CN107484449A - 一种微刺鳞片型仿生几何结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微刺鳞片型仿生几何结构，适用于沙土机械触土部件表面几何结构，属于农业机械设备技术领域。本发明所述的鳞片具有仿生微刺几何结构，微刺均匀周期性依次排列分布在鳞片触土方向的三个棱边上，每个棱边上微刺数量可以为6至15个，所述仿生微刺鳞片几何结构鳞片与鳞片之间在机具触土部件上呈阵列排布。本发明可实现机械触土部件在干旱的沙土作业环境中降低与土壤表面的摩擦阻力并增强抗磨料磨损性能的作用，可适用于全国大部分沙性土壤地区。
Description
技术领域
本发明涉及一种微刺鳞片型仿生几何结构，适用于沙土机械触土部件表面几何结构，属于农业机械设备技术领域。
背景技术
在现代农业机具地面机械触土部件与土壤接触过程中，防粘减阻一直是科技人员对地面机械触土部件的研究方向。其中土壤与地面机械触土部件接触过程中产生的粘附现象有两种表现形式：一是表现为土壤与固体表面之间形成的粘附力；二是表现为土壤粘附力的作用而导致土壤在触土部件上产生严重的粘附积留现象。另外地面机械触土部件与土壤存在严重的摩擦力，从而造成较大的阻力，对摩擦研究关注两个不同的目标，一个是增大表面摩擦力，一个是减小表面摩擦力，在特定的情况下需要使摩擦力满足特定的要求。
在现代旱田农业机具仿生研究中，发现动物体表具有多种特征的几何结构。将土壤动物体表微观非光滑形态特征放大到毫米和厘米尺度，设计出具有仿生凸包机构仿生几何表面的机具被证实具有良好的防粘减阻性能，从而减少了土壤对机具触土部件造成的阻力，在现代农业生产中得到良好的推广。
不同土壤动物在适应相似的土壤内部生存环境的进化过程中，体表为了有效降低摩擦阻力和抗磨料磨损，与土壤接触的体表演化出特殊形态特征，尽管属于不同物种，但体表形态同样呈现出相似性。仿生学通过对生物体表面进一步分析研究，采用现代技术手段，进一步优化处理，实现特定的技术功能和目标。生物体表面的结构实现了人类无法完成的技术难题。运用仿生学原理解决现代农业工程中的难题是现代科技发展的一大进步，现代仿生学的研究和运用几乎涉及各个工程领域。
将土壤动物体的表面结构运用到现代农业机械的设计中，以满足工程技术需要是仿生学与农业机械设计与制造的结合。研究发现，自然界中的许多具有高效挖掘能力的土壤洞穴动物，例如土壤洞穴动物鼹鼠(Scaptochirus moschatus)、蝼蛄(Gryllotalpaorientalis Burmeister)、穿山甲(Manis pentadactyla)、臭蜣螂(Copris ochusMotschulsky)，其用于挖掘土壤的肢体外缘轮廓具有特殊的结构与形态，这些特殊的结构与形态使土壤洞穴动物掘土时爪趾能够轻而易举地切入土壤，并实现高效的连续挖掘。最大限度地减小了能量消耗，提高了工作效率，这些特征恰好可以为农业机械的仿生设计提供很好的借鉴。
上述这些仿生锯齿形结构和仿生凸包微刺结构运用到农业机具触土部件上具有一定防粘减阻的作用，但凸包微刺和锯齿形结构是通过挖掘时力的作用实现防粘减阻效果，在沙土环境中作业有一定的限制作用。
不同于具有凸包微刺和和锯齿形机构的动物体表，砂鱼蜥(Scincus scincus)在沙丘内部具有如游泳般自由移动的优异能力以在沙体内部以300mm/s的速度连续运动数公里，而且在这样持续高强度的磨损环境下，其体表仍能保持完好无损，主要是因为砂鱼蜥(Scincus scincus)体表具有微刺鳞片分布，在与砂砾的摩擦作用过程中，一部分微刺具有释放静电的作用，防止摩擦带电而吸附砂砾；另一部分微刺使鳞片所带静电的极性与沙砾相同，从而通过静电的同性相斥原理对砂砾产生排斥作用。
