本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生破茬刀的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

免耕播種作業(yè)是在地表有秸稈和殘茬覆蓋條件下進(jìn)行的，通過對播種前地表秸稈和殘茬的處理可為后續(xù)播種作業(yè)和種子生長提供良好的作業(yè)條件和種床環(huán)境。破茬部件作為免耕作業(yè)過程中秸稈和根茬處理的關(guān)鍵部件，其在作業(yè)過程中會因受到秸稈、根茬和土壤綜合作用的阻力而產(chǎn)生破茬效果不佳和部件易磨損的現(xiàn)象。因此，為保證其良好的作業(yè)性能、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性能，需要部件切割性能佳、耐磨性能高、加工和安裝方法簡便。

天牛是重要的林木蛀干害蟲，幼蟲取食樹干，成蟲取食樹干或小樹枝皮和木質(zhì)部，雌蟲能在樹枝上啃槽產(chǎn)卵，其上顎齒在取食和啃槽過程中起到切割、啃咬和咀嚼的作用。光肩星天牛(anoplophoraglabripennis)是楊樹、柳樹、榆樹等樹種的主要蛀干害蟲，通過對光肩星天牛幼蟲和成蟲上顎齒形態(tài)特征與其取食習(xí)性的研究發(fā)現(xiàn)，無論是幼蟲還是成蟲，其上顎端部均成楔型，切齒部分刃口成凹曲線，切齒面近刃口處為由空間平面過渡到空間曲面的非規(guī)則結(jié)構(gòu)。并可觀察到成蟲上顎背面的切齒部分的刃角呈漸變式，刃角由外至內(nèi)逐漸增大。由于昆蟲的形態(tài)總是與其功能、生活環(huán)境相適應(yīng)，因此，基于天牛上顎齒形態(tài)結(jié)構(gòu)的仿生學(xué)設(shè)計(jì)對免耕播種破茬刀性能的改進(jìn)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種仿生破茬刀的設(shè)計(jì)方法。通過模仿光肩星天牛上顎齒切齒部分外緣幾何結(jié)構(gòu)、斷面幾何結(jié)構(gòu)、切齒外緣刃角變化趨勢和各部分結(jié)構(gòu)間的尺寸比例關(guān)系，得到一種仿生破茬刀的設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明包括下列步驟：

1.1仿生破茬刀的幾何形狀，由刀體1、刀柄2和刃角5組成，其結(jié)構(gòu)特征從天牛幼蟲及成蟲上顎齒取食部位結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的研究中獲得基本參數(shù)，以上顎齒切齒部分為仿生原型，通過對刃口曲線、刃角和斷面結(jié)構(gòu)的測量、擬合、分析與優(yōu)化，最終獲得，其中：刀體1正面輪廓由ba曲線、amn曲線、np直線、pr弧線和rb直線順序連接而成，刀體1正面中部縱向設(shè)有rm直線；由a、b、r、m、a連接形成的面為平面m，由r、m、n、p、r連接形成的面為曲面n，破茬刀由平面到曲面過渡的設(shè)計(jì)，利于秸稈等被切割物的破裂和分流，減少堵塞，；ba曲線為破茬刀外刃口曲線b、amn曲線為破茬刀曲線d，np直線為破茬刀直線e，rm直線即平面m和曲面n的正面相交線，為破茬刀直線c；刀體(1)反面輪廓由jk曲線、khg曲線、gf直線、fi弧線和ij直線順序連接而成，刀體1反面中部縱向設(shè)有ih直線；jk曲線為破茬刀內(nèi)刃口曲線i，khg曲線為破茬刀曲線g，gf直線為破茬刀直線f，ih直線即平面m和曲面n的反面相交線，ih為破茬刀直線h；

刀柄2的正面輪廓由bb1直線、b1c直線、cq弧線和qp1直線、p1p直線、pr弧線和rb直線連接而成，刀柄2的正面下邊與刀體1正面上邊由pr弧線和rb直線連接，刀柄2正面輪廓中的b1c直線、cq弧線和qp1直線處于同一平面p，刀柄2正面輪廓中的bb1直線、p1p直線、pr弧線和rb直線處于同一曲面k，其中：直線p1b1是平面p與曲面k的相交線，b1c直線和bb1直線為共線；

刀柄2的反面輪廓由jj1直線、j1d直線、de弧線、ef1直線、f1f直線、fi弧線和ij直線連接而成，刀柄2的反面下邊與刀體1反面上邊由fi弧線和ij直線連接，刀柄2反面輪廓中的j1d直線、de弧線和ef1直線處于同一平面p’，刀柄2反面輪廓中的jj1直線、f1f直線、fi弧線和ij直線處于同一曲面k’，其中：直線j1f1是平面p’與曲面k’的相交線；

