专利名称：一种仿生齿状圆盘切割部件的设计方法
技术领域：
本发明涉及农业机械切割部件，特别是涉及作物秸秆和根茬切割部件，属于农业机械领域。
背景技术：
农作物(如玉米、小麦和水稻等)秸秆的切割是这些作物收获的一个重要工序，作物的根茬可作为农业生物质能源材料收获并加以利用。圆盘切割部件作为秸秆和根茬收获、免耕播种开沟的重要部件，工作过程中承受到来自秸秆、根茬和土壤的阻力和磨损；因此，为保证其稳定的工作状态、合理的使用寿命及其运行经济性，需要耐磨性高、切割性能良好、能耗低、效率高的切割部件。土壤洞穴动物的切挖器官具有优良的切挖结构和功能， 如臭蜣螂前足胫节外缘具有的齿状结构，能对粘湿的被加工物进行切挖；鼹鼠被称为活的 “挖掘机”，它的爪是主要的挖切器官，整体上呈齿状结构；蝼蛄被称为“地老虎”，亦具有很强的挖切能力，其前足为挖切足，整体上亦呈齿状结构。小家鼠和达乌尔黄鼠的四个足均具有很强的挖切能力，其足趾具有特定的弯曲特征。上述土壤洞穴动物的挖切器官的结构为圆盘切割部件的节能增效结构设计提供了仿生学依据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺点，提出一种仿生齿状圆盘切割部件的设计方法，采用审计的圆盘切割部件可以较明显地节约作业能耗，提高其作业效率。模仿臭蜣螂前足胫节外缘齿状几何结构、蝼蛄前足齿状结构、鼹鼠前足齿状结构， 设计圆盘切割部件外缘的仿生齿状结构，包括齿顶线轮廓、齿侧线轮廓和齿侧线与齿根圆之间的夹角；模仿小家鼠挖切足趾、达乌尔黄鼠挖切足趾及臭蜣螂前足胫节外缘齿顶包络线的结构特征，设计圆盘切割部件切割齿的横断面结构。一种仿生齿状结构圆盘切割部件的设计方法，其特征在于，圆盘切割部件外缘齿顶面周向轮廓设计从生物体结构形态特征的研究中获得基本参数，采用抛物线，其中外缘齿迎土面轮廓由根部到顶面采用上凸形抛物线形状y2 = 2Px，x轴为齿根圆切线方向，y轴为沿齿根圆法线方向，P为抛物线焦准距，而背土面即齿形背部轮廓线与迎土面完全对称；依耕深及圆盘外径要求，齿高H定为15mm，齿宽W与齿高H之比W/H= 2 2. 5， 齿宽W即齿根圆节距，齿高H即齿顶圆与齿根圆半径之差；由切割齿宽高比，可调节P值为6 < P < 7. 5和齿宽来设计齿数，因每个切割齿的齿根圆弧长度略大于齿宽W，则取近似值，齿数N < π (D-30) /W，由W = 2Η 2. 5Η，N取值范围为π (D-30)/2. 5 2H，随圆盘外径D增大而增加，由齿数取整原则，确定准确的W值；齿根厚S彡4_，刃厚b = 1_，刃角i = 30° ；圆盘中心一定范围内的表面覆盖疏水材料，疏水层表面圆直径ds = D-2XH，厚度 Sa = 0. 5mm。圆盘外缘全部齿的最外端点在同一个圆上，即齿顶圆。
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所述切割齿沿圆盘外径连续分布。除切割齿外，圆盘入土部分覆盖超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或其它具有疏水功能，即与水的接触角大于90度，并具有较好耐土壤磨料磨损特性的材料。圆盘外缘齿状结构采用单面刃结构的齿，圆盘平面与前进方向偏角a = 30° 45°，铅垂面夹角β =15° 30°，其中外缘齿迎土面轮廓由根部到顶面采用上凸抛物线形，而背土面轮廓与其完全对称。