通过对砂鱼蜥体表鳞片的磨损特性进行研究，结果表明其耐磨特性显著优于特氟龙、玻璃甚至抛光钢材。根据仿生学把砂鱼蜥(Scincus scincus)的这些特征应用到农机具触土部件上，通过实验验证仿生以后的农机具触土部件在工作的时候起到降低摩擦阻力和抗磨料磨损作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种微刺鳞片型仿生几何结构，用于克服旱田沙性土壤触土部件摩擦力大、能耗高、磨料磨损强的问题，本发明以具有如游泳般自由移动的优异能力的砂鱼蜥体表微刺鳞片为仿生原型，进行抽象和简化，对砂鱼蜥体表微刺鳞片进行仿生几何结构设计，用于沙土作业，以达到减小摩擦力和增强抗磨料磨损性能的目标。
通过大量研究发现，自然界中的许多具有快速游动能力的爬行动物，其用于游动的肢体表面具有特殊的几何结构，这些几何结构尽管尺寸上有很大差异，但肢体表面都具有鳞片和微刺的结构特征，并且在砂鱼蜥体表面有排列较为整齐的微刺鳞片结构，基于上述发现，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：综合学习不同爬行动物体表微刺和鳞片结构，结合砂鱼蜥体表面微刺鳞片几何结构，归纳其几何结构特征共性和规律，提取、抽象并最大程度简化这些特殊的微刺鳞片结构，将其应用于沙土机械触土部件表面的仿生几何结构设计。
本发明的具体技术方案是：一种微刺鳞片型仿生几何结构，包括六边形鳞片和微刺，所述微刺均匀周期性依次排列分布在鳞片触土方向的三个棱边上，每条棱边上微刺分布为6至15个，所述鳞片与鳞片之间在机具触土部件上呈阵列排布，两个鳞片横向之间的距离a为17mm至25mm；两个鳞片纵向之间的距离b为8mm至16mm；鳞片内角Ⅰβ为100°至160°；鳞片内角Ⅱγ为30°至85°；鳞片长度W为50mm至150mm；鳞片高度H为30mm至80mm；微刺为内凹圆弧型，微刺尖端距离底面高度h为1/4R；内凹圆弧型微刺圆弧半径R为10mm至30mm；微刺与微刺之间的距离S为R至2R。
所述两个鳞片横向之间的距离a为点D1到点D2的距离，两个鳞片纵向之间的距离b为点C1到点C2的距离，距离a和距离b取值越小，降低摩擦力的能力越强。但如果距离a和距离b取值过大，则无法体现仿生的优化设计，降低摩擦力的性能减弱。综合考虑以上因素，具有仿生微刺几何机构的鳞片结构的两个鳞片横向之间的距离a为17mm至25mm，两个鳞片纵向之间的距离b为8mm至16mm。
所述鳞片内角Ⅰβ为边A1B1与边B1A2的夹角，鳞片内角Ⅱγ为边A1B1与边A1B2的夹角，鳞片内角Ⅰβ和鳞片内角Ⅱγ决定了鳞片的大小，鳞片较大时，在棱边上的微刺数量较多，移动时产生的静电效果较好，抗磨粒磨损和降低摩擦力的性能增强。但是，鳞片过大，分布在触土机具上的鳞片数量将会减少，鳞片数量减少，降低摩擦力的性能将会降低。综合考虑以上因素，具有仿生微刺几何机构的鳞片结构的鳞片内角Ⅰβ为100°至160°，鳞片内角Ⅱγ为30°至85°。
所述鳞片长度W为点A1到点A3的距离，鳞片高度H为点B1到点B2的距离，鳞片长度W和鳞片高度H决定了鳞片的面积大小，鳞片的面积会根据触土部件表面积，取最佳面积比，从而获得最好的降低摩擦力效果，面积过大时，反而会起不到降低摩擦力的效果。综合考虑以上因素，具有仿生微刺几何机构的鳞片结构的鳞片长度W为50mm至150mm，鳞片高度H为30mm至80mm。
所述微刺尖端距离底面高度h为点F1到点F2的垂直距离，h越大，微刺尖端效果越明显，产生静电效果越好，降低摩擦力和抗磨料磨损性能越强。但是考虑鳞片面积大小，微刺尖端不易过大。综合考虑以上因素，具有仿生微刺几何机构的鳞片结构微刺尖端距离底面高度h为1/4R；
所述微刺与微刺之间的距离S为点E1到点E2的距离，距离S表示两微刺之间的距离，距离越近，产生静电的效果越好，但距离过小，起不到仿生微刺效果的作用。综合考虑以上因素，具有仿生微刺几何机构的鳞片结构微刺与微刺之间的距离S为R至2R。
