专利名称：具有防粘连仿生结构的土壤运输表面及使用该表面的机器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种有助于土壤运输的机器，并且更特别是，涉及一种具有仿生 突出部的阵列以防止土壤粘连的土壤运输相互作用表面。
背景技术：
土壤粘连和相关反带现象通常出现在土壤运输机器与土壤相互作用时。土壤与土 壤运输相互作用表面的粘连造成通常称为反带的现象，这种现象增加了工作阻力和机器的 能量消耗，并且在许多场合下降低工作质量。已知在某些粘性土壤类型中工作时单单由于 反带现象，挖掘机铲斗、推土机铲刀以及翻斗卡车的自卸车厢的性能就会降低30% -50%。 虽然大多数土壤运输相互作用表面包括在其制造中固有的拐角、边缘和其它表面特征，但 它们大部分是平滑表面。虽然土壤粘连和相关的反带现象通常在例如松散土壤的许多土壤 类型中并不是显著问题，但在例如重粘土的其它土壤类型中，土壤粘连和相关的反带现象 会显著地降低效率。因此，根据特殊位置和工作循环中遇到的土壤类型，特定土壤运输机器 的效率会在相对极端的情况之间摆动。在本领域中已经长时间认识到与土壤粘连和反带现象相关的问题，并且已经尝试 了多种解决方法。例如US专利No. 5601325教导了在50-80%的铲刀表面上包含多个开口 以防止土壤粘连。其它的方法尝试使用电子渗透、振动机构、润滑策略以及甚至土壤相互作 用表面上的多种聚合物和搪瓷涂层的措施来解决土壤粘连的问题。但是这些方法都不能证 明在商业上是可行的。土壤粘连已经在涉及耕作设备的相关技术领域中被公认为是一个问题。耕作与土 壤运输的差别之处在于耕作涉及例如采用耕犁通过翻转土壤而在一个位置处挖掘土壤，但 没有运输，并且培养或打碎土壤以便更好地有助于作物生长。中国吉林大学的研究人员已 经报告了成功地将仿生工程技术应用在耕犁上。仿生指的是在人造物体的设计中模仿自然 界被观察的问题/解决方法的现象的概念。例如，通常以商标名称Velcro而为人所知的钩 和环紧固件采用了仿生技术，通过观察自然界中某些种子的结构以形成紧固件，该结构包 括抓住衣物或动物皮毛的钩状附件。这种植物策略可有助于将种子远离其母体植物承载。 另一例子可以是具有纹理表面的饭勺，该纹理表面似乎可以防止米粒粘连到饭勺上。在吉 林大学研究中，研究人员融合了多种穴居昆虫的表面纹理，以得到变型的耕犁片表面。特别 是，某些金龟子包括明显有助于防止土壤粘连的纹理表面。研究的结果得到一种具有不平 滑表面的采用仿生原理的犁壁。特别是，所示的耕犁包括在大约5%的耕犁表面上分布的 多个凸出的突起。突起以考虑到在耕犁地过程中与耕犁接触的土壤的剪切方向的方式来分 布。虽然吉林大学的耕犁提出了防粘连的昆虫策略会在某些耕地设备中得到应用，但对于 如何得到土壤运输机器中的土壤粘连的仿生解决方法提供了非常少的指导。因此，似乎是与土壤粘连相关的一些问题已经通过一些穴居昆虫经由其外骨骼土 壤接触表面上的几何形状纹理表面形态来解决，例如金龟子、蚂蚁、蝼蛄和其它类似昆虫。 这些粗糙的表面形态(其范围通常在0. 075-0. 20mm的等级)明显使得动物自由运动穿过土壤，并防止土壤粘连到其身体上。虽然所有这些穴居昆虫的表面结构是不平滑的，它们彼 此很大程度地变化。另外，它们没有给出如何将这些表面特征在尺寸、形状、密度和其它因 素上进行缩放以解决例如挖掘机、推土机、翻斗卡车和类似机器的土壤运输机器中出现的 土壤粘连问题的线索。本发明针对以上提出的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面，机器包括具有执行装置组件的机器主体，该执行装置组件具有土壤 运输相互作用表面。土壤运输相互作用表面包括底部表面和从该底部表面伸出的防粘连仿 生突出部的阵列。在另一方面，执行装置包括具有连接器的执行装置主体和土壤运输相互作用表 面。土壤运输相互作用表面包括底部表面和从底部表面伸出的防粘连仿生突出部的阵列。 防粘连仿生突出部构成土壤运输相互作用表面的总面积的至少大约15%。在又一方面，运输土壤的方法包括通过运动土壤运输相互作用表面将土壤从第一 位置运输到第二位置。土壤与土壤运输相互作用表面的粘连通过在运输步骤过程中迫使土 壤接触防粘连仿生突出部来减少。
