專利名稱：一種仿生齒狀圓盤切割部件的設計方法
技術領域：
本發明涉及農業機械切割部件，特別是涉及作物秸稈和根茬切割部件，屬于農業機械領域。
背景技術：
農作物(如玉米、小麥和水稻等)秸稈的切割是這些作物收獲的一個重要工序，作物的根茬可作為農業生物質能源材料收獲并加以利用。圓盤切割部件作為秸稈和根茬收獲、免耕播種開溝的重要部件，工作過程中承受到來自秸稈、根茬和土壤的阻力和磨損；因此，為保證其穩定的工作狀態、合理的使用壽命及其運行經濟性，需要耐磨性高、切割性能良好、能耗低、效率高的切割部件。土壤洞穴動物的切挖器官具有優良的切挖結構和功能， 如臭蜣螂前足脛節外緣具有的齒狀結構，能對粘濕的被加工物進行切挖；鼴鼠被稱為活的 “挖掘機”，它的爪是主要的挖切器官，整體上呈齒狀結構；螻蛄被稱為“地老虎”，亦具有很強的挖切能力，其前足為挖切足，整體上亦呈齒狀結構。小家鼠和達烏爾黃鼠的四個足均具有很強的挖切能力，其足趾具有特定的彎曲特征。上述土壤洞穴動物的挖切器官的結構為圓盤切割部件的節能增效結構設計提供了仿生學依據。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺點，提出一種仿生齒狀圓盤切割部件的設計方法，采用審計的圓盤切割部件可以較明顯地節約作業能耗，提高其作業效率。模仿臭蜣螂前足脛節外緣齒狀幾何結構、螻蛄前足齒狀結構、鼴鼠前足齒狀結構， 設計圓盤切割部件外緣的仿生齒狀結構，包括齒頂線輪廓、齒側線輪廓和齒側線與齒根圓之間的夾角；模仿小家鼠挖切足趾、達烏爾黃鼠挖切足趾及臭蜣螂前足脛節外緣齒頂包絡線的結構特征，設計圓盤切割部件切割齒的橫斷面結構。一種仿生齒狀結構圓盤切割部件的設計方法，其特征在于，圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設計從生物體結構形態特征的研究中獲得基本參數，采用拋物線，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸形拋物線形狀y2 = 2Px，x軸為齒根圓切線方向，y軸為沿齒根圓法線方向，P為拋物線焦準距，而背土面即齒形背部輪廓線與迎土面完全對稱；依耕深及圓盤外徑要求，齒高H定為15mm，齒寬W與齒高H之比W/H= 2 2. 5， 齒寬W即齒根圓節距，齒高H即齒頂圓與齒根圓半徑之差；由切割齒寬高比，可調節P值為6 < P < 7. 5和齒寬來設計齒數，因每個切割齒的齒根圓弧長度略大于齒寬W，則取近似值，齒數N < π (D-30) /W，由W = 2Η 2. 5Η，N取值范圍為π (D-30)/2. 5 2H，隨圓盤外徑D增大而增加，由齒數取整原則，確定準確的W值；齒根厚S彡4_，刃厚b = 1_，刃角i = 30° ；圓盤中心一定范圍內的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑ds = D-2XH，厚度 Sa = 0. 5mm。圓盤外緣全部齒的最外端點在同一個圓上，即齒頂圓。
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所述切割齒沿圓盤外徑連續分布。除切割齒外，圓盤入土部分覆蓋超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或其它具有疏水功能，即與水的接觸角大于90度，并具有較好耐土壤磨料磨損特性的材料。圓盤外緣齒狀結構采用單面刃結構的齒，圓盤平面與前進方向偏角a = 30° 45°，鉛垂面夾角β =15° 30°，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸拋物線形，而背土面輪廓與其完全對稱。
