CN102326468A - 一种仿生耐磨深松铲刃 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生耐磨深松铲刃，其仿生耐磨结构形式包括棱纹形和包形两种。本发明是基于水生软体动物的壳体表面所具有的耐磨料磨损的几何结构特征，仿生耐磨棱纹形结构形状为：y＝asin(bx+c)。其中，a振幅，b频率，c初相位，0＜a≤10mm，0≤bx-c≤π，0≤x≤20mm，棱纹间距：0＜L≤50mm；包形仿生耐磨结构的特征在于其轮廓为一球冠形状：x²+y²+z²＝r²，其中：0≤x≤10mm，0≤y≤10mm，0≤z≤10mm，0≤r≤12mm，每两个包的间距为L，0＜L≤50mm。本发明适用于多种不同形式的深松铲刃，仿生耐磨深松铲刃的耐磨损性比传统光滑表面铲刃的耐磨性提高50％。

Description

一种仿生耐磨深松铲刃

技术领域：

本发明涉及一种仿生耐磨深松铲刃，特别是涉及具有棱纹形和包形两种仿生耐磨几何结构的仿生耐磨深松铲刃。这两种仿生耐磨几何结构可应用于包括凿形、鸭掌形和双翼形等多种与土壤接触的上表面的深松铲刃上。

技术背景：

土壤深松是随着少耕、免耕等保护性耕作技术的需要而发展起来的一种代替传统耕作-犁耕的一种土壤耕作方法，这种耕作方法的核心工作部件就是深松铲。但是，在耕作过程中，深松铲特别是深松铲刃的磨损最为严重，土壤与深松铲刃接触所产生的磨损属于磨料磨损，是深松铲刃失效的主要形式之一。目前，为了减小这种磨损，人们把关注的重点放在了改善铲刃的服役工况条件，单纯的改变铲刃的外部结构形式以及提高材料自身耐磨性能，开发更高的耐磨材料等方面。但这些研究均不能从根本上改变深松铲刃的高磨损状况，只能短时间内延长其使用寿命，但同时大大地增加了制造成本和使用成本。同时，也出现了品质高，价格贵的材料应用于普通工况的浪费现象。

发明内容：

深松铲刃的耐磨性能不仅与加工制造的材料有关，而且还和其与土壤滑动接触表面上的几何结构形式有关。本发明的目的在于：从改变铲刃上表面的几何结构形式入手，将棱纹形和包形仿生耐磨结构附加在深松铲刃上表面，提高深松铲刃的耐磨性能，进而从根本上解决深松铲刃的磨料磨损失效问题。

实现本发明上述目的所采用的技术方案结合附图说明如下：

实现本发明上述目的所采用的技术方案是：基于水生软体动物表面具有耐磨损的几何结构特征，根据优化分析和几何测量，最终提炼出两种仿生耐磨几何结构，分别为棱纹形和包形，并将这两种仿生几何结构设置于深松铲刃上表面。

棱纹形仿生耐磨深松铲刃，其棱纹结构轮廓为正弦函数的半个周期曲线：y＝asin(bx+c)，其中：a-振幅，b-频率，c-初相位，0＜a≤10mm，0≤bx-c≤π，0≤x≤20mm，棱纹结构在接触表面的分布间距为：0＜L≤50mm。

包形仿生耐磨深松铲刃，其表面的包形结构的特征轮廓为一球冠形状：x²+y²+z²＝r²，其中：0≤x≤10，0≤y≤10，0≤z≤10，0≤r≤12，每两个包的间距为L，0＜L≤50mm。

上述两种仿生结构与其所在的接触表面分别做成单体，根据工作情况，可采用螺栓连接等方式将二者连接在一起，或采用焊接、在铲刃表面上处理加工等形式。螺栓连接拆装方便，更换速度快。而焊接连接较为牢固，不易松动、脱落。

上述两种仿生耐磨几何结构单体的具体的尺寸和分布间距应根据磨料的尺寸、滑动速度以及深松铲刃的尺寸来确定。而生产制造材质应根据具体工作环境和土壤性质来确定。同时，应考虑到加工工艺性的好坏以及使用成本的高低。加工工艺路线应依据材质特性、现有加工方法和加工成本来具体制定。

本发明具有以下技术效果：

深松铲刃上表面的仿生耐磨几何结构能够改变土壤在其接触表面的运动状态。几何结构单体能够对运动的土壤产生引导效应和是土壤颗粒产生滚动效应，并减小界面层的土壤颗粒数量，这样就降低了土壤颗粒与铲刃表面的接触几率。同时，由于仿生结构单体土壤颗粒的运动方式发生了改变，由原来的滑动接触占优变为以滚动接触为主。上述原因都将使土壤对深松铲刃的表面磨损作用显著减弱，延长其使用寿命。仿生耐磨深松刃的耐磨性与普通深松铲刃的耐磨性相比，将提高50％或以上。

