一种实时可调控式双层仿生缺口圆盘开沟器的制作方法

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种实时可调控式双层仿生缺口圆盘施肥开沟器。

背景技术

保护性耕作是一种新型耕作技术，主要包括残茬秸秆覆盖、免耕施肥播种、病虫害与杂草防治、深松作业四项基本内容。保护性耕作在减少翻耕、耙整的同时将秸秆、根茬等作物残余物还田，有利于保护土壤结构，增加土壤有机质含量，降低土壤流失，是实现农业可持续发展的重要途径。

随着保护性耕作技术和模式的发展与推广，农作物种植过程中耕作业环节正在逐渐被简化。在免耕作业过程中，地表存在大量的秸秆残茬以及由植物根系与土壤形成的根土复合体对免耕播种施肥机工作部件的性能提出了更高的要求。

开沟器是免耕播种施肥机的主要工作部件，其工作质量直接影响到播种、施肥质量。开沟器按运动方式可分为移动式开沟器和滚动式开沟器两大类，其中移动式开沟器按入土角度的不同可分为锐角开沟器和钝角开沟器，滚动式开沟器主要为圆盘开沟器，因圆盘旋转时能够切断植物根茎、防止挂草壅土，具有较好的适应性，所以圆盘开沟器常用于免耕播种施肥机进行开沟作业。

市面上现有圆盘开沟器在具有秸秆残茬和根土复合体的作业环境中作业质量差，同一圆盘开沟器对不同作业环境的适应性差，更换作业环境后，作业效果不尽人意，现有圆盘开沟器作业过程中作业阻力偏大、入土碎土切茬性能不够优异，对根土复合体破坏切割效果差，耐磨性差，使用寿命短。因此，亟需探索设计一种新型圆盘开沟器。

相对于其他圆盘开沟器，缺口圆盘开沟器具有优异的切茬性能，更适于在具有秸秆残茬和根土复合体的作业环境中作业。仿生学是一门新兴的交叉学科，仿生学设计方法以其设计效率高、适应性强等特点，成为机械部件优化设计与改进的有效途径。运用仿生学设计方法，设计新型缺口圆盘开沟器，提高其在具有秸秆残茬和根土复合体的作业环境中作业质量和使用寿命，对开沟器的研发和保护性耕作的发展都具有十分重要的理论意义和现实意义。

裸鼹鼠，以牙齿为挖掘器官的土壤动物，其切牙具有优化的几何结构和优良的力学性能，在挖掘土壤和进食过程中，切牙入土碎土性能优异，所受的切割阻力低，切割土壤和植物根茎效率高，耐磨性好；虎鲨，鲨鱼家族中体型仅次于大白鲨的凶猛残忍的食肉动物，捕食贝类、甲壳类和鱼类，它的牙齿能够咬断、磨碎十分坚硬的物体，具有优化的几何结构。智能电控技术，广泛用于机械设备中，使机械设备自动控制，主动完成工作任务，极大地提高了机械设备的工作效率。因此将裸鼹鼠和虎鲨牙齿应用于缺口圆盘开沟器的结构设计，并结合智能电控技术，对缺口圆盘开沟器的几何结构和力学性能进行优化，设计一种实时可调控式双层仿生缺口圆盘开沟器。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决市面上现有圆盘开沟器的不足之处，提供一种耐磨性强、入土性能优异、碎土切茬性能好、作业效率高、使用寿命久、适于不同作业环境、可主动换刃的实时可调控式双层仿生缺口圆盘开沟器。

本发明由缺口圆盘组件ⅰa、连接件b、开沟柄c、缺口圆盘组件ⅱd、螺钉ⅰ1和螺钉ⅱ2组成，缺口圆盘组件ⅰa和缺口圆盘组件ⅱd关于a-a中心纵轴线对称设置，其中开沟柄c固接于连接件b中基座24的顶部中心；缺口圆盘组件ⅰa中的连接轴7右端与连接件b的轴套ⅰ25经螺钉ⅰ1固接；缺口圆盘组件ⅱd中的连接轴7左端与连接件b的轴套ⅱ26经螺钉ⅱ2固接；缺口圆盘组件ⅰa的圆盘3与缺口圆盘组件ⅱd的圆盘下端的夹角β与连接件b中基座24的夹角α相同，均为10-32°。

