CN214014910U - 一种仿生曲面深松铲 - Google Patents

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张哲�
邓日辉
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Abstract

本发明公开了一种仿生曲面深松铲，包括梯形铲尖、曲面铲柱、铲柱加固板。所述曲面深松铲铲柱包括曲面部分和平面部分；所述曲面部分由一始终与xoy平面平行的直元线沿一导曲线扭转而成；所述导曲线所在平面与xoz平面夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；所述直元线初始方向与x轴方向一致；所述导曲线为拟合熊爪仿生幂曲线，其方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。该仿生深松铲有效地降低了深松铲沿着铲柱方向和垂直铲柱面的受力，从而显著降低了铲柱弯曲、扭转和断裂的作用力，增加了铲柱的可靠性。

Description

一种仿生曲面深松铲
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种仿生曲面深松铲。
背景技术
土壤深松作业是农业耕作技术领域的一种全新的耕作模式，深松机是保护性耕作机具之一，深松后的土壤具有明显的蓄水保墒和增产增收的效果。曲面深松铲相对传统深松铲来说，深松铲柱与土壤的接触面更大，曲面更容易翻土，所以曲面深松铲翻土、碎土效果更好，近年来被广泛的使用在深松机上。但是由于深松铲在工作中工作阻力很大，有时在田间遇到坚硬的障碍物时候容易出现深松铲柱断裂现象，从而影响作业的可靠性。
棕熊是自然界中及善于挖掘洞穴的动物之一，其爪趾结构便于棕熊构筑冬眠洞穴以及捕食位于地下的动物。棕熊在挖掘过程中，其爪趾的运动方式同深松铲的工作过程极为相似，即以水平运动为主，通过爪趾的移动切碎土壤，这是仿生熊爪设计曲面深松铲柱的基础。
发明内容
本发明的目的是：提供一种新型的仿生曲面深松铲，在保证耕作深度的同时，有效地减少深松铲沿着铲柱方向和垂直铲柱面的受力，从而显著地降低铲柱弯曲和扭转、断裂的作用力，增加铲柱的可靠性。
为了达到上述目的，本发明给出了以下技术方案：
一种仿生曲面深松铲，其特征在于，包括曲面铲柱1、铲柱加固板2、梯形铲尖3；铲柱加固板与曲面铲柱固接在一起；曲面铲柱与铲柱加固板固接在梯形铲尖上。所述曲面深松铲铲柱包括曲面部分和平面部分；所述曲面部分由一始终与xoy平面平行的直元线沿一导曲线扭转而成。所述直元线初始方向与x轴方向一致；在扭转过程中直元线与x轴方向的夹角随高度做线性变化，最大变化角度为1°。所述导曲线所在平面与xoz平面夹角为
Figure 596299DEST_PATH_IMAGE001
。
Figure 59641DEST_PATH_IMAGE001
大于土壤对钢的动摩擦角
Figure 404035DEST_PATH_IMAGE002
。所述梯形铲尖下刃口与x轴方向的夹角为
Figure 902012DEST_PATH_IMAGE003
。
本发明的特征还在于，所述导曲线为熊爪曲线拟合后形成的仿生曲线放大1.47倍后形成的，其方程为：
Figure 345763DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 561981DEST_PATH_IMAGE005
的取值范围为57-142mm ，
Figure 444486DEST_PATH_IMAGE006
的取值范围为98.8-252.2 mm。
所述的导曲线，其高度h与开度l的比在1.7-2.1之间，其上端点的切线与铅垂线的夹角为
Figure 796970DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 349305DEST_PATH_IMAGE007
取
Figure 787240DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 473436DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 618110DEST_PATH_IMAGE010
为铲尖安置角。
所述的曲面部分导曲线，其所在平面垂直于梯形铲尖的下刃口且位于距铲尖L/2处。
所述的铲柱加固板，其工作曲面的形成与曲面深松铲铲柱曲面部分的形成原理相同，其高度亦与铲柱曲面高度相同。
本发明具有以下有益效果：熊爪仿生曲面深松铲，在工作过程中有效的减少了深松铲作业时土壤的耕作阻力，尤其是减少了深松铲沿着铲柱方向和垂直铲柱面的受力，从而显著地降低铲柱弯曲和扭转、断裂的作用力，增加铲柱的可靠性，有效减少农机事故的发生。本发明涉及的一种仿生曲面深松铲，与传统深松铲相比，在打破犁底层的同时具有抬垡作用，所以疏松土壤的效果更好。
符号标记
Figure 731559DEST_PATH_IMAGE011
-导曲线所在平面与xoz平面间夹角；
Figure 656790DEST_PATH_IMAGE002
-土壤对钢的摩擦角；
Figure 881098DEST_PATH_IMAGE003
-下边刃与x轴方向的夹角；
Figure 145857DEST_PATH_IMAGE007
-导曲线上端点的切线与铅垂线的夹角；
Figure 430208DEST_PATH_IMAGE010
-铲尖安置角；l-导曲线开度；h-导曲线高度；s-始端直线长度；
