大于最大玉米茎秆直径。

如图3、图4所示，玉米果穗300在外表面沿x负方向向根部直径开始收缩处的半径大小为r，其取值范围为20mm≤r≤30mm，玉米植株茎秆与玉米果穗穗柄连接处的玉米茎秆的直径为d，其取值范围为10mm≤d≤25mm，并且2r＝1.8929d+21.145，根据几何关系，同时为了满足摘穗板与玉米果穗的良好接触，取σ≥15°，则有化简可得：将r与d的关系式带入可得：

综上可得各取值范围

如图5、图6说明传统摘穗板和仿生摘穗板区别：

如图5所示为传统摘穗板对玉米果穗作用方式，玉米果穗300受到拉力f拉茎的作用下向下做微小运动，摘穗板给玉米果穗300一个沿接触点果穗法线方向的力f，此力作用于玉米果穗300一点上，随着f拉茎的增大，f也增大，容易导致单个玉米籽粒受力过大，引起籽粒损伤和脱落，即出现果穗啃伤和籽粒损失；如图6所示为本仿生摘穗板工作时与玉米果穗作用示意图，摘穗时，玉米果穗300受到拉力f拉茎的情况下由于摘穗板的阻碍作用，玉米果穗300做微小变形，使得玉米果穗300根部与摘穗板上的凹面槽紧密贴合，随着f拉茎的增大，摘穗板开始对果穗施加力f，如图6所示，由于摘穗板上仿形凹面槽的存在，力f均匀施加在了摘穗板与玉米果穗接触弧面上，将力分散到弧面上的各点，使得玉米果穗根部籽粒均匀受力，单个籽粒受力减小，避免籽粒损伤，并且摘穗板凹面槽的特殊形状还可以使得玉米籽粒在受力情况下向中间收拢之势，进一步减少了籽粒损失，故仿生摘穗板的仿形结构可以减少玉米籽粒脱落，避免籽粒损失与损伤。

如图7所示，拉茎辊120b较拉茎辊120a除螺旋槽旋向相反外其余结构完全相同，其中配合方式为120a和120b上螺旋的凸棱和凹槽交错配合(如图8、图9所示)，其中拉茎辊120b比120a长了1/2个螺旋螺距，工作时两个拉茎辊同步转动，转动方向相对回转(如图7中箭头所示方向)。

由于拉茎辊120a和120b结构相同，故只取拉茎辊120结合图7作具体结构介绍，拉茎辊120包括拉茎辊导锥121、拉茎辊主体122、强拉段123以及拉茎辊连接轴124；其中，拉茎辊导锥121的作用为辅助玉米茎秆310进入两拉茎辊之间，便于拉茎；拉茎辊主体部分122上加工有螺旋槽；螺旋槽在轴向剖切面上的形状如图8、图9所示，其中，单个槽由三段线段构成，其中a-00与a-02为直线，a-01为1/2个圆弧线，a-00和a-02在圆弧线a-01的与其相距d切线的切点处于a-01相交，如上所述的截面形状是为了保证在拉茎辊120可以加工的前提下尽可能的增大拉茎辊120与玉米茎秆310圆周接触长度以及使得两个拉茎配合更加紧凑(如图8、图9中所示)，而且在工作过程中玉米茎秆310始终停留在圆弧线a-01与另一拉茎辊凸棱之间，使得玉米茎秆无法在拉茎辊轴线方向窜动，只能随着拉茎辊旋转跟随凹槽a-01向后输送，避免拉茎辊堵塞。

如图10所示为本发明仿生拉茎辊工作时对玉米茎秆的作用方式，玉米茎秆进入其一拉茎辊凹槽内，另一拉茎辊的凸棱挤压茎秆，玉米茎秆产生微小变形后与拉茎辊凹槽半圆弧弧线贴合，进而将挤压力均匀分布在茎秆的至少半个外圆表面上，避免玉米茎秆在拉茎辊的挤压作用下产生应力集中或者发生茎秆破坏，既能实现玉米茎秆低损伤收获又能避免因茎秆断裂而导致的果穗含杂率高和堵塞的问题。

如图11所示，本发明的一种具体工作过程如下：

工作时，前方到来的玉米茎秆310进入拉茎辊120和摘穗板110，拉茎辊120如图旋转，将玉米茎秆310下拉并向后输送，随着茎秆310下拉，玉米果穗300与摘穗板110距离减小直至果穗300接触摘穗板110，拉茎辊120继续下拉茎秆310同时向后输送茎秆310，玉米果穗300开始受到摘穗板110阻挡停止下行受到摘穗板110的轻微挤压力，并且玉米果穗300随着茎秆310向后输送而在摘穗板110上滑动进入离其最近的槽内，拉茎辊120继续下拉茎秆310，果穗300被拉紧并贴合摘穗板110上凹面槽内表面，然后依靠拉茎辊120对玉米茎秆310的拉力将玉米果穗300摘下。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。