一種水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，是仿生兩棲類(lèi)爬行動(dòng)物的腹部表皮紋路，在與水田泥面接觸的船體外表面上分布有相互聯(lián)通的凹槽網(wǎng)絡(luò)；在船體低速行走時(shí)，可以在船體外表面形成水膜，減小了水田船式機(jī)械在水田里低速行走時(shí)的阻力。船體表面與泥面之間的附著力和摩擦力，船體外側(cè)的水會(huì)沿連通的凹槽不斷補(bǔ)充形成水膜時(shí)的消耗，水膜連續(xù)形成，從而減小了船體行進(jìn)時(shí)的阻力。本發(fā)明的成本低，也適用于灘涂、沼澤等環(huán)境的船式機(jī)械。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及一種水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前水田作業(yè)機(jī)械中大量使用水田船式機(jī)械進(jìn)行承載和行走，主要包括單船體和多船體:單船體如圖1所示的一種水稻插秧機(jī)，插秧機(jī)構(gòu)由一個(gè)船體承載；多船體如圖2所示的一種步進(jìn)式插秧機(jī)，插秧機(jī)構(gòu)由兩個(gè)船體分擔(dān)重量。水田船式機(jī)械的船體主要起到承載重量的作用，船體外表面一般比較光滑，以減少行走過(guò)程中的阻力。但是，當(dāng)水田船式機(jī)械以較低速度在水田中行走時(shí)會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)大于較高速度行走時(shí)的阻力，這是由于船體承重，船體會(huì)將水田中泥面的積水排開(kāi)，使得船體光滑外表面與泥面緊密接觸，產(chǎn)生了較大的附著力。在實(shí)際操作中，水田船式機(jī)械的行走速度一般較慢，從而導(dǎo)致其在水田中行走的阻力問(wèn)題非常嚴(yán)重。仿生表面減阻技術(shù)是近年研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用主要集中在空氣、水和一般土壤等介質(zhì)，由于水田是泥或泥水混合物，其物理特性復(fù)雜，目前沒(méi)有應(yīng)用于水田中仿生表面減阻的相關(guān)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 ，可實(shí)現(xiàn)減少水田船式機(jī)械在水田里較低速行進(jìn)時(shí)的行走阻力。
[0004]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]一種水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，是仿生兩棲類(lèi)爬行動(dòng)物的腹部表皮紋路，在與水田泥面接觸的船體外表面上分布有相互聯(lián)通的凹槽網(wǎng)絡(luò)。
[0006]所述凹槽網(wǎng)絡(luò)中，凹槽I的槽口寬為I~40臟，深度為5~50mm;凹槽I的橫截面形狀可以為矩形、梯形、倒梯形、三角形、弧形、單邊梯形、單邊三角形，但形狀不限于此，例如其它多邊形和多端弧形等。
[0007]所述凹槽網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)網(wǎng)格的形狀優(yōu)選交錯(cuò)矩形、平行四邊形或仿龜紋六邊形；單個(gè)網(wǎng)格的形狀面積為I~1000cm2，根據(jù)船體大小、表面材料和水田泥面性質(zhì)不同而采取不同的網(wǎng)格形狀和面積；整個(gè)凹槽網(wǎng)絡(luò)連通。
[0008]本發(fā)明還設(shè)置有主動(dòng)補(bǔ)充凹槽水系統(tǒng)，即水田船式機(jī)械的船體前端安裝有一個(gè)或多個(gè)噴水口 2，在水田船式機(jī)械上設(shè)置有水箱和壓力裝置3，水箱和壓力裝置3將水箱水通過(guò)內(nèi)部通道壓送至噴水口 2，船體前進(jìn)時(shí)可補(bǔ)充凹槽水。
[0009]還可以在水田船式機(jī)械的凹槽I中安裝噴水口 2 ;噴水口 2的下端與凹槽I聯(lián)通，上端與高壓水管9密閉連接；高壓水管9另一端密閉連接水箱和壓力裝置3。使用時(shí)，水箱和壓力裝置3產(chǎn)生高壓，將水箱水通過(guò)高壓水管9輸送到噴水口 2，補(bǔ)充船體10在行進(jìn)時(shí)凹槽水的消耗，產(chǎn)生連續(xù)的水膜。
[0010]上述水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于水田、灘涂、沼澤的船式機(jī)械的外表面。