Figure 514839DEST_PATH_IMAGE012
-曲线两端点与切线的夹角；L-两铲尖沿
Figure 542837DEST_PATH_IMAGE013
角方向的距离。
附图说明
图1：本发明——实施方式中一种曲面仿生深松铲的主视图
图2：本发明——实施方式中一种曲面仿生深松铲的左视图
图3：本发明——实施方式中导曲线所在位置示意图
图4：本发明——实施方式中导曲线示意图
附图标记说明：
1-曲面铲柱；2-铲柱加固板；3-梯形铲尖；4-下边刃；5-直元线；6-导曲线；7-导曲线所在平面。
具体实施方式
以下结合附图和设计的实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明具体实施例的一种仿生曲面深松铲，其结构综合了现有深松铲与铧式犁的结构特征，均包括铲柱，铲尖特征，并拥有类似铧式犁犁体的曲面。
本仿生曲面深松铲通过螺栓与机架紧固连接，机架与牵引机具连接。在土壤阻力、重力、拖拉机牵引力和合适的工作速度共同作用下，当深松铲入土后达到工作深度时，通过深松铲与土壤之间的剪切和摩擦力，使之出现相对位移，从而达到破碎和疏松土壤底层的作用。
如图1，所述曲面铲柱与铲柱加固板曲面部分配合在一起之后通过一个螺栓连接在一起；曲面铲柱1与铲柱加固板2下部有一个相同的凸起，梯形铲尖3有一个尺寸与其相适应的方槽，曲面铲柱1与铲柱加固板2的凸起正好嵌入方槽中，然后用两个止口销使三者固连在一起。固连完成后，深松铲作为一个整体与机架连接。
关于曲面深松铲的具体尺寸设计，需要综合铧式犁与深松铲的设计方法。
深松深度需要根据农机具工作位置来设计；例如陕西省农田耕层厚度在15cm-30cm之间；全省土壤犁底层平均厚度接近20cm。故深松铲的耕作深度应该在25cm-35cm之间。深松宽度的选择需要根据垄距和农作物根系的根幅范围来确定。因此在满足耕作效果的前提下，结合我国多年农机具设计经验，可将耕作宽度定在12cm-15cm；耕作深度定在25cm-35cm。在满足耕作效果的前提下可以通过对深松部件间距和液压***的调节,满足不同的深度和宽度。
如图3，所述曲面深松铲铲柱包括曲面部分和平面部分，所述曲面部分由一直元线沿导曲线6扭转而成。所述导曲线所在平面与xoz平面的夹角为
Figure 724420DEST_PATH_IMAGE001
。
Figure 179672DEST_PATH_IMAGE001
大于土壤对钢的动摩擦角
Figure 17178DEST_PATH_IMAGE002
。所述梯形铲尖下刃口与x轴方向的夹角为
Figure 583289DEST_PATH_IMAGE003
，即当将梯形铲尖水平放置，且梯形铲尖最长边与x轴方向一致时，其导曲线所在平面与梯形铲尖下边刃4方向垂直。
以下详细描述导曲线的形成过程：
如图4，所述导曲线6为熊爪曲线拟合后形成的仿生曲线放大1.47倍后形成的，其方程为：
Figure 619378DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 245531DEST_PATH_IMAGE005
的取值范围为57-142 mm ，
Figure 304754DEST_PATH_IMAGE006
的取值范围为98.8-252.2 mm。导曲线6的开度l，高度h，铲尖安置角
Figure 674556DEST_PATH_IMAGE014
，始端直线长度s，曲线两端点的切线的夹角
Figure 830730DEST_PATH_IMAGE012
都是参照犁体曲面设计的农业技术标准确定。
所述导曲线6的高度h为230mm，其特征在于，h与深松铲的耕作深度有关，根据农业技术标准深松铲耕作的深度是250-350mm，所以选择导曲线6高度h为200-250mm。
所述导曲线6开度l为135mm，其特征在于，由于深松铲的主要作用是松土而不翻土，所以当导曲线6高度h一定时,开度l越小则曲面越陡峭,碎土能力强,翻土能力弱，所以高度h与开度l的比要较传统铧式犁大，本设计选择为1.7-2.1之间。
所述切线夹角
Figure 627785DEST_PATH_IMAGE012
由
Figure 236621DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 82217DEST_PATH_IMAGE007
确定，即
Figure 92899DEST_PATH_IMAGE009
；由于曲面深松铲铲柱是由曲面部分和平面部分平滑连接而成，故直线与导曲线6相切，有利于碎土。
上述各参数确定后，将原始的熊爪拟合进行修正就得到了本发明中的导曲线6。
如图3，在笛卡尔三维坐标系中，设梯形铲尖所在位置为坐标原点，梯形铲尖最长边方向为x轴方向，水平向左为y轴正方向；导曲线6所在平面与xoz平面的夹角为
Figure 60855DEST_PATH_IMAGE011
，直元线5在xoy平面内。导曲线6所在平面垂直于梯形铲尖的下刃口且位于距铲尖L/2处。
所述直元线5沿导曲线6扭转的过程中形成深松铲的曲面部分，直元线5与x轴方向的夹角随高度做线性变化，最大变化角度为1°。
所述曲面铲柱1的平面部分是根据耕作深度选择，一般平面部分长度为250-300mm。
所述铲柱加固板2其形成原理与曲面铲柱1曲面部分形成原理一致，主要起保护铲柱的作用。
可以理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变,而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。。

