一种动态仿生松土开沟器的制作方法

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种电力驱动式的动态仿生松土开沟器。

背景技术：

开沟器是播种施肥机械上的重要组成部分，主要功能是按照播深要求开出种沟或肥沟，其性能优劣直接影响机具的作业质量，也影响着种子发芽率，且东北地区低温易旱，土壤板结严重，开沟器在作业过程中，开沟部件所受土壤阻力大，作业后土壤水分流失较大。

技术实现要素：

本发明通过对土壤动物的仿生松土作用机理研究，根据播种要求，提供一种电力驱动式动态仿生松土开沟器，以实现减少作业阻力、松碎压实土壤、蓄水保墒，提高作业质量和提高种子发芽率的目的。

本发明的目的是通过以下方案实现的，结合附图：

一种动态仿生松土开沟器，包括减阻滑切入土开沟刀1、多个动态仿生松土机构2和一对仿形限深压土轮3，多个动态仿生松土机构2对称安装在减阻滑切入土开沟刀1两侧，一对仿形限深压土轮3通过连杆固定在减阻滑切入土开沟刀1两侧；所述动态仿生松土机构2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、动态伸缩机构和凸起高度限位杆5，动态伸缩机构设置在仿蚯蚓柔性凸表面4内侧，仿蚯蚓柔性凸表面4可在动态伸缩机构的带动下产生收缩和扩张的形变，凸起高度限位杆5 安装在仿蚯蚓柔性凸表面4内部，凸起高度限位杆5可沿其轴向伸缩。

进一步地，所述动态仿生松土机构2外表面采用高弹性耐磨橡胶材料，内部填充高弹性泡沫材料18。

进一步地，所述动态伸缩机构包括2个伸缩驱动轮6、拉力弹簧8、限位杆9、对称凸轮10、滑道，滑道安装在所述减阻滑切入土开沟刀1上且位于仿蚯蚓柔性凸表面4内侧，2个伸缩驱动轮6安装在滑道内可沿滑道滚动，每个伸缩驱动轮6的轮轴前端安装有1个顶针轮7，限位杆9安装在2个伸缩驱动轮6的轮轴之间，拉力弹簧8缠绕在限位杆9上，拉力弹簧8两端与伸缩驱动轮6轮轴焊接，两个顶针轮7分别与对称凸轮10两侧相配合，可在对称凸轮10的驱动下做简谐运动，对称凸轮10与安装在所述减阻滑切入土开沟刀1内部设有的电机11驱动连接。

进一步地，所述对称凸轮10轮廓曲线为：

进一步地，所述凸起高度限位杆5由实心轴19和空心轴20组成，实心轴19可沿空心轴20轴向位移且实心轴19端部设有与空心轴20配合的限位凸缘，实心轴19前端与减阻滑切入土开沟刀1表面焊接，空心轴20与仿蚯蚓柔性凸表面4固连。实心轴19可相对空心轴20沿轴向移动，凸起高度限位杆5在Y轴上最大收缩状态时的凸起曲线方程为：x＝y²-10y+31，其中0≤y≤10。

进一步地，所述减阻滑切入土开沟刀1刀刃的曲线结构为：θ＝tanαln R+C，其中，0.5＜＜α＜＜1；0≤c≤1。

进一步地，所述仿形限深压土轮3包括刚性内轮12、柔性外轮13、伸缩杆14、压土轮轮轴15、压力弹簧16；刚性内轮12与压土轮轮轴15轴承连接，柔性外轮13罩在刚性内轮12外部，刚性内轮12与柔性外轮13之间连接有多个伸缩杆14，压力弹簧16缠绕在伸缩杆14上，压力弹簧16两端分别与刚性内轮12和柔性外轮13固连。

进一步地，所述多个伸缩杆14采取纵向设置和斜向设置交错排列分布的形式。

进一步地，所述柔性外轮13内侧曲面MN选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状拟合曲面，其曲面方程为：x²+y²+z²＝(0.1x²-1.2x+0.7)²。

本发明与现有技术相比有益的效果是:

1、松碎土壤、蓄水保墒效果好。动态仿生松土机构2可模拟出仿蚯蚓体表结构和运动形态，通过仿蚯蚓柔性凸表面4的伸缩往复弹动，有效实现土壤松碎压实；且可在一定程度上对开出的沟槽起到镇压效果，有利于蓄水保墒。

