一种玉米秸秆快速切割装置.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710866334.0 (22)申请日 2017.09.22 (71)申请人 吉林大学 地址 130012 吉林省长春市前进大街2699 号 (72)发明人 贾洪雷 郑健 郭明卓 赵佳乐 王万鹏 李森森 黄东岩 刘慧力 丛永健 袁洪方 庄健 齐江涛 吴华 王刚 郭慧 王文君 姜鑫铭 (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. A01D 43/08(2006.01) A01D 43/10(2006.01) (54)

2、发明名称 一种玉米秸秆快速切割装置 (57)摘要 本发明公开了一种玉米秸秆快速切割装置， 以提高玉米秸秆切割效率、 降低玉米秸秆切割过 程中的功率消耗。 切割装置由啃磨机构、 切割机 构组成， 啃磨机构呈左右对称结构； 啃磨机构动 力输入轴内安装有伸缩杆； 锥齿轮大端与啃磨机 构动力输入轴固接， 小端与啃磨机构动力输出轴 固接， 锥齿轮大端和锥齿轮小端啮合传动； 仿生 锯齿割盘与啃磨机构动力输出轴固接； 啃磨机构 动力输入轴与机架固接； 传动机构前端与切割机 构动力输入轴活动连接， 后端与仿生锯齿锯片铰 接， 仿生锯齿锯片前端与机架铰接； 切割机构动 力输入轴与机架固接， 机架顶部与玉米收割机

3、固 接； 啃磨机构置于切割机构之前， 秸秆先经啃磨 机构的啃磨后， 再由切割机构割断。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 107690950 A 2018.02.16 CN 107690950 A 1.一种玉米秸秆快速切割装置， 包括机架(1)， 机架(1)顶端与玉米收割机固连； 其特征 在于， 还包括啃磨机构及切割机构， 啃磨机构设置在切割机构前方， 秸秆先经啃磨机构的啃 磨后， 再由切割机构割断； 啃磨机构为左右对称结果， 其单侧包括啃磨机构动力输入轴(17)、 啃磨机构动力输出 轴(6)、 啃磨机构链轮(12)及仿生锯齿割盘(4)； 啃磨机构动力输入轴(17)中段设有伸缩机 构

4、， 啃磨机构动力输出轴(6)与啃磨机构动力输入轴(17)相互垂直设置且啃磨机构动力输 出轴(6)顶端与啃磨机构动力输入轴(17)内侧通过锥齿轮传动机构传动连接； 仿生锯齿割 盘(4)与啃磨机构动力输出轴(6)底端固接； 啃磨机构链轮(12)安装在啃磨机构动力输入轴 (17)外侧， 啃磨机构动力输入轴(17)与机架(1)通过啃磨机构带座轴承(3)连接； 切割机构包括切割机构动力输入轴(11)、 传动机构(8)、 切割机构大链轮(9)、 切割机构 小链轮(22)、 仿生锯齿锯片a(5)及仿生锯齿锯片b(7)； 传动机构(8)后端与切割机构动力输 入轴(11)活动连接， 传动机构(8)前端分别铰接仿

5、生锯齿锯片a(5)及仿生锯齿锯片b(7)， 且 仿生锯齿锯片a(5)和仿生锯齿锯片b(7)后端分别通过机架连杆(23)与机架(1)铰接； 切割 机构动力输入轴(11)通过切割机构带座轴承(10)与机架(1)固接； 两个切割机构大链轮(9) 对称安装于切割机构动力输入轴(11)两侧， 切割机构大链轮(9)与啃磨机构链轮(12)为链 传动； 切割机构小链轮(22)安装在一侧切割机构大链轮(9)外侧， 切割机构小链轮(22)与玉 米收割机动力输出轴链轮进行链传动。 2.如权利要求1所述的一种玉米秸秆快速切割装置， 其特征在于， 所述传动机构(8)以 沙鼠颞下颌关节为仿生原型， 包括曲柄(20)、 连

