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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201710004014.4 (22)申请日 2017.01.04 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 106612764 A (43)申请公布日 2017.05.10 (73)专利权人 吉林大学 地址 130012 吉林省长春市前进大街2699 号 (72)发明人 赵佳乐 郑健 贾洪雷 黄东岩 庄健 齐江涛 袁洪方 郭慧 王文君 姜鑫铭 王刚 刘慧力 丛永健 (74)专利代理机构 长春吉大专利代理有限责任 公司 22201 代理人 杜森垚 (51)Int.Cl. A。
2、01C 5/06(2006.01) (56)对比文件 CN 104584732 A,2015.05.06, CN 105874902 A,2016.08.24, CN 103797939 A,2014.05.21, CN 105794335 A,2016.07.27, CN 103999621 A,2014.08.27, 马云海 等.仿生波纹形开沟器减黏降阻性 能测试与分析. 农业工程学报 .2014,第30卷 (第5期),第36-41页. 任露泉.地面机械脱附减阻仿生研究进展. 中国科学(E辑： 技术科学) .2008,第38卷(第9 期),第1353-1364页. 刘国敏.蚯蚓体表减粘降阻。
3、功能耦合仿生研 究. 中国博士学位论文全文数据库-基础科学 .2009, (第08期), 审查员 周淑贤 (54)发明名称 一种动态仿生松土开沟器 (57)摘要 本发明公开了一种电力驱动式动态仿生松 土开沟器， 以减少作业阻力、 松碎压实土壤、 蓄水 保墒， 提高作业质量和提高种子发芽率。 包括减 阻滑切入土开沟刀、 多个动态仿生松土机构和一 对仿形限深压土轮， 多个动态仿生松土机构对称 安装在减阻滑切入土开沟刀两侧， 一对仿形限深 压土轮通过连杆固定在减阻滑切入土开沟刀两 侧； 动态仿生松土机构包括仿蚯蚓柔性凸表面、 动态伸缩机构和凸起高度限位杆， 动态伸缩机构 设置在仿蚯蚓柔性凸表面内侧，。
4、 仿蚯蚓柔性凸表 面可在动态伸缩机构的带动下产生收缩和扩张 的形变， 凸起高度限位杆安装在仿蚯蚓柔性凸表 面内部， 凸起高度限位杆可沿其轴向伸缩， 仿形 限深压土轮通过压力弹簧与伸缩杆将刚性内轮 与柔性外轮连接。 权利要求书2页 说明书5页 附图6页 CN 106612764 B 2018.07.13 CN 106612764 B 1.一种动态仿生松土开沟器， 其特征在于， 包括减阻滑切入土开沟刀(1)、 多个动态仿 生松土机构(2)和一对仿形限深压土轮(3)， 减阻滑切入土开沟刀(1)刀刃的曲线结构为： tan ln R+C， 其中， 0 1； 0c1； 多个动态仿生松土机构(2)对称安装在。
5、减阻滑切入 土开沟刀(1)两侧， 一对仿形限深压土轮(3)通过连杆固定在减阻滑切入土开沟刀(1)两侧； 所述动态仿生松土机构(2)包括仿蚯蚓柔性凸表面(4)、 动态伸缩机构和凸起高度限位杆 (5)， 动态仿生松土机构(2)外表面采用高弹性耐磨橡胶材料， 内部填充高弹性泡沫材料 (18)； 动态伸缩机构设置在仿蚯蚓柔性凸表面(4)内侧， 仿蚯蚓柔性凸表面(4)可在动态伸 缩机构的带动下产生收缩和扩张的形变， 凸起高度限位杆(5)安装在仿蚯蚓柔性凸表面(4) 内部， 凸起高度限位杆(5)可沿其轴向伸缩； 所述动态伸缩机构包括2个伸缩驱动轮(6)、 拉力弹簧(8)、 限位杆(9)、 对称凸轮(10)。