所述的缺口圆盘组件ⅰa和缺口圆盘组件ⅱd结构完全相同，方向相反，其中缺口圆盘组件ⅰa由缺口圆盘3、防尘盖4、轴承座5、螺母6、连接轴7、轴承8和智能切换装置e组成，缺口圆盘3由圆盘片ⅰ14、圆盘片ⅱ18、缺口切土刃10和破茬入土刃11组成，其中，圆盘片ⅰ14、圆盘片ⅱ18结构相同，内部mn为空心结构，盘片边缘ns为实心结构，方向相反，对称布置，圆盘片ⅰ14、圆盘片ⅱ18经螺栓组(19)固接，组成双层结构，圆盘片ⅰ14、圆盘片ⅱ18的盘体支撑段bc为光滑平面，入土开沟段cd为仿生波纹减阻结构曲面f；缺口切土刃10由仿生曲线ef对称切割盘体曲面获得，圆盘片ⅰ14的右面两个缺口切土刃10之间有带通孔ⅰ13的凹槽ⅰ12，圆盘片ⅱ18的左面两个缺口切土刃10之间有带通孔ⅱ17的凹槽ⅱ16。

破茬入土刃11具有两种刃形结构，即圆弧刃20和仿生齿形刃21，圆弧刃20为圆心角是15°的圆弧结构，刃口具有仿生夹角γ，γ为20°-30°，置于凹槽ⅰ12中，与之滑动连接；仿生齿形刃21为齿形微结构，具有齿形单体，齿形单体以仿生曲线op、pq设计，按jk线均匀阵列，置于凹槽ⅱ16中，与之滑动连接，缺口切土刃10、破茬入土刃11的圆弧刃20和仿生齿形刃21数目相同，均为12，绕缺口圆盘3的中心均布。

轴承8内圈与连接轴7近左端表面过盈连接；轴承8外圈与轴承座5内圈过盈连接，轴承座5右端通过螺栓组9固接于缺口圆盘3中圆盘片ⅰ14左面；螺母6与连接轴7左端螺纹连接；连接轴7右端穿过缺口圆盘3的中心孔；防尘盖4覆盖于轴承座5、螺母6、连接轴7、轴承8和智能切换装置e，防尘盖4右端通过螺栓组9固接于缺口圆盘3中圆盘片ⅰ14左面。

所述的智能切换装置e由低压控制电路ⅰ和高压工作电路ⅱ组成，其中低压控制电路ⅰ由电磁继电器27、压力传感器28、a/d转换器29和单片机30组成，电磁继电器27、压力传感器28、a/d转换器29和单片机30置于防尘盖4内部，固接于防尘盖4侧面，其中压力传感器28经导线连接于低压控制电路ⅰ，压力传感器28的12组应变片分别粘合于缺口圆盘3的12处破茬入土刃11的外缘，电磁继电器27串联连接低压控制电路ⅰ和高压工作电路ⅱ。

高压工作电路ⅱ由高压电源31和换刃结构32组成，其中高压电源31为车载外接电源，由导线与高压工作电路ⅱ连接；换刃结构32由电磁铁33、衔铁36、连杆ⅰ22、连杆ⅱ23、圆弧刃20、仿生齿形刃21、弹簧35和支架34组成，电磁铁33下端固接于支架34的下横杆一边，衔铁36中心与支架34的竖杆上部铰接，弹簧35下端与支架34的下横杆另一边固接，弹簧35上端与衔铁36的一端固接，支架34固接于圆盘片ⅰ14的左面；电磁铁33、衔铁36、弹簧35和支架34置于圆盘片ⅰ14左面；连杆ⅰ22、连杆ⅱ23置于圆盘片ⅰ14和圆盘片ⅱ18之间的空心处，连杆ⅰ22内端通过圆盘片ⅰ14左面的通孔ⅲ15固接于衔铁36左端，连杆ⅰ22外端通过凹槽ⅰ12的通孔ⅰ13与圆弧刃20内端固接；连杆ⅱ23内端通过圆盘片ⅰ14左面的通孔ⅲ15固接于衔铁36右端，连杆ⅱ23外端通过凹槽ⅱ16的通孔ⅱ17与仿生齿形刃21内端固接，所述换刃结构32共12组，绕缺口圆盘3的中心均布，并联接入高压工作电路ⅱ。

