CN102714950A - 农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面，其是仿生凸起结构，仿生凸起结构的外轮廓曲面符合以下数学表达式： 其中的x， y和z为三维坐标系中的x轴， y轴和z轴；其中的A为仿生凸起结构的形状系数，-1<A<-0.5；a为仿生凸起结构高度，0<a<5mm；θ为仿鼹鼠挖掘过程中爪趾背面与土壤接触度，15°<θ<45°；所述仿生凸起结构按照菱形方式排列；带有本发明所述的减阻耐磨耦合仿生表面的农业机械触土部件与同类光滑表面触土部件相比，耐磨性平均增加5~8%，工作阻力平均降低3~5%。

Description

农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面

技术领域

本发明涉及一种农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面。

背景技术

随着农业机械化的快速发展，耕作速度大大提高，耕作环境越来越复杂，对于耕作工具性能，尤其是触土耕作部件的性能提出了越来越高的要求。农业机械触土部件在耕作过程中主要的失效形式是磨损失效，同时由于触土部件在耕作过程中需要克服耕作阻力和摩擦力，会消耗大量的能量。因此提高耐磨性，降低耕作阻力就成为农业机械触土部件研究中的主要方向。

仿生学研究表明，土壤动物经过亿万年的进化，已经具有了适应不同土壤环境的身体结构和功能，不但使其在挖掘过程中能够获得最低的切削阻力，且具有优良的脱土减阻功能。通过分析并模拟典型土壤动物的形态学特征和生物特性，并以此为基础开发的仿生农业机械触土部件在减阻减磨方面取得了明显的效果。

1、专利申请号：201010166033.5，公告日为2010.09.22，发明名称为“一种具有耐磨几何结构表面的锥形触土部件”共公开了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型。

2、专利申请号：200810050347.1，公告日为2010.03.17，发明名称为“棱纹型仿生耐磨结构表面”公开了了一种仿生耐磨结构表面，特别是涉及一种棱纹型仿生耐磨几何结构表面。本发明是基于土壤洞穴动物穿山甲的鳞片表面具有耐土壤磨料磨损的几何结构特征，其目的是解决现有的与散体物料接触部件的磨损问题。该仿生耐磨结构表面是将原有设备或构件与接触物料的表面改变结构，在表面上增设一系列的具有一定几何参数和间距的棱纹形结构。其仿生耐磨结构形状为：y＝asin(bx+c)。其中，a-振幅，b-频率，c-初相位， 0＜a≤12mm，0≤bx-c≤π，0≤x≤20mm。棱纹间距：0＜L＜30mm。

3、专利申请号：201010166033.5，公告日为2009.12.16，发明名称为“仿生减阻起垄器铲面及其设计方法”公开了一种仿生减阻起垄器铲面，其特征在于该铲面为以y=-0.0l48x²+0.86563x-1.51为脊线，y=-0.0054Z²+30.49为素线，素线沿脊线所形成的曲面。

比较已报道专利申请可知，仿生学研究成果在农业机械触土部件减阻耐磨领域已有应用，并已取得了良好的效果。

发明内容

本发明旨在解决目前农业机械触土耕作部件耐磨性较差，工作阻力大，能耗高的问题，提供一种一种农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面，以达到提高触土部件的耐磨性，降低耕作阻力和生产成本的目的。

本发明依据被称为“活的挖掘机”的鼹鼠的挖掘器官及挖掘动作参数设计了农业机械触土部件表面的耐磨减阻仿生凸起及其排列方式。鼹鼠的身体结构十分适合在地下活动和挖掘，鼹鼠所具备得极高的挖掘效率，得益于其特有的前爪爪趾几何结构和挖掘过程中爪趾与土壤的接触角，这两个因素保证了鼹鼠在地下对土壤的挖掘过程中受到较小的土壤阻力，实现持续高效的挖掘，同时后者使鼹鼠在挖掘过程中爪趾所受到的磨损较少，保证了鼹鼠能够持续的进行挖掘。

