CN106863481B - 一种仿生锯齿形结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生锯齿形结构,属于农业技术领域,由齿、齿槽及齿背构成,齿由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角构成,具有单齿嵌入深度增加,锯割速度快,锯割更省力,可更好的收集、储存、排放碎削,分级切割仿生设计,在保证齿强度的基础上可提高切割速度、减小切割力,齿槽可以更好的清洁锯路并提高切割效率,齿和齿槽在齿背的支撑及力的传递作用下才可发挥其作用。
Description
技术领域
本发明属于农业技术领域,具体涉及一种仿生锯齿形结构。
背景技术
锯齿形结构具有应用范围广,结构简单,成本低,操作方便,效率高等特点,如今在林业、农业、工业、建筑业、制造业等行业及生活中,处处都可以见到锯齿形结构,具有在生产生活中无可替代的作用。
锯齿形结构在林业中的应用较多,伐木用的双人锯、油锯,加工木材的圆盘锯、木锯,修剪树枝的园艺锯,工业中加工金属的钢锯,以及生活中所用到的手板锯、折叠锯,甚至用于截肢的手术锯等都是一种锯齿形结构。
近几年,锯齿形结构在农业中的应用越来越多,农业收获机械上的切割刀盘就是一种应用非常广泛的锯齿形结构,它可以切割玉米、甘蔗等农作物的秸秆,锯路细直,且切割速度快,能提高收获机械的作业效率。
上述几种锯齿形结构具有效率高,容易操作等特点,但同时存在着排削不净,锯割费力和速度慢等问题。
发明内容
锯齿形结构作为生产生活中零件所广泛应用的结构,到如前无法替代,而齿作为其工作时最主要的部位,齿的寿命直接决定了锯齿形结构的使用寿命,当齿的破坏数量太多时该锯齿形结构就不可应用,甚至有些结构单齿破坏后,锯齿结构就失去作用,所以锯齿的研究具有重要的意义。
星天牛为一种植食性昆虫,它经常将卵产在木本植物内,孵化后的幼虫会在木材内磕洞,故星天牛又被称作“锯树郎”,它的口器由左右两部分组成,尖状的末端相互捏合,可以钻透坚硬的植株表面,在植株内钻出通道,星天牛口器坚固锋锐的结构、良好的啃噬能力与其独特的外形有关,故本发明以星天牛咀嚼式口器作为仿生原型,目的在于增强锯齿形结构的锯割速度,提高其收集、储存和排放碎屑的能力,提高切割速度,减小切割力。
本发明是由齿、齿槽和齿背构成,齿是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角组成,其中切削部位只要由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成,主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”三者之间相互平行;拓刃部位主要由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”组成,且主拓刃Ee’和副拓刃e’e”分别是连接主切刃EFH和副切刃e’f’h’,副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”的直线;排屑部位主要由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成,排屑刃EJV和导屑刃e”jv两者平行,嵌入角α为主切刃EFH和排屑刃EJV的夹角。
主切刃EFH和排屑刃EJV是仿生天牛口器的轮廓线,其中主切刃EFH是仿生天牛口器的内夹切线,其方程为:y=3.283x4+0.903x3+1.242x2-2.699x+0.002
式中:x的取值范围为-1≤x≤0,y的取值范围为0.002≤y≤6.502
排屑刃EJV是仿生天牛口器的外轮廓线,其方程为:y=-0.3706x6+2.9234x5-7.6333x4+5.7375x3+3.4832x2-0.9719x+0.0146
式中:x的取值范围为0≤x≤2.85,y的取值范围为0.0146≤y≤5.9
嵌入角α是仿生天牛口器具有刺破作用的尖部,其取值范围为50°~55°
对天牛口器横截面各角进行研究发现它们分别对木本植物具有夹切、助切和降阻的作用,由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’构成第一刃面;副切刃e’f’h’、导切刃e”f”h”和副拓刃e’e”构成第二刃面;排屑刃EJV、导屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”构成第三刃面;第一刃面、第二刃面和第三刃面依次仿生天牛口器横截面具有夹切、助切和降阻作用的夹角,得到第一刃面与齿面的夹角为45°,第二刃面与齿面4的夹角为30°,第三刃面与齿面的夹角为45°。
