CN207235388U - 一种带微刺的凸包仿生几何结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种带微刺的凸包仿生几何结构，属于农业机械触土部件节能减阻技术领域。本实用新型包括若干个分布在机具触土部件表面上的半球体凸包，每个凸包表面分布有2个以上的仿生微刺几何结构，两个仿生微刺几何结构之间的夹角α为0°～90°，α为OA1边与OA2边夹角，点O为凸包半球体的球心，点A1为其中一个微刺几何结构顶角的顶点，点A2为相邻微刺几何结构顶角的顶点。本实用新型在保证现有表面具有凸包结构的旱田机械防粘减阻作用的同时，可进一步加强机械触土部件对水田土壤的防粘减阻作用，并且，在水田作业条件下实现了现有技术无法达到的防粘减阻能力，可适用于全国大部分水田地区。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种带微刺的凸包仿生几何结构，适用于水田农业机具触土部件表面，属于农业机械触土部件节能减阻技术领域。
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，发现土壤动物体表呈现粗糙形态和多种特征的几何结构。其中体表的几何结构的特点是：一定形状的几何单元体规则地或随机地分布在体表触土部位。将土壤动物体表凸包结构放大到毫米和厘米尺度，设计的仿生非光滑结构表面农业机具触土部件，实具有良好的防粘性能，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。
尽管在旱田农业机具仿生研究中，土壤动物体表凸包结构在触土部件上得到了较好的运用，对防粘减阻起到了较好的效果。但当农业机具在水田中使用时，土壤行为的复杂性使防粘减阻难以得到较好的控制，凸包在触土部件上的使用对防粘减阻有一定的范围限制。对于粘湿严重的土壤，土壤粘附严重降低地面机械的作业效率和作业质量、增大能耗，甚至使机械无法作业。
然而，目前公知的具有仿生几何结构的旱田农机具触土部件往往采用单一的表面凸包形式，尽管在旱作地区有优异的作业效果，在水田作业区实际推广中发现，对土壤的防粘减阻有一定的制约作用，我国广大水田地域，土壤物理特性不同，对于防粘减阻的需求也不同。针对上述问题，需要最大程度的优化农机具触土部件表面仿生几何结构形式，使其防粘减阻能力更强，从而使性能更加优异的仿生农机具触土部件在我国各个地区实现推广。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供一种具有微刺的凸包仿生几何结构，用于克服水田土壤触土部件粘附力大、阻力大、能耗高的问题，本实用新型以具有高效挖掘能力的克氏原螯虾螯部为仿生原型，进行抽象和简化，对克氏原螯虾螯部凸包进行仿生几何结构设计，用于水田作业，以达到防粘减阻的目标。
本实用新型采用的技术方案是：一种带微刺的凸包仿生几何结构，包括若干个分布在机具触土部件表面上的半球体凸包，每个凸包表面分布有2个以上的仿生微刺几何结构，两个仿生微刺几何结构之间的夹角α为0°～90°，α为OA1边与OA2边夹角，点O为凸包半球体的球心，点A为微刺几何结构顶角的顶点，点B为微刺几何结构顶角顶点投影至凸包半球体上的点，点A1为其中一个微刺几何结构顶角的顶点，点A2为相邻微刺几何结构顶角的顶点；仿生微刺几何结构与凸包底平面夹角β为30°～90°，β为AB边与OB边的夹角；凸包的直径为D，微刺突出球面开始到微刺尖端的距离为微刺长度L，L=1/4D；微刺尖端距离凸包底面的高度为H，H为AB边到OC1边的距离，H为0 mm至1/2D；相邻两凸包之间距离为L0，L0为17.5 mm～22.5 mm；点C1为凸包半球体底面圆上的一点，点C2为凸包半球体圆弧上的一点。
优选地，所述的微刺几何结构在凸包球面呈周期性依次排列。
优选地，所述的若干个凸包在机具触土部件表面上呈阵列排布。
优选地，所述的每个凸包表面分布有2～4个仿生微刺几何结构。
优选地，所述的D=20 mm。
优选地，所述的L0=20 mm。
所述两微刺之间夹角α为OA1边与OA2边夹角，微刺间夹角α是反映防粘能力的角度，微刺间夹角较小，则防粘能力较强，土壤粘附在触土部件表面能力差。但如果微刺间夹角过小，则无法起到防粘作用，触土部件工作时若遇到粘性较强土壤，无法凸显出微刺在凸包上的作用；若微刺间夹角增大，防粘能力加强，但若过大，微刺在凸包上的分布距离较远，两微刺无法起到防粘互补作用，防粘效果反而减弱。综合考虑以上因素，具有仿生微刺几何机构的凸包结构两微刺夹角设置为0°至90°。