图1是根据本发明一个方面的机器的透视图；图2是根据本发明另一方面的推土机铲刀衬垫的示意图；图3是根据本发明另一方面的示例性仿生突出部的截面侧视图；图4是根据本发明又一方面的机器的侧视图；以及图5是根据本发明另一方面的机器的侧视图。
具体实施例方式参考图1，表示成履带式拖拉机的机器10包括具有推土机铲刀组件形式的执行装 置组件12的机器主体11。推土机铲刀组件25包括具有连接器21的推土机铲刀主体20， 连接器21有助于连接到机器主体11。推土机铲刀主体20还包括土壤运输相互作用表面 22，土壤运输相互作用表面22具有相对平滑的底部表面24和从底部表面24伸出的防粘连 仿生突出部23的阵列25。因此，除了仿生突出部23，铲刀组件12大致与现有技术的铲刀 组件相同。换言之，底部表面24主要是平滑的，但可包括拐角、边缘、焊点、螺栓头以及类似 物。因此，根据本发明的底部表面可以主要是平滑的，但是可能包括与执行装置构造和功能 相关的多种表面特征。通过防粘连仿生突出部23的阵列限定的图案可以包括或不包括重 复图案。例如，图1所示的阵列25表示限定重复图案的偏移排列分布的突出部23。然而， 本领域普通技术人员将理解到任何预定的图案(不管重复与否)都落入本发明的预定范围 内。仿生突出部23可以经由例如焊接或螺纹连接的任何适当方式被附接到推土机铲 刀主体20，或者如图2所示形成可更换的衬垫15的一部分。本领域的普通技术人员将理解 至IJ，当机器要使用在例如去除岩石的严重磨损环境中时，一些推土机铲刀组件制造商为使用者提供可更换的耐磨衬垫的选择。因此，根据本发明的衬垫14在机器10操作在例如粘土 的相对粘性的土壤环境下时为使用者提供另一使用选择。衬垫15包括连接器(未示出)， 该连接器有助于以传统方式附接到推土机铲刀主体20，并随着不同机器制造商而不同。图 2还用来描述获得适用于给定应用的阵列25的多种设计选择。一些约束条件包括具有固定 长度L和固定宽度W的铲刀。假设突出部23以排列方式分布，设计者会具有选择沿着长度 尺寸L分布的多个突出部以及沿着宽度尺寸W分布的多个突出部23的选择。另外，与总表 面面积(LXW)的一部分以及突出部23之间的间距S相关的突出部尺寸D都是设计选择的 事情。另外，图3用来描述能够得到的另一设计选择是突出部23的形状以及突出部从底部 表面24伸出的高度H。将本发明应用于推土机铲刀组件的最初测试表明仿生突出部23会需要覆盖总表 面面积的至少大约15%，以便在性能上实现很大效益。术语“大约”指的是在数字四舍五入 到必要数量的有效数字时，该数字是相同的。例如14. 5 是大约15。测试还表明来自于防粘 连仿生突出部23的性能优点在其占土壤相互作用表面22的总面积的15%-大约30%的范 围内出现峰值。测试还表明所得到的优点在仿生突出部23覆盖超过土壤运输相互作用表 面22的30%时是不显著的。然而，本发明考虑到土壤运输相互作用表面的小于15%或大 于30%被根据本发明的突出部23覆盖的情况。例如，在某些类型的土壤中，以不同于推土 机铲刀组件的形式与土壤相互作用的不同执行装置组件会要求仿生突出部23的百分比不 同于推土机铲刀最佳操作的百分比。虽然图1和2表示具有均勻直径D的仿生突出部23， 本领域的普通技术人员将理解，本发明还考虑到仿生突出部具有两个或多个不同尺寸和/ 或面积的单个应用。例如，进一步测试会表明混合在一起的仿生突出部的不同尺寸和密度 会在土壤运输相互作用表面的不同位置上最佳地起作用。现在参考图3，表示穿过一个示例性仿生突出部23的截面图。在此例子中，仿生突 出部23是具有半径R的球体的一部分，形成平滑的突出表面31，这与围绕突出部23的底 部表面24的相对平的型面形成对比。本领域普通技术人员将理解到在推土机铲刀组件12 的情况下，在靠近单个突出部23的附近观察时，底部表面24是相对平的，但是在退后观察 时，变得清楚的是底部表面24会具有凹入的形状。因此，本发明考虑到虽然在突出部23附 近，以放大比例观察，底部表面是局部平面、突出和凹入的，但是底部表面24相对于突出部 23是相对平面的。在图3所示的例子中，仿生突出部23的特征在于其直径D与突出部从 底部表面24伸出的高度H的比例。