一种仿生破茬刀的设计方法技术

一种仿生破茬刀的设计方法属农业机械技术领域，本发明专利技术包括下列步骤：设定破茬刀的几何形状：破茬刀由刀体、刀柄和刃角组成；通过建立刀体上平面M的方程式，设计平面M；通过建立刀体上曲面N的方程式，设计曲面N；通过对所建立的原型曲线a0b0方程式进行缩放，设计破茬刀外刃口曲线B；设计曲线D和曲线G；通过所建立的渐变式刃角的方程式，设计刃角。本发明专利技术所设计的破茬刀可在作业过程中节省能耗，且能提高作业效率。

Design method of bionic stubble cutter

A bionic stubble breaking cutter design method belongs to the technical field of agricultural machinery, the method comprises the following steps: setting stubble breaking cutter geometry: stubble breaking cutter comprises a cutter body, the handle and the blade angle; by establishing the equation of cutter body plane M, M by establishing the equation of plane design; the cutter body surface N design, surface N; through the zoom in and out of the a0b0 curve equation established by the prototype design, stubble breaking cutter edge curve outside B; design of curve D and curve G; through the gradual edge angle equation, edge angle design. The stubble cutter designed by the invention can save energy consumption in the operation process, and can improve the operation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种仿生破茬刀的设计方法
本专利技术属于农业机械
，具体涉及一种仿生破茬刀的设计方法。
技术介绍
免耕播种作业是在地表有秸秆和残茬覆盖条件下进行的，通过对播种前地表秸秆和残茬的处理可为后续播种作业和种子生长提供良好的作业条件和种床环境。破茬部件作为免耕作业过程中秸秆和根茬处理的关键部件，其在作业过程中会因受到秸秆、根茬和土壤综合作用的阻力而产生破茬效果不佳和部件易磨损的现象。因此，为保证其良好的作业性能、使用寿命和经济性能，需要部件切割性能佳、耐磨性能高、加工和安装方法简便。天牛是重要的林木蛀干害虫，幼虫取食树干，成虫取食树干或小树枝皮和木质部，雌虫能在树枝上啃槽产卵，其上颚齿在取食和啃槽过程中起到切割、啃咬和咀嚼的作用。光肩星天牛(Anoplophoraglabripennis)是杨树、柳树、榆树等树种的主要蛀干害虫，通过对光肩星天牛幼虫和成虫上颚齿形态特征与其取食习性的研究发现，无论是幼虫还是成虫，其上颚端部均成楔型，切齿部分刃口成凹曲线，切齿面近刃口处为由空间平面过渡到空间曲面的非规则结构。并可观察到成虫上颚背面的切齿部分的刃角呈渐变式，刃角由外至内逐渐增大。由于昆虫的形态总是与其功能、生活环境相适应，因此，基于天牛上颚齿形态结构的仿生学设计对免耕播种破茬刀性能的改进具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种仿生破茬刀的设计方法。