點(diǎn)b為曲面k和平面m之間的一個交點(diǎn)，且與直線b1c共邊；

刀柄2上設(shè)有孔ⅰ3和孔ⅱ4；

設(shè)計(jì)步驟1.1所述的平面m：以刀柄2的正面外輪廓和刀體1的正面外輪廓交點(diǎn)b點(diǎn)為原點(diǎn)o’，直線b1b為x’軸，刀柄2正面輪廓上的平面p為x’o’z’坐標(biāo)面，建立三維坐標(biāo)系o’—x’y’z’,平面m的方程為：

其中：h4為rb直線的長度；β為平面m與x’o’z’坐標(biāo)面的夾角；

設(shè)計(jì)步驟1.1所述的曲面n:曲面n在三維坐標(biāo)系o’—x’y’z’中的方程為：

0≤x'≤990k，

其中：h4為rb直線的長度；hp’為rp弧線的中點(diǎn)p’到r點(diǎn)和p點(diǎn)連線的距離；r1為pr弧線的半徑r1；h4＝1.33h5，h5為刃口曲線ab上的中點(diǎn)m’到點(diǎn)a和點(diǎn)b連線的距離；

刀體1和刀柄2結(jié)合處截面在坐標(biāo)系o’y’z’內(nèi)，b點(diǎn)至p點(diǎn)在z’軸的投影寬度h6＝4.15h5；rp弧線的中點(diǎn)p’到r點(diǎn)和p點(diǎn)連線的距離hp’＝0.2h6；

pr弧線的半徑r1和平面m與x’o’z’坐標(biāo)面的夾角β滿足：

其中：h6為在坐標(biāo)系o’y’z’內(nèi)，b點(diǎn)至p點(diǎn)在z’軸的投影寬度；

設(shè)計(jì)步驟1.1中所述的破茬刀外刃口曲線b的原型曲線a0b0方程為：

f(x)＝0.000535x²-0.55x+7.037，0≤x≤990mm

原型方程中x的實(shí)際單位為像素，為了便于設(shè)計(jì)，可以將其轉(zhuǎn)化為mm；

破茬刀在作業(yè)過程中應(yīng)滿足刃口曲線長度大于作業(yè)過程中所需的最大切割弧長，通過對破茬刀作業(yè)過程中刀片端點(diǎn)運(yùn)動軌跡的分析，可以得出作業(yè)過程中所需的最大切割弧長lmax為：

其中：r為破茬刀外徑；h1為留茬及秸稈覆蓋層厚度；h2為破茬刀入土深度；h3為根茬深度；

以b點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，平面m所在平面為xoy，直線br所在直線為y軸，x軸的正方向?yàn)橛稍c(diǎn)b指向破茬刀起始破茬刃口a的方向，在已知基本作業(yè)條件的情況下，可以得到方程縮放系數(shù)k，通過對刃口曲線原型方程f(x)進(jìn)行等比例縮放，得到破茬刀外刃口曲線b的方程為：

f(x)_1＝k[0.000535(x/k)²-0.55(x/k)+7.037]，0≤x≤990kmm，且滿足l’≥lmax；

其中：k為方程縮放系數(shù)，為了保證破茬作業(yè)的順利有效進(jìn)行，k＝l/lmax，l為曲線方程f(x)在區(qū)間[0，990mm]的曲線長度；l’為破茬刀外刃口曲線b的方程f(x)_1在區(qū)間[0，990kmm]的曲線長度；h5為刃口曲線ab上的中點(diǎn)m’到點(diǎn)a和點(diǎn)b連線的距離，且

設(shè)計(jì)步驟1.1中所述的曲線d和曲線g：

曲線d和曲線g均為刀體柄2正面輪廓平面p上的相同凸弧，且曲線d上的點(diǎn)a、點(diǎn)m、點(diǎn)n和曲線g上的點(diǎn)g、點(diǎn)h、點(diǎn)k位于同一曲面，曲線d過點(diǎn)g、點(diǎn)n、點(diǎn)m和點(diǎn)a，曲線g過點(diǎn)a、點(diǎn)k、點(diǎn)h、點(diǎn)g，曲線d和曲線g的凸弧曲率半徑滿足：

lab/2＜ρ＜2lab

其中：iab為破茬刀外刃口曲線b在區(qū)間[0，990kmm]割線長度，即點(diǎn)a和點(diǎn)b連線長度；

設(shè)計(jì)步驟1.1中所述的刃角5：刃角5為漸變式刃角，刃角5由刀體1的破茬刃口起始點(diǎn)a到破茬刃口終止點(diǎn)b線性增加，刃角沿刃口曲線方向不斷增加的設(shè)計(jì)，使得隨著破茬作業(yè)的進(jìn)行，破茬刀的切入寬度沿刃口曲線方向逐漸增大，以利于劈切開被切割物，進(jìn)而提高破茬效率，且破茬刃口中任一點(diǎn)的刃角αi滿足下列數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中：α0為破茬刃口起始點(diǎn)a處的刃角，且22°≤α0≤35°；αn為破茬刃口終止點(diǎn)b處的刃角，且αn>α0；ii為刃口曲線上任一點(diǎn)到破茬刀刃口起始點(diǎn)a處的曲線長度，l為破茬刀外刃口曲線b的方程f(x)_1在區(qū)間[0，990kmm]的曲線長度。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的破茬刀，可實(shí)現(xiàn)其在作業(yè)過程中節(jié)省能耗，提高作業(yè)效率。

