一种仿生切碎刀及秸秆切碎装置和联合收获机
阅读说明：本技术 一种仿生切碎刀及秸秆切碎装置和联合收获机 (Bionic chopping knife, straw chopping device and combine harvester ) 是由 徐立章 陆锦 韩佃雷 柴晓玉 蔡其兵 赵红阳 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明一种仿生切碎刀及秸秆切碎装置和联合收获机,仿生切碎刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫口器左切齿和/或右切齿轮廓曲线；左切齿或右切齿包括一条或多条相同的仿生轮廓曲线,每条仿生轮廓曲线包括5段拟合的凸曲线,所述秸秆切碎装置包括所述仿生切碎刀,联合收获机秸秆切碎装置的仿生切碎刀包括仿生切碎动刀和仿生切碎定刀,参考蝗虫咀嚼食物的牙齿,通过高速旋转的动刀的和定刀的支撑作用切碎水稻、小麦、油菜等作物茎秆,仿生切碎刀及动定刀片刃口交错组合的切割方式可以有效减少切割秸秆的阻力,降低装置的功率消耗,解决目前秸秆切碎装置切碎质量不佳、功耗高的问题,本发明所述秸秆切碎装置可以配套于市场上多种类型的联合收获机械使用。(The invention relates to a bionic chopping knife, a straw chopping device and a combined harvester, wherein the characteristic curve of the cutting edge of the bionic chopping knife is the profile curve of left cutting teeth and/or right cutting teeth of a locust-simulated mouthpart; the left cutting tooth or the right cutting tooth comprises one or more same bionic contour curves, each bionic contour curve comprises 5 sections of fitted convex curves, the straw chopping device comprises the bionic chopping knife, the bionic chopping knife of the straw chopping device of the combined harvester comprises a bionic chopping movable knife and a bionic chopping fixed knife, the locust is referred to chew teeth of food, crop stalks such as rice, wheat, rape and the like are chopped through the supporting action of the movable knife and the fixed knife rotating at high speed, and the cutting mode of the bionic chopping knife and the cutting edge of the movable fixed knife in a staggered combination mode can effectively reduce the resistance of cutting straws, reduce the power consumption of the device and solve the problems of poor chopping quality and high power consumption of the conventional straw chopping device.)