6、杆(19)、 套筒(21)、 摇杆(18)， 曲柄(20)后端 与所述切割机构动力输入轴(11)活动连接， 曲柄(20)前端与连杆(19)活动连接， 连杆(19) 前端与摇杆(18)活动连接， 套筒(21)套装在连杆(19)上且与机架连杆(23)固连； 所述仿生 锯齿锯片a(5)前端及仿生锯齿锯片b(7)前端分别与对应的摇杆(18)铰接， 且仿生锯齿锯片 a(5)和仿生锯齿锯片b(7)相互错位设置， 仿生锯齿锯片a(5)和仿生锯齿锯片b(7)后端与机 架连杆(23)铰接。 3.如权利要求1所述的一种玉米秸秆快速切割装置， 其特征在于， 所述仿生锯齿割盘 (4)的锯齿与马臼齿轮廓相似,其中单个外

7、缘轮廓曲线单元的三角函数多项表达式为： 4.如权利要求1所述的一种玉米秸秆快速切割装置， 其特征在于， 所述仿生锯齿锯片a (5)及仿生锯齿锯片b(7)分别以河狸上门齿和下门齿为仿生原型； 仿生锯齿锯片a(5)单个 曲线单元的三角函数多项表达式为： 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 107690950 A 2 仿生锯齿锯片b(7)单个曲线单元的三角函数多项表达式为： 仿生锯齿锯片a(5)和仿生锯齿锯片b(7)在传动机构(8)的驱动下进行往复切割运动， 其顶端运动方程为： x2+y21600 -24x1。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 107690950 A 3 一种玉米秸秆

8、快速切割装置 技术领域 0001 本发明属于农业机械技术领域， 具体涉及一种玉米秸秆快速切割装置。 背景技术 0002 玉米是我国重要的粮食作物之一， 主要在我国北方种植。 玉米是供作饲料为主的 粮、 经、 饲兼用作物， 玉米秸秆也是工、 农业生产的重要生产资源。 因此,研制高效的玉米收 割机具有重大的意义。 玉米切割装置是玉米收割机的核心部分,目前,玉米秸秆的切割部件 多为直刃刀或者带有锯齿的刀片,这些刀片在切割玉米秸秆的过程存在着能量消耗大、 切 割效率低的特点。 因此， 如何发明一种降低玉米秸秆切割能耗,提高玉米秸秆切割工作部件 的工作效率的新型玉米秸秆切割装置是本领域技术人员函待解决的

9、技术问题。 0003 研究发现,某些动物的牙齿对植物茎杆有着高效切割能力,比如河狸； 某些动物的 牙齿对植物茎杆有着高效碾磨能力,比如马。 河狸门齿的外缘轮廓几何结构对切割植物茎 杆具有低能耗、 高效和耐磨的优异性能,马臼齿的轮廓几何结构可高效碾磨植物茎杆。 这些 特性为玉米秸秆切割部件的仿生设计提供了仿生原型。 通过逆向工程技术,获得河狸门齿 马臼齿的轮廓曲线,将其应用到玉米秸秆切割装置中,为提高玉米秸秆切割效率并降低玉 米秸秆切割过程中的功率消耗提供了设计依据。 发明内容 0004 为提高玉米秸秆切割效率并降低玉米秸秆切割过程中的功率消耗， 本发明提供一 种玉米秸秆快速切割装置， 以沙鼠门

10、齿、 牛的臼齿以及沙鼠颞下颌关节为仿生对象， 将其特 殊的几何结构特征以及运动方式应用到玉米秸秆切断工作部件锯齿以及锯齿运动方式的 设计之中。 0005 本发明的目的是通过以下方案实现的， 结合附图： 0006 一种玉米秸秆快速切割装置， 包括机架1， 机架1顶端与玉米收割机固连； 其特征在 于， 还包括啃磨机构及切割机构， 啃磨机构设置在切割机构前方， 秸秆先经啃磨机构的啃磨 后， 再由切割机构割断； 啃磨机构为左右对称结果， 其单侧包括啃磨机构动力输入轴17、 啃 磨机构动力输出轴6、 啃磨机构链轮12及仿生锯齿割盘4； 啃磨机构动力输入轴17中段设有 伸缩机构， 啃磨机构动力输出轴6与啃

