CN103477735A - 用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板 - Google Patents

Abstract

用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板属农业机械技术领域，本发明中入土前端刃位于铲板的上部，迎土面位于铲板的前部，背土面位于铲板的后部；入土前端刃形状由入土前端刃纵向投影面轮廓曲线确定，迎土面形状由迎土面横截面轮廓曲线和迎土面纵截面的轮廓曲线确定，背土面形状由背土面横截面轮廓曲线和背土面纵截面的轮廓曲线确定；本发明能解决现有土壤表面微形貌加工滚动部件在土壤坚实度高、土壤板结严重的耕作地区难以作业的技术问题，使土壤表面微形貌加工滚动部件在土壤严重硬化的耕作地区实现有效作业。

Description

用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板

技术领域

本发明涉及一种用于土壤表面微形貌加工的非自驱牵引式滚动部件的铲板，特别是涉及滚动部件的一种具有仿生几何结构特征的铲板。可应用于农业机械中的增强土壤蓄水保墒能力、防治农田水土流失的土壤表面微形貌加工滚动部件。

背景技术

在我国大部分耕作地区，降雨呈空间分布的不均和时域上的显著差异，当降雨强度超过土壤入渗强度会产生地表径流，造成对地表的冲刷侵蚀，使土壤中的泥沙大量流失、破坏土壤结构和肥力并对农作物产量造成不良影响。土壤表面微形貌加工是通过在田间土壤表面加工出微坑形貌，使得落在田间的降雨或灌溉用水积蓄在微坑中以供给植物吸收而不是白白流走，土壤表面微形貌加工的目的是增加农田土壤蓄水保墒能力、防止水土流失并使作物在不稳定的气候条件下保持产量。在农业机械领域，实现土壤表面微形貌加工作业的传统机具主要有驱动式作业的垄向区田筑垱机和牵引式作业的凸齿镇压器，这些机具在行驶于田间时通过触土工作部件的旋转运动与土壤表面接触，在土壤表面加工出微坑。

垄向区田筑垱是通过筑垱机铲板对土壤的铲、挖和翻动地表土壤，从而堆砌出土垱并在土垱间形成微坑。在土壤坚实度较高的耕作环境下作业时，相比于凸齿镇压器，筑垱机仅需较小的垂直于土壤的作用力就可有效地在地表形成微坑形貌。但是，相比于凸齿镇压器，用筑垱机加工土壤表面微形貌存在以下劣势：筑垱机是驱动式耕作部件，需要牵引机构额外的驱动输出，增加了动力消耗；另外，筑垱机还需要配合复杂的控制电路和控制机构才能有效工作，这增加的土壤表面微形貌加工的作业成本和维护成本；并且，筑垱机铲板结构为等厚的规则矩形钢板，在土壤较坚硬密实的作业条件下，筑垱机铲板易弯曲变形，甚至折断。更重要的是，该作业方式存在以下的问题：筑垱机只具有在土壤表面加工微坑的功能，而没有压实土壤的功能，筑垱作业后过度松软的土壤会使土壤水分过快蒸发，反而降低了土壤保持水分的能力；另外，由于筑垱机所加工形成的地表土壤表面和微坑的微坑内壁的土壤过于疏松，当降雨或灌溉水流入筑垱机所加工的微坑，水流会冲散土壤表面的细微颗粒和有机质，使其沉积于微坑底部，降雨或灌溉完成后，这些微坑底部的土壤细微颗粒和有机质逐渐风干板结，并在微坑的底部形成一层薄而致密的土层，该土层将使以后的降雨或灌溉用水难以从微坑渗透入土壤，这将很大程度削弱土壤表面微形貌加工减小水土流失的作业效果。并且，筑垱加工而成的微坑由于土垱的土壤过于松软，在高强度的降水或灌溉下，微坑容易塌陷失效，使得土壤表面微形貌加工的作业质量难以满足。

