一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器的制作方法

本发明涉及一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器，属于农业机械设备技术领域。

背景技术：

双圆盘开沟器是免耕播种机上的重要工作部件,其原理是利用两个旋转的平面圆盘切开土壤,并将土壤向两侧推挤而形成深浅一致、沟形平整的种沟。普通双圆盘开沟器的圆盘表面是光滑平面型，在开沟过程中，圆盘表面与土壤接触时会由于接触界面连续的水环或水膜引起毛细管力和粘滞力而造成粘附，这样会增大土壤扰动，形成连续的水环或水膜，使得土壤粘结在圆盘表面不易脱落，增大了开沟阻力，影响了开沟质量。

仿生学已蕴含于生物与自然界中的特征和形态为蓝本，借助于现代技术手段，对其进行模仿，实现特定的技术功能和目标。将生物体表组织器官所具有的的某些功能应用于农业机械的设计之中，以满足工程技术需要是仿生学与农业机械设计与制造的结合。

研究发现，自然界中许多具有高效挖掘能力的土壤洞穴动物，如蝼蛄(gryllotalpaorientalisburmeister)、鼹鼠(scaptochirusmoschatus)、臭蜣螂(coprisochusmotchulsky)、穿山甲(manispentadactyla)等，其用于挖掘土壤肢体外缘轮具有特殊的结构与形态，这些特殊的结构与形态使土壤洞穴动物在挖土时爪趾能够轻而易举的切入土壤，并实现高效连续的挖掘。最大限度地减小了能量消耗，提高了工作效率，这些特征恰好可以为农业机械的仿生设计提供良好的借鉴。

以仿生学为研究手段的设计触土部件的形态和结构来降低土壤对触土部件的粘附和阻力已取得突破性进展，但当农机具在水分黏重的土壤中使用时，土壤行为的复杂性使防粘减阻难以得到很好的控制，土壤的粘附严重降低地面机械的作业效率和作业质量、增大能耗，甚至使机械无法作业。

然而，目前公知的具有仿生几何结构的旱田农机具触土部件往往采用单一的表面的凸包形式，尽管在旱作地区有优异的作业效果，在土壤黏重的水田作业区实际推广中发现，对土壤的防粘减阻有一定的制约作用，在我国广大水田区域，土壤特性不同，对于防粘减阻的需求也不同。针对上述问题，需要最大程度的优化农机具触土部件表面仿生几何结构形式，使其防粘减阻能力更强，从而使性能更加优异的仿生农机具触土部件在我国各个地区实现推广。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，设计提供了一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器结构，该结构在工作时可以有效降低圆盘表面的粘附，减小开沟器工作时的阻力，提高了开沟质量和工作效率，便于后续的施肥、播种作业。

本发明技术方案是：一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器，在双圆盘开沟器的两个圆盘1的外表面均设置沿圆盘圆周排列的椭球曲面凸包2，在椭球曲面凸包2靠近圆盘1中心一侧设置柔性微刺3，椭球曲面凸包2和柔性微刺3相连接为一体，形成一种微刺凸包耦合仿生表面结构4，此结构在圆盘1工作面沿圆周径向均匀分布，均匀排列多层。

进一步地，所述圆盘1的刃口具有仿生锯齿几何机构5，其轮廓曲线为：y＝nx²，其中n的取值范围为0.12～0.5，x的取值范围为-18～18mm。

进一步地，所述双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度l＝3～8mm；其中，分布在圆盘1最外层的椭球曲面凸包2到圆盘1刃口外缘的距离p＝5～25mm。

进一步地，所述椭球曲面凸包2是具有仿生结构的椭球面，其方程式为：

其中：参数a的取值范围为8～20，参数b的取值范围为5～15，参数c的取值范围为1.5～4.5。

进一步地，所述椭球曲面凸包2的球冠高度h＝0.6l～0.8l；椭球曲面凸包2的长度m＝4l～6l；椭球曲面凸包2的宽度n＝1.5l～3l；其中，l为双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度，l＝3～8mm。

进一步地，单个椭球曲面凸包2上设置的柔性微刺3数量m＝5～15，柔性微刺3形状为长圆柱，长圆柱的顶端为半球体，长圆柱的直径d2与其顶端的半球体直径d3相同，柔性微刺3的长度s＝3～12mm，d2＝0.3h～0.6h。

进一步地，所述圆盘1上单列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1上的连线与其相邻列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1的连线之间的夹角a＝6～12°，每层的间距为b＝0.8n～2.4n。