11、磨机构动力输入轴17相互垂直设置且啃磨机构动力 输出轴6顶端与啃磨机构动力输入轴17内侧通过锥齿轮传动机构传动连接； 仿生锯齿割盘4 与啃磨机构动力输出轴6底端固接， 一对仿生锯齿割盘4在啃磨秸秆时因受力作相互远离运 动； 啃磨结束时在刚性弹簧的压力作用下回至原位。 啃磨机构链轮12安装在啃磨机构动力 输入轴17外侧， 啃磨机构动力输入轴17与机架1通过啃磨机构带座轴承3连接； 切割机构包 括切割机构动力输入轴11、 传动机构8、 切割机构大链轮9、 切割机构小链轮22、 仿生锯齿锯 片a5及仿生锯齿锯片b7； 传动机构8后端与切割机构动力输入轴11活动连接， 传动机构8前 端分别铰接仿生锯齿

12、锯片a5及仿生锯齿锯片b7， 且仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7后端 分别通过机架连杆23与机架1铰接； 切割机构动力输入轴11通过切割机构带座轴承10与机 说 明 书 1/5 页 4 CN 107690950 A 4 架1固接； 两个切割机构大链轮9对称安装于切割机构动力输入轴11两侧， 切割机构大链轮9 与啃磨机构链轮12为链传动； 切割机构小链轮22安装在一侧切割机构大链轮9外侧， 切割机 构小链轮22与玉米收割机动力输出轴链轮进行链传动。 0007 进一步地， 所述传动机构8以沙鼠颞下颌关节为仿生原型， 包括曲柄20、 连杆19、 套 筒21、 摇杆18， 曲柄20后端与所述切割机构

13、动力输入轴11活动连接， 曲柄20前端与连杆19活 动连接， 连杆19前端与摇杆18活动连接， 套筒21套装在连杆19上且与机架连杆23固连； 所述 仿生锯齿锯片a5前端及仿生锯齿锯片b7前端分别与对应的摇杆18铰接， 且仿生锯齿锯片a5 和仿生锯齿锯片b7相互错位设置， 仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7后端与机架1铰接。 0008 进一步地， 所述仿生锯齿割盘4的锯齿与马臼齿轮廓相似,其中单个外缘轮廓曲线 单元的三角函数多项表达式为： 0009 0010 进一步地， 所述仿生锯齿锯片a(5)及仿生锯齿锯片b(7)分别以河狸上门齿和下门 齿为仿生原型,； 仿生锯齿锯片a(5)单个曲线单元的三

14、角函数多项表达式为： 0011 0012 仿生锯齿锯片b(7)单个曲线单元的三角函数多项表达式为： 0013 0014 仿生锯齿锯片a(5)和仿生锯齿锯片b(7)在传动机构(8)的驱动下进行往复切割运 动， 其顶端运动方程为： 0015 x2+y21600 -24x1。 0016 本发明的优点在于： 本发明提供一种玉米秸秆快速切割装置， 以河狸门齿、 马的臼 齿和沙鼠颞下颌关节为仿生原型， 设计出仿生锯齿割盘、 仿生锯齿锯片以及切割机构， 可提 高玉米秸秆切割效率并降低玉米秸秆切割过程中的功率消耗。 附图说明 0017 图1是玉米秸秆快速切割装置轴侧图 0018 图2是啃磨机构剖视图 0019