6、、 滑道， 滑道安装在所述减阻滑切入土开沟刀(1)上且位于仿蚯蚓柔性凸表面(4)内侧， 2个伸 缩驱动轮(6)安装在滑道内可沿滑道滚动， 每个伸缩驱动轮(6)的轮轴前端安装有1个顶针 轮(7)， 限位杆(9)安装在2个伸缩驱动轮(6)的轮轴之间， 拉力弹簧(8)缠绕在限位杆(9)上， 拉力弹簧(8)两端与伸缩驱动轮(6)轮轴焊接， 两个顶针轮(7)分别与对称凸轮(10)两侧相 配合， 可在对称凸轮(10)的驱动下做简谐运动， 对称凸轮(10)与安装在所述减阻滑切入土 开沟刀(1)内部设有的电机(11)驱动连接； 所述凸起高度限位杆(5)由实心轴(19)和空心轴(20)组成， 实心轴(19)可沿。
7、空心轴 (20)轴向位移且实心轴(19)端部设有与空心轴(20)配合的限位凸缘， 实心轴(19)前端与减 阻滑切入土开沟刀(1)表面焊接， 空心轴(20)与仿蚯蚓柔性凸表面(4)固连， 实心轴(19)可 相对空心轴(20)沿轴向移动， 凸起高度限位杆(5)在Y轴上最大收缩状态时的凸起曲线方程 为： xy2-10y+31， 其中0y10； 所述仿形限深压土轮(3)包括刚性内轮(12)、 柔性外轮(13)、 伸缩杆(14)、 压土轮轮轴 (15)、 压力弹簧(16)； 刚性内轮(12)与压土轮轮轴(15)轴承连接， 柔性外轮(13)罩在刚性内 轮(12)外部， 刚性内轮(12)与柔性外轮(13)之。
8、间连接有多个伸缩杆(14)， 压力弹簧(16)缠 绕在伸缩杆(14)上， 伸缩杆(14)采取纵向设置和斜向设置交错排列分布的形式， 压力弹簧 (16)两端分别与刚性内轮(12)和柔性外轮(13)固连。 2.如权利要求1所述的一种动态仿生松土开沟器， 其特征在于， 所述对称凸轮(10)轮廓 曲线为： 3.如权利要求1所述的一种动态仿生松土开沟器， 其特征在于， 所述柔性外轮(13)内侧 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 106612764 B 2 曲面MN选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状拟合曲面， 其曲面方程为： x2+y2+z2 (0.1x2-1.2x+0.7)2。 权 利 要 求 。
9、书 2/2 页 3 CN 106612764 B 3 一种动态仿生松土开沟器 技术领域 0001 本发明属于农业机械技术领域， 具体涉及一种电力驱动式的动态仿生松土开沟 器。 背景技术 0002 开沟器是播种施肥机械上的重要组成部分， 主要功能是按照播深要求开出种沟或 肥沟， 其性能优劣直接影响机具的作业质量， 也影响着种子发芽率， 且东北地区低温易旱， 土壤板结严重， 开沟器在作业过程中， 开沟部件所受土壤阻力大， 作业后土壤水分流失较 大。 发明内容 0003 本发明通过对土壤动物的仿生松土作用机理研究， 根据播种要求， 提供一种电力 驱动式动态仿生松土开沟器， 以实现减少作业阻力、 松碎。
10、压实土壤、 蓄水保墒， 提高作业质 量和提高种子发芽率的目的。 0004 本发明的目的是通过以下方案实现的， 结合附图： 0005 一种动态仿生松土开沟器， 包括减阻滑切入土开沟刀1、 多个动态仿生松土机构2 和一对仿形限深压土轮3， 多个动态仿生松土机构2对称安装在减阻滑切入土开沟刀1两侧， 一对仿形限深压土轮3通过连杆固定在减阻滑切入土开沟刀1两侧； 所述动态仿生松土机构 2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、 动态伸缩机构和凸起高度限位杆5， 动态伸缩机构设置在仿蚯蚓 柔性凸表面4内侧， 仿蚯蚓柔性凸表面4可在动态伸缩机构的带动下产生收缩和扩张的形 变， 凸起高度限位杆5 安装在仿蚯蚓柔性凸表面4内。
