一种仿生挖掘铁锹的制作方法
【专利摘要】一种仿生挖掘铁锹，包括铁锹本体，铁锹本体的两面分别为内触土面和外触土面，铁锹本体的前端为入土端，后端为顶翼，顶翼的中部向内触土面方向呈弧形弯曲，铁锹本体上设有一从入土端延伸至顶翼，且向内触土面方向弯曲的内挖掘面，所述内挖掘面与外触土面的两条交界线的一端与顶翼弧形弯曲部位的两端相接，另一端与铁锹本体的侧边相切。本发明改善了铁锹触土表面的几何形状，提高了铁锹的减阻脱附性能，从根本上解决铁锹挖掘时的阻力大、高粘附和耐磨性能差的问题，本发明的仿生铁锹耐磨性比传统铁锹提高50%，减阻脱附性能提高70%。
【专利说明】一种仿生挖掘铁锹
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种挖掘农具，具体的说是一种仿生挖掘铁锹。
【背景技术】
[0002]铁锹是我们日常生活中一种常用的挖掘农具，但是在耕地挖掘及日常使用过程中，存在磨损严重、挖掘阻力大以及脱土性能不理想的现象。磨损是地面触土机械部件失效的主要原因之一，为克服这一缺陷，传统方法是进行表面硬化，目前，常用的表面硬化技术有喷涂、沉积、镀层等，但由于硬化层厚度较薄，降低了地面机械触土部件在磨料磨损工况下使用的有效性；并且，工程材料表面硬度的提高也是有限度的。为了改善上述状况，人们把目光更多的集中在提高材料刚度和增加铁锹多功能性等方面，但这些均不能从根本上改变铁锹工作时的阻力大、高粘附、磨损严重造成的使用寿命短的缺陷。
【发明内容】
[0003]由于铁锹的减阻耐磨性能不仅与采用的材料有关，还和与土壤滑动接触的表面几何形状有关，本发明的目的是为了解决现有技术中铁锹挖掘时阻力大、高粘附、使用寿命低的问题，提供了一种改善铁锹触土表面的几何形状形式的仿生挖掘铁锹。
[0004]本发明为实现上述目的所采用的技术方案为:一种仿生挖掘铁锹，包括铁锹本体，铁锹本体的两面分别为内触土面和外触土面，铁锹本体的前端为入土端，后端为顶翼，所述顶翼的中部向内触土面方向呈弧形弯曲，所述铁锹本体上设有一从入土端延伸至顶翼，且向内触土面方向弯曲的内挖掘面，所述内挖掘面与外触土面的两条交界线的一端与顶翼弧形弯曲部位的两端相接，另一端与铁锹本体的侧边相切，所述内挖掘面中部从入土端至顶翼方向的轮廓线符合方程
/(x) = 0.000005 X4 0.0005 Xs ι 0.022x2 0.6813 x 16.84 ,且取值范围为
6~24，经检验，该轮廓曲线达到的拟合度为=0.991 ;所述铁锹本体的两侧边的轮廓
线分别符合方程/CO1 二 0.0OOOlx4-0.0009X3 + 0.029X2 — 0.9914X — 39.415 , X取值范围为-5~-35 和 /(x)2 = 0.0OOOlx4 + 0.0009x5 + 0.029x2 + 0.9914x-39.415 , X 取
值范围为5~35，经检验，内触土面的轮廓曲线达到的拟合度为及R22=0.9992 ,
[0005]进一步的，所述顶翼中部弯曲部分的半径为300cm，圆弧长度为15cm。
[0006]本发明中，铁锹本体内挖掘面部分的厚度从顶翼至入土端方向逐渐减小，使铁锹的使用寿命大大延长。
[0007]本发明是基于穿山甲右前爪中指的仿生曲面及仿生曲线，具有特定曲率的几何形状，通过最小二乘法及二维直角坐标系得出内外轮廓线及侧轮廓线拟合方程，本发明的仿生铁锹内触土面由穿山甲右前爪中指内轮廓线及侧轮廓线仿真而成，该仿生几何结构能够改变土壤在与其接触表面的运动状态，内挖掘面和外触土面的轮廓能够对运动的土壤产生引导效应，使土壤颗粒产生滚动效应，并减小界面层的土壤颗粒数量，降低了土壤颗粒与铁锹表面的接触几率；同时，由于仿生结构使土壤颗粒的运动方式发生了改变，由原来的滑动接触占优势改变为以滚动接触为主。上述的原因都将使土壤对铁锹表面的阻力及粘附性降低。