由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成的分级切割部位将传统的一次切割变成二次不同角度的切割,第一刃面的夹角为45°,第二刃面的夹角为30°,这种分级切割,相比于刃面是45°的一次切割具有减小切割阻力、增强切割效果,相比于刃面是30°的一次切割可提高主切刃的强度,延长齿的寿命。
由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成的排削部位为第三刃面3,它相比于传统的排削刃面具有更好的降阻能力,可降低排削部位与植物作用的摩擦阻力,同时收集碎屑的效果更好。
所述的主切刃EFH、排屑刃EJV和主拓刃Ee’在空间的交点为齿尖E,齿尖作用为“刺入”植株内,然后再利用嵌入角和主拓刃Ee’对“刺入”点进行扩大,增大锯口,本发明中主拓刃和副拓刃均为直线,在锯割时与植株直接作用,可增强锯齿结构的锯割效果,且副拓刃在主拓刃之后,可对主拓刃扩大的锯口进行二次扩大,增强切割效果。
所述的齿槽Hqv的半径为0.5mm,角度为120°,它位于两齿之间,将齿分开,由切割部位、齿槽和排削部位组成的齿间空隙为碎屑的收集区,可储存锯下的碎屑,并通过锯齿结构整体的旋转或往复运动将其带出,可以更好的清洁锯路和提高切割效率。
本发明的齿距T为6mm,齿高H为6.5mm。
锯齿形结构一般选取高速钢或合金钢等金属材料,先加工出结构的整体模型,然后通过压齿技术在模型上压出齿,最后再进行开刃等就完成了加工;在整个结构上,除齿和齿槽的其它部位就是齿背,它的主要作用是使多个齿连接在一起,同时支撑和传递作用力。
本发明的有益效果:
与传统的锯齿形结构相比,本发明在多处应用仿生原理的基础上,具有单齿嵌入深度增加,锯割速度快,可更好的收集、储存、排放碎削,提高作业速度;同时锯齿形结构的切割部位,采用分级切割仿生设计,在保证齿强度的基础上可提高切割速度、减小切割力;排削部位的仿生设计可降低作业时锯齿和植物的摩擦力,使其在锯割时更省力。
附图说明
图1为仿生锯齿形结构的示意图。
图2为仿生锯齿形结构的主视图。
图3为锯齿形结构中单齿的主视图。
图4为图3中的A—A截面图。
图5为锯齿形结构中齿槽的示意图。
图6为锯齿形结构中齿槽的放大示意图。
图7为仿生锯齿形结构用于圆盘锯的示意图。
图8为仿生锯齿形结构用于手工锯的示意图。
图9为锯齿形结构主切刃EFH的坐标示意图。
图10为锯齿形结构排屑刃EJV的坐标示意图。
具体实施方式
如图1所示,本发明由齿、齿槽和齿背三部分构成;齿是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角组成,切削部位由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成,主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”三者之间相互平行;拓刃部位由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”组成;排屑部位由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成,排屑刃EJV和导屑刃e”jv两者平行,嵌入角α为主切刃EFH和排屑刃EJV的夹角。
所述的主拓刃Ee’是连接主切刃EFH和副切刃e’f’h’的直线,副拓刃e’e”是连接副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”的直线。
主切刃EFH是内夹切线,其满足方程:
y=3.283x4+0.903x3+1.242x2-2.699x+0.002
式中:x的取值范围为-1≤x≤0,y的取值范围为0.002≤y≤6.502。
主切刃EFH在坐标内的曲线如图9所示。
排屑刃EJV是外轮廓线,其满足方程:
y=-0.3706x6+2.9234x5-7.6333x4+5.7375x3+3.4832x2-0.9719x+0.0146
式中:x的取值范围为0≤x≤2.85,y的取值范围为0.0146≤y≤5.9.