凸齿镇压器在田间地表滚动时，通过自身重力和垂直于土壤表面施加的镇压力压实土壤，同时，凸齿镇压器圆柱面上分布的凸齿通过挤压地表的土壤，使地表土壤流动和变形，最终在土壤表面形成微坑，同时实现了压实土壤和土壤表面微形貌加工的作业效果。该机具在土壤坚实度较低、土壤松软的耕作地区可实现优异的作业效果，然而，在一些需要推广土壤表面微形貌加工技术的耕作地区，由于耕作时节干旱缺水导致土壤严重硬化，这些硬化的土壤的坚实度高且板结严重，作业时凸齿难以嵌入土壤，使得加工出微坑的蓄水容量显著减少，制约了土壤表面微形貌加工的作业效果。虽然增加凸齿镇压器垂直施加于土壤的镇压力，可以使凸齿克服坚硬的土壤表面并在地表压制出微坑，在一定程度上提高了微坑的蓄水容量，然而，土壤坚实度越高，需要增加的镇压力就越大，过度增加的镇压力会加剧土壤的板结程度，反而使形成的土壤表面水分难以渗透入土壤内部，使得形成的土壤条件不适于耕作。另外，过大的镇压力会过度扰动土壤，使微坑内壁容易坍塌，在土壤表面留下的细碎颗粒反而使土壤易于被侵蚀。

为了在这些土壤坚实度高且板结严重的地区为实现有效的土壤表面微形貌加工的作业，需要新的土壤表面微形貌加工的作业方式和新的机具支持。新的机具需综合垄向区田筑垱机和凸齿镇压器的各自优势，结合筑垱机的铲、挖和对土壤的剪切作用的特点，以及凸齿镇压器通过土壤流动变形形成微坑并压实土壤的特点，设计更合理有效的土壤表面微形貌加工设备，以使土壤坚实度和板结程度的提高不显著影响土壤表面微形貌加工的作业效果。

发明内容

土壤表面微形貌加工滚动设备的触土部件作为关键部件，在本发明中其设计方法采用仿生结构设计的方法。仿生结构设计是联系生物特性与应用技术的关键环节，它以生物学研究的结论为依据，着眼于应用领域客观存在的技术问题，通过结构的移植，开发出具有生物结构特征的产品。仿生结构设计把生物特性中所蕴含的某些优势转化成机械结构的参数和结构特征，从而实现其从内在的生物特征到外在的几何结构在工程应用领域的拓展。

在本发明中，触土部件作为土壤表面微形貌加工的滚动部件的，其仿生结构设计是在对啮齿类动物的爪趾研究和分析的基础上展开的，啮齿类动物（鼹鼠、鼢鼠、家鼠和达乌尔黄鼠等）作为土壤洞穴动物，为了保证洞体的稳定，常常在坚实致密的硬土层中筑洞。啮齿类动物为了在硬土层中实现高效挖掘，在长期与土壤环境相适应的生存过程中，其爪趾逐步进化形成了优良的几何结构和优化的生物力学性能，不但可有效挖掘，且具有减粘、脱土、降阻功能，这为用于土壤表面微形貌加工的土壤切削工具几何形状的优化提供了仿生设计的基础。

为解决现有土壤表面微形貌加工滚动部件在土壤坚实度高、土壤板结严重的耕作地区难以作业的技术问题，本发明专利将啮齿类动物爪趾结构进行仿生结构的移植，提取蕴藏于啮齿类动物爪趾上利于土壤表面微形貌加工的参数和信息，将其转化为土壤表面微形貌加工挖掘铲板的优势，使土壤表面微形貌加工滚动部件可在坚实度高、板结严重的土壤条件下作业，并保证土壤表面微形貌加工的作业质量。

本发明目的在于解决现有土壤表面微形貌加工滚动部件在土壤坚实度高和板结严重的耕作地区难以作业的技术问题，设计出一种用于土壤表面微形貌加工滚动部件的具有仿生几何结构特征的铲板，安装有仿生铲板的土壤表面微形貌加工滚动部件可在坚实度高、板结严重的土壤条件下实现有效的土壤表面微形貌加工的作业。

本发明由入土前端刃1、迎土面2和背土面3组成，其中入土前端刃1位于铲板的上部，迎土面2位于铲板的前部，背土面3位于铲板的后部；入土前端刃1形状由入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D确定，迎土面2形状由迎土面横截面轮廓曲线A和迎土面纵截面的轮廓曲线E确定，背土面3形状由背土面横截面轮廓曲线B和背土面纵截面的轮廓曲线C确定。