2、减小工作阻力。采用了减阻滑切入土开沟刀1，可有效减小工作时土壤阻力，减少功率消耗，提高工作效率。

3、仿形限深压土轮内侧曲面mn选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状拟合曲面，使其与土壤具有更大的接触面积。仿形限深压土轮3通过压力弹簧6与伸缩杆14将刚性内轮12与柔性外轮13连接，同时设有纵向和斜向压力弹簧6，并采取交错排列分布的形式，使柔性外轮13受力更加均匀，具有更好的仿形挤土效果。

附图说明

图1是动态仿生松土开沟器轴测图

图2是动态仿生松土机构示意图

图3是动态仿生松土机构的动态伸缩机构示意图

图4是减阻滑切入土开沟刀沿X轴方向局部剖视图

图5(a)是动态仿生松土机构运动过程示意图

图5(b)是动态仿生松土机构运动过程示意图

图6(a)是仿蚯蚓柔性凸表面收缩状态示意图

图6(b)是仿蚯蚓柔性凸表面扩张状态示意图

图6(c)是动态仿生松土机构仿蚯蚓柔性凸表面内部填充物示意图

图7(a)是限位杆正视图

图7(b)是图7(a)A-A处剖视图

图8是减阻滑切入土开沟刀刀刃曲线结构示意图

图9是仿形限深压土轮轴测图

图10是仿形限深压土轮剖视图

图中标记说明:1.减阻滑切入土开沟刀，2.动态仿生松土机构，3.仿形限深压土轮，4.仿蚯蚓柔性凸表面，5.凸起高度限位杆，6.伸缩驱动轮，7.顶针轮，8.拉力弹簧，9.限位杆，10.对称凸轮，11.电机，12.刚性内轮，13.柔性外轮，14.伸缩杆，15.轮轴，16.压力弹簧，17.电机支架，18.高弹性泡沫材料，19.实心轴，20.空心轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作详细的描述:

如图1所示，一种动态仿生松土开沟器，主要由减阻滑切入土开沟刀1、3对动态仿生松土机构2和一对仿形限深压土轮3，3对动态仿生松土机构2对称安装在减阻滑切入土开沟刀1两侧，一对仿形限深压土轮3通过连杆固定在减阻滑切入土开沟刀1两侧。

如图2、图6所示，每个动态仿生松土机构2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、2个动态伸缩机构和2个凸起高度限位杆5。动态仿生松土机构2的仿蚯蚓柔性凸表面4是基于蚯蚓的结构形态所设计的，其外表面采用高弹性耐磨橡胶材料，内部填充高弹性泡沫材料18。仿蚯蚓柔性凸表面4可在动态伸缩机构的带动下产生收缩和扩张的形变。2个凸起高度限位杆5分别安装在仿蚯蚓柔性凸表面4内部上下端部，凸起高度限位杆5可沿其轴向进行一定程度伸缩，其伸缩最大位移距离与仿蚯蚓柔性凸表面4在X轴上的最大扩张长度相同。

如图3至图5所示，动态伸缩机构包括2个伸缩驱动轮6、2个顶针轮7、拉力弹簧8、限位杆9、对称凸轮10、滑道，滑道安装在减阻滑切入土开沟刀1上且位于仿蚯蚓柔性凸表面4内侧，2个伸缩驱动轮6安装在滑道内可沿滑道滚动，每个伸缩驱动轮6的轮轴前端安装1个顶针轮7，可伸缩的限位杆9安装在2个伸缩驱动轮6的轮轴之间，拉力弹簧8缠绕在限位杆9上，拉力弹簧8两端与伸缩驱动轮6轮轴焊接，两个顶针轮7分别与对称凸轮10两侧相配合，可在对称凸轮10的驱动下做简谐运动。减阻滑切入土开沟刀1为空心结构，在减阻滑切入土开沟刀1内部设有3个电机支架17，每个电机支架17上安装有2个电机11，每个电机11两侧各设有一个驱动轴，驱动轴与相应侧的对称凸轮10连接，使对称凸轮10可在电机11的驱动下匀速旋转。

当对称凸轮10在电机11的驱动下转动后，同一滑道内的2个伸缩驱动轮6在顶针轮7和拉力弹簧8的共同作用下进行同步的简谐运动，同时仿蚯蚓柔性 凸表面4在伸缩驱动轮6轴心外侧连杆的驱动下进行Y轴方向上收缩和XOZ平面内扩张→Y轴方向上扩张和XOZ平面内收缩的往复式运动，对称凸轮10轮廓曲线为：