11、部， 凸起高度限位杆5可沿其轴向伸缩。 0006 进一步地， 所述动态仿生松土机构2外表面采用高弹性耐磨橡胶材料， 内部填充高 弹性泡沫材料18。 0007 进一步地， 所述动态伸缩机构包括2个伸缩驱动轮6、 拉力弹簧8、 限位杆9、 对称凸 轮10、 滑道， 滑道安装在所述减阻滑切入土开沟刀1上且位于仿蚯蚓柔性凸表面4内侧， 2个 伸缩驱动轮6安装在滑道内可沿滑道滚动， 每个伸缩驱动轮6的轮轴前端安装有1个顶针轮 7， 限位杆9安装在2个伸缩驱动轮6的轮轴之间， 拉力弹簧8缠绕在限位杆9上， 拉力弹簧8两 端与伸缩驱动轮6轮轴焊接， 两个顶针轮7分别与对称凸轮10两侧相配合， 可在对称凸轮1。
12、0 的驱动下做简谐运动， 对称凸轮10与安装在所述减阻滑切入土开沟刀1内部设有的电机11 驱动连接。 0008 进一步地， 所述对称凸轮10轮廓曲线为： 0009 说 明 书 1/5 页 4 CN 106612764 B 4 0010 0011 进一步地， 所述凸起高度限位杆5由实心轴19和空心轴20组成， 实心轴19可沿空心 轴20轴向位移且实心轴19端部设有与空心轴20配合的限位凸缘， 实心轴19前端与减阻滑切 入土开沟刀1表面焊接， 空心轴20与仿蚯蚓柔性凸表面4固连。 实心轴19可相对空心轴20沿 轴向移动， 凸起高度限位杆5在Y轴上最大收缩状态时的凸起曲线方程为： xy2-10y+3。
13、1， 其 中0y10。 0012 进一步地， 所述减阻滑切入土开沟刀1刀刃的曲线结构为： tan ln R+C， 其中， 0.5 1； 0c1。 0013 进一步地， 所述仿形限深压土轮3包括刚性内轮12、 柔性外轮13、 伸缩杆14、 压土轮 轮轴15、 压力弹簧16； 刚性内轮12与压土轮轮轴15轴承连接， 柔性外轮13罩在刚性内轮12外 部， 刚性内轮12与柔性外轮13之间连接有多个伸缩杆14， 压力弹簧16缠绕在伸缩杆14上， 压 力弹簧16两端分别与刚性内轮12和柔性外轮13固连。 0014 进一步地， 所述多个伸缩杆14采取纵向设置和斜向设置交错排列分布的形式。 0015 进一步地。
14、， 所述柔性外轮13内侧曲面MN选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状拟 合曲面， 其曲面方程为： x2+y2+z2(0.1x2-1.2x+0.7)2。 0016 本发明与现有技术相比有益的效果是: 0017 1、 松碎土壤、 蓄水保墒效果好。 动态仿生松土机构2可模拟出仿蚯蚓体表结构和运 动形态， 通过仿蚯蚓柔性凸表面4的伸缩往复弹动， 有效实现土壤松碎压实； 且可在一定程 度上对开出的沟槽起到镇压效果， 有利于蓄水保墒。 0018 2、 减小工作阻力。 采用了减阻滑切入土开沟刀1， 可有效减小工作时土壤阻力， 减 少功率消耗， 提高工作效率。 0019 3、 仿形限深压土轮内侧曲面mn选取开沟。
15、作业后种沟边缘土壤几何形状拟合曲面， 使其与土壤具有更大的接触面积。 仿形限深压土轮3通过压力弹簧6与伸缩杆14将刚性内轮 12与柔性外轮13连接， 同时设有纵向和斜向压力弹簧6， 并采取交错排列分布的形式， 使柔 性外轮13受力更加均匀， 具有更好的仿形挤土效果。 附图说明 0020 图1是动态仿生松土开沟器轴测图 0021 图2是动态仿生松土机构示意图 0022 图3是动态仿生松土机构的动态伸缩机构示意图 0023 图4是减阻滑切入土开沟刀沿X轴方向局部剖视图 0024 图5(a)是动态仿生松土机构运动过程示意图 0025 图5(b)是动态仿生松土机构运动过程示意图 0026 图6(a)是。
16、仿蚯蚓柔性凸表面收缩状态示意图 0027 图6(b)是仿蚯蚓柔性凸表面扩张状态示意图 说 明 书 2/5 页 5 CN 106612764 B 5 0028 图6(c)是动态仿生松土机构仿蚯蚓柔性凸表面内部填充物示意图 0029 图7(a)是限位杆正视图 0030 图7(b)是图7(a)A-A处剖视图 0031 图8是减阻滑切入土开沟刀刀刃曲线结构示意图 0032 图9是仿形限深压土轮轴测图 0033 图10是仿形限深压土轮剖视图 0034 图中标记说明:1.减阻滑切入土开沟刀， 2.动态仿生松土机构， 3.仿形限深压土 轮， 4.仿蚯蚓柔性凸表面， 5.凸起高度限位杆， 6.伸缩驱动轮， 7。
