一種仿生挖掘鐵鍬的製作方法

2023-05-25 02:29:06

一種仿生挖掘鐵鍬的製作方法
【專利摘要】一種仿生挖掘鐵鍬，包括鐵鍬本體，鐵鍬本體的兩面分別為內觸土面和外觸土面，鐵鍬本體的前端為入土端，後端為頂翼，頂翼的中部向內觸土面方向呈弧形彎曲，鐵鍬本體上設有一從入土端延伸至頂翼，且向內觸土面方向彎曲的內挖掘面，所述內挖掘面與外觸土面的兩條交界線的一端與頂翼弧形彎曲部位的兩端相接，另一端與鐵鍬本體的側邊相切。本發明改善了鐵鍬觸土表面的幾何形狀，提高了鐵鍬的減阻脫附性能，從根本上解決鐵鍬挖掘時的阻力大、高粘附和耐磨性能差的問題，本發明的仿生鐵鍬耐磨性比傳統鐵鍬提高50%，減阻脫附性能提高70%。
【專利說明】一種仿生挖掘鐵鍬
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種挖掘農具，具體的說是一種仿生挖掘鐵鍬。
【背景技術】
[0002]鐵鍬是我們日常生活中一種常用的挖掘農具，但是在耕地挖掘及日常使用過程中，存在磨損嚴重、挖掘阻力大以及脫土性能不理想的現象。磨損是地面觸土機械部件失效的主要原因之一，為克服這一缺陷，傳統方法是進行表面硬化，目前，常用的表面硬化技術有噴塗、沉積、鍍層等，但由於硬化層厚度較薄，降低了地面機械觸土部件在磨料磨損工況下使用的有效性；並且，工程材料表面硬度的提高也是有限度的。為了改善上述狀況，人們把目光更多的集中在提高材料剛度和增加鐵鍬多功能性等方面，但這些均不能從根本上改變鐵鍬工作時的阻力大、高粘附、磨損嚴重造成的使用壽命短的缺陷。

【發明內容】

[0003]由於鐵鍬的減阻耐磨性能不僅與採用的材料有關，還和與土壤滑動接觸的表面幾何形狀有關，本發明的目的是為了解決現有技術中鐵鍬挖掘時阻力大、高粘附、使用壽命低的問題，提供了一種改善鐵鍬觸土表面的幾何形狀形式的仿生挖掘鐵鍬。
[0004]本發明為實現上述目的所採用的技術方案為:一種仿生挖掘鐵鍬，包括鐵鍬本體，鐵鍬本體的兩面分別為內觸土面和外觸土面，鐵鍬本體的前端為入土端，後端為頂翼，所述頂翼的中部向內觸土面方向呈弧形彎曲，所述鐵鍬本體上設有一從入土端延伸至頂翼，且向內觸土面方向彎曲的內挖掘面，所述內挖掘面與外觸土面的兩條交界線的一端與頂翼弧形彎曲部位的兩端相接，另一端與鐵鍬本體的側邊相切，所述內挖掘面中部從入土端至頂翼方向的輪廓線符合方程
/(x) = 0.000005 X4 0.0005 Xs ι 0.022x2 0.6813 x 16.84 ,且取值範圍為
6~24，經檢驗，該輪廓曲線達到的擬合度為=0.991 ;所述鐵鍬本體的兩側邊的輪廓
線分別符合方程/CO1 二 0.0OOOlx4-0.0009X3 + 0.029X2 — 0.9914X — 39.415 , X取值範圍為-5~-35 和 /(x)2 = 0.0OOOlx4 + 0.0009x5 + 0.029x2 + 0.9914x-39.415 , X 取
值範圍為5~35，經檢驗，內觸土面的輪廓曲線達到的擬合度為及R22=0.9992 ,
[0005]進一步的，所述頂翼中部彎曲部分的半徑為300cm，圓弧長度為15cm。
[0006]本發明中，鐵鍬本體內挖掘面部分的厚度從頂翼至入土端方向逐漸減小，使鐵鍬的使用壽命大大延長。
[0007]本發明是基於穿山甲右前爪中指的仿生曲面及仿生曲線，具有特定曲率的幾何形狀，通過最小二乘法及二維直角坐標系得出內外輪廓線及側輪廓線擬合方程，本發明的仿生鐵鍬內觸土面由穿山甲右前爪中指內輪廓線及側輪廓線仿真而成，該仿生幾何結構能夠改變土壤在與其接觸表面的運動狀態，內挖掘面和外觸土面的輪廓能夠對運動的土壤產生引導效應，使土壤顆粒產生滾動效應，並減小界面層的土壤顆粒數量，降低了土壤顆粒與鐵鍬表面的接觸機率；同時，由於仿生結構使土壤顆粒的運動方式發生了改變，由原來的滑動接觸佔優勢改變為以滾動接觸為主。上述的原因都將使土壤對鐵鍬表面的阻力及粘附性降低。