技术领域
本发明属于农业工程仿生技术领域，尤其涉及一种仿生切碎刀及秸秆切碎装置和联合收获机。
背景技术
农作物秸秆属于农业生态系统重要的生物质能资源，近年来随着国内农业机械的发展，农作物产生的大量秸秆远超过传统农业的需求，以联合收获机为主的农作物收获配套的秸秆切碎装置存在切碎质量低，功率消耗高等问题，国内相关的研究关于秸秆切碎装置的切碎刀优化设计的工程应用较少。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种仿生切碎刀及秸秆切碎装置和联合收获机，所述仿生切碎刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫口器左切齿和/或右切齿轮廓曲线；所述左切齿或右切齿包括一条或多条相同的仿生轮廓曲线，每条仿生轮廓曲线包括5段拟合的凸曲线；所述秸秆切碎装置包括所述仿生切碎刀；参考蝗虫咀嚼食物的牙齿，联合收获机秸秆切碎装置的仿生切碎刀包括仿生切碎动刀和仿生切碎定刀，通过高速旋转的动刀的和定刀的支撑作用切碎水稻、小麦、油菜等作物茎秆，仿生切碎刀及动定刀片刃口交错组合的切割方式可以有效减少切割秸秆的阻力，降低装置的功率消耗，解决目前秸秆切碎装置切碎质量不佳、功耗高的问题，本发明所述秸秆切碎装置可以配套于市场上多种类型的联合收获机械使用。
东亚飞蝗，俗称蚂蚱或蝗虫，为国内常见的农业害虫，多分布于黄淮海平原和沿海地区，以小麦、水稻、玉米等多种禾本科植物为食，成虫期食量极大，约占一生总食量的四分之三以上，且该生物的咀嚼式口器极其发达，具有优良的切割性能，其中口器的上颚切齿主要用于割断植物茎叶，即当食物进入口器之前，右齿和左齿的上颚切齿以头部口器为轴心向外展开再向齿内侧收缩闭合切断植物纤维。本发明利用仿生技术、结合实际工况和生物生境，以蝗虫上颚切齿作为仿生原型，将蝗虫的切齿轮廓曲线作为刀刃口结构设计的依据，并结合蝗虫进食时切齿同向相互支撑切割茎叶的运动方式，提出一种可以配套于联合收获机械秸秆切碎装置的仿生切碎刀及组合切割方式，能够有效提高秸秆切割质量、碎草效果并降低机具的功耗。
本发明的技术方案是：一种仿生切碎刀，所述仿生切碎刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫上颚左切齿和/右切齿轮廓曲线；
所述右切齿包括一条或多条相同的仿生轮廓曲线，每条仿生轮廓曲线包括5段拟合的凸曲线，其中以y为纵坐标，x为横坐标的拟合方程表示为：
第一曲线满足：y＝2.325×10-3x4-0.104x3+0.5733x2-0.1767x-5.129×10-3，其中：0≤x≤6；
第二曲线满足：y＝1.775×10-2x3-0.3623x2+0.9243x+0.1306，其中：0≤x≤3；
第三曲线满足：y＝9.218×10-3x4-0.1226×10-2x3+0.1878x2+1.399x+0.1168，其中：0≤x≤6；
第四曲线满足：y＝-0.0115x5+0.1985x4-1.143x3+2.34x2-0.8964x+0.7477，其中：0≤x≤5；
第五曲线满足：y＝2.01×10-3x4-3.578×10-2x3+9.198×10-2x2+0.6101x-3.072×10-2，其中：0≤x≤8；
所述左切齿包括一条或多条相同的仿生轮廓曲线，每条仿生轮廓曲线包括5段拟合的凸曲线，其中以y为纵坐标，x为横坐标的拟合方程表示为：
第一曲线满足：y＝0.2617x3-1.564x2+2.41x+4.764×10-3，其中：0≤x≤3；
第二曲线满足：y＝1.657×10-2x5-0.2283x4+1.177x3-2.83x2+2.944x+0.2293，其中：0≤x≤5；
第三曲线满足：y＝1.568×10-2x5-0.1955x4+0.8693x3-1.73x2+1.533x+0.4956，其中：0≤x≤5；
第四曲线满足：y＝-8.063×10-2x4+0.6782x3-1.903x2+1.911x+0.3612，其中：0≤x≤4；