所述柔性微刺3采用聚氯乙烯pvc或聚乙烯pe制成。

本发明的工作原理是：

在本发明中，其微刺凸包耦合仿生表面结构4的设计是在克氏原螯虾(procambarusclarkii)的研究和分析的基础上展开的，克氏原螯虾栖息于湿地、河流堤岸或水田土壤,在粘重的泥浆中活动自如,善于在土壤中掘洞,其外骨骼具有优异的减粘、降阻和减磨等特性,尤其是直接与土壤接触的头胸部更具代表性。

克氏原螯虾的螯部表面分布有明显的椭球曲面凸包结构，在椭球曲面凸包结构的一侧分布有刚毛，且相邻刚毛间存在一定间隙。椭球曲面凸包结构使螯部表面呈现非光滑表面起到破坏连续水膜减小与土壤的接触面积的作用，以实现脱附，起到减粘、降阻和减摩的作用。螯部表面有一定的曲率，有利于螯部掘洞时减小与土壤的接触面积，类似于蝼蛄掘土前足表面形态，在有一定曲率表面上的刚毛受到土壤压力，在与土壤发生相对运动时，能够产生弹性变形以及发生微震，使土壤较易从螯部表面发生脱离，本发明对克氏原螯虾螯部的结构和力学性能进行研究，根据仿生学原理，设计出一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器。

本发明椭球曲面凸包2可以破坏圆盘1表面和土壤接触形成水膜的连续性，可以降低土壤的粘附性，从而降低开沟阻力；柔性微刺3具有弹力好，不易折断，具有良好的力学性能，在与土壤接触过程中受到挤压变形，出土时由于维持其力学特性从而恢复原来的状态，在此过程中，柔性微刺会发生细微震动，可以降低土壤的粘附，使得土壤更易在圆盘便面脱落，数量众多的微刺减少了土壤与圆盘表面的接触面积，降低了工作阻力，可以使圆盘表面不易形成水膜，起到脱附减阻的作用。

现阶段，双圆盘开沟器的圆盘刃口普遍采用圆弧形，而本发明以克氏原螯虾头部外骨骼微观形态为仿生原型，根据逆向工程技术手段，设计了具有仿生锯齿状刃口，这种刃口可以减小与黏重土壤的接触面积，减小入土阻力，碎土灭茬能力更强。现有技术广泛采用的凸包形状是球面形，而本发明以克氏原螯虾体表形态为仿生原型，根据逆向工程技术手段，设计研发了椭球面凸包，并且在凸包的一侧设置柔性微刺，形成一种新型的微刺凸包耦合仿生表面结构。圆盘表面和粘重土壤接触时，椭球面凸包可以破坏水膜形成的连续性，柔性微刺会发生微小震动，使土块更容易从圆盘表面脱落，可起到更好的防粘减阻的有益效果。

本发明的有益效果是：本发明的双圆盘开沟器在作业过程中，锯齿形刃口可以减少与土壤的接触面积，降低入土阻力，圆盘表面和土壤接触时会形成连续的水环或水膜，而圆盘表面的众多椭球曲面凸包会破坏水膜的连续性，柔性微刺会减小圆盘表面和土壤的接触的面积，使水膜不易连续形成，减小了土壤的附着力，土块就更容易在圆盘表面脱落，同时柔性微刺在与土壤接触时会发生弹性形变，出土时保持原有的力学特性，会产生微小震动，这样就进一步减小了土壤的附着力，使土块更加容易脱落，圆盘就不会出现粘附现象，降低了开沟器的工作阻力，提高了开沟质量和工作效率，便于后续的施肥、播种作业。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明圆盘结构示意图；

图3是本发明椭球曲面凸包的左视剖面图；

图4是本发明微刺的左视图；

图5是本发明椭球曲面凸包和微刺的俯视图；

图6是本发明圆盘锯齿刃口正视图。

图1-6中各标号：1-圆盘，2-椭球曲面凸包，3-柔性微刺，4-微刺凸包耦合仿生表面结构，5-仿生锯齿几何机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-6所示，一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器，在双圆盘开沟器的两个圆盘1的外表面均设置沿圆盘圆周排列的椭球曲面凸包2，在椭球曲面凸包2靠近圆盘1中心一侧设置柔性微刺3，椭球曲面凸包2和柔性微刺3相连接为一体，形成一种微刺凸包耦合仿生表面结构4，此结构在圆盘1工作面沿圆周径向均匀分布，均匀排列5层。

进一步地，所述圆盘1的刃口设置为仿生锯齿几何机构5，其轮廓曲线为：y＝0.3x²，x的取值范围为-18～18mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度l＝4mm；其中，分布在圆盘1最外层的椭球曲面凸包2到圆盘1刃口外缘的距离p＝5mm。