通过模仿光肩星天牛上颚齿切齿部分外缘几何结构、断面几何结构、切齿外缘刃角变化趋势和各部分结构间的尺寸比例关系，得到一种仿生破茬刀的设计方法。本专利技术包括下列步骤：1.1仿生破茬刀的几何形状，由刀体1、刀柄2和刃角5组成，其结构特征从天牛幼虫及成虫上颚齿取食部位结构形态特征的研究中获得基本参数，以上颚齿切齿部分为仿生原型，通过对刃口曲线、刃角和断面结构的测量、拟合、分析与优化，最终获得，其中：刀体1正面轮廓由ba曲线、amn曲线、np直线、pr弧线和rb直线顺序连接而成，刀体1正面中部纵向设有rm直线；由a、b、r、m、a连接形成的面为平面M，由r、m、n、p、r连接形成的面为曲面N，破茬刀由平面到曲面过渡的设计，利于秸秆等被切割物的破裂和分流，减少堵塞，；ba曲线为破茬刀外刃口曲线B、amn曲线为破茬刀曲线D，np直线为破茬刀直线E，rm直线即平面M和曲面N的正面相交线，为破茬刀直线C；刀体(1)反面轮廓由jk曲线、khg曲线、gf直线、fi弧线和ij直线顺序连接而成，刀体1反面中部纵向设有ih直线；jk曲线为破茬刀内刃口曲线I，khg曲线为破茬刀曲线G，gf直线为破茬刀直线F，ih直线即平面M和曲面N的反面相交线，ih为破茬刀直线H；刀柄2的正面轮廓由bb1直线、b1c直线、cq弧线和qp1直线、p1p直线、pr弧线和rb直线连接而成，刀柄2的正面下边与刀体1正面上边由pr弧线和rb直线连接，刀柄2正面轮廓中的b1c直线、cq弧线和qp1直线处于同一平面P，刀柄2正面轮廓中的bb1直线、p1p直线、pr弧线和rb直线处于同一曲面K，其中：直线p1b1是平面P与曲面K的相交线，b1c直线和bb1直线为共线；刀柄2的反面轮廓由jj1直线、j1d直线、de弧线、ef1直线、f1f直线、fi弧线和ij直线连接而成，刀柄2的反面下边与刀体1反面上边由fi弧线和ij直线连接，刀柄2反面轮廓中的j1d直线、de弧线和ef1直线处于同一平面P’，刀柄2反面轮廓中的jj1直线、f1f直线、fi弧线和ij直线处于同一曲面K’，其中：直线j1f1是平面P’与曲面K’的相交线；点b为曲面K和平面M之间的一个交点，且与直线b1c共边；刀柄2上设有孔Ⅰ3和孔Ⅱ4；设计步骤1.1所述的平面M：以刀柄2的正面外轮廓和刀体1的正面外轮廓交点b点为原点O’，直线b1b为X’轴，刀柄2正面轮廓上的平面P为X’O’Z’坐标面，建立三维坐标系O’—X’Y’Z’,平面M的方程为：其中：h4为rb直线的长度；β为平面M与X’O’Z’坐标面的夹角；设计步骤1.1所述的曲面N:曲面N在三维坐标系O’—X’Y’Z’中的方程为：0≤x'≤990k，其中：h4为rb直线的长度；hp’为rp弧线的中点p’到r点和p点连线的距离；R1为pr弧线的半径R1；h4＝1.33h5，h5为刃口曲线ab上的中点M’到点a和点b连线的距离；刀体1和刀柄2结合处截面在坐标系O’Y’Z’内，b点至p点在Z’轴的投影宽度h6＝4.15h5；rp弧线的中点p’到r点和p点连线的距离hP’＝0.2h6；pr弧线的半径R1和平面M与X’O’Z’坐标面的夹角β满足：其中：h6为在坐标系O’Y’Z’内，b点至p点在Z’轴的投影宽度；设计步骤1.1中所述的破茬刀外刃口曲线B的原型曲线a0b0方程为：f(x)＝0.000535x2-0.55x+7.037，0≤x≤990mm原型方程中x的实际单位为像素，为了便于设计，可以将其转化为mm；破茬刀在作业过程中应满足刃口曲线长度大于作业过程中所需的最大切割弧长，通过对破茬刀作业过程中刀片端点运动轨迹的分析，可以得出作业过程中所需的最大切割弧长Lmax为：其中：R为破茬刀外径；h1为留茬及秸秆覆盖层厚度；h2为破茬刀入土深度；h3为根茬深度；以b点为坐标原点，平面M所在平面为XOY，直线br所在直线为Y轴，X轴的正方向为由原点b指向破茬刀起始破茬刃口a的方向，在已知基本作业条件的情况下，可以得到方程缩放系数k，通过对刃口曲线原型方程f(x)进行等比例缩放，得到破茬