專利名稱：具有防粘連仿生結構的土壤運輸表面及使用該表面的機器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及一種有助于土壤運輸的機器，并且更特別是，涉及一種具有仿生 突出部的陣列以防止土壤粘連的土壤運輸相互作用表面。
背景技術：
土壤粘連和相關反帶現(xiàn)象通常出現(xiàn)在土壤運輸機器與土壤相互作用時。土壤與土 壤運輸相互作用表面的粘連造成通常稱為反帶的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象增加了工作阻力和機器的 能量消耗，并且在許多場合下降低工作質量。已知在某些粘性土壤類型中工作時單單由于 反帶現(xiàn)象，挖掘機鏟斗、推土機鏟刀以及翻斗卡車的自卸車廂的性能就會降低30% -50%。 雖然大多數土壤運輸相互作用表面包括在其制造中固有的拐角、邊緣和其它表面特征，但 它們大部分是平滑表面。雖然土壤粘連和相關的反帶現(xiàn)象通常在例如松散土壤的許多土壤 類型中并不是顯著問題，但在例如重粘土的其它土壤類型中，土壤粘連和相關的反帶現(xiàn)象 會顯著地降低效率。因此，根據特殊位置和工作循環(huán)中遇到的土壤類型，特定土壤運輸機器 的效率會在相對極端的情況之間擺動。在本領域中已經長時間認識到與土壤粘連和反帶現(xiàn)象相關的問題，并且已經嘗試 了多種解決方法。例如US專利No. 5601325教導了在50-80%的鏟刀表面上包含多個開口 以防止土壤粘連。其它的方法嘗試使用電子滲透、振動機構、潤滑策略以及甚至土壤相互作 用表面上的多種聚合物和搪瓷涂層的措施來解決土壤粘連的問題。但是這些方法都不能證 明在商業(yè)上是可行的。土壤粘連已經在涉及耕作設備的相關技術領域中被公認為是一個問題。耕作與土 壤運輸的差別之處在于耕作涉及例如采用耕犁通過翻轉土壤而在一個位置處挖掘土壤，但 沒有運輸，并且培養(yǎng)或打碎土壤以便更好地有助于作物生長。中國吉林大學的研究人員已 經報告了成功地將仿生工程技術應用在耕犁上。仿生指的是在人造物體的設計中模仿自然 界被觀察的問題/解決方法的現(xiàn)象的概念。例如，通常以商標名稱Velcro而為人所知的鉤 和環(huán)緊固件采用了仿生技術，通過觀察自然界中某些種子的結構以形成緊固件，該結構包 括抓住衣物或動物皮毛的鉤狀附件。這種植物策略可有助于將種子遠離其母體植物承載。 另一例子可以是具有紋理表面的飯勺，該紋理表面似乎可以防止米粒粘連到飯勺上。在吉 林大學研究中，研究人員融合了多種穴居昆蟲的表面紋理，以得到變型的耕犁片表面。特別 是，某些金龜子包括明顯有助于防止土壤粘連的紋理表面。研究的結果得到一種具有不平 滑表面的采用仿生原理的犁壁。特別是，所示的耕犁包括在大約5%的耕犁表面上分布的 多個凸出的突起。突起以考慮到在耕犁地過程中與耕犁接觸的土壤的剪切方向的方式來分 布。雖然吉林大學的耕犁提出了防粘連的昆蟲策略會在某些耕地設備中得到應用，但對于 如何得到土壤運輸機器中的土壤粘連的仿生解決方法提供了非常少的指導。因此，似乎是與土壤粘連相關的一些問題已經通過一些穴居昆蟲經由其外骨骼土 壤接觸表面上的幾何形狀紋理表面形態(tài)來解決，例如金龜子、螞蟻、螻蛄和其它類似昆蟲。 這些粗糙的表面形態(tài)(其范圍通常在0. 075-0. 20mm的等級)明顯使得動物自由運動穿過土壤，并防止土壤粘連到其身體上。雖然所有這些穴居昆蟲的表面結構是不平滑的，它們彼 此很大程度地變化。另外，它們沒有給出如何將這些表面特征在尺寸、形狀、密度和其它因 素上進行縮放以解決例如挖掘機、推土機、翻斗卡車和類似機器的土壤運輸機器中出現(xiàn)的 土壤粘連問題的線索。本發(fā)明針對以上提出的一個或多個問題。