17、.顶针轮， 8.拉力弹簧， 9.限 位杆， 10.对称凸轮， 11.电机， 12.刚性内轮， 13.柔性外轮， 14.伸缩杆， 15.轮轴， 16.压力弹 簧， 17.电机支架， 18.高弹性泡沫材料， 19.实心轴， 20.空心轴。 具体实施方式 0035 下面结合附图对本发明技术方案作详细的描述: 0036 如图1所示， 一种动态仿生松土开沟器， 主要由减阻滑切入土开沟刀1、 3对动态仿 生松土机构2和一对仿形限深压土轮3， 3对动态仿生松土机构2对称安装在减阻滑切入土开 沟刀1两侧， 一对仿形限深压土轮3通过连杆固定在减阻滑切入土开沟刀1两侧。 0037 如图2、 图6所示， 每个动态仿。
18、生松土机构2包括仿蚯蚓柔性凸表面4、 2个动态伸缩 机构和2个凸起高度限位杆5。 动态仿生松土机构2的仿蚯蚓柔性凸表面4是基于蚯蚓的结构 形态所设计的， 其外表面采用高弹性耐磨橡胶材料， 内部填充高弹性泡沫材料18。 仿蚯蚓柔 性凸表面4可在动态伸缩机构的带动下产生收缩和扩张的形变。 2个凸起高度限位杆5分别 安装在仿蚯蚓柔性凸表面4内部上下端部， 凸起高度限位杆5可沿其轴向进行一定程度伸 缩， 其伸缩最大位移距离与仿蚯蚓柔性凸表面4在X轴上的最大扩张长度相同。 0038 如图3至图5所示， 动态伸缩机构包括2个伸缩驱动轮6、 2个顶针轮7、 拉力弹簧8、 限 位杆9、 对称凸轮10、 滑道，。
19、 滑道安装在减阻滑切入土开沟刀1上且位于仿蚯蚓柔性凸表面4 内侧， 2个伸缩驱动轮6安装在滑道内可沿滑道滚动， 每个伸缩驱动轮6的轮轴前端安装1个 顶针轮7， 可伸缩的限位杆9安装在2个伸缩驱动轮6的轮轴之间， 拉力弹簧8缠绕在限位杆9 上， 拉力弹簧8两端与伸缩驱动轮6轮轴焊接， 两个顶针轮7分别与对称凸轮10两侧相配合， 可在对称凸轮10的驱动下做简谐运动。 减阻滑切入土开沟刀1为空心结构， 在减阻滑切入土 开沟刀1内部设有3个电机支架17， 每个电机支架17上安装有2个电机11， 每个电机11两侧各 设有一个驱动轴， 驱动轴与相应侧的对称凸轮10连接， 使对称凸轮10可在电机11的驱动下。
20、 匀速旋转。 0039 当对称凸轮10在电机11的驱动下转动后， 同一滑道内的2个伸缩驱动轮6在顶针轮 7和拉力弹簧8的共同作用下进行同步的简谐运动， 同时仿蚯蚓柔性 凸表面4在伸缩驱动轮 6轴心外侧连杆的驱动下进行Y轴方向上收缩和XOZ平面内扩张Y轴方向上扩张和XOZ平面 内收缩的往复式运动， 对称凸轮10轮廓曲线为： 说 明 书 3/5 页 6 CN 106612764 B 6 0040 0041 从而使仿蚯蚓柔性凸表面4以余弦加速度规律进行扩张和收缩， 减小机构震动与 冲击。 0042 如图7所示， 凸起高度限位杆5由实心轴19和空心轴20组成， 实心轴19可沿空心轴 20轴向位移且实心。
21、轴19端部设有与空心轴20配合的限位凸缘。 实心轴19前端与减阻滑切入 土开沟刀1表面焊接， 空心轴20与仿蚯蚓柔性凸表面4固连。 实心轴19可相对空心轴20沿轴 向移动， 其最大位移距离与凸表面在X轴上的最大扩张长度相同。 依据仿蚯蚓柔性凸表面4 在土壤中行进过程中的形态变化， 设计凸起高度限位杆5Y轴上最大收缩状态时的凸起曲线 方程为： xy2-10y+31， 其中0y10。 仿蚯蚓柔性凸表面4在Y轴上最大扩张长度为8- 12mm， 最小收缩长度为3-6mm， 在X轴上最大凸起高度为5-7mm， 最小凸起高度为2-3mm。 0043 如图8所示， 减阻滑切入土开沟刀1刀刃的曲线结构为： t。