第五曲线满足：y＝-7.002×10-4x5+1.883×10-2x4-0.168x3+0.5143x2-0.1218x+0.3272，其中：0≤x≤11。
本发明还提供一种切割装置，包括所述的仿生切碎刀。
本发明还提供一种农用机具，包括所述的切割装置。
本发明还提供一种联合收获机秸秆切碎装置，包括所述的仿生切碎刀，所述仿生切碎刀包括仿生切碎动刀和仿生切碎定刀；所述仿生切碎动刀分别与动刀辊轴上沿周向均匀分布的动刀轮毂连接，所述仿生切碎定刀与定刀底板连接，仿生切碎动刀在旋转中经过相邻的仿生切碎定刀之间。
上述方案中，所述仿生切碎动刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫右切齿轮廓曲线或左切齿轮廓曲线，所述仿生切碎定刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫左切齿轮廓曲线或右切齿轮廓曲线。
进一步的，所述仿生切碎定刀和仿生切碎动刀对刀时，仿生切碎定刀最外端刃口每条仿生轮廓曲线从第五曲线开始沿着刃口边缘向第一曲线延伸，而仿生切碎动刀最外端刃口每条仿生轮廓曲线从第一曲线开始沿着刃口边缘向第五曲线延伸。
进一步的，所述仿生切碎定刀和仿生切碎动刀的仿生轮廓曲线在水平长度上相同。
进一步的，所述右切齿轮廓曲线的第一曲线波峰位于左切齿轮廓曲线的第一曲线和第二曲线之间的波谷处，右切齿轮廓曲线的第二曲线波峰位于左切齿轮廓曲线的第二曲线和第三曲线的波谷处，右切齿轮廓曲线波峰的第三曲线位于左切齿轮廓曲线第三曲线和第四曲线的波谷处，右切齿轮廓曲线波峰的第四曲线位于左切齿轮廓曲线第四曲线和第五曲线的波谷处，一方面增加刀片与茎秆的接触面，提高切割效率，另一方面防止右切齿轮廓曲线的波峰与左切齿轮廓曲线的波峰直接接触，减少仿生切碎动刀和仿生切碎定刀之间的磨损。
本发明还提供一种联合收获机，包括所述的联合收获机秸秆切碎装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述秸秆切碎装置与传统秸秆切碎装置相比，仿生切碎动刀和仿生切碎定刀相互对向切割茎秆模仿蝗虫进食时左齿和右齿相互咬合的方式，该种动定刀组合方式能够提高秸秆的切碎质量。得益于蝗虫牙齿优良的切割茎叶特性能有效的切割秸秆，参考蝗虫左右齿的不同齿形结构设计相应的动定刀刃口曲线能有效减小秸秆切割阻力、降低秸秆切碎装置功耗。此外，蝗虫的特殊齿形结构所具有的自锐效果，能够延长仿生切碎刀的使用寿命，有一定程度上的耐磨效果。
附图说明
图1为本发明的秸秆切碎装置整体结构的轴侧图。
图2为本发明的切碎部件后侧的轴侧图。
图3为本发明的仿蝗虫右齿轮廓曲线以及仿生切碎动刀的主视图。
图4为图3中A处的放大图。
图5为本发明的仿蝗虫左齿轮廓曲线以及仿生切碎定刀的主视图。
图6为图5中B处的放大图。
图7为本发明仿生切碎定刀和仿生切碎动刀对刀时的组合切割示意图。
图8为图7中C处的放大图。
图中：1-仿生切碎定刀；2-切碎前支撑板；3-定刀底板；4-仿生切碎动刀；5-动刀轮毂；6-动刀辊轴；7-秸秆切碎装置外侧盖板；8-刀轴平衡块；9-切碎后挡板；10-把手；11-切碎后导草板；12-切碎后支撑板；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种仿生切碎刀，所述仿生切碎刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫上颚左切齿和/或右切齿轮廓曲线；
所述右切齿包括一条或多条相同的仿生轮廓曲线，每条仿生轮廓曲线包括5段拟合的凸曲线，其中以y为纵坐标，x为横坐标的拟合方程表示为：
第一曲线满足：y＝2.325×10-3x4-0.104x3+0.5733x2-0.1767x-5.129×10-3，其中：0≤x≤6；
第二曲线满足：y＝1.775×10-2x3-0.3623x2+0.9243x+0.1306，其中：0≤x≤3；