[0011]本發(fā)明的原理是:(1)水田船式機(jī)械在水田中低速行進(jìn)時(shí)阻力較大:船體在水田中位置關(guān)系如圖3所示，水田的泥層5上有一層較淺的連續(xù)或不連續(xù)的水層4，一般光滑表面的水田船體機(jī)械在水田的泥層5上靜止或較低速運(yùn)行時(shí)，由于船體承載機(jī)身重力，在船體外表面與泥面之間產(chǎn)生較大壓力，船體將水層4排開(kāi)，但是船體在水層4排水體積較小，產(chǎn)生不了足夠的浮力，船體必需依靠泥層5支撐機(jī)身重量，這使得船體表面與泥層5緊密接觸，產(chǎn)生很大的附著力，導(dǎo)致水田船式機(jī)械由靜止啟動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)阻力較大。(2)本發(fā)明的仿生表面減阻結(jié)構(gòu)可以在船體外表面形成水膜，從而減小船體在低速時(shí)的行進(jìn)阻力:如圖7所示，當(dāng)船體外表面6與泥層5擠壓時(shí)，由于泥層5存在張力，凹槽I內(nèi)會(huì)殘留一部分凹槽水7，凹槽水7通過(guò)凹槽網(wǎng)絡(luò)與船體周?chē)乃畬勇?lián)通；船體低速運(yùn)行時(shí)，隨著船體外表面6與泥層5之間的滑動(dòng)，凹槽水7會(huì)被帶出，較為均勻地附著在船體外表面6和泥層5之間，形成水膜8 ;圖8所示為局部船體表面凹槽網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生水膜原理示意圖，實(shí)線(xiàn)箭頭為水從船體前方和側(cè)方進(jìn)入凹槽I的方向，虛線(xiàn)箭頭為凹槽水7隨船體外表面6與泥面9滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生水膜8的方向，水膜8均勻的附著在船體外表面6上；由于凹槽網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，在形成水膜8的同時(shí)，凹槽I內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，船體外側(cè)的水層會(huì)不斷地通過(guò)凹槽網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入，補(bǔ)充產(chǎn)生水膜8時(shí)凹槽水7的消耗，在船體低速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的水膜8，從而減小船體的行進(jìn)阻力。(3)本發(fā)明還設(shè)置有主動(dòng)補(bǔ)充凹槽水系統(tǒng)，確保水膜的形成:當(dāng)水田中水層面斷續(xù)或水量較少時(shí)，使得船體外側(cè)不能有效補(bǔ)充凹槽水，會(huì)影響水膜8的連續(xù)形成，造成行進(jìn)阻力較大的問(wèn)題，本發(fā)明在船體前端或凹槽內(nèi)安裝噴水口 2，進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)水以確保水膜的形成。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0013](I)本發(fā)明的原理與結(jié)構(gòu)不同于目前的水田船式機(jī)械表面，解決了在較低速運(yùn)行時(shí)行進(jìn)阻力大的問(wèn)題。
[0014](2)本發(fā)明的成本低，也適用于灘涂、沼澤等環(huán)境的船式機(jī)械。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為單船體的水田船式機(jī)械。
[0016]圖2為多船體的水田船式機(jī)械。
[0017]圖3為船體在水田上水層和泥層位置示意圖
[0018]圖4為本發(fā)明的一種矩形網(wǎng)格的凹槽網(wǎng)絡(luò)示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明的一種平行四邊形網(wǎng)格的凹槽網(wǎng)絡(luò)示意圖。
[0020]圖6為本發(fā)明的一種六邊形網(wǎng)格的凹槽網(wǎng)絡(luò)示意圖。
[0021]圖7為本發(fā)明的仿生表面減阻結(jié)構(gòu)形成水膜原理示意圖。
[0022]圖8為凹槽網(wǎng)絡(luò)水流方向示意圖。
[0023]圖9為一種凹槽橫截面為矩形的示意圖。
[0024]圖10為一種凹槽橫截面為梯形的示意圖。
[0025]圖11為一種凹槽 橫截面為倒梯形的示意圖。
[0026]圖12為一種凹槽橫截面為三角形的示意圖。
[0027]圖13為一種凹槽橫截面為弧形的示意圖。
