一種動態仿生鬆土開溝器的製作方法

2023-09-17 22:08:00 1

本發明屬於農業機械技術領域，具體涉及一種電力驅動式的動態仿生鬆土開溝器。

背景技術：

開溝器是播種施肥機械上的重要組成部分，主要功能是按照播深要求開出種溝或肥溝，其性能優劣直接影響機具的作業質量，也影響著種子發芽率，且東北地區低溫易旱，土壤板結嚴重，開溝器在作業過程中，開溝部件所受土壤阻力大，作業后土壤水分流失較大。

技術實現要素：

本發明通過對土壤動物的仿生鬆土作用機理研究，根據播種要求，提供一種電力驅動式動態仿生鬆土開溝器，以實現減少作業阻力、松碎壓實土壤、蓄水保墒，提高作業質量和提高種子發芽率的目的。

本發明的目的是通過以下方案實現的，結合附圖：

一種動態仿生鬆土開溝器，包括減阻滑切入土開溝刀1、多個動態仿生鬆土機構2和一對仿形限深壓土輪3，多個動態仿生鬆土機構2對稱安裝在減阻滑切入土開溝刀1兩側，一對仿形限深壓土輪3通過連杆固定在減阻滑切入土開溝刀1兩側；所述動態仿生鬆土機構2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、動態伸縮機構和凸起高度限位杆5，動態伸縮機構設置在仿蚯蚓柔性凸表面4內側，仿蚯蚓柔性凸表面4可在動態伸縮機構的帶動下產生收縮和擴張的形變，凸起高度限位杆5 安裝在仿蚯蚓柔性凸表面4內部，凸起高度限位杆5可沿其軸向伸縮。

進一步地，所述動態仿生鬆土機構2外表面採用高彈性耐磨橡膠材料，內部填充高彈性泡沫材料18。

進一步地，所述動態伸縮機構包括2個伸縮驅動輪6、拉力彈簧8、限位杆9、對稱凸輪10、滑道，滑道安裝在所述減阻滑切入土開溝刀1上且位於仿蚯蚓柔性凸表面4內側，2個伸縮驅動輪6安裝在滑道內可沿滑道滾動，每個伸縮驅動輪6的輪軸前端安裝有1個頂針輪7，限位杆9安裝在2個伸縮驅動輪6的輪軸之間，拉力彈簧8纏繞在限位杆9上，拉力彈簧8兩端與伸縮驅動輪6輪軸焊接，兩個頂針輪7分別與對稱凸輪10兩側相配合，可在對稱凸輪10的驅動下做簡諧運動，對稱凸輪10與安裝在所述減阻滑切入土開溝刀1內部設有的電機11驅動連接。

進一步地，所述對稱凸輪10輪廓曲線為：

進一步地，所述凸起高度限位杆5由實心軸19和空心軸20組成，實心軸19可沿空心軸20軸向位移且實心軸19端部設有與空心軸20配合的限位凸緣，實心軸19前端與減阻滑切入土開溝刀1表面焊接，空心軸20與仿蚯蚓柔性凸表面4固連。實心軸19可相對空心軸20沿軸向移動，凸起高度限位杆5在Y軸上最大收縮狀態時的凸起曲線方程為：x＝y2-10y+31，其中0≤y≤10。

進一步地，所述減阻滑切入土開溝刀1刀刃的曲線結構為：θ＝tanαln R+C，其中，0.5＜＜α＜＜1；0≤c≤1。

進一步地，所述仿形限深壓土輪3包括剛性內輪12、柔性外輪13、伸縮杆14、壓土輪輪軸15、壓力彈簧16；剛性內輪12與壓土輪輪軸15軸承連接，柔性外輪13罩在剛性內輪12外部，剛性內輪12與柔性外輪13之間連接有多個伸縮杆14，壓力彈簧16纏繞在伸縮杆14上，壓力彈簧16兩端分別與剛性內輪12和柔性外輪13固連。

進一步地，所述多個伸縮杆14採取縱向設置和斜向設置交錯排列分布的形式。

進一步地，所述柔性外輪13內側曲面MN選取開溝作業後種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，其曲面方程為：x2+y2+z2＝(0.1x2-1.2x+0.7)2。

本發明與現有技術相比有益的效果是:

1、松碎土壤、蓄水保墒效果好。動態仿生鬆土機構2可模擬出仿蚯蚓體表結構和運動形態，通過仿蚯蚓柔性凸表面4的伸縮往復彈動，有效實現土壤松碎壓實；且可在一定程度上對開出的溝槽起到鎮壓效果，有利於蓄水保墒。

