CN101839906B - 一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于土壤水分和紧实度测量的车载传感器的工作部件几何结构，特别是涉及一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件。该部件由基体和基体表面分布的仿生几何结构单元组成，其特征在于，所述的仿生几何结构单元包括凸包型、凹坑型、环形凸肋条型、环形凹肋条型、螺旋凸包型、螺旋凹坑型、螺旋凸肋条型和螺旋凹肋条。其目的是解决在测量土壤水分和紧实度时传感器锥头磨损的问题。所述的仿生几何结构单元与基体为一体结构。部件材料采用1Cr18Ni9Ti，Gr15或Si60Mn2。

Description

一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件

技术领域

本发明涉及农业机械加工或测量土壤参数的锥形部件，特别是一种传感器锥头的设计，它是一种具有耐磨几何结构表面，主要应用土壤加工和土壤测量机械设计技术领域。

背景技术

土壤水分与紧实度测量要传感器在土壤中长时间作业，磨损严重，属于磨料磨损的类型。这种磨损是部件失效的主要原因。导致测量精度降低，测量数据不准确。目前，为了减小这种磨损。人们主要集中在改善工况条件，提高材料的耐磨性能，开发更高的耐磨材料以及土壤对耐磨性的影响，磨料磨损机理的探索等方面。这些研究不能从根本上改变锥头的材质的自身的磨损，只能短时间内延长其使用的寿命，同时也增加了锥头的制造成本和使用成本。所以对传感器的耐磨性特别是锥头能要求比较高。

发明内容

基于多种生物表面的耐磨功能不仅与生物材料有关，而且与生物表面几何结构或生物材料在磨料磨损过程中形成的几何结构表面有关的思想，本发明的目的在于从改变磨损部件表面几何结构入手，解决土壤和锥头接触面得耐磨性问题，提供一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件，适应不同的工作土壤。本发明还可以用于具有仿生几何结构的传感器上，在保证测量精度和准确性的同时，要大大减少在工作过程中的磨损，延长使用寿命。

本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

实现上述目的的技术方案结合附图说明如下：

以蜣螂等土壤动物体表形状和排布作为仿效对象，来进行仿生几何结构传感器锥头的设计。传感器主要部件参阅图3所示，除了绝缘环采用PVC外，其他部分均采用不锈钢。固定环上的4个凿孔和锥头上的过孔分别用于紧固电极环和方便更换锥头，高频线缆穿过空心锥杆与电极环“压接”，后固帽固定传感器中线缆避免拉拽短开。除了电极环具有导电要求外，其他部件特别是锥头和绝缘环可以采用其他耐磨材料。

一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件，该部件由基体和基体表面分布的仿生几何结构单元组成，所述的仿生几何结构单元包括凸包型、凹坑型、环形凸肋条型、环形凹肋条型、螺旋凸包型、螺旋凹坑型、螺旋凸肋条型和螺旋凹肋条型。

凸包型和凹坑型按照以下函数分布：

$\left\{\begin{array}{c}h=a+b(n-1)\\ (\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=(h\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),\frac{2\mathrm{\πi}}{\mathrm{n\β}})\end{array}\right.,(i=\mathrm{1,2,3}....)(n=\mathrm{1,2,3}\·\·\·)$

其中：h-几何结构所在位置距离锥顶的距离，

a：1mm-20mm，无几何结构特征表面部分轴线的长度，

b：1mm-10mm，几何结构单元之间沿轴线方向的纵行距离，

ρ：5mm-20mmρ，几何结构单元所在锥的圆周的半径，

θ：5°-20°，在横向两个几何结构之间的横向夹角，

α：20°-30°，锥角，

n：5mm-15mmn，凸包或凹坑的排数，

r：1mm-5mm；为圆弧半径，

环形肋条型的几何耐磨结构表面由基体和其表面上的仿生几何结构单元组成，

按照函数分布：

$\left\{\begin{array}{c}h=a+b(n-1)\\ \mathrm{\ρ}=h\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),\end{array}\right.,(n=\mathrm{1,2,3}\·\·\·)$

其中：h-几何结构特征所在位置距锥顶的距离，

a：5mm-20mm，无结构特征表面部分轴线的长度，

b：2mm-10mm，几何结构单元之间沿轴线方向的纵行距离，

ρ：5mm-20mm，几何结构特征所在锥的圆周的半径，

θ：5°-20°，每个非光滑结构之间的横向夹角，

α：20°-30°，锥角，

n：5-15，凹槽的个数；环形肋条

r：0.5mm-3mm，肋条结构的圆弧半径；

本函数确定圆的位置，然后做旋转，得到仿生几何结构。

螺旋型的几何耐磨结构表面由基体和其表面上的仿生几何结构单元组成，按照螺旋曲线函数分布：

$\left\{\begin{array}{c}x=\tan \∂/2z\cos \mathrm{\θ}\\ y=\tan \∂/2z\sin \mathrm{\θ}\\ z=\mathrm{\θ}/2\mathrm{\π}(h+a)\end{array}\right.$

