[发明专利]一种仿生破茬刀的设计方法

摘要

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。

主权项

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：0≤x'≤990k，0≤z'≤h₄/cosβ其中：k为方程缩放系数；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；h_p＇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h_P’＝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；1.4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作业过程中所需的最大切割弧长L_max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，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≤990k mm，且满足L≥L_max；其中：k为方程缩放系数，k＝L＇/L_max，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[0，990k mm]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1.5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：l_ab/2＜ρ＜2l_ab其中：I_ab为破茬刀外刃口曲线B在区间[0，990k mm]割线长度，即点a和点b连线长度；1.6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，且破茬刃口中任一点的刃角α_i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°；α_n为破茬刃口终止点b处的刃角，且α_n>α₀；I_i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[0，990k mm]的曲线长度。