排屑刃EJV在坐标内的曲线如图10所示。
嵌入角α是具有刺破作用的尖部,其取值范围为50°~55°
如图2所示,主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’构成第一刃面1;副切刃e’f’h’、导切刃e”f”h”和副拓刃e’e”构成第二刃面2;排屑刃EJV、导屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”构成第三刃面3;对天牛口器横截面各角进行研究发现它们分别对木本植物具有夹切、助切和降阻的作用,第一刃面1、第二刃面2和第三刃面3依次仿生天牛口器横截面具有夹切、助切和降阻作用的夹角,如图3和图4所示,得到第一刃面1与齿面4的夹角为45°,第二刃面2与齿面4的夹角为30°,第三刃面3与齿面4的夹角为45°。
主切刃曲线EFH的特点是:
仿生天牛口器在进食时起重要作用的夹持切割线所形成,相比传统的锯齿形切割刃,具有更好的切割效果,单齿切割作用更明显,同时使嵌入角变小,在工作时,嵌入速度快,嵌入深度更深,在排削时,对前齿锯下的碎削有“搂”的作用,收集碎削效果更好。
由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成的分级切割部位将传统的一次切割变成二次不同角度的切割,第一刃面1的夹角为45°,第二刃面2的夹角为30°,这种分级切割,相比于刃面是45°的一次切割具有减小切割阻力、增强切割效果,相比于刃面是30°的一次切割可提高主切刃的强度,延长齿的寿命。
排屑刃曲线EJV的特点是:仿生天牛口器具有支撑和减阻作用的外轮廓线所形成,去掉了传统锯齿结构的侧刃,成为后刃和侧刃一体的仿生天牛口器排削刃,具有更强的降阻能力,同时增强了其排削效果。
由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成的排削部位为第三刃面3,它相比于传统的排削刃面具有更好的降阻能力,可降低排削部位与植物作用的摩擦阻力,同时收集碎屑的效果更好。
所述的主切刃EFH、排屑刃EJV和主拓刃Ee’在空间的交点为齿尖E,齿尖作用为“刺入”植株内,然后再利用嵌入角和主拓刃Ee’对“刺入”点进行扩大,增大锯口,本发明中主拓刃和副拓刃均为直线,在锯割时与植株直接作用,可增强锯齿结构的锯割效果,且副拓刃在主拓刃之后,可对主拓刃扩大的锯口进行二次扩大,增强切割效果。
如图5和图6所示,齿槽Hqv的半径r为0.5mm,齿槽Hqv角度为120°,齿槽Hqv位于两齿之间,将齿分开,由切割部位、齿槽和排削部位组成的齿间空隙为碎屑的收集区,可储存锯下的碎屑,并通过锯齿结构整体的旋转或往复运动将其带出,可以更好的清洁锯路和提高切割效率。
锯齿形结构一般选取高速钢或合金钢等金属材料,先加工出结构的整体模型,然后通过压齿技术在模型上压出齿,最后再进行开刃等就完成了加工;在整个结构上,除齿和齿槽的其它部位就是齿背,它的主要作用是使多个齿连接在一起,同时支撑和传递作用力。
如图2所示,所述的锯齿形结构的齿距T为6mm,齿高H为6.5mm.
图7为本发用于圆盘锯的示意图
图8为本发明用于手工锯的示意图。
Claims (4)
1.一种仿生锯齿形结构,其特征在于:包括齿、齿槽Hqv和齿背;齿是由切削部位、拓刃部位、排屑部位和嵌入角组成,切削部位由主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”构成,主切刃EFH、副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”三者之间相互平行;拓刃部位由主拓刃Ee’和副拓刃e’e”组成;排屑部位由排屑刃EJV和导屑刃e”jv构成,排屑刃EJV和导屑刃e”jv两者平行,嵌入角α为主切刃EFH和排屑刃EJV的夹角;
所述的主拓刃Ee’是连接主切刃EFH和副切刃e’f’h’的直线,副拓刃e’e”是连接副切刃e’f’h’和导切刃e”f”h”的直线;
主切刃EFH是内夹切线,其满足方程:
y=3.283x4+0.903x3+1.242x2-2.699x+0.002
式中:x的取值范围为-1≤x≤0,y的取值范围为0.002≤y≤6.502
排屑刃EJV是外轮廓线,其满足方程:
y=-0.3706x6+2.9234x5-7.6333x4+5.7375x3+3.4832x2-0.9719x+0.0146
式中:x的取值范围为0≤x≤2.85,y的取值范围为0.0146≤y≤5.9
嵌入角α是具有刺破作用的尖部,其取值范围为50°~55°。
2.根据权利要求1所述的一种仿生锯齿形结构,其特征在于:所述的主切刃EFH、副切刃e’f’h’和主拓刃Ee’构成第一刃面(1);副切刃e’f’h’、导切刃e”f”h”和副拓刃e’e”构成第二刃面(2);排屑刃EJV、导屑刃e”jv、主拓刃Ee’和副拓刃e’e”构成第三刃面(3);第一刃面(1)与齿面(4)的夹角为45°,第二刃面(2)与齿面(4)的夹角为30°,第三刃面(3)与齿面(4)的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的一种仿生锯齿形结构,其特征在于:所述的齿槽Hqv的半径为0.5mm,齿槽Hqv的角度为120°,齿槽Hqv位于两齿之间,将齿分开。
4.根据权利要求1所述的一种仿生锯齿形结构,其特征在于:所述的锯齿形结构的齿距T为6mm,齿高H为6.5mm。
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