2、減小工作阻力。採用了減阻滑切入土開溝刀1，可有效減小工作時土壤阻力，減少功率消耗，提高工作效率。

3、仿形限深壓土輪內側曲面mn選取開溝作業後種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，使其與土壤具有更大的接觸面積。仿形限深壓土輪3通過壓力彈簧6與伸縮杆14將剛性內輪12與柔性外輪13連接，同時設有縱向和斜向壓力彈簧6，並採取交錯排列分布的形式，使柔性外輪13受力更加均勻，具有更好的仿形擠土效果。

附圖說明

圖1是動態仿生鬆土開溝器軸測圖

圖2是動態仿生鬆土機構示意圖

圖3是動態仿生鬆土機構的動態伸縮機構示意圖

圖4是減阻滑切入土開溝刀沿X軸方向局部剖視圖

圖5(a)是動態仿生鬆土機構運動過程示意圖

圖5(b)是動態仿生鬆土機構運動過程示意圖

圖6(a)是仿蚯蚓柔性凸表面收縮狀態示意圖

圖6(b)是仿蚯蚓柔性凸表面擴張狀態示意圖

圖6(c)是動態仿生鬆土機構仿蚯蚓柔性凸表面內部填充物示意圖

圖7(a)是限位杆正視圖

圖7(b)是圖7(a)A-A處剖視圖

圖8是減阻滑切入土開溝刀刀刃曲線結構示意圖

圖9是仿形限深壓土輪軸測圖

圖10是仿形限深壓土輪剖視圖

圖中標記說明:1.減阻滑切入土開溝刀，2.動態仿生鬆土機構，3.仿形限深壓土輪，4.仿蚯蚓柔性凸表面，5.凸起高度限位杆，6.伸縮驅動輪，7.頂針輪，8.拉力彈簧，9.限位杆，10.對稱凸輪，11.電機，12.剛性內輪，13.柔性外輪，14.伸縮杆，15.輪軸，16.壓力彈簧，17.電機支架，18.高彈性泡沫材料，19.實心軸，20.空心軸。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明技術方案作詳細的描述:

如圖1所示，一種動態仿生鬆土開溝器，主要由減阻滑切入土開溝刀1、3對動態仿生鬆土機構2和一對仿形限深壓土輪3，3對動態仿生鬆土機構2對稱安裝在減阻滑切入土開溝刀1兩側，一對仿形限深壓土輪3通過連杆固定在減阻滑切入土開溝刀1兩側。

如圖2、圖6所示，每個動態仿生鬆土機構2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、2個動態伸縮機構和2個凸起高度限位杆5。動態仿生鬆土機構2的仿蚯蚓柔性凸表面4是基於蚯蚓的結構形態所設計的，其外表面採用高彈性耐磨橡膠材料，內部填充高彈性泡沫材料18。仿蚯蚓柔性凸表面4可在動態伸縮機構的帶動下產生收縮和擴張的形變。2個凸起高度限位杆5分別安裝在仿蚯蚓柔性凸表面4內部上下端部，凸起高度限位杆5可沿其軸向進行一定程度伸縮，其伸縮最大位移距離與仿蚯蚓柔性凸表面4在X軸上的最大擴張長度相同。

如圖3至圖5所示，動態伸縮機構包括2個伸縮驅動輪6、2個頂針輪7、拉力彈簧8、限位杆9、對稱凸輪10、滑道，滑道安裝在減阻滑切入土開溝刀1上且位於仿蚯蚓柔性凸表面4內側，2個伸縮驅動輪6安裝在滑道內可沿滑道滾動，每個伸縮驅動輪6的輪軸前端安裝1個頂針輪7，可伸縮的限位杆9安裝在2個伸縮驅動輪6的輪軸之間，拉力彈簧8纏繞在限位杆9上，拉力彈簧8兩端與伸縮驅動輪6輪軸焊接，兩個頂針輪7分別與對稱凸輪10兩側相配合，可在對稱凸輪10的驅動下做簡諧運動。減阻滑切入土開溝刀1為空心結構，在減阻滑切入土開溝刀1內部設有3個電機支架17，每個電機支架17上安裝有2個電機11，每個電機11兩側各設有一個驅動軸，驅動軸與相應側的對稱凸輪10連接，使對稱凸輪10可在電機11的驅動下勻速旋轉。

當對稱凸輪10在電機11的驅動下轉動後，同一滑道內的2個伸縮驅動輪6在頂針輪7和拉力彈簧8的共同作用下進行同步的簡諧運動，同時仿蚯蚓柔性 凸表面4在伸縮驅動輪6軸心外側連杆的驅動下進行Y軸方向上收縮和XOZ平面內擴張→Y軸方向上擴張和XOZ平面內收縮的往復式運動，對稱凸輪10輪廓曲線為：