22、an ln R+C， 其中， 0.5 1； 0c1。 其入土及开沟作业时， 开沟刀刀刃上各点与土壤的动态滑切角之和 为最大值， 从而达到更加开沟减阻效果。 0044 如图9、 图10所示， 仿形限深压土轮3包括刚性内轮12、 柔性外轮13、 伸 缩杆14、 压 土轮轮轴15、 压力弹簧16， 刚性内轮12与压土轮轮轴15轴承连接， 柔性外轮13罩在刚性内轮 12外部， 刚性内轮12与柔性外轮13之间连接有多个伸缩杆14， 每个伸缩杆14的空心部与刚 性内轮12焊接， 实心部与柔性外轮13固连， 压力弹簧16缠绕在伸缩杆14上， 压力弹簧16两端 分别与刚性内轮12和柔性外轮13固连。 多个伸缩。
23、杆14采取纵向设置和斜向设置交错排列分 布的形式， 使柔性外轮受13力更加均匀， 具有更好的仿形挤土效果。 0045 仿形限深压土轮3柔性外轮13内侧曲面MN选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状 拟合曲面， 其曲面方程为： x2+y2+z2(0.1x2-1.2x+0.7)2， 使其与土壤具有更大的接触面积。 0046 以下介绍本发明的工作原理： 0047 开沟器入土作业后， 随拖拉机以速度V前进， 电机11驱动对称凸轮10开始顺时针转 动， 当对称凸轮10转动角度在090 和180 270 范围时， 顶针轮7在拉力弹簧8的作用下 按照对称凸轮10的轮廓曲线进入回程， 仿蚯蚓柔性凸表面4两侧的伸缩。
24、驱动轮6做相互接近 的余弦加速度运动， 伸缩驱动轮6通过连杆促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y轴方向上收缩和在 XOZ平面内扩张； 当对称凸轮10转动角度在90180 和270360 范围时， 顶针轮7在对称凸 轮10的作用下进入推程， 仿蚯蚓柔性凸表面4两侧的伸缩驱动轮6做相互远离的余弦加速度 运动， 伸缩驱动轮6通过连杆促使仿蚯蚓柔性凸表面4在Y轴方向上扩张和在XOZ平面内收 缩； 随着对称凸轮10的不断转动， 仿蚯蚓柔性凸表面4模拟出蚯蚓前进运动中纵肌收缩环肌 说 明 书 4/5 页 7 CN 106612764 B 7 扩张与纵肌扩张环肌收缩相互交替的往复运动过程， 从而起到挤压松碎土壤， 增。
25、大土壤孔 隙度和蓄水保墒的作用。 0048 凸起高度限位杆5的实心轴19可在空心轴20内沿轴向移动， 其最大位移距离与凸 表面在X轴上的最大扩张长度相同。 仿蚯蚓柔性凸表面4可随着同一 滑道内的两个伸缩驱 动轮6之间距离的变化， 改变自身结构参数， 当两个伸缩驱动轮6之间距离最大时， 蚯蚓柔性 凸表面在Y轴上扩张长度达到最大8-12mm， 在X轴上的凸起达到最小值2-3mm， 当两个伸缩驱 动轮6之间距离最小时， 蚯蚓柔性凸表面在Y轴上扩张长度达到最小3-6mm， 在X轴上的凸起 达到最大值5-7mm。 0049 开沟作业后， 土壤表面及种沟内土壤高低不平严重影响播种质量， 仿形限深压土 轮内。
26、侧曲面mn选取开沟作业后种沟边缘土壤几何形状拟合曲面， 使其可与土壤产生更大的 接触面积， 和土壤的贴合性更加。 说 明 书 5/5 页 8 CN 106612764 B 8 图1 图2 说 明 书 附 图 1/6 页 9 CN 106612764 B 9 图3 图4 图5(a) 说 明 书 附 图 2/6 页 10 CN 106612764 B 10 图5(b) 图6(a) 图6(b) 说 明 书 附 图 3/6 页 11 CN 106612764 B 11 图6(c) 图7(a) 说 明 书 附 图 4/6 页 12 CN 106612764 B 12 图7(b) 图8 说 明 书 附 图 5/6 页 13 CN 106612764 B 13 图9 图10 说 明 书 附 图 6/6 页 14 CN 106612764 B 14 。