Claims (4)

1.一种仿生曲面深松铲，其特征在于，包括曲面铲柱（1）、铲柱加固板（2）、梯形铲尖（3）；所述曲面铲柱包括曲面部分和平面部分；所述曲面部分由一始终与xoy平面平行的直元线沿一导曲线上升扭转而成，所述直元线初始方向与x轴方向一致，所述导曲线为提取熊爪的仿生曲线放大1.47倍形成，其方程为：
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
的取值范围为57-142 mm ，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
的取值范围为98.8-252.2 mm，所述导曲线所在平面与xoz平面成
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
大于土壤对钢的动摩擦角。
2.根据权利要求1所述的一种仿生曲面深松铲，其特征在于，曲面铲柱（1）的导曲线的高度h与开度l的比在1.7-2.1之间，其上端点的切线与铅垂线的夹角为
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_535458DEST_PATH_IMAGE006
的范围为
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
为铲尖安置角。
3.根据权利要求1所述的一种仿生曲面深松铲，其特征在于，曲面铲柱（1）的曲面部分导曲线所在平面垂直于梯形铲尖（3）下刃口且位于距铲尖L/2处。
4.根据权利要求1所述的一种仿生曲面深松铲，其特征在于，铲柱加固板（2）的工作曲面的形成与曲面铲柱（1）曲面部分的形成原理相同。
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