所述的仿生波纹减阻结构曲面f的数学表达式为：

其中100≤x≤350。

所述的缺口切土刃的切割曲线ef的数学表达式为：

y＝4.359e^-8*x⁴-1.828e^-5*x³+0.001055*x²+0.4903x+4.391

其中：60≤x≤180。

所述的仿生齿形刃中齿形单体阵列线jk的数学表达式为：

y＝0.01111*x³-1.069x²+34.42x-329

其中：24≤x≤30。

所述的仿生齿形刃中齿形单体op曲线的数学表达式为：

y＝-1.798e^-5*x³+0.01216*x²-2.989*x+293.6

其中：5≤x≤200。

所述的仿生齿形刃中齿形单体pq曲线的数学表达式为：

y＝-6.811e^-6*x³-0.001763*x²+0.03047*x+41.99

其中：30≤x≤120。

所述缺口圆盘3半径r为130-170mm,厚度t为8-10mm，缺口深度h为25-35mm。

本发明运用仿生学原理，采取逆向工程技术，以具有典型土壤挖掘特征的裸鼹鼠切牙和切割特征的虎鲨牙齿为仿生原型，通过对裸鼹鼠和虎鲨牙齿结构、咬合方式的分析研究，得到其在挖掘土壤和切割食物过程中低功耗、低阻力、低磨损和高效切割的特性机理，并利用裸鼹鼠和虎鲨牙齿的曲面及曲线特征，以仿生耦合方法并结合智能电控技术，设计出一种实时可调控式双层仿生缺口圆盘开沟器。

裸鼹鼠挖掘土壤过程中，首先上切牙刺入土壤，没有位移运动，起锚定作用，其次下切牙刺入土壤，并具有向上的位移运动，起切割土壤的作用，最后颅骨向下旋转运动，配合牙齿挖掘土壤，进食植物根茎时上下切牙能够高效率切割植物根茎；虎鲨进食贝类，甲壳类、鲸鱼残骸等，牙齿能够咬断、磨碎十分坚硬的物体。以上表明，裸鼹鼠上切牙具有优异的入土性能，下切牙具有优异的入土、碎土和切根能力，虎鲨牙齿具有优异的切割性能。此外，这两种生物经过自然选择和生物进化，牙齿的几何形状都具有降低切割阻力和提高耐磨性等优点。因此将裸鼹鼠下切牙刺入段的纵向曲面用于设计缺口圆盘开沟器入土开沟段盘体，以减少入土阻力，提高开沟性能，将裸鼹鼠上切牙具有明显入土作用的齿尖外侧刺入段曲线与虎鲨牙齿曲线仿生耦合设计缺口圆盘开沟器齿形刃部，以提高缺口圆盘开沟器刃部入土碎茬性能，将裸鼹鼠下切牙内外侧夹角用于缺口圆盘开沟器圆弧刃的刃口角，以减少刃口所受阻力，提高入土性能，将裸鼹鼠下切牙具有明显切土作用的内侧切割段曲线用于缺口圆盘开沟器缺口处设计，以提高缺口圆盘开沟器缺口处的碎土切茬切根性能，进一步保证了所设计仿生开沟器的切割能力。将两种生物牙齿几何特性用于缺口圆盘开沟器设计，同时也提高了开沟器的耐磨性和使用寿命。

利用智能电控技术对开沟器结构进行设计，将开沟器被动式换刃改善为主动式换刃，根据缺口圆盘在不同作业环境中受力情况，实时调控刃口结构，以保证缺口圆盘开沟器高效率、高质量作业。