上述函数确定的螺旋曲线包括：螺旋凸包型、螺旋凹坑型、螺旋凸肋条型和螺旋凹肋条型不同几何结构按照一定的方式分布，螺旋凸包型、螺旋凹坑型是按照一定的间距分布凸包和凹坑；螺旋凸肋条型和螺旋凹肋条型是把螺旋线变成凸肋条和凹肋条。

所述的仿生几何结构单元与基体为一体结构。

所述的部件材料采用1Cr18Ni9Ti，Gr15或Si60Mn2。

工作条件

土层位置：耕作层25±5cm，深度可调；

行进速度：＜5km/h，一般在3km/h；

土壤类型：农作土壤如壤土等；土层位置：耕作层25±5cm，深度可调；

行进速度：＜5km/h，一般在3km/h；

土壤类型：农作土壤如壤土等；

水分含量：非饱和，一般为容积含水率30％以下；

温度范围：室外地温，夏季在20℃附近。

水分含量：非饱和，一般为容积含水率30％以下；

温度范围：室外地温，夏季在20℃附近。

本发明的技术效果是：利用耐磨结构改变土壤在接触表面的流动场，是近锥头在工作工程中减少阻力，减少摩擦磨损。从而起到提高锥头的耐磨性，延长使用寿命的效果。这些结构的耐磨损性与光滑的耐磨性相比，能提高15％-50％。

附图说明

图1(a)：凸包型(一)剖视图；

图1(b)：图1(a)凸包型(一)(未剖)的仰视图；

图1(c)：凹坑型(一)剖视图；

图1(d)：图1(c)凹坑型(一)(未剖)的仰视图。

图2：一种普通结构锥头三维视图。

图3：一种传感器实物示意图。

图4(a)：一种包型结构锥头三维图(凸包圆弧半径r=1.5mm)；

图4(b)：图4(a)的剖视图；

图4(c)：一种包型结构锥头三维图(凸包圆弧半径r＝2mm)；

图4(d)：图4(c)的剖视图；

图4(e)：一种包型结构锥头三维图(凸包圆弧半径r＝3mm)；

图4(f)：图4(e)的剖视图。

图5(a)：一种坑型结构锥头三维视图(凹坑圆弧半径r=1.5mm)；

图5(b)：图5(a)的剖视图；

图5(c)：一种坑型结构锥头三维视图(凹坑圆弧半径r=2mm)；

图5(d)：图5(c)的剖视图；

图5(e)：一种坑型结构锥头三维视图(凹坑圆弧半径r=3mm)；

图5(f)：图5(e)的剖视图。

图6(a)：一种环形凹肋条型结构锥头三维视图(凹肋条结构圆弧半径r=1.5mm)；

图6(b)：图6(a)的剖视图；

图6(c)：一种环形凹肋条型结构锥头三维视图(凹肋条结构圆弧半径r=2mm)；

图6(d)：图6(c)的剖视图；

图6(e)：一种环形凹肋条型结构锥头三维视图(凹肋条结构圆弧半径r=3mm)；

图6(f)：图6(e)的剖视图；

图7(a)：一种环形凸肋条结构锥头三维图；

图7(b)：是图7(a)沿中心轴线的剖视图。

图8(a)：一种螺旋凸包结构锥头三维视图；

图8(b)：是图8(a)沿中心轴线的剖视图(凹坑圆弧半径r=0.5mm)。

图9(a)：一种螺旋凸包结构锥头三维视图；

图9(b)：是图9(a)沿中心轴线的剖视图(凹坑圆弧半径r=1mm)。

图10(a)：一种螺旋凹坑结构锥头三维视图；

图10(b)：是图10(a)沿中心轴线的和剖视图(凹坑圆弧半径r=0.5mm)。

图11(a)：一种螺旋凹坑结构锥头三维视图；

图11(b)：是图11(a)沿中心轴线的剖视图(凹坑圆弧半径r=1mm)。

图12(a)：一种螺旋凸肋条结构锥头三维视图；

图12(b)和剖视图(凹坑圆弧半径r=0.5mm)

图13(a)：一种螺旋凸肋条结构锥头三维视图；

图13(b)：是图13(a)沿中心轴线的剖视图(凹坑圆弧半径r=1mm)。

图14(a)：一种螺旋凹肋条结构锥头三维视图；

图14(b)：是图14(a)沿中心轴线的剖视图(凹坑圆弧半径r=0.5mm)。

图15(a)：一种螺旋凹肋条结构锥头三维视图；

图15(b)：是图15(a)沿中心轴线的剖视图(凹坑圆弧半径r=1mm)。

图中：1.后固帽  2.锥杆  3.绝缘环  4.电极环  5.固定环  6.锥头

具体实施方式

实施例1，锥头表面采用包型结构。

参阅图4(a)无结构特征的距离a=12.14mm，锥角α=30°，凸包圆弧半径r=1.5mm。凸包间隔b=5mm，凸包排数n=5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图4(b)无结构特征的距离a=12.14mm，锥角α=30°，凸包圆弧半径r=2mm。凸包间隔b=5mm，凸包排数n=5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图4(c)无结构特征的距离a=12.14mm，锥角α=30°，凸包圆弧半径r=2.5mm。凸包间隔b=5mm，凸包排数n=5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

