CN109451884B - 一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙 - Google Patents

一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，属农业整地机械领域。本发明包括滚动篮、仿生耙片、机架；滚动篮设置在机架上，滚动篮上设有仿生耙片，仿生耙片包括具有仿生棱纹鳞片结构的触土表面和仿生锯齿结构的刃口。具有仿生棱纹鳞片结构的触土表面，鳞片形状为椭圆形：x2/a2+y2/b2=1，a为长轴5mm~15 mm，b为短轴5 mm~110 mm，鳞片厚度H为0.5 mm至2 mm，鳞片上有仿生棱纹结构，棱纹截面为半圆、三角形和二次函数曲线；具有仿生锯齿结构的刃口，锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线。本发明可以减少3%~5%的工作阻力及5%~16%的磨损率，具有一定的耐磨减阻效果。

Description

一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙
技术领域
本发明涉及一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，属于农业整地机械技术领域。
背景技术
随着整体式联合作业机具的发展，滚动耙的使用越来越普遍，根据不同的耕作要求，其结构形式也越来越多样化。滚动耙在一定程度上兼有镇压器和耙的某些作用，可以使土壤表层破碎，形成疏松细碎平整的地表，以利保墒，也可以使下层土壤得到一定压实，增加毛细管作用,使下层土壤水份上升，有利于种子发芽。但是目前滚动耙在工作过程中与土壤间存在较大的黏附，滚动耙耙片磨损严重以及作业阻力大等问题。
为解决上述问题，将土壤生物的特征结构应用到了滚动耙的设计之中。通过研究发现，自然界存在许多生物在土壤中挖穴和移动的时候，具有高效的破土能力，如臭蜣螂和鼹鼠，这与它们爪趾所具有的特殊结构有关；以及砂鱼蜥在沙土内部具有如游泳般自由移动的优异能力，其在沙土中高速移动，体表受到持续高强度磨损但未发生损伤，其极强的抗磨料磨损特性和低摩擦系数，与砂鱼蜥鳞片外表面的特殊形态有关。这些特征为农机具的仿生设计提供了很好的借鉴，从而设计了一种具有土壤生物特性的仿生滚动耙。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，目的在于解决滚动耙在工作过程中与土壤间存在土壤黏附、磨料磨损严重以及作业阻力大等问题；本发明设计的仿生锯齿结构的刃口的耙片比普通耙片更易破土除茬，设计的仿生触土表面相比于普通光滑表面的耐磨性更好，阻力也相对减少。
本发明技术方案是：一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，包括滚动篮1、仿生耙片2、机架3；滚动篮1设置在机架3上，滚动篮1上设有仿生耙片2，仿生耙片2包括具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面和仿生锯齿结构的刃口。
进一步地，所述具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面，鳞片形状为椭圆形：x2/a2+y2/b2 = 1，a为长轴，取值范围为5mm~15 mm，b为短轴，取值范围为5 mm~10 mm，鳞片厚度H取值范围为0.5 mm~2 mm。
进一步地，所述鳞片上有仿生棱纹结构6，棱纹截面为半圆形、三角形或二次函数曲线形式，棱纹高度h的取值范围均为0.5 mm~2 mm，棱纹间距为0.5 mm~2 mm；所述二次函数曲线形棱纹截面，其函数为y = cx2，c为0.5~1。
进一步地，所述具有仿生锯齿结构的刃口5，锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线，其左侧函数为y = dx3，d的取值范围为0.002~0.02。
进一步地，所述仿生耙片2投影到滚动篮1中心线所在平面时与滚动篮1中心线形成的夹角为5°~15°，每个滚动篮1上仿生耙片2数量为8~12片。仿生耙片2的数量与土壤性质有关，对于硬度较大的土壤设置较多耙片与较大倾角，对于硬度较小的土壤可设置较少的耙片与较小倾角。