附圖說明

圖1為仿生破茬刀的設(shè)計(jì)方法流程圖

圖2為仿生破茬刀的軸測圖(前視)

圖3為仿生破茬刀的軸測圖(后視)

圖4為仿生破茬刀刀體上平面m和曲面n所在坐標(biāo)系的示意圖

圖5為圖4中a-a截面的尺寸示意圖

圖6為仿生破茬刀刃口曲線方程示意圖

圖7為破茬刀切割秸稈和根茬過程示意圖

圖8為仿生破茬刀刀體上曲線d和曲線g的結(jié)構(gòu)示意圖

圖9為漸變式刃角結(jié)構(gòu)示意圖

其中：1.刀體2.刀柄3.孔ⅰ4.孔ⅱ5.刃角a.起始破茬刃口處e.終止破茬刃口處s.留茬及秸稈覆蓋層t.地表層u.破茬刀入土層

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。

如圖1所示，本發(fā)明包括下列步驟：

1.1如圖1和圖2所示，仿生破茬刀的幾何形狀，由刀體1、刀柄2和刃角5組成，其結(jié)構(gòu)特征從天牛幼蟲及成蟲上顎齒取食部位結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的研究中獲得基本參數(shù)，以上顎齒切齒部分為仿生原型，通過對刃口曲線、刃角和斷面結(jié)構(gòu)的測量、擬合、分析與優(yōu)化，最終獲得，其中：刀體1正面輪廓由ba曲線、amn曲線、np直線、pr弧線和rb直線順序連接而成，刀體1正面中部縱向設(shè)有rm直線；由a、b、r、m、a連接形成的面為平面m，由r、m、n、p、r連接形成的面為曲面n，破茬刀由平面到曲面過渡的設(shè)計(jì)，利于秸稈等被切割物的破裂和分流，減少堵塞，；ba曲線為破茬刀外刃口曲線b、amn曲線為破茬刀曲線d，np直線為破茬刀直線e，rm直線即平面m和曲面n的正面相交線，為破茬刀直線c；刀體(1)反面輪廓由jk曲線、khg曲線、gf直線、fi弧線和ij直線順序連接而成，刀體1反面中部縱向設(shè)有ih直線；jk曲線為破茬刀內(nèi)刃口曲線i，khg曲線為破茬刀曲線g，gf直線為破茬刀直線f，ih直線即平面m和曲面n的反面相交線，ih為破茬刀直線h；

刀柄2的正面輪廓由bb1直線、b1c直線、cq弧線和qp1直線、p1p直線、pr弧線和rb直線連接而成，刀柄2的正面下邊與刀體1正面上邊由pr弧線和rb直線連接，刀柄2正面輪廓中的b1c直線、cq弧線和qp1直線處于同一平面p，刀柄2正面輪廓中的bb1直線、p1p直線、pr弧線和rb直線處于同一曲面k，其中：直線p1b1是平面p與曲面k的相交線，b1c直線和bb1直線為共線；

刀柄2的反面輪廓由jj1直線、j1d直線、de弧線、ef1直線、f1f直線、fi弧線和ij直線連接而成，刀柄2的反面下邊與刀體1反面上邊由fi弧線和ij直線連接，刀柄2反面輪廓中的j1d直線、de弧線和ef1直線處于同一平面p’，刀柄2反面輪廓中的jj1直線、f1f直線、fi弧線和ij直線處于同一曲面k’，其中：直線j1f1是平面p’與曲面k’的相交線；

點(diǎn)b為曲面k和平面m之間的一個交點(diǎn)，且與直線b1c共邊；

刀柄2上設(shè)有孔ⅰ3和孔ⅱ4；

如圖4和圖5所示，設(shè)計(jì)步驟1.1所述的平面m：以刀柄2的正面外輪廓和刀體1的正面外輪廓交點(diǎn)b點(diǎn)為原點(diǎn)o’，直線b1b為x’軸，刀柄2正面輪廓上的平面p為x’o’z’坐標(biāo)面，建立三維坐標(biāo)系o’—x’y’z’,平面m的方程為：

