CN202663766U - 一种仿竹耐磨表面 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿竹耐磨表面，其为仿竹截面纤维的柱状仿生凸起结构，仿生凸起结构中心有半球状凹坑，凹坑半径为r，1mm≤r≤5mm，仿生凸起结构的外轮廓满足以下数学表达式：其中的x和y 代表二维坐标系中的x轴和y轴；R为外廓线半径，r≤R≤5r，外轮廓线中心位于仿生凸起中结构心的半球状凹坑边缘，仿生凸起高为H，H<5mm；所述相邻仿生凸起结构按照菱形方式排列；本实用新型具有良好耐磨性和脱附性能。

Description

一种仿竹耐磨表面

技术领域

本实用新型涉及一种仿竹耐磨表面，更具体的说，本实用新型涉及一种用以提高农业机械触土部件耐磨性能和使用寿命的仿生耐磨表面。

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，因此提高农业机械触土部件的耐磨性，从而延长部件的使用寿命，降低频繁更换部件所带来的成本成为农业机械触土部件研究领域的重要课题。

在提高触土部件的耐磨性，降低生产成本和耕作阻力等方面，国内外均有专利报道。目前，专利成果主要集中在新材料应用和仿生技术应用两个方面。采用耐磨材料生产农业机械触土耕作部件，采用新型加工处理技术对农业机械触土耕作部件进行处理都可以明显提高部件的耐磨性和使用寿命：

1、中国专利申请号为：01133458.4，公告日为2005.01.26，发明名称为“仿生非光滑耐磨复合涂层及其制备方法”公开了一种非光滑耐磨复合涂层以多元铜基钎料作粘结合金，将增强耐磨硬质点颗粒与基体钢连接，在基体钢的表面形成一非光滑耐磨复合涂层，多元铜基钎料的成分为：锌，锰，镍，锡，硅，稀土，余量铜；钎剂的成分为：硼酸与硼砂的混合物，并加入少量氟化物；增强耐磨硬质点颗粒的成分为碳化物，粒度为50～100目，加入总量在：20～80Wt％。非光滑耐磨复合涂层的制备方法：将多元铜基钎料按上述组成成分的配制冶炼后，制成颗粒大小为20～80目粉末，按质量百分比：30～70%与20～80%的碳化钨、碳化钛、碳化硅中的一种、二种或三种以及钎剂1～3均匀混合，通过加热多元铜基钎料和钎剂熔化后，多元铜基钎料将硬质点钎焊在基体碳钢表面形成一非光滑耐磨复合涂层。以提高出土机械部件的耐磨性。

2、中国专利，公告日为1994.01.26，申请号：91106940.2，发明名称为“高寿命采掘元件耐磨材料及其制造方法”公开了了一种耐磨材料，用于农业、矿山、国防等工程机械中采掘元件的加工，以一般钢材为母材，表面喷焊一层过渡层和一层耐磨层，过渡层含Cr、B、Si、Ni组份，耐磨层为WC和粘接金属的融熔物，其中WC含量50～70%，粘结金属含Cr、B、Si、Cu、Ni组分。

仿生学研究表明，动植物经过亿万年的进化，已经具有了适应不同环境的结构和功能，在农业机械领域，受到土壤动物特点的启发，对土壤动物挖掘器官及挖掘动作的分析，采用模拟典型土壤动物的形态学特征和生物特性的方法，开发出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、申请号为：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”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，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、申请号为：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。该实用新型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、申请号为：201010166033.5，公告日为2009.12.16，实发明名称为“仿生减阻起垄器铲面及其设计方法”。创造描述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。

比较已报道专利可知，已有通过应用新材料，新加工技术提高农业机械触土部件耐磨性及使用寿命的专利报道，同时也有通过对土壤动物的形态学特征和生物特性进行分析模拟所研制的仿生耐磨结构或仿生耐磨表面用于农业机械触土耕作部件的专利申请公开。但目前通过对植物结构进行分析模拟所设计的仿生耐磨结构还未见公开。

竹同时具有中空结构和纤维增强结构，具有良好的机械性能，此外，实验研究表明，竹具有良好的耐磨性能和脱附性能。本实用新型通过对竹微观结构的分析研究，设计了一种仿竹耐磨表面，用以提高农业机械触土部件的耐磨性和使用寿命。

发明内容

本实用新型的目的是为了提高农业机械触土耕作部件的耐磨性及使用寿命，降低耕作部件频繁更换所带来的成本，而提供一种仿竹耐磨表面。

竹同时具有中空结构和纤维增强结构，具有良好的机械性能，此外，实验研究表明，竹具有良好的耐磨性能和脱附性能。本实用新型通过对竹微观结构的分析研究，提供一种仿竹耐磨表面，用以提高农业机械触土部件的耐磨性和使用寿命。这种仿竹耐磨仿生表面是由一种仿竹纤维截面结构的耐磨仿生表面凸起及仿生凸起的特定排列方式共同组成的。