一种实时可调控式双层仿生缺口圆盘开沟器安装在免耕播种机的前端，随着机具的前进开始进行开沟作业，在仿生曲面、仿生缺口切土刃、仿生破茬入土刃的作用下，缺口圆盘组件ⅰa的缺口圆盘与缺口圆盘组件ⅱd的缺口圆盘切入土壤，此时位于破茬入土刃外缘的压力传感器的应变片接触土壤层开始采集数据，根据受力的大小进行分析，在土壤疏松处，破茬入土刃11的刃口形态为圆弧刃形态，此时，具有仿生刃口角的圆弧刃20进行开沟作业，随着作业条件的变化，如遇到坚硬土壤、田间根茬等情况，在智能切换装置的协助下，实时改变切刃形状，此时破茬入土刃的刃口由圆弧刃20快速切换为仿生齿形刃21，高效开沟作业。圆盘破茬入土刃的刃口在切刃夹持装置的保护下，能够防止壅土产生，通过智能切换装置，实时主动换刃，在作业条件良好情况下，圆弧刃20开沟作业，减小能耗，保证作业质量，在作业条件恶劣情况下，仿生齿形刃21高效破茬破土，保护了圆弧刃不被破坏，同时减小作业阻力，提高作业效率。本发明综合运用了耦合仿生技术、智能电控技术、机械制造技术，在土壤水分含量不同、地表覆盖状况不同、地下土壤结构不同的多种作业状况下，均起到了优良的开沟效果。

本发明相比市面现有的圆盘开沟器，在作业过程中入土性能优异、切割阻力较低，切割效率更高，碎土切茬性能更好，可对根土复合体进行有效破坏，耐磨性好，使用寿命更长久，适于不同作业环境、可实时调控刃口主动换刃，作业质量更加优异。

附图说明

图1为双层仿生缺口圆盘开沟器的轴测图

(注：左侧圆盘刃口为圆弧刃，右侧圆盘刃口为仿生齿形刃)

图2为双层仿生缺口圆盘开沟器组件示意图

图3为双层仿生缺口圆盘开沟器主视结构图

图4为带有圆弧刃的双层仿生缺口圆盘的主视图

图5为双层仿生缺口圆盘夹角参数图

图6为圆盘片的侧视结构示意图

图7为圆盘片的主视结构示意图

图8为a-a剖视图

图9为带有圆弧刃的双层仿生缺口圆盘的侧视图

图10为a1的局部放大图

图11为带有仿生齿形刃的双层仿生缺口圆盘的侧视图

图12为a2的局部放大图

图13为双层仿生缺口圆盘换刃结构分布示意图

图14为a3的局部放大图

图15为a4的局部放大图

图16为连接件的主视结构图

图17为带有仿生齿形刃的双层仿生缺口圆盘主视图

图18为a5的局部放大图

图19为智能切换装置工作原理简图

图20为仿生曲面三维图

其中：a-缺口圆盘组件ⅰb-连接件c-开沟柄d-缺口圆盘组件ⅱe-智能切换装置f-仿生波纹减阻结构曲面ⅰ-低压控制电路ⅱ-高压工作电路1-螺钉ⅰ2-螺钉ⅱ3-缺口圆盘4-防尘盖5-轴承座6-螺母7-连接轴8-轴承9-螺栓组10-缺口切土刃11-破茬入土刃12-凹槽ⅰ13-通孔ⅰ14-圆盘片ⅰ15-通孔iii16-凹槽ⅱ17-通孔ⅱ18-圆盘片ⅱ19-螺栓组20-圆弧刃21-仿生齿形刃22-连接杆ⅰ23-连接杆ⅱ24-基座25-轴套ⅰ26-轴套ⅱ27-电磁继电器28-压力传感器29-a/d转换器30-单片机31-高压电源32-换刃结构33-电磁铁34-支架35-弹簧36-衔铁

具体实施方式

下面结合附图对本发明的进行详细阐述

如图1-3、图16所示，本发明由缺口圆盘组件ⅰa、连接件b、开沟柄c、缺口圆盘组件ⅱd、螺钉ⅰ1和螺钉ⅱ2组成，缺口圆盘组件ⅰa和缺口圆盘组件ⅱd关于a-a中心纵轴线对称设置，其中开沟柄c固接于连接件b中基座24的顶部中心；缺口圆盘组件ⅰa中的连接轴7右端与连接件b的轴套ⅰ25经螺钉ⅰ1固接；缺口圆盘组件ⅱd中的连接轴左端与连接件b的轴套ⅱ26经螺钉ⅱ2固接；