所述微刺与凸包底平面夹角β为AB边与OB边的夹角，夹角β是微刺在凸包上的另外一个基本角度，它直接影响微刺对土壤材料的摩擦力的大小，从而影响触土部件对土壤作用过程中的阻力的大小。夹角β增大，触土部件作用土壤过程中，摩擦力相应减小。但夹角β过大，土壤相对于微刺的挤压力逐渐增大，摩擦力也随之增大。综合考虑以上因素，微刺与凸包底平面夹角β设置为30°至90°。
所述微刺尖端距离凸包底面的高度H为AB边到OC1边的距离；反映微刺相对凸包防粘减阻时间的先后，为0 mm至1/2D。
所述微刺长度为微刺几何机构的大小L，为1/4D。
所述微刺个数反映微刺防粘减阻能力的强弱，微刺个数为2至4个；微刺几何结构在凸包球面呈周期性依次排列；
如图3所示，点O1和O2分别为微刺几何结构中心点在凸包半球体几何结构上的投影点，微刺几何结构中心点指的微刺底面三角形中心线的交点，S1表示相邻两微刺几何结构中心点在凸包半球体几何结构上的投影点的直线距离；S2表示一个微刺几何结构中心点在凸包半球体几何结构上的投影点到凸包垂直中心线的距离；S2表示一个微刺几何结构中心点在凸包半球体几何结构上的投影点到凸包水平面的距离；S1\S2\S3的数值确定了微刺在凸包上的位置。
本实用新型的理论来源是：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，如蝼蛄(Gryllotalpaorientalis Burmeister)、鼹鼠(Scaptochirusmoschatus)和臭蜣螂(Coprisochus Motschulsky)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。
通过大量研究发现，自然界中的许多具有高效挖掘能力的土壤洞穴动物，其用于挖掘土壤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，但肢体表面都具有凸包的结构特征，其中，克氏原螯虾螯部凸包表面的独特之处在于，排列较为整齐的微刺结构，克氏原螯虾（Procambarus clarkii）善于在田埂、堤坝等土壤潮湿的地方掘洞，所处的环境与水田环境相似。克氏原螯虾体表结构的多种特征协同作用使克氏原螯虾在掘洞过程中实现了脱附降阻的功能并提高了其体表的耐磨性。根据仿生学设计方法，把克氏原螯虾的这些具有微刺结构的凸包特征应用到农机具触土部件上，通过实验已验证仿生以后的农机具触土部件在工作的时候起到防粘减阻的作用。
本实用新型综合学习不同土壤洞穴动物挖掘器官表面凸包结构，结合克氏原螯虾螯部凸包表面微刺几何结构，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凸包微刺结构，将其应用于水田机械触土部件表面的仿生几何结构设计。
本实用新型的有益效果是：具有仿生微刺几何机构的凸包，用于水田机具触土部件表面，在原有凸包防粘减阻的能力下，进一步增强防粘减阻的能力，使得农业机具能够在水田里更好的作业。添加仿生微刺几何结构的凸包，可对于粘性较大的土壤起到更好的减粘作用，进而减少摩擦力，降低阻力，在保证作业质量的前提下，减少了能耗损失，节约了生产成本。所采用的仿生微刺几何结构的凸包通过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，用于水田机具触土部件表面，易于实现且大大增强了防粘减阻的能力，便于在全国大部分水田范围内推广使用。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型结构侧视图；
图3为本实用新型结构俯视图；
图4为图1的另一角度的结构视图，其中改变了两微刺之间夹角α；
图5为图2的另一角度的结构视图，其中改变了微刺与凸包底平面夹角β；
图6为本实用新型两个凸包之间的分布图；
图7为图1的另一种结构图，其中改变了微刺个数；
图8为本实用新型结构运用到微型机水田旋耕刀面上的简单示意图及其部分放大图；