所述R为内凹圆弧型微刺圆弧半径，半径的取值决定了微刺的大小和微刺间的距离，半径越小，微刺间距离越小，降低摩擦力和抗磨料磨损的性能越好，但是半径减小，微刺尖端距离底面距离降低，降低摩擦力和抗磨料磨损的性能反而减弱。综合考虑以上因素，具有仿生微刺几何机构的鳞片结构内凹圆弧型微刺圆弧半径R为10mm至30mm。
其中，点A1、A2、A3、B1、B2、C1、C2、D1和D2为鳞片六边形顶点，点F1为微刺几何结构顶角的顶点，点E1、E2和F2为微刺底面与鳞片接触点。
本发明的有益效果是：具有仿生微刺几何机构的鳞片结构，用于沙土机具触土部件表面，不同于其他仿生机构，使得农业机具能够在沙土里更好的作业。添加微刺鳞片的仿生机械触土部件，在应对沙漠化严重的土壤，既能降低摩擦力，又具有抗磨料磨损的性能。在保证能耗损失减少的情况下，既达到了质量要求，同时降低材料损耗，节约了成本。所采用的仿生微刺鳞片几何结构通过采用常规传统加工设备和工艺，基于现有我国机械行业标准进一步机械加工处理，用于沙土机具触土部件表面，降低了摩擦力，极大的增强了抗磨料磨损能力，便于在全国大部分旱田和沙漠化严重的范围内推广使用。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明结构运用到凸齿镇压器上的简单示意图；
图3是凸齿镇压器上凸齿的局部放大图；
图4是本发明结构运用到旋耕刀片上的简单示意图；
图5是旋耕刀片刀面局部放大图；
图6是本发明结构运用到深松铲上的简单示意图；
图7是深松铲铲尖端部局部放大图；
图1-7中：点A1、A2、A3、B1、B2、C1、C2、D1、D2为鳞片六边形顶点，点F1为微刺几何结构顶角的顶点，点E1、E2、F2为微刺底面与鳞片接触点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-3所示，一种微刺鳞片型仿生几何结构运用到凸齿镇压器上，所述凸齿镇压器的凸齿表面上阵列分布有8个带微刺的鳞片仿生几何结构，包括六边形鳞片和微刺，所述微刺均匀周期性依次排列分布在鳞片触土方向的三个棱边上，每条棱边上微刺分布为6个，两个鳞片横向之间的距离a为17mm；两个鳞片单元纵向之间的距离b为8mm；鳞片内角Ⅰβ为100°；鳞片内角Ⅱγ为30°；鳞片长度W为50mm；鳞片高度H为30mm；鳞片表面上的微刺为内凹圆弧型微刺，微刺尖端距离底面高度h为2.5mm；内凹圆弧型微刺圆弧半径R为10mm；微刺与微刺之间的距离S为10mm。
所述两个鳞片横向之间的距离a为点D1到点D2的距离，两个鳞片纵向之间的距离b为点C1到点C2的距离，鳞片内角Ⅰβ为边A1B1与边B1A2的夹角，鳞片内角Ⅱγ为边A1B1与边A1B2的夹角，鳞片长度W为点A1到点A2的距离，鳞片高度H为点C1到点C2的距离，微刺尖端距离底面高度h为点F1到点F2的距离，微刺与微刺之间的距离S为点E1到点E2的距离，R为内凹圆弧型微刺圆弧半径；其中，点A1、A2、A3、B1、B2、C1、C2、D1、D2为鳞片六边形顶点，点F1为微刺几何结构顶角的顶点，点E1、E2、F为微刺底面与鳞片接触点。
该实施例中微刺几何结构特点是：微刺数量少，与土壤接触时产生静电效果较弱；两微刺距离小，微刺尖端距离底面低，微刺几何结构排列紧密，其作用于土壤时的抗磨料磨损性能较强；鳞片与鳞片之间距离小，弥补了微刺数量少的缺点，能够有效降低摩擦力；在沙土机械触土部件作用于土壤作业时有较好的抗磨料磨损性能和降低摩擦力的性能。
