CN103843507B - 一种水田船式机械仿生表面减阻结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水田船式机械仿生表面减阻结构及其应用，是仿生两栖类爬行动物的腹部表皮纹路，在与水田泥面接触的船体外表面上分布有相互联通的凹槽网络；在船体低速行走时，可以在船体外表面形成水膜，减小了水田船式机械在水田里低速行走时的阻力。船体表面与泥面之间的附着力和摩擦力，船体外侧的水会沿连通的凹槽不断补充形成水膜时的消耗，水膜连续形成，从而减小了船体行进时的阻力。本发明的成本低，也适用于滩涂、沼泽等环境的船式机械。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械领域，特别涉及一种水田船式机械仿生表面减阻结构及其应用。
背景技术
目前水田作业机械中大量使用水田船式机械进行承载和行走，主要包括单船体和多船体：单船体如图1所示的一种水稻插秧机，插秧机构由一个船体承载；多船体如图2所示的一种步进式插秧机，插秧机构由两个船体分担重量。水田船式机械的船体主要起到承载重量的作用，船体外表面一般比较光滑，以减少行走过程中的阻力。但是，当水田船式机械以较低速度在水田中行走时会出现远大于较高速度行走时的阻力，这是由于船体承重，船体会将水田中泥面的积水排开，使得船体光滑外表面与泥面紧密接触，产生了较大的附着力。在实际操作中，水田船式机械的行走速度一般较慢，从而导致其在水田中行走的阻力问题非常严重。仿生表面减阻技术是近年研究的热点，其应用主要集中在空气、水和一般土壤等介质，由于水田是泥或泥水混合物，其物理特性复杂，目前没有应用于水田中仿生表面减阻的相关研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种水田船式机械仿生表面减阻结构及其应用，可实现减少水田船式机械在水田里较低速行进时的行走阻力。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种水田船式机械仿生表面减阻结构，是仿生两栖类爬行动物的腹部表皮纹路，在与水田泥面接触的船体外表面上分布有相互联通的凹槽网络。
所述凹槽网络中，凹槽1的槽口宽为1～40mm，深度为5～50mm；凹槽1的横截面形状可以为矩形、梯形、倒梯形、三角形、弧形、单边梯形、单边三角形，但形状不限于此，例如其它多边形和多端弧形等。
所述凹槽网络中，单个网格的形状优选交错矩形、平行四边形或仿龟纹六边形；单个网格的形状面积为1～1000cm2，根据船体大小、表面材料和水田泥面性质不同而采取不同的网格形状和面积；整个凹槽网络连通。
本发明还设置有主动补充凹槽水系统，即水田船式机械的船体前端安装有一个或多个喷水口2，在水田船式机械上设置有水箱和压力装置3，水箱和压力装置3将水箱水通过内部通道压送至喷水口2，船体前进时可补充凹槽水。
还可以在水田船式机械的凹槽1中安装喷水口2；喷水口2的下端与凹槽1联通，上端与高压水管9密闭连接；高压水管9另一端密闭连接水箱和压力装置3。使用时，水箱和压力装置3产生高压，将水箱水通过高压水管9输送到喷水口2，补充船体10在行进时凹槽水的消耗，产生连续的水膜。
上述水田船式机械仿生表面减阻结构，应用于水田、滩涂、沼泽的船式机械的外表面。