图9为本实用新型结构运用到水田犁壁上的简单示意图及其部分放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1-9所示，一种带微刺的凸包仿生几何结构，包括若干个分布在机具触土部件表面上的半球体凸包，每个凸包表面分布有2个仿生微刺几何结构，两个仿生微刺几何结构之间的夹角α为30°，α为OA1边与OA2边夹角，点O为凸包半球体的球心，点A为微刺几何结构顶角的顶点，点B为微刺几何结构顶角顶点投影至凸包半球体上的点，点A1为其中一个微刺几何结构顶角的顶点，点A2为相邻微刺几何结构顶角的顶点；仿生微刺几何结构与凸包底平面夹角β为45°，β为AB边与OB边的夹角；凸包的直径为D，D=20 mm，微刺突出球面开始到微刺尖端的距离为微刺长度L，L=5 mm；微刺尖端距离凸包底面的高度为H，H为AB边到OC1边的距离，H为10 mm；相邻两凸包之间距离为L0，L0为20 mm；点C1为凸包半球体底面圆上的一点，点C2为凸包半球体圆弧上的一点。
进一步地，所述的微刺几何结构在凸包球面呈周期性依次排列。
进一步地，所述的若干个凸包在机具触土部件表面上呈阵列排布。
该实施例中微刺几何结构特点是：微刺数量少，便于加工，节约成本；两微刺夹角取较小值，微刺几何结构排列紧密，作用于土壤时防粘减阻作用较强；微刺与凸包夹角取中间值，减阻能力最强，但不便于加工且加工成本较高；相比现有的水田机械有更好的防粘减阻效果。
实施例2：如图1-9所示，一种带微刺的凸包仿生几何结构，包括若干个分布在机具触土部件表面上的半球体凸包，每个凸包表面分布有2个仿生微刺几何结构，两个仿生微刺几何结构之间的夹角α为60°，α为OA1边与OA2边夹角，点O为凸包半球体的球心，点A为微刺几何结构顶角的顶点，点B为微刺几何结构顶角顶点投影至凸包半球体上的点，点A1为其中一个微刺几何结构顶角的顶点，点A2为相邻微刺几何结构顶角的顶点；仿生微刺几何结构与凸包底平面夹角β为90°，β为AB边与OB边的夹角；凸包的直径为D，D=20 mm，微刺突出球面开始到微刺尖端的距离为微刺长度L，L=5 mm；微刺尖端距离凸包底面的高度为H，H为AB边到OC1边的距离，H为5 mm；相邻两凸包之间距离为L0，L0为20mm；点C1为凸包半球体底面圆上的一点，点C2为凸包半球体圆弧上的一点。
优选地，所述的微刺几何结构在凸包球面呈周期性依次排列。
优选地，所述的若干个凸包在机具触土部件表面上呈阵列排布。
该实施例中微刺几何结构特点是：微刺数量少，便于加工，节约成本；两微刺夹角取较大值，微刺几何结构排列相对疏松，作用于土壤时防粘减阻作用减弱；微刺与凸包夹角取最大值，减阻能力减弱，但便于加工制造；相比现有的旱田机械有更好的防粘减阻效果，可进行水田作业。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型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，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种带微刺的凸包仿生几何结构，其特征在于：包括若干个分布在机具触土部件表面上的半球体凸包，每个凸包表面分布有2个以上的仿生微刺几何结构，两个仿生微刺几何结构之间的夹角α为0°～90°，α为OA1边与OA2边夹角，点O为凸包半球体的球心，点A为微刺几何结构顶角的顶点，点B为微刺几何结构顶角顶点投影至凸包半球体上的点，点A1为其中一个微刺几何结构顶角的顶点，点A2为相邻微刺几何结构顶角的顶点；仿生微刺几何结构与凸包底平面夹角β为30°～90°，β为AB边与OB边的夹角；凸包的直径为D，微刺突出球面开始到微刺尖端的距离为微刺长度L，L=1/4D；微刺尖端距离凸包底面的高度为H，H为AB边到OC1边的距离，H为0 mm至1/2D；相邻两凸包之间距离为L0，L0为17.5 mm～22.5 mm；点C1为凸包半球体底面圆上的一点，点C2为凸包半球体圆弧上的一点。
2.根据权利要求1所述的一种带微刺的凸包仿生几何结构，其特征在于：所述的微刺几何结构在凸包球面呈周期性依次排列。
3.根据权利要求1或2所述的一种带微刺的凸包仿生几何结构，其特征在于：所述的若干个凸包在机具触土部件表面上呈阵列排布。
4.根据权利要求1或2所述的一种带微刺的凸包仿生几何结构，其特征在于：所述的每个凸包表面分布有2～4个仿生微刺几何结构。
5.根据权利要求1所述的一种带微刺的凸包仿生几何结构，其特征在于：所述的D=20mm。
6.根据权利要求1所述的一种带微刺的凸包仿生几何结构，其特征在于：所述的L0=20mm。
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