本发明结合鼹鼠爪趾几何轮廓和鼹鼠挖掘是爪趾与土壤的接触角这两个重要参数，设计了一种农业机械耕作部件减阻耐磨仿生凸起，通过对鼹鼠爪趾的轮廓设计了仿生凸起的几何轮廓，同时通过分析鼹鼠在挖掘过程中爪趾与土壤的接触角度设计了仿生凸起的偏转角度，实现提高触土部件的耐磨性和使用寿命，降低耕作阻力和使用成本。通过对鼹鼠爪趾几何轮廓和鼹鼠挖掘过程中爪趾与土壤的接触角度的分析，确定本发明所述的减阻耐磨仿生凸起的外轮廓曲面。

本发明是仿生凸起结构，仿生凸起结构的外轮廓曲面是由下述鼹鼠爪趾轮廓曲线：

$\begin{array}{c}x=(-A\sin \mathrm{\&theta;})t^2+t\cos \mathrm{\&theta;}-a\sin \mathrm{\&theta;}\\ y=\left(A\cos \mathrm{\&theta;}\right)t^2+t\sin \mathrm{\&theta;}+a\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}$

绕x轴旋转180°后形成的，其中A为仿生凸起结构的形状系数，-1<A<-0.5；a为仿生凸起结构高度，0<a<5mm；θ为仿鼹鼠挖掘过程中爪趾背面与土壤接触度，15°<θ<45°；由此，仿生凸起结构的外轮廓曲面符合以下数学表达式：

$\begin{array}{c}x=(-A\sin \mathrm{\&theta;})t^2+t\cos \mathrm{\&theta;}-a\sin \mathrm{\&theta;}\\ y^2+z^2=[\left(A\cos \mathrm{\&theta;}\right)t^2+t\sin \mathrm{\&theta;}+a\sin \mathrm{\&theta;}{]}^2\end{array}$

其中x， y和z为三维坐标系中的x轴， y轴和z轴。

所述仿生凸起结构按照菱形方式排列，菱形排列中较小夹角角度为θ，30o<θ<60o，相邻仿生凸起结构间距离为L，仿生凸起结构间距L与仿生凸起结构高度H满足以下关系：

$4<\frac{L}{H}<10$

菱形排列中较长的对角线与耕作过程中土壤运动方向平行。

本发明与现有技术相比有益效果是：

本发明所述的一种农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面是针对于农业机械触土耕作工作部件的磨损和耕作阻力问题，在农业机械耕作部件表面设计了一种减阻耐磨仿生凸起及其排列方法。在部件表面所设计的减阻耐磨仿生凸起是仿鼹鼠爪趾轮廓形状及鼹鼠挖掘过程中爪趾与土壤接触角度所设计的。实验结果表明，带有本发明所述的减阻耐磨耦合仿生表面的农业机械触土部件与同类光滑表面触土部件相比，耐磨性平均增加5~8%，工作阻力平均降低3~5%。

附图说明

图1为本发明的仿生凸起结构的剖面图。

图2为本发明的仿生凸起结构排列方式示意图。

图3、图4和图5为本发明应用于开沟器的示意图。其中的图3是开沟器的主视图；图4是开沟器的左视图；图5是开沟器的俯视图。

具体实施方式

本发明依据被称为“活的挖掘机”的鼹鼠的挖掘器官及挖掘动作参数设计了农业机械触土部件表面的耐磨减阻仿生凸起及其排列方式。鼹鼠的身体结构十分适合在地下活动和挖掘，鼹鼠所具备得极高的挖掘效率，得益于其特有的前爪爪趾几何结构和挖掘过程中爪趾与土壤的接触角，这两个因素保证了鼹鼠在地下对土壤的挖掘过程中受到较小的土壤阻力，实现持续高效的挖掘，同时后者使鼹鼠在挖掘过程中爪趾所受到的磨损较少，保证了鼹鼠能够持续的进行挖掘。

本发明结合鼹鼠爪趾几何轮廓和鼹鼠挖掘是爪趾与土壤的接触角这两个重要参数，设计了一种农业机械耕作部件减阻耐磨仿生凸结构起，通过对鼹鼠爪趾的轮廓设计了仿生凸起结构的几何轮廓，同时通过分析鼹鼠在挖掘过程中爪趾与土壤的接触角度设计了仿生凸起结构的偏转角度，实现提高触土部件的耐磨性和使用寿命，降低耕作阻力和使用成本。通过对鼹鼠爪趾几何轮廓和鼹鼠挖掘过程中爪趾与土壤的接触角度的分析，确定本发明所述的减阻耐磨仿生凸起结构的外轮廓曲面。