所述的缺口圆盘组件ⅰa和缺口圆盘组件ⅱd结构完全相同，方向相反，其中缺口圆盘组件ⅰa由缺口圆盘3、防尘盖4、轴承座5、螺母6、连接轴7、轴承8和智能切换装置e组成；轴承8内圈与连接轴7近左端表面过盈连接；轴承8外圈与轴承座5内圈过盈连接，轴承座5右端通过螺栓组9固接于缺口圆盘3中圆盘片ⅰ14左面；螺母6与连接轴7左端螺纹连接；连接轴7右端穿过缺口圆盘3的中心孔；防尘盖4覆盖于轴承座5、螺母6、连接轴7、轴承8和智能切换装置e，防尘盖4右端通过螺栓组9固接于缺口圆盘3中圆盘片ⅰ14左面。

开沟柄c固接于连接件b中基座24的顶部，为调节开沟深度，以达到理想的施肥深度，开沟柄上端设有六个等距连接孔；为使两缺口圆盘相互倾斜成一定角度交错安装，连接件b中基座24具有一定角度的夹角α，以保证两缺口圆盘成角度安装，α为10-32°。

如图4-8、图20所示，所述缺口圆盘3由圆盘片ⅰ14、圆盘片ⅱ18、缺口切土刃10和破茬入土刃11组成双层空心结构。其中，圆盘片ⅰ14、圆盘片ⅱ18结构相同，内部mn为空心结构，盘片边缘ns为实心结构，方向相反，对称布置，圆盘片ⅰ14、圆盘铁片ⅱ18经螺栓组19固接，组成双层结构，圆盘片ⅰ14、圆盘片ⅱ18的盘体支撑段bc为光滑平面，入土开沟段cd为仿生波纹减阻结构曲面f；缺口切土刃10由仿生曲线ef对称切割盘体曲面获得，圆盘片ⅰ14的右面两个缺口切土刃10之间有带通孔ⅰ13的凹槽ⅰ12，圆盘片ⅱ18的左面两个缺口切土刃10之间有带通孔ⅱ17的凹槽ⅱ16；缺口圆盘3的半径r为130-170mm,厚度t为8-10mm，缺口深度h为25-35mm，缺口圆盘组件ⅰa的圆盘3与缺口圆盘组件ⅱd的圆盘下端的夹角β为10-32°。

如图9-12、图17、图18所示，破茬入土刃11具有两种刃形结构，即圆弧刃20和仿生齿形刃21，圆弧刃20为圆心角是15°的圆弧结构，刃口具有仿生夹角γ，γ为20°-30°，置于凹槽ⅰ12中，与之滑动连接；仿生齿形刃21为齿形微结构，是以裸鼹鼠牙齿与虎鲨牙齿仿生曲线耦合设计的结构，具有齿形单体，所述齿形单体高度h＝2-3mm，齿形单体以仿生曲线op、pq设计，按jk线均匀阵列，置于凹槽ⅱ16中，与之滑动连接，缺口切土刃10、破茬入土刃11的圆弧刃20和仿生齿形刃21数目相同，均为12，绕缺口圆盘3的中心均布；

圆盘片ⅰ14和圆盘片ⅱ18的边缘设为实心结构，盘片两个缺口切土刃10之间设有带通孔的凹槽，圆弧刃20和仿生齿形刃21置于凹槽中，可防止壅土，阻止圆盘工作时土壤进入圆盘内部空心处，圆盘破茬入土刃11通过智能切换装置e，可根据不同的作业环境，实时调控刃口结构形态，主动换刃，以实现高效作业。