15、 图3是玉米秸秆快速切割装置正视图 0020 图4是传动机构轴侧图 说 明 书 2/5 页 5 CN 107690950 A 5 0021 图5是仿生锯齿锯片运动示意图 0022 图6是仿生锯齿割盘锯齿单个曲线单元局部放大的示意图 0023 图7(a)仿生锯齿锯片a锯齿单个曲线单元局部放大的示意图 0024 图7(b)仿生锯齿锯片b锯齿单个曲线单元局部放大的示意图 0025 图8(a)是啃磨秸秆时啃磨机构运动示意图 0026 图8(b)是啃磨结束时啃磨机构运动示意图 0027 图中:1.机架， 2.齿轮箱， 3.啃磨机构带座轴承， 4.仿生锯齿割盘， 5.仿生锯齿锯片 a， 6.啃磨机构动力输

16、出轴， 7.仿生锯齿锯片b， 8.传动机构， 9.切割机构大链轮， 10.切割机 构带座轴承， 11.切割机构动力输入轴， 12.啃磨机构链轮， 13.伸缩杆， 14.刚性弹簧， 15.锥 齿轮小端， 16.锥齿轮大端， 17.啃磨机构动力输入轴， 18.摇杆， 19.连杆， 20.曲柄， 21.套筒， 22.切割机构小链轮， 23.机架连杆。 具体实施方式 0028 下面结合附图对本发明技术方案作详细的描述: 0029 如图1、 图2和图3所示， 一种玉米秸秆快速切割装置， 由机架1、 啃磨机构和切割机 构组成， 啃磨机构置于切割机构之前， 秸秆先经啃磨机构的啃磨后， 再由切割机构割断。 啃

17、 磨机构包括啃磨机构动力输入轴17、 啃磨机构动力输出轴6、 齿轮箱2、 锥齿轮大端16、 锥齿 轮小端15、 刚性弹簧14、 伸缩杆13、 啃磨机构链轮12和仿生锯齿割盘4， 呈左右对称安装。 切 割机构包括切割机构动力输入轴11、 传动机构8、 切割机构大链轮9、 切割机构小链轮22、 仿 生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7。 0030 机架1顶端与玉米收割机固连。 啃磨机构动力输入轴17中间一段为刚性弹簧14， 其 内安装有伸缩杆13。 锥齿轮大端16与啃磨机构动力输入轴17固接， 锥齿轮小端15与啃磨机 构动力输出轴6顶端固接， 锥齿轮大端16和锥齿轮小端15啮合传动。 仿生锯齿割盘4与

18、啃磨 机构动力输出轴6底端固接。 啃磨机构动力输入轴17安装于啃磨机构带座轴承3内， 啃磨机 构带座轴承3与机架1固接。 0031 传动机构8后端与切割机构动力输入轴11活动连接， 传动机构8前端与仿生锯齿锯 片a5和仿生锯齿锯片b7铰接， 仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7后端分别通过机架连杆与 机架1铰接。 切割机构动力输入轴11安装于切割机构带座轴承10内， 切割机构带座轴承10与 机架1固接。 两个切割机构大链轮9对称安装于切割机构动力输入轴11两侧。 啃磨机构链轮 12和切割机构大链轮9之间为链传动， 切割机构与啃磨机构左右两端各有一组链传动。 切割 机构小链轮22与玉米收割机动力输

19、出轴链轮进行链传动。 0032 玉米收割机输出的动力经链传动带动切割机构动力输入轴11转动， 再经切割装置 两侧的两组链传动带动两个啃磨机构动力输入轴17转动。 在两个啃磨机构动力输入轴17的 带动下， 右侧仿生锯齿割盘4作逆时针转动， 左侧仿生锯齿割盘4作顺时针转动。 两个仿生锯 齿割盘4在转动的同时， 随玉米收割机向前运动。 当碰触到玉米秸秆时， 玉米秸秆在仿生锯 齿割盘4的刮擦带动下进入到两个仿生锯齿割盘4之间的间隙中， 受到两个仿生锯齿割盘4 锯齿强烈的挤压和啃磨。 玉米秸秆表皮所受压应力超过了极限而破裂， 部分玉米秸秆表皮 被啃磨断。 0033 如图3、 图4和图5所示， 传动机构8