[0008]有益效果:其一、本发明改善了铁锹触土表面的几何形状，将穿山甲右前爪中指的内轮廓线与侧轮廓线的几何形状附加在铁锹触土表面，即在铁锹本体上确定的内挖掘面中部从入土端至顶翼方向的中部纵切线和外触土面的轮廓曲线，提高了铁锹的减阻脱附性能，从根本上解决铁锹挖掘时的阻力大、高粘附和耐磨性能差的问题，本发明的仿生铁锹耐磨性比传统铁锹提高50%，减阻脱附性能提高70% ；
其二、本发明的内挖掘面中部纵切线的轮廓曲线和外触土面的轮廓曲线均终止聚拢于入土端，使入土端的顶端形成楔形的端部，在挖掘时能够分散土壤压力，减小触土面积，从而降低土壤阻力，使铁锹具有较强的入土能力和较好的脱土效果；外触土面的两个轮廓曲线方程，使所形成的外触土面的两侧端部为圆钝形结构，一方面，减少挖掘时的应力集中，提高铁锹的耐磨性；另一方面，能够改善铁锹挖掘时的土壤应力分布，改变被挖掘的土壤形状，减少土壤粘附。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的右视图；
图3为图2的俯视图。
[0010]附图标记:1、内触土面，2、外触土面，3、顶翼，4、内挖掘面，401、中部纵切线，5、入土端。
【具体实施方式】
[0011]如图1所示，一种仿生挖掘铁锹，包括一体结构的铁锹本体,铁锹本体的两面分别为内触土面I和外触土面2,铁锹本体的前端为入土端5,后端为顶翼3,顶翼3的中部向内触土面I方向呈弧形弯曲。
[0012]如图1、图2和图3所示，铁锹本体上设有一从入土端5延伸至顶翼3，且向内触土面I方向弯曲的内挖掘面4，所述内挖掘面4与外触土面2的两条交界线的一端与顶翼3弧形弯曲部位的两端相接，另一端与铁锹本体的侧边相切。向内触土面I方向弯曲的内挖掘面4能够承受土壤的挤压和摩擦，其背部的凹陷部位可留存空气，降低与土壤之间的摩擦力。
[0013]本发明的入土端5为一圆钝形的圆弧曲面，内挖掘面4的末端与顶翼3的上圆弧曲面的两端部相连接，内挖掘面(4)中部从入土端(5)至顶翼(3)方向的轮廓曲线是由参数方程 /"(x) = 0._0(MKM)5r4Q.0OOSc*+0_.022r3 - 0..681?-1.6_ 84
在Λ取值范围为6~24cm得到的曲线段；所述外触土面2的末端与顶翼3的下圆弧曲面的两端部相连接，铁锹本体的两侧边的轮廓曲线是由参数方程f(x\ =0.0000?:4 -..0-000?3 I 0.029?3 -0_991Φ? 39.415 /|: X 取值范围为一35 至一5cm以及 /(JC)3 = OOOOOt4 +OOOOQc5 + 002?3 + 0」991 叙—39415 在 X 取值范围为 5~35cm
得到的曲线段。一方面减少了应力集中，增强铁锹触土面与环境条件相适应的机械强度，提高了铁锹对土壤磨料磨损的耐磨性；另一方面在保证楔入力尽量大的条件下，铁锹入土端能够改变压实土壤的形状，减少土壤粘附。
[0014]上述仿生结构曲线附加在铁锹表面做成实体，根据工作情况，可采用焊接，表面加工处理等方式，并适当增加铁锹表面纵切线附近区域厚度，能够增加铁锹使用寿命；上述仿生脱附减阻几何结构实体的具体尺寸和分布间距应根据具体的工作环境和土壤性质来确定；同时，应考虑到加工工艺性的好坏以及使用成本的高低。加工工艺路线应根据材料特性，现有加工方法来具体制定。
