指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄

摘要

本发明涉及农业机械典型土壤工作部件深松铲，特别是涉及一种具有仿生结构的指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄。目的在于解决现有深松铲工作阻力过大的技术问题。本发明是基于家鼠(mus musculus)的爪趾上表面轮廓线，其形状具有指数函数的曲线形式。采用的技术方案是：仿生深松铲铲柄切削土壤的前表面刃口形状采用家鼠前爪中间趾上表面沿纵向的轮廓线(呈指数函数曲线形式)，指数函数方程为：y＝-66.61e0.0117x+17.78e-0.1835x，-2≤x≤40，若以mm计算则为：-0.04≤x≤0.8mm。仿生减阻深松铲的楔入角15°≤α≤25°。这种具有指数函数特征的仿生减阻深松铲柄可使深松铲的工作阻力减少15％。

权利要求

1.指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄，由机架紧固连接的紧固部分H1、弯曲切土段H2和安装深松铲刃的安装段H3三部分组成，其特征在于，所述的弯曲切土段H2中的曲线A为铲柄的前表面切土刃口，其作用是承担土垡破碎；曲线B、A所构成的曲面起到后续的辅助碎土作用；曲线C段是为了与两段曲线A、B相配合，同时满足整个弯曲切土段强度的工艺性；三段曲线A、B、C均采用指数函数曲线特征的仿生结构，所用的曲线方程为：y＝-66.61e

0.0117x -0.1835x

+17.78e ，-2≤x≤40，若以mm计算，则x的取值范围为：-0.04≤x≤0.8mm，拟合函数图像的x轴单位为1/50mm，揳入角为深松铲刃的入土方向和水平线的夹角α，其取值范围：15°≤α≤25°。

2.根据权利要求1所述的指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄，其特征在于，所述的铲柄部分L/D取值范围：0.8≤L/D≤0.9，L为深松铲入土工作长度，D为深松深度。

3.根据权利要求1或2所述的指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄，其特征在于，所述的揳入角α＝24°。

说明书

指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种仿生减阻深松铲，特别是涉及一种具有减阻作用的指数函数型仿生减阻深松铲柄。背景技术：

[0002] 目前，随着现代化农业技术向节能降耗、可持续、绿色环保方向的发展，对农业耕作机械的作业质量和要求也在不断的提高，特别是对各种典型的土壤工作部件提出了更高的要求。深松铲是典型的农业机械土壤耕作部件，而传统的深松铲工作阻力过大一直是人们长期以来关注的问题。深松铲的工作阻力主要来自于两个方面：一是深松铲与土壤之间的摩擦阻力；另一个是深松铲对土壤的剪切阻力。在深松铲的工作过程中，铲柄前表面切土刃口剪切破坏土壤。上述这两个阻力在铲柄表面均有作用。铲柄前表面切土刃口在工作过程中的阻力除了与土壤本身的属性有关以外，还与刃口自身的空间形状密切相关。

[0003] 研究发现，家鼠(mus musculus)的前爪趾之所以具有较强的挖土能力，与其前爪趾的形状有着直接的关系。对家鼠(mus musculus)前爪趾的研究发现，其上表面沿纵向的轮廓线具有接近指数函数曲线的特征。这种结构特征使得这种土壤洞穴动物在其掘洞挖土过程中的阻力大大减小。因此，将这种类似指数函数曲线形式的上表面轮廓线应用于深松铲柄结构的仿生设计之中，能够显著的降低深松铲在工作过程中的阻力。发明内容：

[0004] 深松铲柄工作阻力来自于其前表面的切土刃口对土壤的剪切阻力以及土壤与铲柄的摩擦阻力。本发明的目的就在于解决现有的深松铲工作阻力高，能耗大及能够达到的深松深度小的技术问题，提出一种具有减阻功能的指数函数型仿生深松铲铲柄。