[0008]有益效果:其一、本發明改善了鐵鍬觸土表面的幾何形狀，將穿山甲右前爪中指的內輪廓線與側輪廓線的幾何形狀附加在鐵鍬觸土表面，即在鐵鍬本體上確定的內挖掘面中部從入土端至頂翼方向的中部縱切線和外觸土面的輪廓曲線，提高了鐵鍬的減阻脫附性能，從根本上解決鐵鍬挖掘時的阻力大、高粘附和耐磨性能差的問題，本發明的仿生鐵鍬耐磨性比傳統鐵鍬提高50%，減阻脫附性能提高70% ；
其二、本發明的內挖掘面中部縱切線的輪廓曲線和外觸土面的輪廓曲線均終止聚攏於入土端，使入土端的頂端形成楔形的端部，在挖掘時能夠分散土壤壓力，減小觸土面積，從而降低土壤阻力，使鐵鍬具有較強的入土能力和較好的脫土效果；外觸土面的兩個輪廓曲線方程，使所形成的外觸土面的兩側端部為圓鈍形結構，一方面，減少挖掘時的應力集中，提高鐵鍬的耐磨性；另一方面，能夠改善鐵鍬挖掘時的土壤應力分布，改變被挖掘的土壤形狀，減少土壤粘附。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為圖1的右視圖；
圖3為圖2的俯視圖。
[0010]附圖標記:1、內觸土面，2、外觸土面，3、頂翼，4、內挖掘面，401、中部縱切線，5、入土端。
【具體實施方式】
[0011]如圖1所示，一種仿生挖掘鐵鍬，包括一體結構的鐵鍬本體,鐵鍬本體的兩面分別為內觸土面I和外觸土面2,鐵鍬本體的前端為入土端5,後端為頂翼3,頂翼3的中部向內觸土面I方向呈弧形彎曲。
[0012]如圖1、圖2和圖3所示，鐵鍬本體上設有一從入土端5延伸至頂翼3，且向內觸土面I方向彎曲的內挖掘面4，所述內挖掘面4與外觸土面2的兩條交界線的一端與頂翼3弧形彎曲部位的兩端相接，另一端與鐵鍬本體的側邊相切。向內觸土面I方向彎曲的內挖掘面4能夠承受土壤的擠壓和摩擦，其背部的凹陷部位可留存空氣，降低與土壤之間的摩擦力。
[0013]本發明的入土端5為一圓鈍形的圓弧曲面，內挖掘面4的末端與頂翼3的上圓弧曲面的兩端部相連接，內挖掘面(4)中部從入土端(5)至頂翼(3)方向的輪廓曲線是由參數方程 /"(x) = 0._0(MKM)5r4Q.0OOSc*+0_.022r3 - 0..681?-1.6_ 84
在Λ取值範圍為6~24cm得到的曲線段；所述外觸土面2的末端與頂翼3的下圓弧曲面的兩端部相連接，鐵鍬本體的兩側邊的輪廓曲線是由參數方程f(x\ =0.0000?:4 -..0-000?3 I 0.029?3 -0_991Φ? 39.415 /|: X 取值範圍為一35 至一5cm以及 /(JC)3 = OOOOOt4 +OOOOQc5 + 002?3 + 0」991 敘—39415 在 X 取值範圍為 5~35cm
得到的曲線段。一方面減少了應力集中，增強鐵鍬觸土面與環境條件相適應的機械強度，提高了鐵鍬對土壤磨料磨損的耐磨性；另一方面在保證楔入力儘量大的條件下，鐵鍬入土端能夠改變壓實土壤的形狀，減少土壤粘附。
[0014]上述仿生結構曲線附加在鐵鍬表面做成實體，根據工作情況，可採用焊接，表面加工處理等方式，並適當增加鐵鍬表面縱切線附近區域厚度，能夠增加鐵鍬使用壽命；上述仿生脫附減阻幾何結構實體的具體尺寸和分布間距應根據具體的工作環境和土壤性質來確定；同時，應考慮到加工工藝性的好壞以及使用成本的高低。加工工藝路線應根據材料特性，現有加工方法來具體制定。