进一步地，所述椭球曲面凸包2是具有仿生结构的椭球面，其方程式为：

其中：参数a的取值范围为8～20(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数b的取值范围为5～15(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数c的取值范围为1.5～4.5(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述椭球曲面凸包2的球冠高度h＝0.75l＝3mm；椭球曲面凸包2的长度m＝5l＝20mm；椭球曲面凸包2的宽度n＝3l＝12mm；其中，l为双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度，l＝4mm。

进一步地，单个椭球曲面凸包2上设置的柔性微刺3数量m＝5，柔性微刺3形状为长圆柱，长圆柱的顶端为半球体，长圆柱的直径d2与其顶端的半球体直径d3相同，柔性微刺3的长度分别为5mm、4mm、3mm、4mm、5mm，d2＝0.3h＝0.9mm。

进一步地，所述圆盘1上单列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1上的连线与其相邻列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1的连线之间的夹角a＝9°，每层的间距为b＝1.5n＝18mm。

进一步地，所述柔性微刺3采用聚氯乙烯pvc或聚乙烯pe制成。

该实施例中仿生耦合双圆盘开沟器结构特点是：圆盘刃口锯齿较小，排列数量多，入土能力强，椭球曲面凸包体积较小，微刺凸包仿生耦合表面结构径向夹角较小，所以在圆盘表面椭球曲面凸包排列密集，减小了土壤与圆盘表面的接触面积，降低了土壤的粘附，微刺数量少，便于加工，节约成本；与普通双圆盘开沟器相比，脱附减阻能力更强，提高了开沟质量和工作效率，适用于较为土壤黏重的地区作业。

实施例2：如图1-6所示，一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器，在双圆盘开沟器的两个圆盘1的外表面均设置沿圆盘圆周排列的椭球曲面凸包2，在椭球曲面凸包2靠近圆盘1中心一侧设置柔性微刺3，椭球曲面凸包2和柔性微刺3相连接为一体，形成一种微刺凸包耦合仿生表面结构4，此结构在圆盘1工作面沿圆周径向均匀分布，均匀排列3层。

进一步地，所述圆盘1的刃口设置为仿生锯齿几何机构5，其轮廓曲线为：y＝0.3x²，x的取值范围为-18～18mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度l＝6mm；其中，分布在圆盘1最外层的椭球曲面凸包2到圆盘1刃口外缘的距离p＝8mm。

进一步地，所述椭球曲面凸包2是具有仿生结构的椭球面，其方程式为：

其中：参数a的取值范围为8～20(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数b的取值范围为5～15(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数c的取值范围为1.5～4.5(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述椭球曲面凸包2的球冠高度h＝4mm；椭球曲面凸包2的长度m＝28mm；椭球曲面凸包2的宽度n＝18mm；其中，l为双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度，l＝6mm。

进一步地，单个椭球曲面凸包2上设置的柔性微刺3数量m＝8，柔性微刺3形状为长圆柱，长圆柱的顶端为半球体，长圆柱的直径d2与其顶端的半球体直径d3相同，柔性微刺3的长度s＝3～12mm，d2＝1.8mm。

进一步地，所述圆盘1上单列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1上的连线与其相邻列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1的连线之间的夹角a＝12°，每层的间距为b＝20mm。

进一步地，所述柔性微刺3采用聚氯乙烯pvc或聚乙烯pe制成。

该实施例中仿生耦合双圆盘开沟器结构特点是：圆盘刃口锯齿较大，排列数量较多，入土能力较强，椭球曲面凸包体积较大，微刺凸包仿生耦合表面结构径向的夹角较大，所以在圆盘表面椭球曲面凸包排列稀疏一些，但也同样减小了土壤与圆盘表面的接触面积，降低了土壤的粘附，微刺数量较多；与普通双圆盘开沟器相比，有一定的脱附减阻能力，可以提高开沟质量和工作效率，适用于土壤黏重的地区作业。

实施例3：如图1-6所示，一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器，在双圆盘开沟器的两个圆盘1的外表面均设置沿圆盘圆周排列的椭球曲面凸包2，在椭球曲面凸包2靠近圆盘1中心一侧设置柔性微刺3，椭球曲面凸包2和柔性微刺3相连接为一体，形成一种微刺凸包耦合仿生表面结构4，此结构在圆盘1工作面沿圆周径向均匀分布，均匀排列多层。

进一步地，所述圆盘1的刃口设置为仿生锯齿几何机构5，其轮廓曲线为：y＝nx²，其中n的取值范围为0.12，x的取值范围为-18～18mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度l＝3mm；其中，分布在圆盘1最外层的椭球曲面凸包2到圆盘1刃口外缘的距离p＝5mm。