从而使仿蚯蚓柔性凸表面4以余弦加速度规律进行扩张和收缩，减小机构震动与冲击。

如图7所示，凸起高度限位杆5由实心轴19和空心轴20组成，实心轴19可沿空心轴20轴向位移且实心轴19端部设有与空心轴20配合的限位凸缘。实心轴19前端与减阻滑切入土开沟刀1表面焊接，空心轴20与仿蚯蚓柔性凸表面4固连。实心轴19可相对空心轴20沿轴向移动，其最大位移距离与凸表面在X轴上的最大扩张长度相同。依据仿蚯蚓柔性凸表面4在土壤中行进过程中的形态变化，设计凸起高度限位杆5Y轴上最大收缩状态时的凸起曲线方程为：x＝y²-10y+31，其中0≤y≤10。仿蚯蚓柔性凸表面4在Y轴上最大扩张长度为8-12mm，最小收缩长度为3-6mm，在X轴上最大凸起高度为5-7mm，最小凸起高度为2-3mm。

如图8所示，减阻滑切入土开沟刀1刀刃的曲线结构为：θ＝tanαln R+C，其中，0.5＜＜α＜＜1；0≤c≤1。其入土及开沟作业时，开沟刀刀刃上各点与土壤的动态滑切角之和为最大值，从而达到更加开沟减阻效果。

如图9、图10所示，仿形限深压土轮3包括刚性内轮12、柔性外轮13、伸 缩杆14、压土轮轮轴15、压力弹簧16，刚性内轮12与压土轮轮轴15轴承连接，柔性外轮13罩在刚性内轮12外部，刚性内轮12与柔性外轮13之间连接有多个伸缩杆14，每个伸缩杆14的空心部与刚性内轮12焊接，实心部与柔性外轮13固连，压力弹簧16缠绕在伸缩杆14上，压力弹簧16两端分别与刚性内轮12和柔性外轮13固连。多个伸缩杆14采取纵向设置和斜向设置交错排列分布的形式，使柔性外轮受13力更加均匀，具有更好的仿形挤土效果。

仿形限深压土轮3柔性外轮13内侧曲面MN选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状拟合曲面，其曲面方程为：x²+y²+z²＝(0.1x²-1.2x+0.7)²，使其与土壤具有更大的接触面积。

以下介绍本发明的工作原理：

开沟器入土作业后，随拖拉机以速度V前进，电机11驱动对称凸轮10开始顺时针转动，当对称凸轮10转动角度在0→90°和180°→270°范围时，顶针轮7在拉力弹簧8的作用下按照对称凸轮10的轮廓曲线进入回程，仿蚯蚓柔性凸表面4两侧的伸缩驱动轮6做相互接近的余弦加速度运动，伸缩驱动轮6通过连杆促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y轴方向上收缩和在XOZ平面内扩张；当对称凸轮10转动角度在90→180°和270→360°范围时，顶针轮7在对称凸轮10的作用下进入推程，仿蚯蚓柔性凸表面4两侧的伸缩驱动轮6做相互远离的余弦加速度运动，伸缩驱动轮6通过连杆促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y轴方向上扩张和在XOZ平面内收缩；随着对称凸轮10的不断转动，仿蚯蚓柔性凸表面4模拟出蚯蚓前进运动中纵肌收缩环肌扩张与纵肌扩张环肌收缩相互交替的往复运动过程，从而起到挤压松碎土壤，增大土壤孔隙度和蓄水保墒的作用。

凸起高度限位杆5的实心轴19可在空心轴20内沿轴向移动，其最大位移距离与凸表面在X轴上的最大扩张长度相同。仿蚯蚓柔性凸表面4可随着同一 滑道内的两个伸缩驱动轮6之间距离的变化，改变自身结构参数，当两个伸缩驱动轮6之间距离最大时，蚯蚓柔性凸表面在Y轴上扩张长度达到最大8-12mm，在X轴上的凸起达到最小值2-3mm，当两个伸缩驱动轮6之间距离最小时，蚯蚓柔性凸表面在Y轴上扩张长度达到最小3-6mm，在X轴上的凸起达到最大值5-7mm。

开沟作业后，土壤表面及种沟内土壤高低不平严重影响播种质量，仿形限深压土轮内侧曲面mn选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状拟合曲面，使其可与土壤产生更大的接触面积，和土壤的贴合性更加。