刀外刃口曲线B的方程为：f(x)_1＝k[0.000535(x/k)2-0.55(x/k)+7.037]，0≤x≤990kmm，且满足L’≥Lmax；其中：k为方程缩放系数，为了保证破茬作业的顺利有效进行，k＝L/Lmax，L为曲线方程f(x)在区间[0，990mm]的曲线长度；L’为破茬刀外刃口曲线B的方程f(x)_1在区间[0，990kmm]的曲线长度；h5为刃口曲线ab上的中点M’到点a和点b连线的距离，且设计步骤1.1中所述的曲线D和曲线G：曲线D和曲线G均为刀体柄2正面轮廓平面P上的相同凸弧，且曲线D上的点a、点m、点n和曲线G上的点g、点h、点k位于同一曲面，曲线D过点g、点n、点m和点a，曲线G过点a、点k、点h、点g，曲线D和曲线G的凸弧曲率半径满足：lab/2＜ρ＜2lab其中：Iab为破茬刀外刃口曲线B在区间[0，990kmm]割线长度，即点a和点b连线长度；设计步骤1.1中所述的刃角5：刃角5为渐变式刃角，刃角5由刀体1的破茬刃口起始点a到破茬刃口终止点b线性增加，刃角沿刃口曲线方向不断增加的设计，使得随着破茬作业的进行，破茬刀的切入宽度沿刃口曲线方向逐渐增大，以利于劈切开被切割物，进而提高破茬效率，且破茬刃口中任一点的刃角αi满足下列数学表达式：其中：α0为破茬刃口起始点a处的刃角，且22°≤α0≤35°；αn为破茬刃口终止点b处的刃角，且αn>α0；Ii为刃口曲线上任一点到破茬刀刃口起始点a处的曲线长度，L为破茬刀外刃口曲线B的方程f(x)_1在区间[0，990kmm]的曲线长度。本专利技术所设计的破茬刀，可实现其在作业过程中节省能耗，提高作业效率。附图说明图1为仿生破茬刀的设计方法流程图图2为仿生破茬刀的轴测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生破茬刀的设计方法，其特征在于包括下列步骤：1.1设定破茬刀的几何形状：破茬刀由刀体(1)、刀柄(2)和刃角(5)组成，其中：刀体(1)正面轮廓由ba曲线、amn曲线、np直线、pr弧线和rb直线顺序连接而成，刀体(1)正面中部纵向设有rm直线；由a、b、r、m、a连接形成的面为平面M，由r、m、n、p、r连接形成的面为曲面N；ba曲线为破茬刀外刃口曲线B、amn曲线为破茬刀曲线D，np直线为破茬刀直线E，rm直线即平面M和曲面N的正面相交线，为破茬刀直线C；刀体(1)反面轮廓由jk曲线、khg曲线、gf直线、fi弧线和ij直线顺序连接而成，刀体(1)反面中部纵向设有ih直线；jk曲线为破茬刀内刃口曲线I，khg曲线为破茬刀曲线G，gf直线为破茬刀直线F，ih直线即平面M和曲面N的反面相交线，ih为破茬刀直线H；刀柄(2)的正面轮廓由bb1直线、b1c直线、cq弧线和qp1直线、p1p直线、pr弧线和rb直线连接而成，刀柄(2)的正面下边与刀体(1)正面上边由pr弧线和rb直线连接，刀柄(2)正面轮廓中的b1c直线、cq弧线和qp1直线处于同一平面P，刀柄(2)正面轮廓中的bb1直线、p1p直线、pr弧线和rb直线处于同一曲面K，其中:直线p1b1是平面P与曲面K的相交线，b1c直线和bb1直线为共线；刀柄(2)的反面轮廓由jj1直线、j1d直线、de弧线、ef1直线、f1f直线、fi弧线和ij直线连接而成，刀柄(2)的反面下边与刀体(1)反面上边由fi弧线和ij直线连接，刀柄(2)反面轮廓中的j1d直线、de弧线和ef1直线处于同一平面P’，刀柄(2)反面轮廓中的jj1直线、f1f直线、fi弧线和ij直线处于同一曲面K’，其中：直线j1f1是平面P’与曲面K’的相交线；点b为曲面K和平面M之间的一个交点，且与直线b1c共边；刀柄(2)上设有孔Ⅰ(3)和孔Ⅱ(4)；1.2设计步骤1.1所述的平面M：以刀柄(2)的正面外轮廓和刀体(1)的正面外轮廓交点b点为原点O’，直线b1b为X’轴，刀柄(2)正面轮廓上的平面P为X’O’Z’坐标面，建立三维坐标系O’—X’Y’Z’,平面M的方程为：...