其中：h4為rb直線的長度；β為平面m與x’o’z’坐標(biāo)面的夾角；

如圖4和圖5所示，設(shè)計(jì)步驟1.1所述的曲面n:曲面n在三維坐標(biāo)系o’—x’y’z’中的方程為：

0≤x'≤990k，

其中：h4為rb直線的長度；hp’為rp弧線的中點(diǎn)p’到r點(diǎn)和p點(diǎn)連線的距離；r1為pr弧線的半徑r1；h4＝1.33h5，h5為刃口曲線ab上的中點(diǎn)m’到點(diǎn)a和點(diǎn)b連線的距離；

刀體1和刀柄2結(jié)合處截面在坐標(biāo)系o’y’z’內(nèi)，b點(diǎn)至p點(diǎn)在z’軸的投影寬度h6＝4.15h5；rp弧線的中點(diǎn)p’到r點(diǎn)和p點(diǎn)連線的距離hp’＝0.2h6；

pr弧線的半徑r1和平面m與x’o’z’坐標(biāo)面的夾角β滿足：

其中：h6為在坐標(biāo)系o’y’z’內(nèi)，b點(diǎn)至p點(diǎn)在z’軸的投影寬度；

如圖6和圖7所示，設(shè)計(jì)步驟1.1中所述的破茬刀外刃口曲線b的原型曲線a0b0方程為：

f(x)＝0.000535x²-0.55x+7.037，0≤x≤990mm

原型方程中x的實(shí)際單位為像素，為了便于設(shè)計(jì)，可以將其轉(zhuǎn)化為mm；

破茬刀在作業(yè)過程中應(yīng)滿足刃口曲線長度大于作業(yè)過程中所需的最大切割弧長，通過對破茬刀作業(yè)過程中刀片端點(diǎn)運(yùn)動軌跡的分析，可以得出作業(yè)過程中所需的最大切割弧長lmax為：

其中：r為破茬刀外徑；h1為留茬及秸稈覆蓋層厚度；h2為破茬刀入土深度；h3為根茬深度；

以b點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，平面m所在平面為xoy，直線br所在直線為y軸，x軸的正方向?yàn)橛稍c(diǎn)b指向破茬刀起始破茬刃口a的方向，在已知基本作業(yè)條件的情況下，可以得到方程縮放系數(shù)k，通過對刃口曲線原型方程f(x)進(jìn)行等比例縮放，得到破茬刀外刃口曲線b的方程為：

f(x)_1＝k[0.000535(x/k)²-0.55(x/k)+7.037]，0≤x≤990kmm，且滿足l’≥lmax；

其中：k為方程縮放系數(shù)，為了保證破茬作業(yè)的順利有效進(jìn)行，k＝l/lmax，l為曲線方程f(x)在區(qū)間[0，990mm]的曲線長度；l’為破茬刀外刃口曲線b的方程f(x)_1在區(qū)間[0，990kmm]的曲線長度；h5為刃口曲線ab上的中點(diǎn)m’到點(diǎn)a和點(diǎn)b連線的距離，且

如圖8所示，設(shè)計(jì)步驟1.1中所述的曲線d和曲線g：

曲線d和曲線g均為刀體柄2正面輪廓平面p上的相同凸弧，且曲線d上的點(diǎn)a、點(diǎn)m、點(diǎn)n和曲線g上的點(diǎn)g、點(diǎn)h、點(diǎn)k位于同一曲面，曲線d過點(diǎn)g、點(diǎn)n、點(diǎn)m和點(diǎn)a，曲線g過點(diǎn)a、點(diǎn)k、點(diǎn)h、點(diǎn)g，曲線d和曲線g的凸弧曲率半徑滿足：

lab/2＜ρ＜2lab

其中：iab為破茬刀外刃口曲線b在區(qū)間[0，990kmm]割線長度，即點(diǎn)a和點(diǎn)b連線長度；

如圖9所示，設(shè)計(jì)步驟1.1中所述的刃角5：刃角5為漸變式刃角，刃角5由刀體1的破茬刃口起始點(diǎn)a到破茬刃口終止點(diǎn)b線性增加，刃角沿刃口曲線方向不斷增加的設(shè)計(jì)，使得隨著破茬作業(yè)的進(jìn)行，破茬刀的切入寬度沿刃口曲線方向逐漸增大，以利于劈切開被切割物，進(jìn)而提高破茬效率，且破茬刃口中任一點(diǎn)的刃角αi滿足下列數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中：α0為破茬刃口起始點(diǎn)a處的刃角，且22°≤α0≤35°；αn為破茬刃口終止點(diǎn)b處的刃角，且αn>α0；ii為刃口曲線上任一點(diǎn)到破茬刀刃口起始點(diǎn)a處的曲線長度，l為破茬刀外刃口曲線b的方程f(x)_1在區(qū)間[0，990kmm]的曲線長度。