所述的迎土面横截面轮廓曲线A为二次函数曲线其方程式为：y=bx²+c，其中：x为-80mm至80mm，参数b的取值范围为0.0125至0.15，参数c的取值范围为10至64。

所述的背土面横截面轮廓曲线B为二次函数曲线其方程式为：y=ax²，其中：x为-80mm至80mm，参数a的取值范围为0.025至0.15。

所述的背土面纵截面的轮廓曲线C用圆弧型曲线表示，其圆弧半径R为70mm至120mm，圆弧对应圆心角α为120°至140°。

所述的入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D为二次函数曲线其方程式为：z=-dx²，其中：x为-80mm至80mm，参数d的取值范围为0.025至0.04。

所述的迎土面纵截面的轮廓曲线E用圆弧型曲线表示，其圆弧半径r为70mm至130mm，圆弧对应圆心角β为120°至145°。

所述的迎土面横截面轮廓曲线A、背土面横截面轮廓曲线B、背土面纵截面的轮廓曲线C、入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D和迎土面纵截面的轮廓曲线E可在保持比例不变的前提下放大或缩小0.1至5倍。

轮廓曲线根据土壤条件和所耕作作物的农艺要求及机构或部件的机构尺寸进行具体赋值，可得到具有仿生几何结构特征的铲板。

实现上述目的的技术方案结合附图说明如下。

啮齿类动物爪趾的横截面由两条轮廓曲线构成，分别对应爪趾的迎土面和背土面，迎土面横截面轮廓曲线曲率变化较小，利于啮齿类动物爪掘洞过程中切削和铲运土壤；背土面横截面轮廓曲线曲率变化较大，可保障爪趾具有足够的强度，当爪趾的迎土面挖掘土壤时背土面可对周围的土壤压实。纵投影面上端轮廓曲线对应爪趾的入土前端刃，入土前端刃的刃口用于切削和分离土壤，爪趾刃口在和土壤作用是不仅有较小的阻力，并且有较高的耐磨性。

通过对多种啮齿类动物爪趾的生物信息采集与量化分析，归纳啮齿类动物爪趾横、纵截面的轮廓线几何结构特征规律和共性，总结出迎土面、背土面轮廓曲线和入土前段刃曲线具有二次函数曲线的形态特征，纵截面轮廓曲线具有圆弧曲线的形态特征。将啮齿类动物爪趾的迎土面、背土面轮廓曲线和入土前段刃曲线拟合为系数不同的二次函数曲线，将纵截面拟合为不同半径和圆心角的圆弧曲线。本发明将这些具有仿生特征的曲线应用于土壤表面微形貌加工铲板的设计中。

本发明用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，铲板通过安装于不同的滚动部件上，可适用于垄作模式，也适用于平作模式。可在播种前作业，增加土壤蓄水保墒能力从而实现增产；也可在收获后作业，以防止土壤侵蚀和水土流失。本发明解决了现有土壤表面微形貌加工滚动部件在土壤坚实度和容重高，以及土壤板结严重的耕作地区难以作业的技术问题。土壤表面微形貌加工滚动部件可在坚实度和容重较高、板结严重的土壤条件下，实现有效的土壤表面微形貌加工作业。

附图说明

图1是具有仿生几何结构特征的铲板结构的三维视图

图2是具有仿生几何结构特征的铲板的主视图

图3是具有仿生几何结构特征的铲板的左视图

图4是具有仿生几何结构特征的铲板的俯视图

图5是安装有仿生铲板的滚动部件单元示意图

图6是仿生铲板入土前端刃和迎土面加工土壤表面微坑示意图

图7是仿生铲板的背土面和辊筒圆柱面压实土壤示意图

图8是适用于垄作模式的滚动部件示意图

图9是滚动部件垄作模式作业示意图

图10是滚动部件平作模式作业示意图

图11是方案二仿生铲板的三维视图

图12是方案三仿生铲板的三维视图

其中：1.入土前端刃2.迎土面3.背土面4.仿生铲板5.底座6.滚动轮7.安装有仿生铲板的滚动部件单元8.独立机架9.铰接点10.配重11.总机架12.垄沟13.垄台14.平作土壤A.迎土面横截面轮廓曲线B.背土面横截面轮廓曲线C.背土面纵截面轮廓曲线D.入土前端刃纵向投影面轮廓曲线E.迎土面纵截面轮廓曲线R--背土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径α--背土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角r--迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径β--迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角