本实用新型为农业机械触土部件设计了一种仿竹耐磨仿生表面。通过对竹纤维微观结构，排列方式以及耐磨和脱附机制的分析，设计了一种仿竹纤维截面形状的耐磨仿生凸起，同时依据竹纤维在竹中得分布方式，设计了耐磨仿生凸起的排列方式。

本实用新型为仿竹截面纤维的柱状仿生凸起结构，仿生凸起结构中心有半球状凹坑，凹坑半径为r，1mm≤r≤5mm，仿生凸起结构的外轮廓满足以下数学表达式：

其中的x和y 为二维坐标系中的x轴和y轴。

其中R为外廓线半径，r≤R≤5r，外轮廓线中心位于仿生凸起中结构心的半球状凹坑边缘，仿生凸起高为H，H<5mm；

所述耐磨仿生凸起结构的排列方式是：相邻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：

$10<\frac{L}{H}<20$

菱形排列中较长的对角线与滑动方向一致。

上述耐磨仿生凸起结构与仿生凸起结构的排列方法共同组成了本实用新型所述的一种仿竹耐磨表面。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

本实用新型所述的一种仿竹耐磨表面是针对于农业机械触土耕作工作部件的磨损问题，通过对竹纤维结构和排列方式的模仿，形成了具有良好耐磨性和脱附性能的仿竹耐磨表面。实验结果表明，采用本实用新型所设计的仿竹耐磨表面的农业机械触土耕作部件与同类光滑表面部件相比，作业过程中的阻力没有明显增加，耐磨性平均增加4~7%，脱附能力显著增加。

附图说明

图1为竹材截面磨损表面显微照片。

图2、图3为本实用新型的仿生凸起结构示意图。其中，图2是俯视图，图3是主视图。

图4为本实用新型的仿生凸起结构的排列方式示意图。

图5、图6和图7为实用新型应用于开沟器的示意图。其中图5是主视图，图6是左视图，图7是俯视图。

具体实施方式

本实用新型依据竹的耐磨特性和结构特点设计了一种仿竹仿生耐磨表面。竹具有良好的机械性能，这得益于竹的中空结构和纤维增强结构，同时，研究表面，竹的纤维增强结构使竹具有良好的耐磨性和脱附性能，因此此种结构适合于应用在农业机械触土部件的仿生耐磨表面设计领域。对竹磨损面的纤维结构分析发现，对耐磨性能起重要作用的竹纤维呈规则的对称形状，中心存在凹坑结构，竹纤维在竹中呈菱形分布，如图1所示。同时实验表明，竹纤维中心的凹坑结构可以明显降低竹在与土壤的磨损过程中土壤的粘附作用，提高竹的脱附性能。

本实用新型结合竹纤维的微观结构和竹纤维在竹中得分布方式设计了用于农业机械触土部件表面的仿竹耐磨表面，包括仿竹纤维结构的仿生凸起结构及仿生凸起结构的排列方法。本实用新型仿照竹纤维的截面形状轮廓设计了耐磨仿生凸起结构，仿生凸起结构为仿竹截面纤维的柱状仿生凸起结构，仿生凸起结构1中心有半球状凹坑2，凹坑2半径为r，1mm≤r≤5mm，仿生凸起结构1的外轮廓满足以下数学表达式：

其中的x和y 为二维坐标系中的x轴和y轴。

其中R为外廓线半径，r≤R≤5r，外轮廓线中心位于仿生凸起结构1中心的半球状凹坑2边缘，仿生凸起结构1高为H，H<5mm。如图2、图3所示；本实用新型还仿照竹纤维在竹中得分布方式，设计了耐磨仿生凸起结构1的排列方式：相邻仿生凸起结构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与凸起高度H满足以下关系：

$10<\frac{L}{H}<20$

菱形排列中较长的对角线与滑动方向一致，如图4所示；上述耐磨仿生凸起结构1与仿生凸起结构1的排列方法共同组成了本实用新型所述的一种仿竹耐磨表面。

如图5、图6和图7所示，开沟器3是常用触土耕作部件，常在播种，中耕时应用，由于开沟器3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。将本实用新型之仿竹仿生耐磨表面应用到开沟器3上。开沟器3由铸造方法生产，开沟器表面具有耐磨仿生凸起结构1，其中r=1.5mm，R=4mm，仿生凸起结构高度H=2mm；仿生凸起结构1按照图4所示排列方法进行排列，其中菱形排列中较小夹角角度为30o，相邻仿生凸起结构中心间距离为20mm，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)

1.一种仿竹耐磨表面，其特征在于：其为仿竹截面纤维的柱状仿生凸起结构，仿生凸起结构中心有半球状凹坑，凹坑半径为r，1mm≤r≤5mm，仿生凸起结构的外轮廓满足以下数学表达式：

其中的x和y 为二维坐标系中的x轴和y轴；

其中R为外廓线半径，r≤R≤5r，外轮廓线中心位于仿生凸起中结构心的半球状凹坑边缘，仿生凸起高为H，H<5mm；

所述相邻仿生凸起结构按照菱形方式排列。

2.根据权利要求1所述的一种仿竹耐磨表面，其特征在于：所述的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：

$10<\frac{L}{H}<20$

菱形排列中较长的对角线与滑动方向一致。

Images