实施例2：如图4-5所示，本实施例为微刺鳞片型仿生几何结构运用到旋耕刀片上，其余部分与实施例1相同，其中旋耕刀片表面上阵列分布有8个带微刺的鳞片仿生几何结构，微刺在六边形鳞片触土的三个棱边上呈周期性依次排列分布，每条边上分布有15个，两个鳞片横向之间的距离a为25mm；两个鳞片单元之间的距离b为16mm；鳞片内角Ⅰβ为160°；鳞片内角Ⅱγ为85°；鳞片长度W为150mm；鳞片高度H为80mm；鳞片表面上的微刺为内凹圆弧型微刺，微刺尖端距离底面高度h为7.5mm；内凹圆弧型微刺圆弧半径R为30mm；微刺与微刺之间的距离S为60mm；微刺几何结构，鳞片在旋耕刀片上呈周期性排列。
该实施例中微刺几何结构特点是：微刺数量多，与土壤接触时产生静电效果较好；两微刺距离大，微刺尖端距离底面高，微刺几何结构排列疏松，其作用于土壤时的抗磨料磨损性能较弱；鳞片与鳞片之间距离大，减少了鳞片数量，降低了鳞片制造成本；在沙土机械触土部件作业时有更好抗磨料磨损的性能。
实施例3：如图6-7所示，本实施例为微刺鳞片型仿生几何结构运用到深松铲上，其余部分与实施例1相同，其中深松铲表面上阵列分布有6个带微刺的鳞片仿生几何结构，微刺在六边形鳞片触土的三个棱边上呈周期性依次排列分布，每条边上分布有10个，两个鳞片横向之间的距离a为21mm；两个鳞片纵向之间的距离b为12mm；鳞片内角Ⅰβ为130°；鳞片内角Ⅱγ为60°；鳞片长度W为100mm；鳞片高度H为55mm；鳞片表面上的微刺为内凹圆弧型微刺，微刺尖端距离底面高度h为5mm；内凹圆弧型微刺圆弧半径R为20mm；微刺与微刺之间的距离S为30mm；微刺几何结构在鳞片棱边上呈周期性依次排列，鳞片在深松铲上呈周期性排列。
该实施例中微刺几何结构特点是：微刺数量取中间值，与土壤接触时产生静电效果较好；两微刺距离取中间值，微刺尖端距离底面取中间值，微刺几何结构排列适中，其作用于土壤时的抗磨料磨损性能较好；鳞片单元与鳞片单元距离取中间值，使微刺鳞片排列较为适中，避免增加制造成本；取中间值的优点是，使鳞片和微刺在排列配合上达到较优的组合，微刺和鳞片数量适中，节约了成本，同时在沙土机械触土部件作业时有更好的降低摩擦力和抗磨料磨损的性能。
上面结合附图对本发明专利的具体实施例作了详细说明，但是本发明专利并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明专利宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种微刺鳞片型仿生几何结构，其特征在于：包括六边形鳞片和微刺，所述微刺均匀周期性依次排列分布在鳞片触土方向的三个棱边上，每条棱边上微刺分布为6至15个，所述鳞片与鳞片之间在机具触土部件上呈阵列排布，两个鳞片横向之间的距离a为17mm至25mm；两个鳞片纵向之间的距离b为8mm至16mm；鳞片内角Ⅰβ为100°至160°；鳞片内角Ⅱγ为30°至85°；鳞片长度W为50mm至150mm；鳞片高度H为30mm至80mm；微刺为内凹圆弧型，微刺尖端距离底面高度h为1/4R；内凹圆弧型微刺圆弧半径R为10mm至30mm；微刺与微刺之间的距离S为R至2R。
2.根据权利要求1所述的微刺鳞片型仿生几何结构，其特征在于：所述两个鳞片横向之间的距离a为点D1到点D2的距离，两个鳞片纵向之间的距离b为点C1到点C2的距离，鳞片内角Ⅰβ为边A1B1与边B1A2的夹角，鳞片内角Ⅱγ为边A1B1与边A1B2的夹角，鳞片长度W为点A1到点A3的距离，鳞片高度H为点B1到点B2的距离，微刺尖端距离底面高度h为点F1到点F2的垂直距离，微刺与微刺之间的距离S为点E1到点E2的距离，R为内凹圆弧型微刺圆弧半径；其中，点A1、A2、A3、B1、B2、C1、C2、D1和D2为六边形鳞片顶点，点F1为微刺几何结构顶角的顶点，点E1、E2和F2为微刺底面与鳞片接触点。
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