[发明专利]一种微刺鳞片型仿生几何结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种微刺鳞片型仿生几何结构，适用于沙土机械触土部件表面几何结构，属于农业机械设备技术领域。

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，发现动物体表具有多种特征的几何结构。将土壤动物体表微观非光滑形态特征放大到毫米和厘米尺度，设计出具有仿生凸包机构仿生几何表面的机具被证实具有良好的防粘减阻性能，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。

不同土壤动物在适应相似的土壤内部生存环境的进化过程中，体表为了有效降低摩擦阻力和抗磨料磨损，与土壤接触的体表演化出特殊形态特征，尽管属于不同物种，但体表形态同样呈现出相似性。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，例如土壤洞穴动物鼹鼠(Scaptochirus moschatus)、蝼蛄(Gryllotalpa orientalis Burmeister)、穿山甲(Manis pentadactyla)、臭蜣螂(Copris ochus 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。

上述这些仿生锯齿形结构和仿生凸包微刺结构运用到农业机具触土部件上具有一定防粘减阻的作用，但凸包微刺和锯齿形结构是通过挖掘时力的作用实现防粘减阻效果，在沙土环境中作业有一定的限制作用。

不同于具有凸包微刺和和锯齿形机构的动物体表，砂鱼蜥(Scincus scincus)在沙丘内部具有如游泳般自由移动的优异能力以在沙体内部以300mm/s的速度连续运动数公里，而且在这样持续高强度的磨损环境下，其体表仍能保持完好无损，主要是因为砂鱼蜥(Scincus scincus)体表具有微刺鳞片分布，在与砂砾的摩擦作用过程中，一部分微刺具有释放静电的作用，防止摩擦带电而吸附砂砾；另一部分微刺使鳞片所带静电的极性与沙砾相同，从而通过静电的同性相斥原理对砂砾产生排斥作用。

通过对砂鱼蜥体表鳞片的磨损特性进行研究，结果表明其耐磨特性显著优于特氟龙、玻璃甚至抛光钢材。根据仿生学把砂鱼蜥(Scincus scincus)的这些特征应用到农机具触土部件上，通过实验验证仿生以后的农机具触土部件在工作的时候起到降低摩擦阻力和抗磨料磨损作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种微刺鳞片型仿生几何结构，用于克服旱田沙性土壤触土部件摩擦力大、能耗高、磨料磨损强的问题，本发明以具有如游泳般自由移动的优异能力的砂鱼蜥体表微刺鳞片为仿生原型，进行抽象和简化，对砂鱼蜥体表微刺鳞片进行仿生几何结构设计，用于沙土作业，以达到减小摩擦力和增强抗磨料磨损性能的目标。

通过大量研究发现，自然界中的许多具有快速游动能力的爬行动物，其用于游动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，但肢体表面都具有鳞片和微刺的结构特征，并且在砂鱼蜥体表面有排列较为整齐的微刺鳞片结构，基于上述发现，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：综合学习不同爬行动物体表微刺和鳞片结构，结合砂鱼蜥体表面微刺鳞片几何结构，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微刺鳞片结构，将其应用于沙土机械触土部件表面的仿生几何结构设计。