20、以沙鼠颞下颌关节为仿生原型， 包括曲柄20、 连 说 明 书 3/5 页 6 CN 107690950 A 6 杆19、 套筒21、 摇杆18， 曲柄20后端与切割机构动力输入轴11活动连接， 曲柄20前端与连杆 19活动连接。 连杆19前端与摇杆18活动连接。 套筒21套装在连杆19上且与机架连杆23固连。 仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7分别与摇杆18铰接， 且仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片 b7相互错位设置， 仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7后端与机架连杆1铰接。 0034 仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7错位安装， 垂直方向上的间距为0.5mm。 因切割 机构动力输入轴11匀速转

21、动， 促使传动机构8中的曲柄20推动连杆19于套筒21内作往复伸 缩运动。 摇杆18在连杆19的驱动下在水平面作往复运动， 进而驱动仿生锯齿锯片a5和仿生 锯齿锯片b7在水平面内作往复切割运动。 0035 仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7在传动机构8的驱动下进行往复切割运动， 其 顶端在水平面内的运动方程为： 0036 x2+y21600 -24x1 0037 玉米秸秆经过啃磨机构后， 进入到切割机构。 在仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片 b7的往复切割运动下， 已破裂的玉米秸秆表皮和其内部的芯被割断， 整个切割过程结束。 切 割机构以沙鼠颞下颌关节为仿生原型， 可提高玉米秸秆切割效率， 降低

22、玉米秸秆切割过程 中的功率消耗。 0038 如图6所示， 仿生锯齿割盘4的锯齿以马臼齿为仿生原型， 可有效破碎玉米秸秆表 皮， 便于后续割断过程， 加快玉米秸秆切割效率。 其中单个外缘轮廓曲线单元的三角函数多 项表达式为： 0039 0040 如图7(a)和图7(b)所示， 仿生锯齿锯片a5和仿生锯齿锯片b7的锯齿分别以河狸上 门齿和下门齿为仿生原型,可快速切入秸秆的内部， 减少切割时间。 仿生锯齿锯片a(5)和仿 生锯齿锯片b(7)的锯齿曲线分别与河狸上门齿和下门齿外缘轮廓的曲线相似,其中仿生锯 齿锯片a(5)单个曲线单元的三角函数多项表达式为： 0041 0042 仿生锯齿锯片b(7)单个

23、曲线单元的三角函数多项表达式为： 0043 0044 如图8(a)、 图8(b)所示， 一对仿生锯齿割盘4在啃磨秸秆时因受力作相互远离运 说 明 书 4/5 页 7 CN 107690950 A 7 动； 啃磨结束时在刚性弹簧的压力作用下回至原位。 未啃磨玉米秸秆时， 两个仿生锯齿割盘 4之间距离为5mm。 当两个仿生锯齿割盘4挤压、 啃磨玉米秸秆时， 啃磨机构受到玉米秸秆的 反作用力。 啃磨机构中的刚性弹簧14受力压缩， 两个仿生锯齿割盘4随之向两侧运动； 两个 仿生锯齿割盘4之间最大远离间距为10mm。 啃磨结束时， 两个仿生锯齿割盘4在刚性弹簧14 的推力作用下回至原位。 说 明 书 5/5 页 8 CN 107690950 A 8 图1 图2 说 明 书 附 图 1/4 页 9 CN 107690950 A 9 图3 图4 说 明 书 附 图 2/4 页 10 CN 107690950 A 10 图5 图6 图7(a) 说 明 书 附 图 3/4 页 11 CN 107690950 A 11 图7(b) 图8(a) 图8(b) 说 明 书 附 图 4/4 页 12 CN 107690950 A 12