第三曲线满足：y＝9.218×10-3x4-0.1226×10-2x3+0.1878x2+1.399x+0.1168，其中：0≤x≤6；
第四曲线满足：y＝-0.0115x5+0.1985x4-1.143x3+2.34x2-0.8964x+0.7477，其中：0≤x≤5；
第五曲线满足：y＝2.01×10-3x4-3.578×10-2x3+9.198×10-2x2+0.6101x-3.072×10-2，其中：0≤x≤8；
所述左切齿包括一条或多条相同的仿生轮廓曲线，每条仿生轮廓曲线包括5段拟合的凸曲线，其中以y为纵坐标，x为横坐标的拟合方程表示为：
第一曲线满足：y＝0.2617x3-1.564x2+2.41x+4.764×10-3，其中：0≤x≤3；
第二曲线满足：y＝1.657×10-2x5-0.2283x4+1.177x3-2.83x2+2.944x+0.2293，其中：0≤x≤5；
第三曲线满足：y＝1.568×10-2x5-0.1955x4+0.8693x3-1.73x2+1.533x+0.4956，其中：0≤x≤5；
第四曲线满足：y＝-8.063×10-2x4+0.6782x3-1.903x2+1.911x+0.3612，其中：0≤x≤4；
第五曲线满足：y＝-7.002×10-4x5+1.883×10-2x4-0.168x3+0.5143x2-0.1218x+0.3272，其中：0≤x≤11。
实施例2
一种切割装置，包括实施例1所述的仿生切碎刀，因此
具有实施例1的有益效果，此处不再赘述。
实施例3
一种农用机具，包括实施例2所述的切割装置，因此具有实施例2的有益效果，此处不再赘述。
实施例4
如图1所示，一种联合收获机秸秆切碎装置，包括实施例1所述的仿生切碎刀，所述仿生切碎刀包括仿生切碎动刀和仿生切碎定刀；所述仿生切碎动刀分别与动刀辊轴上沿周向均匀分布的动刀轮毂连接，所述仿生切碎定刀与定刀底板连接，仿生切碎动刀在旋转中经过相邻的仿生切碎定刀之间。
根据本实施例，优选的，所述动刀辊轴6上沿周向均匀分布了四组动刀，每隔90°螺旋安装有动刀轮毂5，动刀轮毂5上用螺栓连接仿生切碎动刀4，该实施例中每组安装了七把仿生切碎动刀4，总共二十八把。与之相对应的设置了一组(二十八把)仿生切碎定刀1，配合仿生切碎动刀4切割秸秆，所述的仿生切碎定刀1螺栓连接在定刀底板3上，并与切碎前支撑板2同平面连接，该平面和水平面成一定夹角，更具体的，为20°～30°。动刀辊轴6一端安装有刀轴平衡块8，降低动刀切碎部件在高速旋转下的振动幅度。秸秆切碎装置外侧盖板7连接在动刀辊轴6两端，动刀辊轴6一端通过皮带轮与联合收获机前一级传动装置的连接。
如图2所示，切碎后的秸秆一部分通过切碎后支撑板12排出，还有部分碎秸秆被高速旋转的动刀甩到切碎后导草板9上，再通过碎草挡板11排出，优选的，该种仿生刀适合于切割水稻、小麦等轻质较软的作物茎叶以及油菜、大豆等质地较硬的作物茎秆。
所述仿生切碎动刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫右切齿轮廓曲线或左切齿轮廓曲线，所述仿生切碎定刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫左切齿轮廓曲线或右切齿轮廓曲线。根据本实施例优选的，所述仿生切碎动刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫右切齿轮廓曲线，所述仿生切碎定刀的刀刃特征曲线为仿蝗虫左切齿轮廓曲线。
根据本实施例优选的，如图3和4所示的仿生切碎动刀4的刀刃有仿蝗虫右切齿轮廓，如图和5和6所示，仿生切碎定刀1的刀刃有仿蝗虫左切齿轮廓；根据刀具的刃口长度设计了三组仿生轮廓，刀刃口角度约25°，刃口淬火处理，刀片材料优选65锰钢，其耐磨耐冲击特性更适合于秸秆切碎装置内的的复杂工况条件。
根据本实施例优选的，所述仿生切碎定刀和仿生切碎动刀对刀时，仿生切碎定刀最外端刃口每条仿生轮廓曲线从第五曲线开始沿着刃口边缘向第一曲线延伸，而仿生切碎动刀最外端刃口每条仿生轮廓曲线从第一曲线开始沿着刃口边缘向第五曲线延伸。