發(fā)明內容
在一個方面，機器包括具有執(zhí)行裝置組件的機器主體，該執(zhí)行裝置組件具有土壤 運輸相互作用表面。土壤運輸相互作用表面包括底部表面和從該底部表面伸出的防粘連仿 生突出部的陣列。在另一方面，執(zhí)行裝置包括具有連接器的執(zhí)行裝置主體和土壤運輸相互作用表 面。土壤運輸相互作用表面包括底部表面和從底部表面伸出的防粘連仿生突出部的陣列。 防粘連仿生突出部構成土壤運輸相互作用表面的總面積的至少大約15%。在又一方面，運輸土壤的方法包括通過運動土壤運輸相互作用表面將土壤從第一 位置運輸到第二位置。土壤與土壤運輸相互作用表面的粘連通過在運輸步驟過程中迫使土 壤接觸防粘連仿生突出部來減少。



圖1是根據本發(fā)明一個方面的機器的透視圖；圖2是根據本發(fā)明另一方面的推土機鏟刀襯墊的示意圖；圖3是根據本發(fā)明另一方面的示例性仿生突出部的截面?zhèn)纫晥D；圖4是根據本發(fā)明又一方面的機器的側視圖；以及圖5是根據本發(fā)明另一方面的機器的側視圖。
具體實施例方式參考圖1，表示成履帶式拖拉機的機器10包括具有推土機鏟刀組件形式的執(zhí)行裝 置組件12的機器主體11。推土機鏟刀組件25包括具有連接器21的推土機鏟刀主體20， 連接器21有助于連接到機器主體11。推土機鏟刀主體20還包括土壤運輸相互作用表面 22，土壤運輸相互作用表面22具有相對平滑的底部表面24和從底部表面24伸出的防粘連 仿生突出部23的陣列25。因此，除了仿生突出部23，鏟刀組件12大致與現(xiàn)有技術的鏟刀 組件相同。換言之，底部表面24主要是平滑的，但可包括拐角、邊緣、焊點、螺栓頭以及類似 物。因此，根據本發(fā)明的底部表面可以主要是平滑的，但是可能包括與執(zhí)行裝置構造和功能 相關的多種表面特征。通過防粘連仿生突出部23的陣列限定的圖案可以包括或不包括重 復圖案。例如，圖1所示的陣列25表示限定重復圖案的偏移排列分布的突出部23。然而， 本領域普通技術人員將理解到任何預定的圖案(不管重復與否)都落入本發(fā)明的預定范圍 內。仿生突出部23可以經由例如焊接或螺紋連接的任何適當方式被附接到推土機鏟 刀主體20，或者如圖2所示形成可更換的襯墊15的一部分。本領域的普通技術人員將理解 至IJ，當機器要使用在例如去除巖石的嚴重磨損環(huán)境中時，一些推土機鏟刀組件制造商為使用者提供可更換的耐磨襯墊的選擇。因此，根據本發(fā)明的襯墊14在機器10操作在例如粘土 的相對粘性的土壤環(huán)境下時為使用者提供另一使用選擇。襯墊15包括連接器(未示出)， 該連接器有助于以傳統(tǒng)方式附接到推土機鏟刀主體20，并隨著不同機器制造商而不同。圖 2還用來描述獲得適用于給定應用的陣列25的多種設計選擇。一些約束條件包括具有固定 長度L和固定寬度W的鏟刀。假設突出部23以排列方式分布，設計者會具有選擇沿著長度 尺寸L分布的多個突出部以及沿著寬度尺寸W分布的多個突出部23的選擇。另外，與總表 面面積(LXW)的一部分以及突出部23之間的間距S相關的突出部尺寸D都是設計選擇的 事情。另外，圖3用來描述能夠得到的另一設計選擇是突出部23的形狀以及突出部從底部 表面24伸出的高度H。將本發(fā)明應用于推土機鏟刀組件的最初測試表明仿生突出部23會需要覆蓋總表 面面積的至少大約15%，以便在性能上實現(xiàn)很大效益。術語“大約”指的是在數字四舍五入 到必要數量的有效數字時，該數字是相同的。例如14. 5 是大約15。測試還表明來自于防粘 連仿生突出部23的性能優(yōu)點在其占土壤相互作用表面22的總面積的15%-大約30%的范 圍內出現(xiàn)峰值。測試還表明所得到的優(yōu)點在仿生突出部23覆蓋超過土壤運輸相互作用表 面22的30%時是不顯著的。