結合附圖對本發明的仿生齒狀結構圓盤切割部件說明如下。圖1(a)仿生齒狀圓盤切割刀具作業示意圖。圖1 (b)是圖1 (a)的側視剖面圖。圖1 (c)切割齒局部放大側視圖。圖1(d)切割齒形狀示意圖。圖2仿生齒狀結構圓盤刀作業三維圖。圖3(a)圓盤大徑D = 900mm，齒數N = 81的仿生齒狀圓盤刀表面尺寸圖。圖3(b)是圖3(a)的側視剖面圖。圖3(c)切割齒局部放大側視圖。圖4(a)圓盤大徑D = 300mm，齒數N = 27的仿生齒狀圓盤刀表面尺寸圖。圖4(b)是圖4(a)的側視剖面圖。圖4(c)切割齒局部放大側視圖。圖5(a)圓盤大徑D = 600mm，齒數N = 51的仿生齒狀圓盤刀表面尺寸圖。圖5(b)是圖5(a)的側視剖面圖。圖5(c)切割齒局部放大側視圖。圖中S.刀具前進方向B.刀具旋轉方向i.刃角b.刃厚Sa.疏水層厚度H.齒高 W.齒寬 S.圓盤中心厚度 D.齒頂圓直徑 ds.疏水層直徑Db.安裝孔直徑1.背土面2.迎土面3.切削齒4.齒頂圓5.齒根圓6.疏水層7.安裝孔
具體實施方案下面結合附圖所示實施例進一步說明本發明具體內容圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設計從生物體結構形態特征的研究中獲得基本參數，采用拋物線或圓弧線形；模仿生物切挖過程中的作用關系，圓盤切割部件采用與機組前進方向一致的正向運動，圓盤回轉平面與機具前進方向的夾角即圓盤偏角α —般取值在23°與32°之間，參考附圖2;外緣齒狀結構為向后傾斜形結構的齒，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面為一段上凸形拋物線(圖lc) :y2 = 2Px, P為焦準距，χ軸為齒根圓切線方向，y軸沿齒根圓法線方向，而背土面(齒形背部)輪廓線與迎土面完全對稱，依耕深及圓盤外徑要求，齒高H定為15mm，齒寬W(齒根圓節距)與齒高H(齒頂圓與齒根圓半徑之差)之比W/H = 2 2. 5，由切割齒寬高比，可適當調節P值(其取值范圍為6 < P< 7. 5)和齒寬來設計齒數，因每個切割齒的齒根圓弧長度略大于齒寬W，則取近似值，齒數 N < 31 (D-30) /W，由 W = 2H 2. 5H, N 取值范圍為(π (D-30) /2. 5Η, π (D-30) /2H)，N 隨圓盤外徑D增大而增加，并由齒數取整原則確定準確的W值。圓盤中心厚度S不小于4mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤中心一定范圍內的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑 ds = D-2*H，厚度 0. 5mm。實例1參閱附圖3附圖3為仿生齒狀圓盤刀，結構參考傳統圓盤犁基本參數，D = 900mm，安裝孔直徑 da = 71mm，圓盤厚度10mm，并模仿土壤洞穴動物挖足部位，設計圓盤外緣的切割齒結構，切割齒齒頂線與齒根線均為圓；切割齒沿圓盤外緣均勻連續分布，齒數N取值范圍為(91.06， 72. 848)，取中間值N = 81，齒寬W與齒高H的比值為2. 2，P取值為6. 8。圓盤中心厚度 10mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤疏水層直徑ds = 870mm，兩側厚度均為0. 5mm。實例2參閱附圖4附圖4為仿生齒狀圓盤刀，結構參考傳統圓盤犁基本參數，D = 300mm,安裝孔直徑da = 31mm,并模仿土壤洞穴動物挖足部位，設計圓盤外緣的切割齒結構，切割齒齒頂線與齒根線均為圓；切割齒沿圓盤外緣均勻連續分布，齒數N取值范圍為(22.608,28.沈)，取 N = 27，齒寬W與齒高H的比值為2，P取值為7.5。圓盤中心厚度4mm，刃厚b = 1mm，刃角 i = 30° ；圓盤疏水層直徑ds = 270mm，兩側厚度均為0. 5mm。實例3參閱附圖5附圖5為仿生齒狀圓盤刀，結構參考傳統圓盤犁基本參數，D = 600mm,安裝孔直徑da = 61mm，并模仿土壤洞穴動物挖足部位，切割齒齒頂線與齒根線均為圓；切割齒沿圓盤外緣均勻連續分布，齒數N取值范圍為728，59. 66)，取N = 51，齒寬W與齒高H的比值為2. 3，P取值為6. 4。圓盤中心厚度5mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤疏水層直徑 ds = 570mm，兩側厚度均為0. 5mm。