具体实施方式

以下结合附图所述实施例进一步说明本发明的具体内容及实施方式。

实施例一：

用于土壤表面微形貌加工滚动部件的具有仿生几何结构特征的铲板的具体结构由图1至图4示出。该实例的具有仿生几何结构特征的铲板的特点是：仿生铲板的背土面横截面轮廓曲线B以该曲线的顶点为原点，特征曲线方程为y=ax²，其中参数a的取值为0.025；采用x区间为-50mm至50mm之间的曲线段。仿生铲板的迎土面横截面轮廓曲线A与背土面横截面轮廓曲线B在的同一坐标系下，曲线方程为y=bx²+c，其中参数b的取值为0.0125，参数c的取值为40；所采用曲线段的x区间为-50mm至50mm。迎土面纵截面的轮廓曲线E和背土面纵截面的轮廓曲线C用圆弧表示，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径R为70mm，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角α为120°，迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径r为70mm，迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角β为120°。仿生铲板的入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D，以该曲线的顶点为原点，表示为：z=-dx²，其中参数d的取值为0.0125，所采用曲线段的x区间为-50mm至50mm，该实例中，所有曲线均保持原比例。

仿生挖掘铲板可安装布置于轮或辊筒的圆柱表面，构成滚动部件单元，如图5所示，该仿生铲板4可通过底座5安装于滚动轮6的圆柱面上。滚动部件单元上的仿生铲板与土壤的相互作用如图6所示，入土前端刃的刃口切开土壤，使土壤因受力而产生土体的分离；迎土面用于使土壤沿图6箭头所指的方向分离的流动和变形，形成土壤表面微坑；在仿生铲板入土前端刃和迎土面加工土壤表面微坑的同时，铲板的背土面和滚动轮的圆柱面同时沿图7箭头所指方向压实土壤。

安装有仿生铲板的滚动部件可以在垄作模式的土壤表面实现作业。如图8和图9所示，安装有仿生铲板的滚动部件单元7可连接于独立机架8，通过铰接点9与总机架11连接。在垄作模式下，由于垄沟内土壤坚实度比平作模式高，故为保证仿生铲板的入土深度，机架上可安装配重10。通过连接多个滚动部件单元可实现多垄同时作业，如图9所示，在垄作模式下，为不破坏垄台13，只针对垄沟12进行土壤表面微形貌加工的作业。在平作模式下，如图10所示，安装有仿生铲板的滚动部件单元7串联于一个同轴上与总机架11连接，通过增加所串联的滚动部件单元可增加在平作土壤14表面的作业幅宽。

实施例二：

用于土壤表面微形貌加工滚动部件的具有仿生几何结构特征的铲板的方案二结构由图11示出。与实施例一不同的是，该实例的具有仿生几何结构特征的铲板具有以下特点：仿生铲板的背土面横截面轮廓曲线B以该曲线的顶点为原点，特征曲线方程为y=0.02x²，所采用曲线段的x区间为-80mm至80mm。仿生铲板的迎土面横截面轮廓曲线A与背土面横截面轮廓曲线B在同一坐标系下，曲线方程为y=0.01x²+64，所采用曲线段的x区间为-80mm至80mm。迎土面纵截面轮廓曲线E用圆弧表示，迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径r为130mm，迎土面纵截面轮廓曲线圆弧对应圆心角β为145°,背土面纵截面轮廓曲线C用圆弧表示，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径R为120mm，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角α为140°。仿生铲板的入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D以该曲线的顶点为原点，表示为：z=-0.025x²，所采用曲线段的x区间为-80mm至80mm。