【技术特征摘要】
1.一种仿生破茬刀的设计方法，其特征在于包括下列步骤：1.1设定破茬刀的几何形状：破茬刀由刀体(1)、刀柄(2)和刃角(5)组成，其中：刀体(1)正面轮廓由ba曲线、amn曲线、np直线、pr弧线和rb直线顺序连接而成，刀体(1)正面中部纵向设有rm直线；由a、b、r、m、a连接形成的面为平面M，由r、m、n、p、r连接形成的面为曲面N；ba曲线为破茬刀外刃口曲线B、amn曲线为破茬刀曲线D，np直线为破茬刀直线E，rm直线即平面M和曲面N的正面相交线，为破茬刀直线C；刀体(1)反面轮廓由jk曲线、khg曲线、gf直线、fi弧线和ij直线顺序连接而成，刀体(1)反面中部纵向设有ih直线；jk曲线为破茬刀内刃口曲线I，khg曲线为破茬刀曲线G，gf直线为破茬刀直线F，ih直线即平面M和曲面N的反面相交线，ih为破茬刀直线H；刀柄(2)的正面轮廓由bb1直线、b1c直线、cq弧线和qp1直线、p1p直线、pr弧线和rb直线连接而成，刀柄(2)的正面下边与刀体(1)正面上边由pr弧线和rb直线连接，刀柄(2)正面轮廓中的b1c直线、cq弧线和qp1直线处于同一平面P，刀柄(2)正面轮廓中的bb1直线、p1p直线、pr弧线和rb直线处于同一曲面K，其中:直线p1b1是平面P与曲面K的相交线，b1c直线和bb1直线为共线；刀柄(2)的反面轮廓由jj1直线、j1d直线、de弧线、ef1直线、f1f直线、fi弧线和ij直线连接而成，刀柄(2)的反面下边与刀体(1)反面上边由fi弧线和ij直线连接，刀柄(2)反面轮廓中的j1d直线、de弧线和ef1直线处于同一平面P’，刀柄(2)反面轮廓中的jj1直线、f1f直线、fi弧线和ij直线处于同一曲面K’，其中：直线j1f1是平面P’与曲面K’的相交线；点b为曲面K和平面M之间的一个交点，且与直线b1c共边；刀柄(2)上设有孔Ⅰ(3)和孔Ⅱ(4)；1.2设计步骤1.1所述的平面M：以刀柄(2)的正面外轮廓和刀体(1)的正面外轮廓交点b点为原点O’，直线b1b为X’轴，刀柄(2)正面轮廓上的平面P为X’O’Z’坐标面，建立三维坐标系O’—X’Y’Z’,平面M的方程为：其中：h4为rb直线的长度；β为平面M与X’O’Z’坐标面的夹角；1.3设计步骤1.1所述的曲面N:曲面N在三维坐标系O’—X’Y’Z’中的方程为：0≤x'≤990k，其中：h4为rb直线的长度；hp’为rp弧线的中点p’到r点和p点连线的距离；R1为pr弧线的半径R1；h4...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭慧，贾洪雷，黄东岩，王刚，赵佳乐，王文君，袁洪方，郭明卓，陈玉龙，王奇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22