本发明的有益效果是：
1、本发明解决了滚动耙在工作过程中与土壤间存在土壤黏附、磨料磨损严重以及作业阻力大等问题；本发明能减少3%~5%的工作阻力及5%~16%的磨损率，具有一定的耐磨减阻效果；
2、本发明对土壤动物体表微刺鳞片表面和爪趾进行仿生，设计了具有砂鱼蜥体表鳞片表面微观结构特征的滚动耙仿生触土表面，以及具有臭蜣螂爪趾和鼹鼠爪趾锯齿结构的滚动耙仿生刃口；
3、本发明设计的仿生锯齿刃口的耙片比普通耙片更易破土除茬；同时也结合了砂鱼蜥体表鳞片微刺结构，设计的仿生触土表面相比于普通光滑表面的耐磨性更好，作业时与土壤间阻力也相对减少，使滚动耙能发挥出更好的效果。
附图说明
图1是本发明仿生滚动耙结构示意图；
图2是仿生耙片的正视图；
图3是仿生耙片的局部表面放大示意图；
图4-1是仿生耙片的侧视图；
图4-2是仿生耙片的侧视放大示意图；
图5是轮廓为x2/7.52+y2/52= 1，棱纹截面为半圆形，R=0.5 mm的鳞片结构示意图；
图5-1是图5半圆形棱纹截面鳞片的正视图；
图5-2是图5半圆形棱纹截面鳞片的侧视图；
图5-3是曲线为y =0.02 x3的仿生刃口示意图；
图6是轮廓为x2/102+y2/7.52 = 1，棱纹截面为三角形，h=1 mm的鳞片结构示意图；
图6-1是图6三角形棱纹截面鳞片的正视图；
图6-2是图6三角形棱纹截面鳞片的侧视图；
图6-3是曲线为y =0.015 x3的仿生刃口示意图；
图7是轮廓为x2/122+y2/82= 1，棱纹截面为二次曲线型，y = x2的鳞片结构示意图；
图7-1是图7二次曲线型棱纹截面鳞片的正视图；
图7-2是图7二次曲线型截面鳞片的侧视图；
图7-3是图7鳞片截面的二次曲线示意图；
图7-4是曲线为y =0.0025 x3的仿生刃口示意图。
图中各标号：1-滚动篮，2-仿生耙片，3-机架，4-仿生棱纹鳞片结构，5-仿生锯齿结构的刃口，6-仿生棱纹结构。
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、图2、图3、图4-1、图4-2、图5、图5-1、图5-2、图5-3所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，主要由滚动篮、仿生耙片和机架组成，滚动篮1上设有仿生耙片2，仿生耙片2包括具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面和仿生锯齿结构的刃口5；
进一步地，所述具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面的鳞片微刺结构，鳞片形状为椭圆形，根据滚动篮1侧板和耙片结构对长轴a和短轴b进行赋值，取a=7.5 mm，b=5 mm，即：x2/7.52+y2/52 = 1，取鳞片厚度H=0.5 mm；
进一步地，所述鳞片上分布有仿生棱纹结构6，棱纹截面为半圆型，取半圆半径R=0.5 mm，则棱纹高度为0.5 mm，棱纹间距为0.5 mm；
进一步地，所述具有仿生锯齿结构的刃口5，锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线，以y轴为对称轴，其左侧函数为y = dx3，其中参数d取0.02，即：y =0.02 x3，x取-10 mm至0 mm，则锯齿高度D=20 mm；
该实施例的效果为：鳞片尺寸较小，分布较密，仿生触土表面明显优于普通光滑表面的耐磨性能，耙片磨损率减少了12%，但是鳞片厚度较小，使得耙片在工作过程中减阻效果一般，相较于普通耙片减少了3%的工作阻力；又由于锯齿函数曲线参数较大，锯齿结构较为紧密且刃口锐利，耙片破土除茬效果好。
实施例2：如图1、图2、图3、图4-1、图4-2、图6，图6-1，图6-2，图6-3所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，主要由滚动篮、仿生耙片和机架组成，仿生耙片具有仿生棱纹鳞片结构的触土表面和仿生锯齿结构的刃口；
进一步地，所述具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面的鳞片微刺结构，鳞片形状为椭圆形，根据滚动篮1侧板和耙片结构对长轴a和短轴b进行赋值，取a=10 mm，b=7.5 mm，即：x2/102+y2/7.52 = 1，取鳞片厚度H=1 mm；