实施例三：

用于土壤表面微形貌加工滚动部件的具有仿生几何结构特征的铲板的方案三结构由图12示出。与实施例一和实施例二不同的是，该实例的具有仿生几何结构特征的铲板迎土面横截面轮廓曲线A和背土面横截面轮廓曲线B具有相同曲率。本实施例具有以下特点：仿生铲板的背土面横截面轮廓曲线B以该曲线的顶点为原点，特征曲线方程为y=0.15x²，所采用曲线段的x的区间为-40mm至40mm。仿生铲板的迎土面横截面轮廓曲线A与背土面横截面轮廓曲线B在同一坐标系下，曲线方程为y=0.15x²+10，所采用曲线段的x区间为-40mm至40mm。迎土面纵截面轮廓曲线E和背土面纵截面轮廓曲线C用圆弧表示，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径R为70mm，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角α为120°，迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径r为70mm，迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角β为120°。仿生铲板的入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D，以该曲线的顶点为原点，表示为z=-0.04x²，所采用曲线段的x区间为-40mm至40mm。

实施例四：

与实施例一，实施例二和实施例三不同的是，本实施例的具有仿生几何结构特征的铲板的轮廓曲线是实施例一中的轮廓曲线等比例放大2倍后得到的。本实施例具有以下特点：仿生铲板的背土面横截面轮廓曲线B以该曲线的顶点为原点，特征曲线方程为y=0.025x²，所采用曲线段的x为-50mm至50mm，将该曲线等比例放大2倍后得到本实施例背土面横截面轮廓曲线B。仿生铲板的迎土面横截面轮廓曲线A与背土面横截面轮廓曲线B在同一坐标系下，曲线方程为y=0.0125x²+40，所采用曲线段的x为-50mm至50mm，将该曲线等比例放大2倍得到本实施例迎土面横截面轮廓曲线A。迎土面纵截面轮廓曲线E和背土面纵截面轮廓曲线C用圆弧表示，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径R和迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧半径r均为70mm，背土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角α和迎土面纵截面轮廓曲线的圆弧对应圆心角β均为120°，将该圆弧曲线等比例放大2倍得到迎土面纵截面轮廓曲线E和背土面纵截面轮廓曲线C。仿生铲板的入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D，以该曲线的顶点为原点，表示为z=-0.032x²，所采用曲线段的x为-50mm至50mm，将该曲线等比例放大2倍得到入土前端刃纵向投影面轮廓曲线D。

Claims (7)

1.一种用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，其特征在于由入土前端刃(1)、迎土面(2)和背土面(3)组成，其中入土前端刃(1)位于铲板的上部，迎土面(2)位于铲板的前部，背土面(3)位于铲板的后部；入土前端刃(1)形状由入土前端刃纵向投影面轮廓曲线(D)确定，迎土面(2)形状由迎土面横截面轮廓曲线(A)和迎土面纵截面的轮廓曲线(E)确定，背土面(3)形状由背土面横截面轮廓曲线(B)和背土面纵截面的轮廓曲线(C)确定。

2.按权利要求1所述的用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，其特征在于所述的迎土面横截面轮廓曲线(A)为二次函数曲线其方程式为：y=bx²+c

其中：x为-80mm至80mm，参数b的取值范围为0.0125至0.15，参数c的取值范围为10至64。

3.按权利要求1所述的用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，其特征在于所述的背土面横截面轮廓曲线(B)为二次函数曲线其方程式为：y=ax²

其中：x为-80mm至80mm，参数a的取值范围为0.025至0.15。

4.按权利要求1所述的用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，其特征在于所述背土面纵截面的轮廓曲线(C)用圆弧型曲线表示，其圆弧半径(R)为70mm至120mm，圆弧对应圆心角(α)为120°至140°。

5.按权利要求1所述的用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，其特征在于所述的入土前端刃纵向投影面轮廓曲线(D)为二次函数曲线其方程式为：z=-dx²

其中：x为-80mm至80mm，参数d的取值范围为0.025至0.04。

6.按权利要求1所述的用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，其特征在于所述的迎土面纵截面的轮廓曲线(E)用圆弧型曲线表示，其圆弧半径(r)为70mm至130mm，圆弧对应圆心角(β)为120°至145°。

7.按权利要求1所述的用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板，其特征在于所述的迎土面横截面轮廓曲线(A)、背土面横截面轮廓曲线(B)、背土面纵截面的轮廓曲线(C)、入土前端刃纵向投影面轮廓曲线(D)和迎土面纵截面的轮廓曲线(E)可在保持比例不变的前提下放大或缩小0.1至5倍。

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