[0015]铁锹表面的仿生几何结构能够改变土壤在与其接触表面的运动状态，几何结构单体能够对运动的土壤产生引导效应和是土壤颗粒产生滚动效应，并减小界面层的土壤颗粒数量，这样就降低了土壤颗粒与铁锹表面的接触几率，同时，由于仿生结构单体土壤颗粒的运动方式发生了改变，由原来的滑动接触占优势变为以滚动接触为主。上述原因都将使土壤对铁锹表面的阻力及粘附性降低。同时铁锹纵切面周围区域适当加厚，可将其使用寿命大大延长，与传统铁锹相比本 发明能将脱附减阻性能提高50%以上。
[0016]本发明时基于穿山甲在长期的土壤环境生活过程中，其爪趾经过亿万年的进化，逐步形成了具有特定曲率的几何形状，具有优良的减粘脱土性能。运用曲线拟合和几何测量，最终得出内挖掘面的中部纵切线以及外触土面的轮廓曲线，分别为穿山甲右前爪中指内轮廓曲线与侧轮廓曲线，并将这两种仿生几何结构设置在铁锹触土面上。经检验，内
挖掘面的中部纵切线轮廓曲线的拟合度为1?2 =0.991，外触土面轮廓曲线的拟合度为Rj =0.9992。
[0017]其中，铁锹本体内挖掘面4部分的厚度从顶翼3至入土端5方向逐渐减小，即顶翼3与内挖掘面4的轮廓曲线所围区域的厚度，从铁锹本体的顶部沿内挖掘面4中部纵切线401的方向逐渐减小。本发明的铁锹本体可通过焊接在铁锹把上，或者直接在铁锹表面处理做成实体；而且，这种仿生结构可应用于诸如锄头、除草铲等多种触土器具的表面。
[0018]图2是仿生铁锹的结构示意图，左右两侧图形对称设置，仿生铁锹沿中部纵切线401切割，沿切割面的轮廓曲线总长度为65cm，仿生铁锹中部纵切线401切割轮廓，最大垂直距离为40cm，横向最大水平距离为30cm，图2中外外围曲线总长度为163cm。
[0019]图3中仿生铁锹顶翼3曲线总长度为70cm，顶翼3中部弯曲部分的半径为300cm，圆弧周长为15cm，其余圆弧半径沿铁锹内轮廓线逐渐减小。
【权利要求】
1.一种仿生挖掘铁锹，包括铁锹本体，其特征在于:铁锹本体的两面分别为内触土面(I)和外触土面(2)，铁锹本体的前端为入土端(5)，后端为顶翼(3)，所述的顶翼(3)的中部向内触土面(I)方向呈弧形弯曲，所述铁锹本体上设有一从入土端(5)延伸至顶翼(3)，且向内触土面(I)方向弯曲的内挖掘面(4)，所述内挖掘面(4)与外触土面(2)的两条交界线的一端与顶翼(3)弧形弯曲部位的两端相接，另一端与铁锹本体的侧边相切，所述内挖掘面(4)中部从入土端(5)至顶翼(3)方向的轮廓线符合方程 /(x) = 0.000005 X4 - 0.0005X3 + 0.022x2 - 0.6813x-16.84，且X取值范围为6~24;所述铁锹本体的两侧边的轮廓线分别符合方程f(x\ 二 0.0000114-0.0009^^ + 0.0292-0.9914^:-39.415, X 収侦范 111为 U 和 /(X)2 二 O-OO(X)Ix4 + 0.0009X3 + 0.029X2 + 0.9914x — 39.415 , X取值范围为5~35。
2.根据权利要求1所述的一种仿生挖掘铁锹，其特征在于:所述顶翼(3)中部弯曲部分的半径为300cm,圆弧长度为15cm。
3.根据权利要求1所述的一种仿生挖掘铁锹,其特征在于:所述铁锹本体内挖掘面(4)部分的厚度从顶翼( 3)至入土端(5)方向逐渐减小。
【文档编号】A01B1/02GK103999565SQ201410216938
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】郭志军, 倪利伟, 余浩, 张阳, 何亚凯 申请人:河南科技大学