從而使仿蚯蚓柔性凸表面4以餘弦加速度規律進行擴張和收縮，減小機構震動與衝擊。

如圖7所示，凸起高度限位杆5由實心軸19和空心軸20組成，實心軸19可沿空心軸20軸向位移且實心軸19端部設有與空心軸20配合的限位凸緣。實心軸19前端與減阻滑切入土開溝刀1表面焊接，空心軸20與仿蚯蚓柔性凸表面4固連。實心軸19可相對空心軸20沿軸向移動，其最大位移距離與凸表面在X軸上的最大擴張長度相同。依據仿蚯蚓柔性凸表面4在土壤中行進過程中的形態變化，設計凸起高度限位杆5Y軸上最大收縮狀態時的凸起曲線方程為：x＝y2-10y+31，其中0≤y≤10。仿蚯蚓柔性凸表面4在Y軸上最大擴張長度為8-12mm，最小收縮長度為3-6mm，在X軸上最大凸起高度為5-7mm，最小凸起高度為2-3mm。

如圖8所示，減阻滑切入土開溝刀1刀刃的曲線結構為：θ＝tanαln R+C，其中，0.5＜＜α＜＜1；0≤c≤1。其入土及開溝作業時，開溝刀刀刃上各點與土壤的動態滑切角之和為最大值，從而達到更加開溝減阻效果。

如圖9、圖10所示，仿形限深壓土輪3包括剛性內輪12、柔性外輪13、伸 縮杆14、壓土輪輪軸15、壓力彈簧16，剛性內輪12與壓土輪輪軸15軸承連接，柔性外輪13罩在剛性內輪12外部，剛性內輪12與柔性外輪13之間連接有多個伸縮杆14，每個伸縮杆14的空心部與剛性內輪12焊接，實心部與柔性外輪13固連，壓力彈簧16纏繞在伸縮杆14上，壓力彈簧16兩端分別與剛性內輪12和柔性外輪13固連。多個伸縮杆14採取縱向設置和斜向設置交錯排列分布的形式，使柔性外輪受13力更加均勻，具有更好的仿形擠土效果。

仿形限深壓土輪3柔性外輪13內側曲面MN選取開溝作業後種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，其曲面方程為：x2+y2+z2＝(0.1x2-1.2x+0.7)2，使其與土壤具有更大的接觸面積。

以下介紹本發明的工作原理：

開溝器入土作業後，隨拖拉機以速度V前進，電機11驅動對稱凸輪10開始順時針轉動，當對稱凸輪10轉動角度在0→90°和180°→270°範圍時，頂針輪7在拉力彈簧8的作用下按照對稱凸輪10的輪廓曲線進入回程，仿蚯蚓柔性凸表面4兩側的伸縮驅動輪6做相互接近的餘弦加速度運動，伸縮驅動輪6通過連杆促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y軸方向上收縮和在XOZ平面內擴張；當對稱凸輪10轉動角度在90→180°和270→360°範圍時，頂針輪7在對稱凸輪10的作用下進入推程，仿蚯蚓柔性凸表面4兩側的伸縮驅動輪6做相互遠離的餘弦加速度運動，伸縮驅動輪6通過連杆促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y軸方向上擴張和在XOZ平面內收縮；隨著對稱凸輪10的不斷轉動，仿蚯蚓柔性凸表面4模擬出蚯蚓前進運動中縱肌收縮環肌擴張與縱肌擴張環肌收縮相互交替的往復運動過程，從而起到擠壓松碎土壤，增大土壤孔隙度和蓄水保墒的作用。

凸起高度限位杆5的實心軸19可在空心軸20內沿軸向移動，其最大位移距離與凸表面在X軸上的最大擴張長度相同。仿蚯蚓柔性凸表面4可隨著同一 滑道內的兩個伸縮驅動輪6之間距離的變化，改變自身結構參數，當兩個伸縮驅動輪6之間距離最大時，蚯蚓柔性凸表面在Y軸上擴張長度達到最大8-12mm，在X軸上的凸起達到最小值2-3mm，當兩個伸縮驅動輪6之間距離最小時，蚯蚓柔性凸表面在Y軸上擴張長度達到最小3-6mm，在X軸上的凸起達到最大值5-7mm。

開溝作業後，土壤表面及種溝內土壤高低不平嚴重影響播種質量，仿形限深壓土輪內側曲面mn選取開溝作業後種溝邊緣土壤幾何形狀擬合曲面，使其可與土壤產生更大的接觸面積，和土壤的貼合性更加。