进一步地，所述鳞片上分布有仿生棱纹结构6，棱纹截面为三角形，取三角形的高h=1 mm，则棱纹高度为1 mm，棱纹间距为1 mm；
进一步地，所述具有仿生锯齿结构的刃口，锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线，以y轴为对称轴，其左侧函数为y = dx3，其中参数d取0.015，即：y =0.015 x3，x取-10 mm至0mm，则锯齿高度D=15 mm；
该实施例的效果为：鳞片尺寸增大，分布仍较密，由于是三角形棱纹，棱纹较为尖锐，仿生触土表面耐磨性比较一般，耙片磨损率减少了6%，鳞片厚度适中，耙片在工作过程中减阻效果较好，相较于普通耙片减少了5%的工作阻力；锯齿函数曲线参数减小，锯齿结构较为紧密，刃口锐利度减小，耙片破土除茬效果良好。
实施例3：如如图1、图2、图3、图4-1、图4-2、图7，图7-1，图7-2，图7-3，图7-4所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，主要由滚动篮、仿生耙片和机架组成，仿生耙片具有仿生棱纹鳞片结构的触土表面和仿生锯齿结构的刃口；
进一步地，所述仿生触土表面的鳞片微刺结构，鳞片形状为椭圆形，根据滚动篮侧板和耙片结构对长轴a和短轴b进行赋值，取a=12 mm，b=8 mm，即：x2/122+y2/82 = 1，取鳞片厚度H=0.5 mm；
进一步地，所述鳞片上分布有仿生棱纹结构，棱纹截面为二次曲线，所述二次函数曲线形棱纹截面，其函数为y = cx2，y为曲线高度，参数c取1，即：y = x2，x取-1 mm至1 mm，则棱纹高度为1 mm，棱纹间距为1 mm；
进一步地，所述具有仿生锯齿结构的刃口，锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线，以y轴为对称轴，其左侧函数为y = dx3，其中参数d取0.0025，即：y =0.0025 x3，x取-20 mm至0 mm，则锯齿高度D=20 mm；
该实施例的效果为：鳞片尺寸和棱纹间距较大，二次曲线形式使得仿生触土表面的耐磨效果和减阻效果较好，相较于普通耙片减少了15%的磨损率和4%的工作阻力；又由于锯齿函数曲线参数较小，锯齿结构较为宽松，刃口锐利度小，耙片破土除茬效果仍好于普通耙片。
实施例4：如图1、2、3、4-1、4-2所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，本实施例与实施例1-3任一个相同，不同之处在于：
进一步地，所述仿生耙片2投影到滚动篮1中心线所在平面时与滚动篮1中心线形成的夹角为5°，每个滚动篮1上仿生耙片2数量为8片。仿生耙片2的数量与土壤性质有关，对于硬度较大的土壤设置较多耙片与较大倾角，对于硬度较小的土壤可设置较少的耙片与较小倾角。
实施例5：如图1、2、3、4-1、4-2所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，本实施例与实施例1-3任一个相同，不同之处在于：
进一步地，所述仿生耙片2投影到滚动篮1中心线所在平面时与滚动篮1中心线形成的夹角为10°，每个滚动篮1上仿生耙片2数量为10片。仿生耙片2的数量与土壤性质有关，对于硬度较大的土壤设置较多耙片与较大倾角，对于硬度较小的土壤可设置较少的耙片与较小倾角。
实施例6：如图1、2、3、4-1、4-2所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，本实施例与实施例1-3任一个相同，不同之处在于：
进一步地，所述仿生耙片2投影到滚动篮1中心线所在平面时与滚动篮1中心线形成的夹角为15°，每个滚动篮1上仿生耙片2数量为12片。仿生耙片2的数量与土壤性质有关，对于硬度较大的土壤设置较多耙片与较大倾角，对于硬度较小的土壤可设置较少的耙片与较小倾角。
实施例7：如图1、2、3、4-1、4-2所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，包括滚动篮1、仿生耙片2、机架3；滚动篮1设置在机架3上，滚动篮1上设有仿生耙片2，仿生耙片2包括具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面和仿生锯齿结构的刃口5。