结合附图对本发明的仿生齿状结构圆盘切割部件说明如下。图1(a)仿生齿状圆盘切割刀具作业示意图。图1 (b)是图1 (a)的侧视剖面图。图1 (c)切割齿局部放大侧视图。图1(d)切割齿形状示意图。图2仿生齿状结构圆盘刀作业三维图。图3(a)圆盘大径D = 900mm，齿数N = 81的仿生齿状圆盘刀表面尺寸图。图3(b)是图3(a)的侧视剖面图。图3(c)切割齿局部放大侧视图。图4(a)圆盘大径D = 300mm，齿数N = 27的仿生齿状圆盘刀表面尺寸图。图4(b)是图4(a)的侧视剖面图。图4(c)切割齿局部放大侧视图。图5(a)圆盘大径D = 600mm，齿数N = 51的仿生齿状圆盘刀表面尺寸图。图5(b)是图5(a)的侧视剖面图。图5(c)切割齿局部放大侧视图。图中S.刀具前进方向B.刀具旋转方向i.刃角b.刃厚Sa.疏水层厚度H.齿高 W.齿宽 S.圆盘中心厚度 D.齿顶圆直径 ds.疏水层直径Db.安装孔直径1.背土面2.迎土面3.切削齿4.齿顶圆5.齿根圆6.疏水层7.安装孔
具体实施方案下面结合附图所示实施例进一步说明本发明具体内容圆盘切割部件外缘齿顶面周向轮廓设计从生物体结构形态特征的研究中获得基本参数，采用抛物线或圆弧线形；模仿生物切挖过程中的作用关系，圆盘切割部件采用与机组前进方向一致的正向运动，圆盘回转平面与机具前进方向的夹角即圆盘偏角α —般取值在23°与32°之间，参考附图2;外缘齿状结构为向后倾斜形结构的齿，其中外缘齿迎土面轮廓由根部到顶面为一段上凸形抛物线(图lc) :y2 = 2Px, P为焦准距，χ轴为齿根圆切线方向，y轴沿齿根圆法线方向，而背土面(齿形背部)轮廓线与迎土面完全对称，依耕深及圆盘外径要求，齿高H定为15mm，齿宽W(齿根圆节距)与齿高H(齿顶圆与齿根圆半径之差)之比W/H = 2 2. 5，由切割齿宽高比，可适当调节P值(其取值范围为6 < P< 7. 5)和齿宽来设计齿数，因每个切割齿的齿根圆弧长度略大于齿宽W，则取近似值，齿数 N < 31 (D-30) /W，由 W = 2H 2. 5H, N 取值范围为(π (D-30) /2. 5Η, π (D-30) /2H)，N 随圆盘外径D增大而增加，并由齿数取整原则确定准确的W值。圆盘中心厚度S不小于4mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圆盘中心一定范围内的表面覆盖疏水材料，疏水层表面圆直径 ds = D-2*H，厚度 0. 5mm。实例1参阅附图3附图3为仿生齿状圆盘刀，结构参考传统圆盘犁基本参数，D = 900mm，安装孔直径 da = 71mm，圆盘厚度10mm，并模仿土壤洞穴动物挖足部位，设计圆盘外缘的切割齿结构，切割齿齿顶线与齿根线均为圆；切割齿沿圆盘外缘均勻连续分布，齿数N取值范围为(91.06， 72. 848)，取中间值N = 81，齿宽W与齿高H的比值为2. 2，P取值为6. 8。圆盘中心厚度 10mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圆盘疏水层直径ds = 870mm，两侧厚度均为0. 5mm。实例2参阅附图4附图4为仿生齿状圆盘刀，结构参考传统圆盘犁基本参数，D = 300mm,安装孔直径da = 31mm,并模仿土壤洞穴动物挖足部位，设计圆盘外缘的切割齿结构，切割齿齿顶线与齿根线均为圆；切割齿沿圆盘外缘均勻连续分布，齿数N取值范围为(22.608,28.沈)，取 N = 27，齿宽W与齿高H的比值为2，P取值为7.5。圆盘中心厚度4mm，刃厚b = 1mm，刃角 i = 30° ；圆盘疏水层直径ds = 270mm，两侧厚度均为0. 5mm。实例3参阅附图5附图5为仿生齿状圆盘刀，结构参考传统圆盘犁基本参数，D = 600mm,安装孔直径da = 61mm，并模仿土壤洞穴动物挖足部位，切割齿齿顶线与齿根线均为圆；切割齿沿圆盘外缘均勻连续分布，齿数N取值范围为728，59. 66)，取N = 51，齿宽W与齿高H的比值为2. 3，P取值为6. 4。圆盘中心厚度5mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圆盘疏水层直径 ds = 570mm，两侧厚度均为0. 5mm。
