发明内容

本发明的目的在于提供一种基于组合仿生抗粘附旋耕犁刀，其特征在于旋耕犁刀的主刀刃与侧刀刃均设计有组合仿生结构，即借鉴土壤挖掘动物蜣螂优异的体表凸包结构，凸包结构为利用圆弧凸包增大刀刃与土壤的接触面积，并改变土壤与刀具的摩擦角，从而实现减粘降阻的效果，所述的凸包结构在刀刃上按照具有良好均匀特性的叶序排布形式排列，从而使刀刃表面受力均匀，减少振动。

本发明的技术方案如下：

本发明结合仿生学的思想，设计一种基于组合仿生抗冲蚀旋耕犁刀，本旋耕犁刀包括刀柄(1)、刀身(2)、主刀刃(3)和侧刀刃(4)，旋耕犁刀刃(3)和(4)布置有仿生凸包结构(5)，仿生结构借鉴了蜣螂体表凸包结构,所述的凸包结构改变土壤对其体表作用力的分布状态，在所述刀具刀刃表面按照具有植物叶序的二维形式排布。

本发明的设计思想来自于一种土壤挖掘动物—蜣螂，蜣螂经过长时间的进化，其体表进化出了一种优异的抗土壤粘附的结构，提取其表面结构的特征要素，即凸包结构，对于土壤对刀具的粘附力T，即土壤与刀具的粘合处在粘合面垂直方向上的抗拉强度：

式中

P为土壤作用于刀具粘合面垂直方向上的拉力，

S为土壤与仿生刀具的接触面积，

S₀为土壤与原始刀具的接触面积，

n为凸包个数。

在土壤作用于刀具结合面垂直方向上的拉力P不变的情况下，凸包结构增大刀具与土壤的接触面积，仿生刀具的接触表面积大于原始刀具，仿生刀具上的粘附力要小于原始刀具，从而达到了减粘的效果。

刀具耕犁时的阻力F可由下列库伦公式得出：

F＝P_CA+F_Ntanβ [2]

式中

P_C为土壤与刀具间的粘附力，

A为土壤与刀具的实际接触面积，

F_N为刀具分界面上的法向力，

β为土壤与刀具的摩擦角。

刀具耕犁土壤时土壤填充进凸包结构间隙中，使其粘附力P_C和土壤与刀具的实际接触面积A均减小，圆弧凸包结构也会改变土壤与刀具之间的摩擦角β，刀具的阻力F也随之减小，从而达到减阻的效果。

以减少刀具工作时土壤的粘附力为主要指标，确定了抗粘附刀刃表面的微尺寸设计方案，凸包之间的排布方式，源于具有良好均匀特性的植物叶序螺旋排布，使得刀具表面受力更加均匀，叶序排布的三维数学模型为：

式中

r，z为叶序点在三维数学模型中的坐标，

R₀为叶序所在植物茎上的半径，

n为植物叶序点的序数，

α为相邻两叶序点之间的螺旋角，

式[3]中的α＝2πτ²是一个黄金角，根据黄金角度排布得到的叶序体系具有良好的均匀性，从而使刀具在耕犁时受力均匀，其中由斐波那契数列{1，1，2，3，5，8，13，21，…，F_k，F_k+1，…}相邻两数之比可得：

同时，仿生凸包结构改变了耕犁时刀刃表面的受力情况，凸包隔离了刀刃表面的应力集中点，并将大部分应力集中在凸包顶端，从而减小刀刃上的粘附力，延长了清理刀具的时间间隔，提高效率。

按照本发明提供的技术方案，所述的仿生凸包结构为圆弧凸包，所述叶序排布的发散角α＝2πτ²≈137·508°，其中

本发明很大程度上减少了土壤粘附在旋耕犁刀面的现象，减小耕犁阻力，降低了清理刀具的次数，同时降低刀具的振动现象，提高效率，加快耕犁进度。