根据本实施例优选的，所述仿生切碎定刀和仿生切碎动刀的仿生轮廓曲线在水平长度上相同。
根据本实施例优选的，所述右切齿轮廓曲线的第一曲线波峰位于左切齿轮廓曲线的第一曲线和第二曲线之间的波谷处，右切齿轮廓曲线的第二曲线波峰位于左切齿轮廓曲线的第二曲线和第三曲线的波谷处，右切齿轮廓曲线波峰的第三曲线位于左切齿轮廓曲线第三曲线和第四曲线的波谷处，右切齿轮廓曲线波峰的第四曲线位于左切齿轮廓曲线第四曲线和第五曲线的波谷处，一方面增加刀片与茎秆的接触面，提高切割效率，另一方面防止右切齿轮廓曲线的波峰与左切齿轮廓曲线的波峰直接接触，减少仿生切碎动刀和仿生切碎定刀之间的磨损。
仿生切碎动刀4和仿生切碎定刀1上的每段切齿长度基本相同。由于生物进食时左右齿为同侧对向运动，切割秸秆时动定刀不同侧相对安装，因此仿生轮廓曲线也是对向设计。
如图7和8所示的仿生切碎动刀4和仿生切碎定刀1在对刀时，两刀的每段的刃口长度相同或相近，两种刃口的凸曲线交错切割于对刀的两凸曲线的交汇凹口处以保证优良的减阻效果和切割质量。
当杂余进入秸秆切碎装置之后，当一组仿生切碎动刀4高速旋转接触到杂余时完成一次无定刀支撑的切割运动，仿生切碎动刀4和大部分杂余一起同时通过固定在机架上的仿生切碎定刀组后，完成一次有定刀支撑的切割运动。除了动定刀不相同齿形的配合切割方式，也可以设计同仿生右齿的动定刀切割方式或同仿生左齿的动定刀切割方式，或者运用在其他农用切碎刀具的刃口上。
所述联合收获机秸秆切碎装置工作原理和过程如下：
所述仿生切碎动刀4通过紧固件联接在动刀轮毂5上，动刀轮毂5均布在动刀辊轴6上且垂直于其刀辊轴线，仿生切碎定刀1通过紧固件联接在定刀底板3上。仿生切碎动刀4沿着动刀辊轴6周向排布，与仿生切碎定刀1的对向安装，两刀位置有一定距离，仿生切碎定刀1垂直于定刀底板3与水平面成一定倾角，保证所述的动刀和定刀的相互重叠切割秸秆，并增加刀片切割秸秆的接触范围。切碎前支撑板2与定刀底板3相连放置于装置的切碎部件前端，辅助掉落在支撑板和定刀底座的秸秆进入刀片的切割范围。切碎后支撑板12安装在切碎组件后侧与秸秆切碎装置外侧盖板7连接，机架保护内部刀片与外界环境相隔，提高秸秆的切割效果和延长刀片的使用寿命。通过高速旋转的仿生切碎动刀4和仿生切碎定刀1的支撑作用切碎水稻、小麦、油菜等作物茎秆，仿生切碎动刀4及仿生切碎定刀1刃口交错组合的切割方式可以有效减少切割秸秆的阻力，降低装置的功率消耗。
工作时，动刀辊轴6受电机驱动后高速旋转，刀辊上的刀架连接的仿生切碎动刀4不断经过仿生切碎定刀1之间。当秸秆进入秸秆切碎装置以后，高速旋转的仿生切碎动刀4将秸秆击打破碎，当秸秆再次接触到仿生切碎定刀1后，仿生切碎动刀4、仿生切碎定刀1同时相互作切割运动将秸秆再次切断，切碎后的秸秆从切碎后支撑板抛撒到田间。
仿生切碎定刀1和仿生切碎动刀4的切割方式类似蝗虫进食时左右切齿相互切割方式，这种右切齿部分的凸曲线和左切齿两凸曲线交接处的凹口交汇的切割方式能增加刀刃与受切割的植物茎叶的接触面积，类似于双剪切的切割方式能够降低切割阻力，多组的切割方式可以有效的提高切割效率。
利用力学物性测试仪进行油菜茎秆的切割试验，对比本发明的仿蝗虫右切齿轮廓曲线刃口和仿蝗虫左切齿轮廓曲线刃口制造的刀片同通用的平刃刀片和锯齿刀片，经过多次多组试验整理后，由表格1看出，油菜茎秆切割试验中仿蝗虫右切齿刀比锯齿刀的平均切割力减小16.4％，仿蝗虫左切齿刀比锯齿刀的平均切割力减小16.7％，仿蝗虫右切齿刀比平刀的平均切割力减小10.2％，仿蝗虫左切齿刀比锯齿刀的平均切割力减小10.5％。仿生刀片比普通常见的平刀和锯齿刀的平均切割力小，切割茎秆总体来看会更加省力，此外较大的瞬间切割力能够有效击打茎秆，切碎质量更好，但会加剧刀片的磨损导致刀具寿命的下降。
表1不同刃口类型的刀片切割油菜茎秆时的切割力比较
实施例5
一种联合收获机，包括实施例4所述的联合收获机秸秆切碎装置。因此具有实施例1的有益效果，此处不再赘述。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。