本发明的原理是：（1）水田船式机械在水田中低速行进时阻力较大：船体在水田中位置关系如图3所示，水田的泥层5上有一层较浅的连续或不连续的水层4，一般光滑表面的水田船体机械在水田的泥层5上静止或较低速运行时，由于船体承载机身重力，在船体外表面与泥面之间产生较大压力，船体将水层4排开，但是船体在水层4排水体积较小，产生不了足够的浮力，船体必需依靠泥层5支撑机身重量，这使得船体表面与泥层5紧密接触，产生很大的附着力，导致水田船式机械由静止启动或低速运行时阻力较大。（2）本发明的仿生表面减阻结构可以在船体外表面形成水膜，从而减小船体在低速时的行进阻力：如图7所示，当船体外表面6与泥层5挤压时，由于泥层5存在张力，凹槽1内会残留一部分凹槽水7，凹槽水7通过凹槽网络与船体周围的水层联通；船体低速运行时，随着船体外表面6与泥层5之间的滑动，凹槽水7会被带出，较为均匀地附着在船体外表面6和泥层5之间，形成水膜8；图8所示为局部船体表面凹槽网络产生水膜原理示意图，实线箭头为水从船体前方和侧方进入凹槽1的方向，虚线箭头为凹槽水7随船体外表面6与泥面9滑动时产生水膜8的方向，水膜8均匀的附着在船体外表面6上；由于凹槽网络联通，在形成水膜8的同时，凹槽1内产生负压，船体外侧的水层会不断地通过凹槽网络进入，补充产生水膜8时凹槽水7的消耗，在船体低速运行时会产生连续的水膜8，从而减小船体的行进阻力。（3）本发明还设置有主动补充凹槽水系统，确保水膜的形成：当水田中水层面断续或水量较少时，使得船体外侧不能有效补充凹槽水，会影响水膜8的连续形成，造成行进阻力较大的问题，本发明在船体前端或凹槽内安装喷水口2，进行主动补水以确保水膜的形成。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）本发明的原理与结构不同于目前的水田船式机械表面，解决了在较低速运行时行进阻力大的问题。
（2）本发明的成本低，也适用于滩涂、沼泽等环境的船式机械。
附图说明
图1为单船体的水田船式机械。
图2为多船体的水田船式机械。
图3为船体在水田上水层和泥层位置示意图
图4为本发明的一种矩形网格的凹槽网络示意图。
图5为本发明的一种平行四边形网格的凹槽网络示意图。
图6为本发明的一种六边形网格的凹槽网络示意图。
图7为本发明的仿生表面减阻结构形成水膜原理示意图。
图8为凹槽网络水流方向示意图。
图9为一种凹槽横截面为矩形的示意图。
图10为一种凹槽横截面为梯形的示意图。
图11为一种凹槽横截面为倒梯形的示意图。
图12为一种凹槽横截面为三角形的示意图。
图13为一种凹槽横截面为弧形的示意图。
图14为一种凹槽横截面为单边梯形的示意图。
图15为一种凹槽横截面为单边三角形的示意图。
图16为船体底面安装多个喷水口的原理示意图。
图17为主动补充凹槽水系统原理图。
图18为测试例1的多船板手扶式插秧机在试验水田中行进阻力和速度关系图。
图19为测试例2中试验船板A和试验船板B在相同条件下的阻力对比数据图。
其中，1、凹槽；2、喷水口；3、水箱和压力装置；4、水层；5、泥层；6、船体外表面；7、凹槽水；8、水膜；9、高压水管；10、船体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
水田船式机械仿生表面减阻结构，是仿生两栖类爬行动物的腹部表皮纹路，在与水田泥面接触的船体外表面上分布有相互联通的凹槽网络。凹槽网络中，凹槽1的槽口宽为1～40mm，深度为5～50mm；凹槽1的横截面形状可以为矩形（如图9所示）、梯形（如图10所示）、倒梯形（如图11所示）、三角形（如图12所示）、弧形（如图13所示）、单边梯形（如图14所示）、单边三角形（如图15所示），但形状不限于此，例如其它多边形和多端弧形等。凹槽网络中，单个网格的形状优选交错矩形（如图4所示）、平行四边形（如图5所示）或仿龟纹六边形（如图6所示），单个网格的形状面积为1～1000cm2，根据船体大小、表面材料和水田泥面性质不同而采取不同的网格形状和面积。