如图13-15、图19所示，所述的智能切换装置e由低压控制电路ⅰ和高压工作电路ⅱ组成，低压控制电路ⅰ由电磁继电器27、压力传感器28、a/d转换器29和单片机30组成，置于防尘盖4内部，固接于防尘盖4侧面。其中压力传感器28经导线连接于低压控制电路ⅰ，压力传感器28的12组应变片分别粘合于缺口圆盘3的12处破茬入土刃外缘，电磁继电器27串联连接低压控制电路ⅰ和高压工作电路ⅱ；高压工作电路ⅱ由高压电源31和换刃结构32组成，其中高压电源31为车载外接电源，由导线与高压工作电路ⅱ连接；换刃结构32由电磁铁33、衔铁36、连杆ⅰ22、连杆ⅱ23、圆弧刃20、仿生齿形刃21、弹簧35和支架34组成，电磁铁33下端固接于支架34的下横杆一边，衔铁36中心与支架34的竖杆上部铰接，弹簧35下端与支架34的下横杆另一边固接，弹簧35上端与衔铁36的一端固接，支架34固接于圆盘片ⅰ14的左面；电磁铁33、衔铁36、弹簧35和支架34置于圆盘片ⅰ14左面；连杆ⅰ22、连杆ⅱ23置于圆盘片ⅰ14和圆盘片ⅱ18之间的空心处，连杆ⅰ22内端通过圆盘片ⅰ14左面的通孔ⅲ15固接于衔铁36左端，连杆ⅰ22外端通过凹槽ⅰ12的通孔ⅰ13与圆弧刃20内端固接；连杆ⅱ23内端通过圆盘片ⅰ14左面的通孔ⅲ15固接于衔铁36右端，连杆ⅱ23外端通过凹槽ⅱ16的通孔ⅱ17与仿生齿形刃21内端固接，所述换刃结构32共12组，绕缺口圆盘3的中心均布，并联接入高压工作电路ⅱ。

圆盘破茬入土刃11的刃部初始结构形态为圆弧刃20，开沟器在不同的作业环境中，缺口圆盘的受力情况不同，压力传感器28的12组应变片分别粘合于缺口圆盘的12处破茬入土刃外缘，用于实时检测缺口圆盘受力情况，并将其转换为模拟电压信号输出，输出的模拟电压信号经a/d转换器29转换为数字信号，并由单片机30进行实时数据采集，与设定数值进行对比分析，当压力传感器28检测缺口圆盘受力大于设定压力的限定值时，单片机30采集到的数字信号大于设定数值，单片机30控制电磁继电器27触点开关闭合，此时高压工作电路ⅱ形成闭合回路，并联于高压工作电路中的12组换刃结构的电磁铁33获得强磁性，吸引衔铁36，使衔铁36左端下降右端上升，进而使固接于衔铁36左侧，与圆弧刃20相连的连杆ⅰ22向下运动，带动圆弧刃20收至凹槽ⅰ12内，固接于衔铁36右侧、与仿生齿形刃21相连的连杆ⅱ23向上运动，推动12组仿生齿形刃21至破茬入土刃11刃部，刃口由圆弧刃20变更为仿生齿形刃21，可在土壤质地偏硬、根茬较多的环境下高质量作业；当压力传感器28检测缺口圆盘受力小于设定压力的限定值时，单片机30采集到的数字信号小于设定数值，单片机30控制电磁继电器27触点开关断开，此时高压工作电路ⅱ处于开路，电磁铁33无磁性，弹簧35由拉伸状态恢复至自然状态，在弹簧35拉力作用下，固接于衔铁36右侧、与仿生齿形刃21相连的连杆ⅱ23向下运动，齿形刃21收至凹槽ⅱ16内，固接于衔铁36左侧，与圆弧刃20相连的连杆ⅰ22向上运动，推动圆弧刃20至破茬入土刃11刃部，刃口由仿生齿形刃21变更为圆弧刃20，可在土壤质地偏软、根茬较少的环境下高质量作业。

所述仿生波纹减阻结构曲面f，仿裸鼹鼠下切牙外侧刺入段的纵向曲面设计，表达式为：

其中：100≤x≤350；

所述缺口切土刃10，由仿生曲线ef对称切割盘体曲面获得，仿裸鼹鼠下切牙内侧切割段曲线而设计，表达式为：

y＝4.359e-8*x4-1.828e-5*x3+0.001055*x2+0.4903x+4.391

其中：60≤x≤180。

所述仿生齿形刃21的齿形单体阵列线jk以仿裸鼹鼠上切牙外侧刺入段的曲线设计，表达式为：

y＝0.01111*x3-1.069x2+34.42x-329

其中：24≤x≤30。

所述仿生齿形刃21的齿形单体op段仿虎鲨牙齿外侧的曲线而设计，表达式为：

y＝-1.798e-5*x3+0.01216*x2-2.989*x+293.6

其中：5≤x≤200。

所述仿生齿形刃21的齿形单体pq段仿虎鲨牙齿内侧的曲线而设计，表达式为：

y＝-6.811e-6*x3-0.001763*x2+0.03047*x+41.99

其中：30≤x≤120。