权利要求
1.一种仿生齿状结构圆盘切割部件的设计方法，其特征在于，圆盘切割部件外缘齿顶面周向轮廓设计从生物体结构形态特征的研究中获得基本参数，采用抛物线，其中外缘齿迎土面轮廓由根部到顶面采用上凸形抛物线形状y2 = 2Px，x轴为齿根圆切线方向，y轴为沿齿根圆法线方向，P为抛物线焦准距，而背土面即齿形背部轮廓线与迎土面完全对称；依耕深及圆盘外径要求，齿高H定为15mm，齿宽W与齿高H之比W/H = 2 2. 5，齿宽 W即齿根圆节距，齿高H即齿顶圆与齿根圆半径之差；由切割齿宽高比，可调节P值为6 < P < 7. 5和齿宽来设计齿数，因每个切割齿的齿根圆弧长度略大于齿宽W，则取近似值，齿数N < π (D-30) /W，由W = 2Η 2. 5Η，N取值范围为π (D-30)/2. 5 2H，随圆盘外径D增大而增加，由齿数取整原则，确定准确的W值；齿根厚S彡4mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圆盘中心一定范围内的表面覆盖疏水材料，疏水层表面圆直径ds = D-2XH,厚度= 0. 5mmο
2.根据权利要求1所述的一种仿生齿状结构圆盘切割部件的设计方法，其特征在于， 圆盘外缘全部齿的最外端点在同一个圆上，即齿顶圆。
3.根据权利要求1或2所述一种仿生齿状结构圆盘切割部件的设计方法，其特征在于， 所述切割齿沿圆盘外径连续分布。
4.根据权利要求1所述的一种仿生齿状结构圆盘切割部件的设计方法，其特征在于， 除切割齿外，圆盘入土部分覆盖超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或其它具有疏水功能，即与水的接触角大于90度，并具有较好耐土壤磨料磨损特性的材料。
5.根据权利要求1所述的一种仿生齿状结构圆盘切割部件设计方法，其特征在于，圆盘外缘齿状结构采用单面刃结构的齿，圆盘平面与前进方向偏角a = 30° 45°，铅垂面夹角β =15° 30°，其中外缘齿迎土面轮廓由根部到顶面采用上凸抛物线形，而背土面轮廓与其完全对称。
全文摘要
本发明涉及农业耕作机械上的切割部件升级方法，特别是涉及一种仿生齿状圆盘切割部件的设计方法。其目的是解决现有圆盘刀粘土及阻力大等问题。技术方案是，圆盘切割部件外缘齿顶面周向轮廓设计从生物体结构形态特征的研究中获得基本参数，采用抛物线，其中外缘齿迎土面轮廓由根部到顶面采用上凸形抛物线形状y2＝2Px，x轴为齿根圆切线方向，y轴为沿齿根圆法线方向，而背土面即齿形背部轮廓线与迎土面完全对称。圆盘中心一定范围内的表面覆盖疏水材料，疏水层表面圆直径ds＝D-2*H，厚度0.5mm，其圆盘切割部件具有减小切割阻力和不粘土的特征。本发明可以较明显地节约作业能耗，提高其作业效率。
文档编号A01D34/73GK102349392SQ20111025704
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者佟金, 周江, 孙霁宇, 李默, 陈东辉, 陈玉香, 马云海 申请人:吉林大学