[0028]圖14為一種凹槽橫截面為單邊梯形的示意圖。[0029]圖15為一種凹槽橫截面為單邊三角形的示意圖。
[0030]圖16為船體底面安裝多個(gè)噴水口的原理示意圖。
[0031]圖17為主動(dòng)補(bǔ)充凹槽水系統(tǒng)原理圖。
[0032]圖18為測(cè)試?yán)齀的多船板手扶式插秧機(jī)在試驗(yàn)水田中行進(jìn)阻力和速度關(guān)系圖。
[0033]圖19為測(cè)試?yán)?中試驗(yàn)船板A和試驗(yàn)船板B在相同條件下的阻力對(duì)比數(shù)據(jù)圖。
[0034]其中，1、凹槽；2、噴水口 ；3、水箱和壓力裝置；4、水層；5、泥層；6、船體外表面；7、凹槽水；8、水膜；9、高壓水管；10、船體。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0036]實(shí)施例1
[0037]水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，是仿生兩棲類(lèi)爬行動(dòng)物的腹部表皮紋路，在與水田泥面接觸的船體外表面上分布有相互聯(lián)通的凹槽網(wǎng)絡(luò)。凹槽網(wǎng)絡(luò)中，凹槽I的槽口寬為I~40mm，深度為5~50mm ;凹槽I的橫截面形狀可以為矩形(如圖9所示)、梯形(如圖10所示)、倒梯形(如圖11所示)、三角形(如圖12所示)、弧形(如圖13所示)、單邊梯形(如圖14所示)、單邊三角形(如圖15所示)，但形狀不限于此，例如其它多邊形和多端弧形等。凹槽網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)網(wǎng)格的形狀優(yōu)選交錯(cuò)矩形(如圖4所示)、平行四邊形(如圖5所示)或仿龜紋六邊形(如圖6所示)，單個(gè)網(wǎng)格的形狀面積為I~1000cm2，根據(jù)船體大小、表面材料和水田泥面性質(zhì)不同而采取不同的網(wǎng)格形狀和面積。
[0038]為確保水膜的形成與保持，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了主動(dòng)補(bǔ)充凹槽水系統(tǒng)。如圖2所示，水田船式機(jī)械的船體前端安裝有一個(gè)或多個(gè)噴水口 2，在水田船式機(jī)械上設(shè)置有水箱和壓力裝置3，水箱和壓力裝置3將水箱水通過(guò)內(nèi)部通道壓送至噴水口 2，船體前進(jìn)時(shí)可補(bǔ)充凹槽水。還可以在水田船式機(jī)械的凹槽I中安裝噴水口 2，如圖16所示；噴水口 2的下端與凹槽I聯(lián)通，上端與高壓水管9密閉連接，如圖17所示；高壓水管9另一端密閉連接水箱和壓力裝置3。使用時(shí)，水箱和壓力裝置3產(chǎn)生高壓，將水箱水通過(guò)高壓水管9輸送到噴水口 2，補(bǔ)充船體10在行進(jìn)時(shí)凹槽水的消耗，產(chǎn)生連續(xù)的水膜。
[0039]測(cè)試?yán)?:外表面光滑的多船板手扶式插秧機(jī)的阻力實(shí)驗(yàn)
[0040]采用市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的手扶式四行自動(dòng)插秧機(jī)A，該機(jī)型自重175kg，雙水輪和3塊船板結(jié)構(gòu)，船板的外表面光滑。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該多船板插秧機(jī)的牽引試驗(yàn)，得到不同速度下的阻力數(shù)據(jù)，如圖18所示。在試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，低速時(shí)該插秧機(jī)的阻力較大，在速度達(dá)到
0.3m/s左右時(shí)，阻力陡降，之后阻力隨速度增大而緩慢增大。可見(jiàn)，外表面光滑的水田船式機(jī)械在泥面上運(yùn)行時(shí)，只有當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí)，阻力才符合傳統(tǒng)規(guī)律即阻力和速度相關(guān)；但較低速情況下，由于無(wú)法形成水膜，船體與水田中泥面的粘附性增大，使得阻力具有特殊性即變得很大。
[0041]測(cè)試?yán)?:分布有本發(fā)明仿生表面減阻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)船體B和一般表面光滑的試驗(yàn)船體A的泥面阻力對(duì)比試驗(yàn)。
[0042](I)水田環(huán)境參數(shù)為:泥腳深20cm，泥面平整，水層2-5cm，粘土泥質(zhì)。