最初测试表明直径D与高度H的比例应该在大约3到 大约4的范围内，以便在推土机铲刀组件12在粘性粘土情况下操作时实现最佳的防粘连性 能。但是，本发明也考虑了此范围之外的比例，这些比例可能更加适用于与不同土壤类型相 互作用的不同执行装置组件。另外，虽然突出部23被显示成球体的一部分，本领域的普通 技术人员将理解到其它的形状也落入本发明的范围内。另外，该形状可以是矩形，并且可以 不太平滑，例如是带有小面的表面。另外，突出部23可以在其整个表面31上是凸出的，但 是可包括不同比例的附加表面特征。例如，表面31可包括不规则部，这些不规则部包括但 不局限于表面31上分布的凹入或凸出的凹痕，在整体观察时这些凹痕仍被认为相对于底 部表面24凸出。图3还用来表示与衬垫15或推土机铲刀主体的一些示例性附接方式。例 如，每个仿生突出部23可包括附接的螺柱32，螺柱32可被旋入衬垫15或铲刀主体20限定 的孔16内。作为替代，螺柱32可以被去除，并且突出部23通过焊接来附接，例如通过突出部23的环形边缘和底部表面24之间的接合部40处的环形焊缝来附接。现在参考图4，根据本发明另一实施方式的机器110包括翻斗卡车。机器110包括 机器主体111，机器主体包括带壁的土壤容器112，其形式是翻斗车厢。翻斗卡车车厢112包 括连接器121，以有助于其连接到机器主体111。为了防止土壤粘连到翻斗卡车车厢112，在 土壤运输相互作用表面122上分布有防粘连仿生突出部123的阵列。类似于前面的实施方 式，仿生突出部123从底部表面124伸出。仿生突出部123可具有类似于相对于前面描述 的推土机铲刀组件12描述的尺寸和分布。另外，与直接结合到翻斗卡车车厢112内不同， 突出部123可被成形或附接到本领域公知类型的可更换的衬垫上。现在参考图5，根据本发明又一实施方式的机器210表示成挖掘机。机器主体211 被附接到包括土壤运输相互作用表面222的挖掘机铲斗212，该表面构成铲斗的内表面。同 样被认为是带壁的土壤容器的铲斗212也包括连接器221，以便连接到挖掘机212的斗杆。 类似于前面的实施方式，土壤运输相互作用表面222包括在底部表面224上分布并从中伸 出的防粘连仿生突出部223的阵列。工业实用性本发明能够适用于采用土壤运输相互作用表面以便将土壤从第一位置运动到第 二位置的任何机器。土壤运输与土壤耕作的区别在于土壤经由机器的动作从一个位置承载 到另一个位置，而不是耕作操作中就地翻转或碎裂。虽然本发明在包括装备有推土机铲刀 的履带式拖拉机、翻斗卡车以及挖掘机的多种不同的土壤运输机器的描述中进行说明，本 发明不局限于此。例如，装载机铲斗在某些土壤类型中操作时可得益于本发明。本发明还 可以应用于与便于土壤运输的机器结合使用的衬垫。例如，通过运动土壤运输相互作用表 面22，通过机器在第一位置截获土壤并将土壤推到第二位置，采用推土机铲刀来帮助土壤 运输。在出现这种情况时，土壤被迫接触土壤运输相互作用表面22，并随后接触防粘连仿生 突出部23。在翻斗卡车的情况下，通过首先将土壤放置在翻斗卡车车厢112内，随后如图4 所示在翻斗卡车提升车厢并倾倒载荷时将土壤堆积在第二位置，从而将土壤从第一位置运 输到第二位置。通过在第一位置挖起土壤并在可以是靠近挖掘机或用于例如运输到远处位 置的翻斗卡车110的卡车附近的相邻区域的第二位置倾倒土壤，土壤运输通过图5的挖掘 机来得到帮助。在所有这些土壤运输例子中，土壤被迫接触土壤运输相互作用表面22、122、222， 并且随后接触防粘连仿生突出部23、123、223。出于没有被完全理解的原因，突出部23、 123、223趋于减小土壤粘连到突出部和周围底部表面24、124、224的能力。确信的是突出部 23、123、223减小了土壤和突出部周围的底部表面24、124、224部分之间的粘连接触。减小 足以形成粘连的接触减小了总体土壤与金属的粘连，并且因此减小了土壤粘连到土壤运输 表面22、122、222的能力。在例如重粘土的粘性土壤中操作时，相关机器性能的改进可以是 深远的。例如，在推土机铲刀的情况下，通过减小重粘性土壤中的土壤粘连以及相关反带现 象，有效载荷可以从10%增加到42%或更多。如果同样的土壤运输相互作用表面用于例如 松散土壤的不太粘性的土壤中，有效载荷会有多至4%的降低。因此，根据特定机器的所希 望的工作循环，如果机器花费大部分工作循环在粘性土壤中操作，则使防粘连仿生突出部 永久地附接到相关土壤运输相互作用表面会更加有利。另一方面，如果机器只偶尔在粘性 土壤中操作，更有利的是采用配备有防粘连仿生突出部的可拆卸的衬垫，使得机器的性能可在粘性土壤中操作时增强，但是在不太粘性的土壤条件下操作时不退化。