为确保水膜的形成与保持，本发明还设计了主动补充凹槽水系统。如图2所示，水田船式机械的船体前端安装有一个或多个喷水口2，在水田船式机械上设置有水箱和压力装置3，水箱和压力装置3将水箱水通过内部通道压送至喷水口2，船体前进时可补充凹槽水。还可以在水田船式机械的凹槽1中安装喷水口2，如图16所示；喷水口2的下端与凹槽1联通，上端与高压水管9密闭连接，如图17所示；高压水管9另一端密闭连接水箱和压力装置3。使用时，水箱和压力装置3产生高压，将水箱水通过高压水管9输送到喷水口2，补充船体10在行进时凹槽水的消耗，产生连续的水膜。
测试例1：外表面光滑的多船板手扶式插秧机的阻力实验
采用市场上购买的手扶式四行自动插秧机A，该机型自重175kg，双水轮和3块船板结构，船板的外表面光滑。在实验室进行该多船板插秧机的牵引试验，得到不同速度下的阻力数据，如图18所示。在试验速度范围内，低速时该插秧机的阻力较大，在速度达到0.3m/s左右时，阻力陡降，之后阻力随速度增大而缓慢增大。可见，外表面光滑的水田船式机械在泥面上运行时，只有当速度达到一定值时，阻力才符合传统规律即阻力和速度相关；但较低速情况下，由于无法形成水膜，船体与水田中泥面的粘附性增大，使得阻力具有特殊性即变得很大。
测试例2：分布有本发明仿生表面减阻结构的试验船体B和一般表面光滑的试验船体A的泥面阻力对比试验。
（1）水田环境参数为：泥脚深20cm，泥面平整，水层2-5cm，粘土泥质。
（2）对比样：外表面光滑的试验船体A，配重后为13.5kg，长宽高为50cm×50cm×2cm。
测试样：分布有本发明仿生表面减阻结构的试验船体B，配重后为13.5kg，长宽高为50cm×50cm×2cm，在其外面表加工有凹槽网络，凹槽网络将底面分割为交错矩形，单个网格形状面积为10cm×10cm；凹槽横截面为矩形，宽5mm，高10mm。
（3）试验设备有：拉力传感器，量程20kg，精度0.1kg；变速牵引装置，直线速度范围0.02-0.5m/s；激光测速测距仪；其他辅助工具，如细钢缆、固定支架和摄像机等。
（4）行进速度取0.05m/s和0.1m/s两种较低的速度值，以验证水膜是影响船体在泥面上行进阻力的主要因素和凹槽网络的实际效果。
（5）每种速度下分别交替测量3次试验船体A和试验船体B的牵引力值，最后取平均值做为该速度下船体行进阻力值，结果如图19所示。
试验数据表明，光滑表面船体在试验速度范围内阻力整体大于凹槽网络船板行进阻力，可见，采用本发明的仿生表面减阻结构可以显著降低船体在水田中低速行进时的阻力。
Claims (7)
1.一种水田船式机械仿生表面减阻结构，其特征在于：是仿生两栖类爬行动物的腹部表皮纹路，在与水田泥面接触的船体外表面上分布有相互联通的凹槽网络；设置有主动补充凹槽水系统，是在水田船式机械的船体前端安装有一个或多个喷水口，在水田船式机械上设置有水箱和压力装置，水箱和压力装置将水箱水通过内部通道压送至喷水口，船体前进时可补充凹槽水。
2.根据权利要求1所述的水田船式机械仿生表面减阻结构，其特征在于：所述主动补充凹槽水系统，是在凹槽中安装喷水口；喷水口的下端与凹槽联通，上端与高压水管密闭连接；高压水管的另一端密闭连接水箱和压力装置。
3.根据权利要求1所述的水田船式机械仿生表面减阻结构，其特征在于：所述凹槽网络中，凹槽的槽口宽为1～40mm，深度为5～50mm。
4.根据权利要求1所述的水田船式机械仿生表面减阻结构，其特征在于：所述凹槽网络中，凹槽的横截面形状为矩形、梯形、倒梯形、三角形、弧形、单边梯形或单边三角形。
5.根据权利要求1所述的水田船式机械仿生表面减阻结构，其特征在于：所述凹槽网络中，单个网格的形状为交错矩形、平行四边形或仿龟纹六边形。
6.根据权利要求1所述的水田船式机械仿生表面减阻结构，其特征在于：所述凹槽网络中，单个网格的形状面积为1～1000cm2。
7.一种权利要求1～6任一项所述的水田船式机械仿生表面减阻结构的应用，其特征在于：应用于水田、滩涂、沼泽的船式机械的外表面。
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