实施例2，锥头表面采用坑型的一种结构。

参阅图5(a)，无结构特征的距离a=8.95mm，锥角α=30°，凹坑圆弧半径r=1.5mm。凹坑间隔b=6mm，凹坑排数n=6底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图5(b)，无结构特征的距离a=8.95mm，锥角α=30°，凹坑圆弧半径r=2mm。凹坑间隔b=6mm，凹坑排数n=6，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图5(c)，无结构特征的距离a=8.95mm，锥角α=30°，凹坑圆弧半径r=3mm。凹坑间隔b=6mm，凹坑排数n=6，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

实施例3，锥头表面采用环形凹肋条型的一种结构。

参阅图6(a)，无结构特征的距离a=14mm，锥角α=30°，凹肋条结构圆弧半径r=1.5mm。凹肋条结构间隔b=3mm，凹肋条排数n=10，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图6(b)，无结构特征的距离a=14mm，锥角α=30°，凹肋条结构圆弧半径r=2mm。凹肋条结构间隔b=3mm，凹肋条排数n=10，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图6(c)，无结构特征的距离a=14mm，锥角α=30°，凹肋条结构圆弧半径r=3mm。凹肋条结构间隔b=3mm，凹肋条排数n=10，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

实施例4，锥头表面采用环形凸肋条型的一种结构。

参阅图7，无结构特征的距离12.91mm，锥角α=30°，凸肋条结构圆弧半径r1=0.5mm，r2=1.5。凸肋条结构间隔b=2.9mm，凸肋条排数n=10底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图8，锥角α=30°，凸包结构圆弧半径r=0.5mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图9，锥角α=30°，凸包结构圆弧半径r=1mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图10，锥角α=30°，凹坑结构圆弧半径r=0.5mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图11，锥角α=30°，凹坑结构圆弧半径r=1mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图12，无结构特征的距离12mm锥角α=30°，凸肋条结构圆弧半径r=0.5mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图13，无结构特征的距离12mm锥角α=30°，凸肋条结构圆弧半径r=1mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图14，无结构特征的距离12mm锥角α=30°，凹肋条结构圆弧半径r=0.5mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

参阅图15，无结构特征的距离12mm锥角α=30°，凹肋条结构圆弧半径r=1mm。螺旋升角15°，螺旋间距3mm，螺旋圈数9.5，底座长度L1=4mm，螺纹长度L2=15mm，螺栓长度L3=18mm，锥头长度L4=42.14mm，螺纹直径m1=12mm，锥头直径m2=22mm。

Claims (3)

1.一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件，该部件由基体和基体表面分布的仿生几何结构单元组成，其特征在于，所述的仿生几何结构单元包括环形凸肋条型、环形凹肋条型、螺旋凸包型、螺旋凹坑型、螺旋凸肋条型和螺旋凹肋条型，

环形肋条型的几何耐磨结构表面由基体和其表面上的仿生几何结构单元组成，按照函数分布：

$\left\{\begin{array}{c}h=a+b(n-1)\\ \mathrm{\ρ}=h\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right),\end{array}\right.$ (n=1，2，3…)

其中：h-几何结构特征所在位置距锥顶的距离，

a：5mm-20mm，无结构特征表面部分轴线的长度，

b：2mm-10mm，几何结构单元之间沿轴线方向的纵行距离，

ρ：5mm-20mm，几何结构特征所在锥的圆周的半径，

θ：5°-20°，每个非光滑结构之间的横向夹角，

α：20°-30°，锥角，

n：5-15，凹槽的个数，环形肋条，

r：0.5mm-3mm，肋条结构的圆弧半径；

本函数确定圆的位置，然后做旋转，得到仿生几何结构；

螺旋型的几何耐磨结构表面由基体和其表面上的仿生几何结构单元组成，按照螺旋曲线函数分布：

$\left\{\begin{array}{c}x=\tan \∂/2z\cos \mathrm{\θ}\\ y=\tan \∂/2z\sin \mathrm{\θ}\\ z=\mathrm{\θ}/2\mathrm{\π}(h+a)\end{array}\right.$

其中：

20°-30°，锥角，

θ：螺旋升角15°-45°，

h：螺距3-5

α：5mm-20mm，无结构特征表面部分轴线的长度，

上述函数确定的螺旋曲线包括：螺旋凸包型、螺旋凹坑型、螺旋凸肋条型和螺旋凹肋条型不同几何结构按照一定的方式分布，螺旋凸包型、螺旋凹坑型是按照一定的间距分布凸包和凹坑；螺旋凸肋条型和螺旋凹肋条型是把螺旋线变成凸肋条和凹肋条。

2.根据权利要求1所述的一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件，其特征在于，所述的仿生几何结构单元与基体为一体结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件，其特征在于，所述的部件材料采用1Cr18Ni9Ti，Gr15或Si60Mn2。

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