[发明专利]一种仿生破茬刀的设计方法

说明书

一种仿生破茬刀的设计方法属农业机械技术领域，本发明包括下列步骤：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。

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种仿生破茬刀的设计方法。

背景技术

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(Anoplophora glabripennis)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。

发明内容

本发明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。

本发明包括下列步骤：

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；