应该理解到以上说明只用于说明目的，并不打算以任何方式限制本发明的范围。 例如，本领域普通技术人员将理解到本发明的防粘连仿生突出部的策略可潜在适用于机器 中发现有土壤粘连的任何地方，可能在非工作表面，否则会损害机器的性能和效率。例如，推土机铲刀组件的后侧或挖掘机铲斗的下侧可得益于根据本发明的防粘连仿生突出部的 添加。因此，本领域普通技术人员将理解到本发明的其它方面可从对附图、说明书和权利要 求的研究中得到。
权利要求
一种机器(11、111、211)，包括机器主体(11、111、211)，其包括具有土壤运输相互作用表面(22、122、222)的执行装置组件(12、112、212)；并且所述土壤运输相互作用表面(22、122、222)包括底部表面(24、124、224)和从所述底部表面(24、124、224)伸出的防粘连仿生突出部(23、123、223)的阵列(25)。
2.根据权利要求1所述的机器(11、111)，其中所述执行装置组件包括被附接到执行装 置底部单元的可更换的衬垫(15)；以及所述底部表面(24、124)和所述防粘连仿生突出部(23、123)是所述衬垫(15)的部件。
3.根据权利要求2所述的机器(11、111、211)，其中所述执行装置组件是推土机铲刀组 件(12)。
4.根据权利要求1所述的机器(11、111、211)，其中所述执行装置组件是挖掘机铲斗 (212)。
5.根据权利要求1所述的机器(11、111、211)，其中所述执行装置组件是推土机铲刀组 件(12)。
6.根据权利要求1所述的机器(11、111、211)，其中所述执行装置组件包括翻斗卡车车 厢(112)。
7.一种执行装置，包括执行装置主体(20)，其包括连接器和土壤运输相互作用表面(22、122、222)；所述土壤运输相互作用表面(22、122、222)包括底部表面(24、124、224)和从所述底部 表面(24、124、224)伸出的防粘连仿生突出部(23、123、223)的阵列(25)；并且所述防粘连仿生突出部(23、123、223)构成所述土壤运输相互作用表面(22、122、222) 的总面积的至少大约15%。
8.根据权利要求7所述的执行装置，其中所述执行装置主体是用于执行装置组件(12、 112)的衬垫(15)。
9.根据权利要求7所述的执行装置，其中每个所述防粘连仿生突出部(23、123、223)包 括暴露的平滑突出表面(31)；所述防粘连仿生突出部(23、123、223)构成所述土壤运输相互作用表面(22、122、222) 总面积的大约15%至30% ；所述防粘连仿生突出部(23、123、223)均具有在大约3到大约4的范围内的高度-宽 度比；以及所述执行装置主体是推土机铲刀主体(20)。
10.一种运输土壤的方法，包括如下步骤通过运动土壤运输相互作用表面(22、122、222)将土壤从第一位置运输到第二位置；通过在所述运输步骤过程中迫使土壤接触防粘连仿生突出部(23、123、223)来减小土 壤与所述土壤运输相互作用表面(22、122、222)的粘连。
全文摘要
一种土壤运输机器，例如装备有推土机铲刀(12)的履带式拖拉机(10)，包括具有防粘连仿生突出部(23)的阵列(25)的土壤运输相互作用表面(22)(铲刀)，该突出部从底部表面(24)伸出。仿生突出部(23)可具有平滑凸起形状，特别是在例如重粘土的粘性土壤中，仿生突出部以减小土壤粘连和相关反带现象的方式设置尺寸以及进行分布。仿生突出部(23)可被直接结合到推土机铲刀(12)的表面内，或者可以是以传统方式附接到铲刀主体(20)的可更换衬垫(15)的一部分。
文档编号B60P1/28GK101827980SQ200880111939
公开日2010年9月8日 申请日期2008年9月19日 优先权日2007年10月18日
发明者V·塔索维斯基 申请人:卡特彼勒公司