附图说明：

图1a-1是包形仿生耐磨深松铲刃示意图；

图1a-2是图1a-1的A-A向剖面图；

图1a-3是图1a-2的I处局部放大图。

图1b-1是棱纹形(横向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图；

图1b-2是图1b-1的A-A向剖面图；

图1b-3是图1b-2的I处局部放大图。

图1c-1是棱纹形(纵向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图；

图1c-2是图1c-1的A-A向剖面图。

图2a-1是规则分布的包形仿生耐磨深松铲刃示意图；

图2a-2是图2a-1的A-A向剖面图。

图2b-1是交叉分布的包形仿生耐磨深松铲刃示意图；

图2b-2是图2b-1的A-A向剖面图。

图2c-1是随机分布的包形仿生耐磨深松铲刃示意图；

图2c-2是图2c-1的A-A向剖面图。

图3a-1是连续型棱纹形(横向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图；

图3a-2是图3a-1的A-A向剖面图。

图3b-1是断续型规则分布棱纹形(横向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图；

图3b-2是图3b-1的A-A向剖面图。

图3c-1是断续型交叉分布棱纹形(横向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图；

图3c-2是图3c-1的A-A向剖面图。

图3d是断续型随机分布棱纹形(横向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图。

图4a是连续型棱纹形(纵向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图。

图4b是断续型规则分布棱纹形(纵向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图。

图4c是断续型交叉分布棱纹形(纵向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图。

图4d是断续型随机分布棱纹形(纵向分布)仿生耐磨深松铲刃示意图。

具体实施方式：

实例1参阅图1a，图2a，图2b，图2c：

图1a，图2a是规则分布的包形仿生深松铲刃结构示意图及尺寸图，图2b，图2c为交叉分布和随机分布的包形深松铲刃尺寸图。土壤在深松铲刃表面的滑动速度为1.94m/s，土壤颗粒的尺寸为0.214-0.420mm，土壤的冲击速度方向与铲刃表面呈35°角。根据上述条件以及考虑深松铲刃的尺寸，确定包形高度为2mm，包形所在的圆球半径为5mm，包形高度与底圆直径比为2∶8，因此，得包形的轮廓方程为：x²+y²+z²＝5²，其中，4mm≤x≤5mm，4mm≤y≤5mm，3mm≤z≤5mm，任意两包的间距为：L＝8mm(随机分布除外)。实践表明，该仿生结构明显优于普通光滑平面的耐磨性能，在相同工况下，带有包形仿生结构部件的耐磨性较普通光滑平面部件的耐磨性提高了52％。

实例2参阅图1b，图3a，图3b，图3c，图3d：

图3是横向分布的棱纹形仿生深松铲刃结构示意图及尺寸图。其中，图3a是连续型规则分布；图3b是断续型规则分布；图3c是断续型交叉分布；图3d是断续型随机分布。土壤在深松铲刃表面的滑动速度为1.94m/s，土壤颗粒的尺寸为0.214-0.420mm，土壤的冲击速度方向与铲刃表面呈35°角。根据上述条件以及考虑深松铲刃的自身尺寸，确定棱纹形高度为2.8mm，连续型棱纹的长度l为所在位置处的深松铲刃的横向宽度；断续型的棱纹长度l为所在位置处深松铲刃宽度的三分之一。棱纹形高宽比为2.8∶7.88，棱纹形横断面的轮廓方程为：y＝asin(bx+c)，分别取a＝2.8mm，b＝0.4，c＝0，则原函数变为：y＝2.8sin(0.4x)，正弦函数的半周期定义域为：0≤x≤7.85mm。棱纹间距为L＝7.88mm(随机分布除外)。实践表明，该仿生结构明显优于普通光滑平面的耐磨性能，在相同的工况下，棱纹形仿生结构部件的耐磨性较普通光滑平面部件的耐磨性提高了57％。

实例3参阅图1c，图4a，图4b，图4c，图4d：

图4是纵向分布的棱纹形仿生深松铲刃结构示意图及尺寸图。图4a是连续型规则分布；图4b是断续型规则分布。图4c是断续型交叉分布；图4d是断续型随机分布。土壤在深松铲刃表面的滑动速度为1.94m/s，土壤颗粒的尺寸为0.214-0.420mm，土壤的冲击速度方向与铲刃表面呈35°角。根据上述条件以及考虑深松铲刃的自身尺寸，确定棱纹形高度为2.8mm，连续型棱纹的长度l为所在位置处的深松铲刃的纵向尺寸；断续型的棱纹长度l为棱纹所在位置处深松铲刃纵向尺寸的二分之一或三分之一。棱纹形高宽比为2.8∶7.88，棱纹形的轮廓方程为：y＝asin(bx+c)，分别取a＝2.8mm，b＝0.4，c＝0，则原函数变为：y＝2.8sin(0.4x)，正弦函数的半周期定义域为：0≤x≤7.85mm。棱纹间距为L＝7.88mm(随机分布除外)。实践表明，该仿生结构明显优于普通光滑平面的耐磨性能，在相同的工况下，棱纹形仿生结构部件的耐磨性较普通光滑平面部件的耐磨性提高了54％。

Claims (2)

1.一种仿生耐磨深松铲刃，其特征在于，铲刃上表面分布棱纹形或包形仿生几何结构，棱纹形仿生结构的轮廓为正弦函数的半个周期曲线：y＝asin(bx+c)，其中：a-振幅，b-频率，c-初相位，0＜a≤10mm，0≤bx-c≤π，0≤x≤20mm，棱纹结构在深松铲刃上表面的分布间距为：0＜L≤50mm；包形仿生结构的轮廓为一球冠形状：x²+y²+z²＝r²，其中：0≤x≤10mm，0≤y≤10mm，0≤z≤10mm，0≤r≤12mm，每两个包的间距为L，0＜L≤50mm。

2.根据权利要求1或2所述的一种仿生耐磨深松铲刃，其特征在于，所述的仿生耐磨结构与其所接触的深松铲刃上表面分别做成单体，然后再把二者结合为一体，或通过堆焊、或直接在铲刃表面上处理加工。

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