进一步地，所述具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面，鳞片形状为椭圆形：x2/a2+y2/b2 = 1，a为长轴，取值范围为5mm，b为短轴，取值范围为5 mm，鳞片厚度H取值范围为0.5mm。
进一步地，所述鳞片上有仿生棱纹结构6，棱纹截面为半圆形、三角形或二次函数曲线形式，棱纹高度h的取值范围均为0.5 mm，棱纹间距为0.5 mm；所述二次函数曲线形棱纹截面，其函数为y = cx2，c为0.5。
进一步地，所述具有仿生锯齿结构的刃口5，锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线，其左侧函数为y = dx3，d的取值范围为0.002。
进一步地，所述仿生耙片2投影到滚动篮1中心线所在平面时与滚动篮1中心线形成的夹角为5°，每个滚动篮1上仿生耙片2数量为8片。仿生耙片2的数量与土壤性质有关，对于硬度较大的土壤设置较多耙片与较大倾角，对于硬度较小的土壤可设置较少的耙片与较小倾角。
实施例8：如图1、2、3、4-1、4-2所示，一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，包括滚动篮1、仿生耙片2、机架3；滚动篮1设置在机架3上，滚动篮1上设有仿生耙片2，仿生耙片2包括具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面和仿生锯齿结构的刃口5。
进一步地，所述具有仿生棱纹鳞片结构4的触土表面，鳞片形状为椭圆形：x2/a2+y2/b2 = 1，a为长轴，取值范围为15 mm，b为短轴，取值范围为10 mm，鳞片厚度H取值范围为2mm。
进一步地，所述鳞片上有仿生棱纹结构6，棱纹截面为半圆形、三角形或二次函数曲线形式，棱纹高度h的取值范围均为2 mm，棱纹间距为2 mm；所述二次函数曲线形棱纹截面，其函数为y = cx2，c为0.8。
进一步地，所述具有仿生锯齿结构的刃口5，锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线，其左侧函数为y = dx3，d的取值范围为0.02。
进一步地，所述仿生耙片2投影到滚动篮1中心线所在平面时与滚动篮1中心线形成的夹角为15°，每个滚动篮1上仿生耙片2数量为12片。仿生耙片2的数量与土壤性质有关，对于硬度较大的土壤设置较多耙片与较大倾角，对于硬度较小的土壤可设置较少的耙片与较小倾角。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明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宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于土壤生物特性的仿生滚动耙，其特征在于：包括滚动篮（1）、仿生耙片（2）、机架（3）；滚动篮（1）设置在机架（3）上，滚动篮（1）上设有仿生耙片（2），仿生耙片（2）包括具有仿生棱纹鳞片结构（4）的触土表面和仿生锯齿结构的刃口；
所述具有仿生棱纹鳞片结构（4）的触土表面，鳞片形状为椭圆形：x2/a2+y2/b2 = 1，a为长轴，取值范围为5mm~15 mm，b为短轴，取值范围为5 mm~10 mm，鳞片厚度H取值范围为0.5mm~2 mm；
所述鳞片上有仿生棱纹结构（6），棱纹截面为半圆形、三角形或二次函数曲线形式，棱纹高度h的取值范围均为0.5 mm~2 mm，棱纹间距为0.5 mm~2 mm；所述二次函数曲线形棱纹截面，其函数为y = cx2，c为0.5~1；
所述具有仿生锯齿结构的刃口（5），锯齿形状为两侧对称的三次函数曲线，其左侧函数为y = dx3，d的取值范围为0.002~0.02；
所述仿生耙片（2）投影到滚动篮（1）中心线所在平面时与滚动篮（1）中心线形成的夹角为5°~15°，每个滚动篮（1）上仿生耙片（2）数量为8~12片。
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