[發明專利]用于土壤表面微形貌加工的具有仿生幾何結構特征的鏟板

有效

• 申請號: 201310482073.4
• 申請日: 2013-10-15
• 公開（公告）號: CN103477735A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 佟金;張智泓;王洪昌;陳東輝;馬云海;周江;孫霽宇;陳玉香;郭麗
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: A01B33/10
• 分類號: A01B33/10
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 邵銘康;朱世林

技術領域

本發明涉及一種用于土壤表面微形貌加工的非自驅牽引式滾動部件的鏟板，特別是涉及滾動部件的一種具有仿生幾何結構特征的鏟板。可應用于農業機械中的增強土壤蓄水保墑能力、防治農田水土流失的土壤表面微形貌加工滾動部件。

背景技術

在我國大部分耕作地區，降雨呈空間分布的不均和時域上的顯著差異，當降雨強度超過土壤入滲強度會產生地表徑流，造成對地表的沖刷侵蝕，使土壤中的泥沙大量流失、破壞土壤結構和肥力并對農作物產量造成不良影響。土壤表面微形貌加工是通過在田間土壤表面加工出微坑形貌，使得落在田間的降雨或灌溉用水積蓄在微坑中以供給植物吸收而不是白白流走，土壤表面微形貌加工的目的是增加農田土壤蓄水保墑能力、防止水土流失并使作物在不穩定的氣候條件下保持產量。在農業機械領域，實現土壤表面微形貌加工作業的傳統機具主要有驅動式作業的壟向區田筑垱機和牽引式作業的凸齒鎮壓器，這些機具在行駛于田間時通過觸土工作部件的旋轉運動與土壤表面接觸，在土壤表面加工出微坑。

壟向區田筑垱是通過筑垱機鏟板對土壤的鏟、挖和翻動地表土壤，從而堆砌出土垱并在土垱間形成微坑。在土壤堅實度較高的耕作環境下作業時，相比于凸齒鎮壓器，筑垱機僅需較小的垂直于土壤的作用力就可有效地在地表形成微坑形貌。但是，相比于凸齒鎮壓器，用筑垱機加工土壤表面微形貌存在以下劣勢：筑垱機是驅動式耕作部件，需要牽引機構額外的驅動輸出，增加了動力消耗；另外，筑垱機還需要配合復雜的控制電路和控制機構才能有效工作，這增加的土壤表面微形貌加工的作業成本和維護成本；并且，筑垱機鏟板結構為等厚的規則矩形鋼板，在土壤較堅硬密實的作業條件下，筑垱機鏟板易彎曲變形，甚至折斷。更重要的是，該作業方式存在以下的問題：筑垱機只具有在土壤表面加工微坑的功能，而沒有壓實土壤的功能，筑垱作業后過度松軟的土壤會使土壤水分過快蒸發，反而降低了土壤保持水分的能力；另外，由于筑垱機所加工形成的地表土壤表面和微坑的微坑內壁的土壤過于疏松，當降雨或灌溉水流入筑垱機所加工的微坑，水流會沖散土壤表面的細微顆粒和有機質，使其沉積于微坑底部，降雨或灌溉完成后，這些微坑底部的土壤細微顆粒和有機質逐漸風干板結，并在微坑的底部形成一層薄而致密的土層，該土層將使以后的降雨或灌溉用水難以從微坑滲透入土壤，這將很大程度削弱土壤表面微形貌加工減小水土流失的作業效果。并且，筑垱加工而成的微坑由于土垱的土壤過于松軟，在高強度的降水或灌溉下，微坑容易塌陷失效，使得土壤表面微形貌加工的作業質量難以滿足。

凸齒鎮壓器在田間地表滾動時，通過自身重力和垂直于土壤表面施加的鎮壓力壓實土壤，同時，凸齒鎮壓器圓柱面上分布的凸齒通過擠壓地表的土壤，使地表土壤流動和變形，最終在土壤表面形成微坑，同時實現了壓實土壤和土壤表面微形貌加工的作業效果。該機具在土壤堅實度較低、土壤松軟的耕作地區可實現優異的作業效果，然而，在一些需要推廣土壤表面微形貌加工技術的耕作地區，由于耕作時節干旱缺水導致土壤嚴重硬化，這些硬化的土壤的堅實度高且板結嚴重，作業時凸齒難以嵌入土壤，使得加工出微坑的蓄水容量顯著減少，制約了土壤表面微形貌加工的作業效果。雖然增加凸齒鎮壓器垂直施加于土壤的鎮壓力，可以使凸齒克服堅硬的土壤表面并在地表壓制出微坑，在一定程度上提高了微坑的蓄水容量，然而，土壤堅實度越高，需要增加的鎮壓力就越大，過度增加的鎮壓力會加劇土壤的板結程度，反而使形成的土壤表面水分難以滲透入土壤內部，使得形成的土壤條件不適于耕作。另外，過大的鎮壓力會過度擾動土壤，使微坑內壁容易坍塌，在土壤表面留下的細碎顆粒反而使土壤易于被侵蝕。

為了在這些土壤堅實度高且板結嚴重的地區為實現有效的土壤表面微形貌加工的作業，需要新的土壤表面微形貌加工的作業方式和新的機具支持。新的機具需綜合壟向區田筑垱機和凸齒鎮壓器的各自優勢，結合筑垱機的鏟、挖和對土壤的剪切作用的特點，以及凸齒鎮壓器通過土壤流動變形形成微坑并壓實土壤的特點，設計更合理有效的土壤表面微形貌加工設備，以使土壤堅實度和板結程度的提高不顯著影響土壤表面微形貌加工的作業效果。

發明內容

土壤表面微形貌加工滾動設備的觸土部件作為關鍵部件，在本發明中其設計方法采用仿生結構設計的方法。仿生結構設計是聯系生物特性與應用技術的關鍵環節，它以生物學研究的結論為依據，著眼于應用領域客觀存在的技術問題，通過結構的移植，開發出具有生物結構特征的產品。仿生結構設計把生物特性中所蘊含的某些優勢轉化成機械結構的參數和結構特征，從而實現其從內在的生物特征到外在的幾何結構在工程應用領域的拓展。