[0005] 本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：

[0006] 指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄，由机架紧固连接的紧固部分H1、弯曲切土段H2和安装深松铲刃的安装段H3三部分组成，所述的弯曲切土段H2中的曲线A为铲柄的前表面切土刃口，其作用是承担土垡破碎；曲线B、A所构成的曲面起到后续的辅助碎土作用；曲线C段是为了与两段曲线A、B相配合，同时考虑了整个弯曲切土段的工艺性；三段曲0.0117x
线A、B、C均采用指数函数曲线特征的仿生结构，所用的曲线方程为：y＝-66.61e +17.-0.1835x
78e ，-2≤x≤40，若以mm计算，则x的取值范围为：-0.04≤x≤0.8mm，拟合函数图像的x轴单位为1/50mm，楔入角为深松铲刃的入土方向和水平线的夹角α，其取值范围：
15°≤α≤25°。

[0007] 本发明的技术效果：

[0008] 指数函数型仿生减阻深松铲柄的指数函数曲线形切土刃口，在深松铲工作过程中改变了传统的圆弧形刃口的切土方式，这种方式的改变使得切土刃口切割土壤的剪切阻力以及与土壤之间的摩擦阻力减小。这样可以有效地降低深松铲的工作能耗，提高工作效率。

[0009] 指数函数型仿生减阻深松铲柄的仿生减阻结构设计可以使深松铲的工作阻力减小15％。附图说明：

[0010] 图1指数函数型仿生减阻深松铲柄示意图。

[0011] 图2家鼠(mus musculus)的前爪中趾上表面沿纵向轮廓曲线。具体实施方式：

[0012] 下面接合附图所示所述实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

[0013] 本发明所涉及的指数函数型仿生减阻深松铲柄主要由紧固部分H1段(与机架紧固连接)、弯曲切土段H2(对土垡进行剪切破坏和辅助后续碎土)和铲刃安装段H3(安装深松铲刃)三部分组成。根据一般的深松铲柄设计要求，H1+H2+H3＝600mm(根据实际的深松要求，该值可适当增大)，其中H2+H3段长度为362mm，则H1段的长度为为238mm，宽度W为60mm(根据JB/T9788-1999标准)，厚度T为25mm(根据JB/T9788-1999标准)。H3段为安装深松铲刃的安装段。该段尺寸应根据JB/T9788-1999标准和铲刃的形式(双翼型、箭型和凿型)具体确定。所述的弯曲切土段即为采用指数函数曲线特征的仿生结构，包括三段曲线A、B、C。曲线段取自图2所示的家鼠(mus musculus)的前爪中间趾上表面沿纵向的轮廓曲线(利用Olympus XZX12型体视显微镜得到图像，并利用OLPCIA P3图像分析软件获得，经过拟合分析得到其指数函数形式)。

[0014] 将趾的从尖端部分开始的曲线段(在家鼠的挖掘过程中承担主要的切土功能)作为指数函数型仿生减阻深松铲柄切土结构曲线段的设计依据，即在图2中取：-2≤x≤40，最佳取值范围为：-2≤x≤25，若以mm计算则x的取值范围为：-0.04≤x≤0.8mm，最佳取值范围为：-0.04≤x≤0.5mm(拟合函数图像的x轴单位为1/50mm)。充分考虑到铲柄的实际设计参数，经优化后的指数函数型仿生减阻深松铲柄弯曲切土段的尺寸参阅图1所示的A段曲线。铲柄部分L/D取值范围：0.8≤L/D≤0.9，L为深松铲入土工作长度，D为深松深度。L和D的尺寸可分别为305mm和362mm(根据实际的深松深度要求，这两个参数可分别扩大至915mm和1086mm)，L/D＝305mm/362mm＝0.84；根据前期对家鼠(musmusculus)爪趾的研究结果，并结合深松铲楔入角的一般设计范围：15°≤α≤25°，最加楔入角α＝24°；曲线段A、B、C均取自图2所示的同一指数函数曲线，其中曲线A即为铲柄的切土刃口。铲柄其它结构的尺寸在结合实际的设计要求和国家机械工业局发布的JB/T9788-1999标准的基础上确定，参阅图1所示。