[发明专利]用于土壤表面微形貌加工的具有仿生几何结构特征的铲板

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于土壤表面微形貌加工的非自驱牵引式滚动部件的铲板，特别是涉及滚动部件的一种具有仿生几何结构特征的铲板。可应用于农业机械中的增强土壤蓄水保墒能力、防治农田水土流失的土壤表面微形貌加工滚动部件。

背景技术

在我国大部分耕作地区，降雨呈空间分布的不均和时域上的显著差异，当降雨强度超过土壤入渗强度会产生地表径流，造成对地表的冲刷侵蚀，使土壤中的泥沙大量流失、破坏土壤结构和肥力并对农作物产量造成不良影响。土壤表面微形貌加工是通过在田间土壤表面加工出微坑形貌，使得落在田间的降雨或灌溉用水积蓄在微坑中以供给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农田土壤蓄水保墒能力、防止水土流失并使作物在不稳定的气候条件下保持产量。在农业机械领域，实现土壤表面微形貌加工作业的传统机具主要有驱动式作业的垄向区田筑垱机和牵引式作业的凸齿镇压器，这些机具在行驶于田间时通过触土工作部件的旋转运动与土壤表面接触，在土壤表面加工出微坑。

垄向区田筑垱是通过筑垱机铲板对土壤的铲、挖和翻动地表土壤，从而堆砌出土垱并在土垱间形成微坑。在土壤坚实度较高的耕作环境下作业时，相比于凸齿镇压器，筑垱机仅需较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，相比于凸齿镇压器，用筑垱机加工土壤表面微形貌存在以下劣势：筑垱机是驱动式耕作部件，需要牵引机构额外的驱动输出，增加了动力消耗；另外，筑垱机还需要配合复杂的控制电路和控制机构才能有效工作，这增加的土壤表面微形貌加工的作业成本和维护成本；并且，筑垱机铲板结构为等厚的规则矩形钢板，在土壤较坚硬密实的作业条件下，筑垱机铲板易弯曲变形，甚至折断。更重要的是，该作业方式存在以下的问题：筑垱机只具有在土壤表面加工微坑的功能，而没有压实土壤的功能，筑垱作业后过度松软的土壤会使土壤水分过快蒸发，反而降低了土壤保持水分的能力；另外，由于筑垱机所加工形成的地表土壤表面和微坑的微坑内壁的土壤过于疏松，当降雨或灌溉水流入筑垱机所加工的微坑，水流会冲散土壤表面的细微颗粒和有机质，使其沉积于微坑底部，降雨或灌溉完成后，这些微坑底部的土壤细微颗粒和有机质逐渐风干板结，并在微坑的底部形成一层薄而致密的土层，该土层将使以后的降雨或灌溉用水难以从微坑渗透入土壤，这将很大程度削弱土壤表面微形貌加工减小水土流失的作业效果。并且，筑垱加工而成的微坑由于土垱的土壤过于松软，在高强度的降水或灌溉下，微坑容易塌陷失效，使得土壤表面微形貌加工的作业质量难以满足。

凸齿镇压器在田间地表滚动时，通过自身重力和垂直于土壤表面施加的镇压力压实土壤，同时，凸齿镇压器圆柱面上分布的凸齿通过挤压地表的土壤，使地表土壤流动和变形，最终在土壤表面形成微坑，同时实现了压实土壤和土壤表面微形貌加工的作业效果。该机具在土壤坚实度较低、土壤松软的耕作地区可实现优异的作业效果，然而，在一些需要推广土壤表面微形貌加工技术的耕作地区，由于耕作时节干旱缺水导致土壤严重硬化，这些硬化的土壤的坚实度高且板结严重，作业时凸齿难以嵌入土壤，使得加工出微坑的蓄水容量显著减少，制约了土壤表面微形貌加工的作业效果。虽然增加凸齿镇压器垂直施加于土壤的镇压力，可以使凸齿克服坚硬的土壤表面并在地表压制出微坑，在一定程度上提高了微坑的蓄水容量，然而，土壤坚实度越高，需要增加的镇压力就越大，过度增加的镇压力会加剧土壤的板结程度，反而使形成的土壤表面水分难以渗透入土壤内部，使得形成的土壤条件不适于耕作。另外，过大的镇压力会过度扰动土壤，使微坑内壁容易坍塌，在土壤表面留下的细碎颗粒反而使土壤易于被侵蚀。

为了在这些土壤坚实度高且板结严重的地区为实现有效的土壤表面微形貌加工的作业，需要新的土壤表面微形貌加工的作业方式和新的机具支持。新的机具需综合垄向区田筑垱机和凸齿镇压器的各自优势，结合筑垱机的铲、挖和对土壤的剪切作用的特点，以及凸齿镇压器通过土壤流动变形形成微坑并压实土壤的特点，设计更合理有效的土壤表面微形貌加工设备，以使土壤坚实度和板结程度的提高不显著影响土壤表面微形貌加工的作业效果。

发明内容

土壤表面微形貌加工滚动设备的触土部件作为关键部件，在本发明中其设计方法采用仿生结构设计的方法。仿生结构设计是联系生物特性与应用技术的关键环节，它以生物学研究的结论为依据，着眼于应用领域客观存在的技术问题，通过结构的移植，开发出具有生物结构特征的产品。仿生结构设计把生物特性中所蕴含的某些优势转化成机械结构的参数和结构特征，从而实现其从内在的生物特征到外在的几何结构在工程应用领域的拓展。