[0043](2)對(duì)比樣:外表面光滑的試驗(yàn)船體A，配重后為13.5kg,長(zhǎng)寬高為50cmX 50cmX 2cm。[0044]測(cè)試樣:分布有本發(fā)明仿生表面減阻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)船體B，配重后為13.5kg，長(zhǎng)寬高為50CmX50CmX 2cm，在其外面表加工有凹槽網(wǎng)絡(luò)，凹槽網(wǎng)絡(luò)將底面分割為交錯(cuò)矩形，單個(gè)網(wǎng)格形狀面積為IOcmX IOcm ;凹槽橫截面為矩形，寬5mm,高10mm。
[0045](3)試驗(yàn)設(shè)備有:拉力傳感器，量程20kg，精度0.1kg ;變速牽引裝置，直線(xiàn)速度范圍0.02-0.5m/s ;激光測(cè)速測(cè)距儀；其他輔助工具，如細(xì)鋼纜、固定支架和攝像機(jī)等。
[0046](4)行進(jìn)速度取0.05m/s和0.lm/s兩種較低的速度值，以驗(yàn)證水膜是影響船體在泥面上行進(jìn)阻力的主要因素和凹槽網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際效果。
[0047](5)每種速度下分別交替測(cè)量3次試驗(yàn)船體A和試驗(yàn)船體B的牽引力值，最后取平均值做為該速度下船體行進(jìn)阻力值，結(jié)果如圖19所示。
[0048]試驗(yàn)數(shù) 據(jù)表明，光滑表面船體在試驗(yàn)速度范圍內(nèi)阻力整體大于凹槽網(wǎng)絡(luò)船板行進(jìn)阻力，可見(jiàn)，采用本發(fā)明的仿生表面減阻結(jié)構(gòu)可以顯著降低船體在水田中低速行進(jìn)時(shí)的阻力。
【權(quán)利要求】
1.一種水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:是仿生兩棲類(lèi)爬行動(dòng)物的腹部表皮紋路，在與水田泥面接觸的船體外表面上分布有相互聯(lián)通的凹槽網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述凹槽網(wǎng)絡(luò)中，凹槽的槽口寬為I~40mm，深度為5~50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述凹槽網(wǎng)絡(luò)中，凹槽的橫截面形狀為矩形、梯形、倒梯形、三角形、弧形、單邊梯形或單邊三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述凹槽網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)網(wǎng)格的形狀為交錯(cuò)矩形、平行四邊形或仿龜紋六邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述凹槽網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)網(wǎng)格的形狀面積為I~1000cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:設(shè)置有主動(dòng)補(bǔ)充凹槽水系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述主動(dòng)補(bǔ)充凹槽水系統(tǒng)，是在水田船式機(jī)械的船體前端安裝有一個(gè)或多個(gè)噴水口，在水田船式機(jī)械上設(shè)置有水箱和壓力裝置，水箱和壓力裝置將水箱水通過(guò)內(nèi)部通道壓送至噴水口，船體前進(jìn)時(shí)可補(bǔ)充凹槽水。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述主動(dòng)補(bǔ)充凹槽水系統(tǒng)，是在凹槽中安裝噴水口；噴水口的下端與凹槽聯(lián)通，上端與高壓水管密閉連接；高壓水管的另一端密閉連接水箱和壓力裝置。
9.一種權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的水田船式機(jī)械仿生表面減阻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于:應(yīng)用于水田、灘涂、沼澤·的船式機(jī)械的外表面。
【文檔編號(hào)】A01C11/02GK103843507SQ201410073193
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】閆國(guó)琦, 張鐵民 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)