[0015]鐵鍬表面的仿生幾何結構能夠改變土壤在與其接觸表面的運動狀態，幾何結構單體能夠對運動的土壤產生引導效應和是土壤顆粒產生滾動效應，並減小界面層的土壤顆粒數量，這樣就降低了土壤顆粒與鐵鍬表面的接觸機率，同時，由於仿生結構單體土壤顆粒的運動方式發生了改變，由原來的滑動接觸佔優勢變為以滾動接觸為主。上述原因都將使土壤對鐵鍬表面的阻力及粘附性降低。同時鐵鍬縱切面周圍區域適當加厚，可將其使用壽命大大延長，與傳統鐵鍬相比本 發明能將脫附減阻性能提高50%以上。
[0016]本發明時基於穿山甲在長期的土壤環境生活過程中，其爪趾經過億萬年的進化，逐步形成了具有特定曲率的幾何形狀，具有優良的減粘脫土性能。運用曲線擬合和幾何測量，最終得出內挖掘面的中部縱切線以及外觸土面的輪廓曲線，分別為穿山甲右前爪中指內輪廓曲線與側輪廓曲線，並將這兩種仿生幾何結構設置在鐵鍬觸土面上。經檢驗，內
挖掘面的中部縱切線輪廓曲線的擬合度為1?2 =0.991，外觸土面輪廓曲線的擬合度為Rj =0.9992。
[0017]其中，鐵鍬本體內挖掘面4部分的厚度從頂翼3至入土端5方向逐漸減小，即頂翼3與內挖掘面4的輪廓曲線所圍區域的厚度，從鐵鍬本體的頂部沿內挖掘面4中部縱切線401的方向逐漸減小。本發明的鐵鍬本體可通過焊接在鐵鍬把上，或者直接在鐵鍬表面處理做成實體；而且，這種仿生結構可應用於諸如鋤頭、除草鏟等多種觸土器具的表面。
[0018]圖2是仿生鐵鍬的結構示意圖，左右兩側圖形對稱設置，仿生鐵鍬沿中部縱切線401切割，沿切割面的輪廓曲線總長度為65cm，仿生鐵鍬中部縱切線401切割輪廓，最大垂直距離為40cm，橫向最大水平距離為30cm，圖2中外外圍曲線總長度為163cm。
[0019]圖3中仿生鐵鍬頂翼3曲線總長度為70cm，頂翼3中部彎曲部分的半徑為300cm，圓弧周長為15cm，其餘圓弧半徑沿鐵鍬內輪廓線逐漸減小。
【權利要求】
1.一種仿生挖掘鐵鍬，包括鐵鍬本體，其特徵在於:鐵鍬本體的兩面分別為內觸土面(I)和外觸土面(2)，鐵鍬本體的前端為入土端(5)，後端為頂翼(3)，所述的頂翼(3)的中部向內觸土面(I)方向呈弧形彎曲，所述鐵鍬本體上設有一從入土端(5)延伸至頂翼(3)，且向內觸土面(I)方向彎曲的內挖掘面(4)，所述內挖掘面(4)與外觸土面(2)的兩條交界線的一端與頂翼(3)弧形彎曲部位的兩端相接，另一端與鐵鍬本體的側邊相切，所述內挖掘面(4)中部從入土端(5)至頂翼(3)方向的輪廓線符合方程 /(x) = 0.000005 X4 - 0.0005X3 + 0.022x2 - 0.6813x-16.84，且X取值範圍為6~24;所述鐵鍬本體的兩側邊的輪廓線分別符合方程f(x\ 二 0.0000114-0.0009^^ + 0.0292-0.9914^:-39.415, X 収偵範 111為 U 和 /(X)2 二 O-OO(X)Ix4 + 0.0009X3 + 0.029X2 + 0.9914x — 39.415 , X取值範圍為5~35。
2.根據權利要求1所述的一種仿生挖掘鐵鍬，其特徵在於:所述頂翼(3)中部彎曲部分的半徑為300cm,圓弧長度為15cm。
3.根據權利要求1所述的一種仿生挖掘鐵鍬,其特徵在於:所述鐵鍬本體內挖掘面(4)部分的厚度從頂翼( 3)至入土端(5)方向逐漸減小。
【文檔編號】A01B1/02GK103999565SQ201410216938
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】郭志軍, 倪利偉, 餘浩, 張陽, 何亞凱 申請人:河南科技大學