本发明是仿生凸起结构1，仿生凸起结构1的外轮廓曲面是由下述鼹鼠爪趾轮廓曲线：

$\begin{array}{c}x=(-A\sin \mathrm{\&theta;})t^2+t\cos \mathrm{\&theta;}-a\sin \mathrm{\&theta;}\\ y=\left(A\cos \mathrm{\&theta;}\right)t^2+t\sin \mathrm{\&theta;}+a\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}$

绕x轴旋转180°后形成的，其中A为仿生凸起结构1的形状系数，-1<A<-0.5；a为仿生凸起结构1高度，0<a<5mm；θ为仿鼹鼠挖掘过程中爪趾背面与土壤接触度，15°<θ<45°；由此，仿生凸起结构1的外轮廓曲面符合以下数学表达式：

$\begin{array}{c}x=(-A\sin \mathrm{\&theta;})t^2+t\cos \mathrm{\&theta;}-a\sin \mathrm{\&theta;}\\ y^2+z^2=[\left(A\cos \mathrm{\&theta;}\right)t^2+t\sin \mathrm{\&theta;}+a\sin \mathrm{\&theta;}{]}^2\end{array}$

其中x， y和z为三维坐标系中的x轴， y轴和z轴。

如图1所示，是A=-1、θ=24°的仿生凸起结构1的剖面图。

如图2所示，所述仿生凸起结构1按照菱形方式排列，菱形排列中较小夹角角度为θ，30o<θ<60o，相邻仿生凸起结构1间距离为L，仿生凸起结构1间距L与仿生凸起结构1高度H满足以下关系：

$4<\frac{L}{H}<10$

菱形排列中较长的对角线与耕作过程中土壤运动方向平行。

如图3、图4和图5所示，为本发明应用于开沟器的示意图。开沟器2是常用触土耕作部件，常在播种，中耕时应用，由于开沟器2入土深度较深，工作时受到的阻力较大；耕作时接触土壤硬度较大，部件磨损较为严重。本发明之仿生凸起结构1应用于开沟器2。开沟器2由铸造方法生产，开沟器2表面形成有仿生凸起结构1，该仿生凸起结构1的形状系数A为-1，凸起高度a为3mm，与土壤接触度θ为24°；仿生凸起结构1按照图4所示排列方式进行排列，其中菱形排列中较小夹角角度为30o，相邻仿生凸起结构1中心间距离为15mm，菱形排列中较长的对角线与耕作过程中土壤运动方向平行。

Claims (2)

1.一种农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面，其特征在于： 其是仿生凸起结构，仿生凸起结构的外轮廓曲面符合以下数学表达式：

$\begin{array}{c}x=(-A\sin \mathrm{\&theta;})t^2+t\cos \mathrm{\&theta;}-a\sin \mathrm{\&theta;}\\ y^2+z^2=[\left(A\cos \mathrm{\&theta;}\right)t^2+t\sin \mathrm{\&theta;}+a\sin \mathrm{\&theta;}{]}^2\end{array}$

其中的x， y和z为三维坐标中的x轴， y轴和z轴；

其中的A为仿生凸起结构的形状系数，-1<A<-0.5；

a为仿生凸起结构高度，0<a<5mm；

θ为仿鼹鼠挖掘过程中爪趾背面与土壤接触度，15°<θ<45°；

所述仿生凸起结构按照菱形方式排列。

2.根据权利要求1所述的一种农业机械耕作部件减阻耐磨耦合仿生表面，其特征在于：菱形排列中较小夹角角度为θ，30o<θ<60o，相邻仿生凸起结构间距离为L，仿生凸起结构间距L与仿生凸起结构高度H满足以下关系：

$4<\frac{L}{H}<10$

菱形排列中较长的对角线与耕作过程中土壤运动方向平行。

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