进一步地，所述椭球曲面凸包2是具有仿生结构的椭球面，其方程式为：

其中：参数a的取值范围为8～20(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数b的取值范围为5～15(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数c的取值范围为1.5～4.5(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述椭球曲面凸包2的球冠高度h＝0.6l；椭球曲面凸包2的长度m＝4l；椭球曲面凸包2的宽度n＝1.5l；其中，l为双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度，l＝3mm。

进一步地，单个椭球曲面凸包2上设置的柔性微刺3数量m＝5，柔性微刺3形状为长圆柱，长圆柱的顶端为半球体，长圆柱的直径d2与其顶端的半球体直径d3相同，柔性微刺3的长度s＝3mm，d2＝0.3h。

进一步地，所述圆盘1上单列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1上的连线与其相邻列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1的连线之间的夹角a＝6°，每层的间距为b＝0.8n。

进一步地，所述柔性微刺3采用聚氯乙烯pvc或聚乙烯pe制成。

实施例4：如图1-6所示，一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器，在双圆盘开沟器的两个圆盘1的外表面均设置沿圆盘圆周排列的椭球曲面凸包2，在椭球曲面凸包2靠近圆盘1中心一侧设置柔性微刺3，椭球曲面凸包2和柔性微刺3相连接为一体，形成一种微刺凸包耦合仿生表面结构4，此结构在圆盘1工作面沿圆周径向均匀分布，均匀排列多层。

进一步地，所述圆盘1的刃口具有仿生锯齿几何机构5，其轮廓曲线为：y＝nx²，其中n的取值范围为0.4，x的取值范围为-18～18mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度l＝6mm；其中，分布在圆盘1最外层的椭球曲面凸包2到圆盘1刃口外缘的距离p＝20mm。

进一步地，所述椭球曲面凸包2是具有仿生结构的椭球面，其方程式为：

其中：参数a的取值范围为8～20(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数b的取值范围为5～15(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数c的取值范围为1.5～4.5(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述椭球曲面凸包2的球冠高度h＝0.7l；椭球曲面凸包2的长度m＝5l；椭球曲面凸包2的宽度n＝2l；其中，l为双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度，l＝6mm。

进一步地，单个椭球曲面凸包2上设置的柔性微刺3数量m＝10，柔性微刺3形状为长圆柱，长圆柱的顶端为半球体，长圆柱的直径d2与其顶端的半球体直径d3相同，柔性微刺3的长度s＝10mm，d2＝0.4h。

进一步地，所述圆盘1上单列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1上的连线与其相邻列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1的连线之间的夹角a＝10°，每层的间距为b＝1n。

所述柔性微刺3采用聚氯乙烯pvc或聚乙烯pe制成。

实施例5：如图1-6所示，一种适用于粘重土壤的耦合仿生双圆盘开沟器，在双圆盘开沟器的两个圆盘1的外表面均设置沿圆盘圆周排列的椭球曲面凸包2，在椭球曲面凸包2靠近圆盘1中心一侧设置柔性微刺3，椭球曲面凸包2和柔性微刺3相连接为一体，形成一种微刺凸包耦合仿生表面结构4，此结构在圆盘1工作面沿圆周径向均匀分布，均匀排列多层。

进一步地，所述圆盘1的刃口具有仿生锯齿几何机构5，其轮廓曲线为：y＝nx²，其中n的取值范围为0.5，x的取值范围为-18～18mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度l＝8mm；其中，分布在圆盘1最外层的椭球曲面凸包2到圆盘1刃口外缘的距离p＝25mm。

进一步地，所述椭球曲面凸包2是具有仿生结构的椭球面，其方程式为：

其中：参数a的取值范围为8～20(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数b的取值范围为5～15(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)，参数c的取值范围为1.5～4.5(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)。

进一步地，所述椭球曲面凸包2的球冠高度h＝0.8l；椭球曲面凸包2的长度m＝6l；椭球曲面凸包2的宽度n＝3l；其中，l为双圆盘开沟器中单个圆盘1的厚度，l＝8mm。

进一步地，单个椭球曲面凸包2上设置的柔性微刺3数量m＝15，柔性微刺3形状为长圆柱，长圆柱的顶端为半球体，长圆柱的直径d2与其顶端的半球体直径d3相同，柔性微刺3的长度s＝12mm，d2＝0.6h。

进一步地，所述圆盘1上单列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1上的连线与其相邻列椭球曲面凸包2中心点投影到圆盘1的连线之间的夹角a＝12°，每层的间距为b＝2.4n。

所述柔性微刺3采用聚氯乙烯pvc或聚乙烯pe制成。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。