[发明专利]一种仿生挖掘铁锹

说明书

技术领域

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

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

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。

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                                               ，且取值范围为6~24，经检验，该轮廓曲线达到的拟合度为；所述铁锹本体的两侧边的轮廓线分别符合方程，取值范围为-5~-35和，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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

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。

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

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1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1方向呈弧形弯曲。