權利要求
1.一種仿生齒狀結構圓盤切割部件的設計方法，其特征在于，圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設計從生物體結構形態特征的研究中獲得基本參數，采用拋物線，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸形拋物線形狀y2 = 2Px，x軸為齒根圓切線方向，y軸為沿齒根圓法線方向，P為拋物線焦準距，而背土面即齒形背部輪廓線與迎土面完全對稱；依耕深及圓盤外徑要求，齒高H定為15mm，齒寬W與齒高H之比W/H = 2 2. 5，齒寬 W即齒根圓節距，齒高H即齒頂圓與齒根圓半徑之差；由切割齒寬高比，可調節P值為6 < P < 7. 5和齒寬來設計齒數，因每個切割齒的齒根圓弧長度略大于齒寬W，則取近似值，齒數N < π (D-30) /W，由W = 2Η 2. 5Η，N取值范圍為π (D-30)/2. 5 2H，隨圓盤外徑D增大而增加，由齒數取整原則，確定準確的W值；齒根厚S彡4mm，刃厚b = 1mm，刃角i = 30° ；圓盤中心一定范圍內的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑ds = D-2XH,厚度= 0. 5mmο
2.根據權利要求1所述的一種仿生齒狀結構圓盤切割部件的設計方法，其特征在于， 圓盤外緣全部齒的最外端點在同一個圓上，即齒頂圓。
3.根據權利要求1或2所述一種仿生齒狀結構圓盤切割部件的設計方法，其特征在于， 所述切割齒沿圓盤外徑連續分布。
4.根據權利要求1所述的一種仿生齒狀結構圓盤切割部件的設計方法，其特征在于， 除切割齒外，圓盤入土部分覆蓋超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯或其它具有疏水功能，即與水的接觸角大于90度，并具有較好耐土壤磨料磨損特性的材料。
5.根據權利要求1所述的一種仿生齒狀結構圓盤切割部件設計方法，其特征在于，圓盤外緣齒狀結構采用單面刃結構的齒，圓盤平面與前進方向偏角a = 30° 45°，鉛垂面夾角β =15° 30°，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸拋物線形，而背土面輪廓與其完全對稱。
全文摘要
本發明涉及農業耕作機械上的切割部件升級方法，特別是涉及一種仿生齒狀圓盤切割部件的設計方法。其目的是解決現有圓盤刀粘土及阻力大等問題。技術方案是，圓盤切割部件外緣齒頂面周向輪廓設計從生物體結構形態特征的研究中獲得基本參數，采用拋物線，其中外緣齒迎土面輪廓由根部到頂面采用上凸形拋物線形狀y2＝2Px，x軸為齒根圓切線方向，y軸為沿齒根圓法線方向，而背土面即齒形背部輪廓線與迎土面完全對稱。圓盤中心一定范圍內的表面覆蓋疏水材料，疏水層表面圓直徑ds＝D-2*H，厚度0.5mm，其圓盤切割部件具有減小切割阻力和不粘土的特征。本發明可以較明顯地節約作業能耗，提高其作業效率。
文檔編號A01D34/73GK102349392SQ20111025704
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月2日 優先權日2011年9月2日
發明者佟金, 周江, 孫霽宇, 李默, 陳東輝, 陳玉香, 馬云海 申請人:吉林大學