然而，本發(fā)明考慮到土壤運輸相互作用表面的小于15%或大 于30%被根據本發(fā)明的突出部23覆蓋的情況。例如，在某些類型的土壤中，以不同于推土 機鏟刀組件的形式與土壤相互作用的不同執(zhí)行裝置組件會要求仿生突出部23的百分比不 同于推土機鏟刀最佳操作的百分比。雖然圖1和2表示具有均勻直徑D的仿生突出部23， 本領域的普通技術人員將理解，本發(fā)明還考慮到仿生突出部具有兩個或多個不同尺寸和/ 或面積的單個應用。例如，進一步測試會表明混合在一起的仿生突出部的不同尺寸和密度 會在土壤運輸相互作用表面的不同位置上最佳地起作用?，F(xiàn)在參考圖3，表示穿過一個示例性仿生突出部23的截面圖。在此例子中，仿生突 出部23是具有半徑R的球體的一部分，形成平滑的突出表面31，這與圍繞突出部23的底 部表面24的相對平的型面形成對比。本領域普通技術人員將理解到在推土機鏟刀組件12 的情況下，在靠近單個突出部23的附近觀察時，底部表面24是相對平的，但是在退后觀察 時，變得清楚的是底部表面24會具有凹入的形狀。因此，本發(fā)明考慮到雖然在突出部23附 近，以放大比例觀察，底部表面是局部平面、突出和凹入的，但是底部表面24相對于突出部 23是相對平面的。在圖3所示的例子中，仿生突出部23的特征在于其直徑D與突出部從 底部表面24伸出的高度H的比例。最初測試表明直徑D與高度H的比例應該在大約3到 大約4的范圍內，以便在推土機鏟刀組件12在粘性粘土情況下操作時實現(xiàn)最佳的防粘連性 能。但是，本發(fā)明也考慮了此范圍之外的比例，這些比例可能更加適用于與不同土壤類型相 互作用的不同執(zhí)行裝置組件。另外，雖然突出部23被顯示成球體的一部分，本領域的普通 技術人員將理解到其它的形狀也落入本發(fā)明的范圍內。另外，該形狀可以是矩形，并且可以 不太平滑，例如是帶有小面的表面。另外，突出部23可以在其整個表面31上是凸出的，但 是可包括不同比例的附加表面特征。例如，表面31可包括不規(guī)則部，這些不規(guī)則部包括但 不局限于表面31上分布的凹入或凸出的凹痕，在整體觀察時這些凹痕仍被認為相對于底 部表面24凸出。圖3還用來表示與襯墊15或推土機鏟刀主體的一些示例性附接方式。例 如，每個仿生突出部23可包括附接的螺柱32，螺柱32可被旋入襯墊15或鏟刀主體20限定 的孔16內。作為替代，螺柱32可以被去除，并且突出部23通過焊接來附接，例如通過突出部23的環(huán)形邊緣和底部表面24之間的接合部40處的環(huán)形焊縫來附接?，F(xiàn)在參考圖4，根據本發(fā)明另一實施方式的機器110包括翻斗卡車。機器110包括 機器主體111，機器主體包括帶壁的土壤容器112，其形式是翻斗車廂。翻斗卡車車廂112包 括連接器121，以有助于其連接到機器主體111。為了防止土壤粘連到翻斗卡車車廂112，在 土壤運輸相互作用表面122上分布有防粘連仿生突出部123的陣列。類似于前面的實施方 式，仿生突出部123從底部表面124伸出。仿生突出部123可具有類似于相對于前面描述 的推土機鏟刀組件12描述的尺寸和分布。另外，與直接結合到翻斗卡車車廂112內不同， 突出部123可被成形或附接到本領域公知類型的可更換的襯墊上。現(xiàn)在參考圖5，根據本發(fā)明又一實施方式的機器210表示成挖掘機。機器主體211 被附接到包括土壤運輸相互作用表面222的挖掘機鏟斗212，該表面構成鏟斗的內表面。同 樣被認為是帶壁的土壤容器的鏟斗212也包括連接器221，以便連接到挖掘機212的斗桿。 類似于前面的實施方式，土壤運輸相互作用表面222包括在底部表面224上分布并從中伸 出的防粘連仿生突出部223的陣列。工業(yè)實用性本發(fā)明能夠適用于采用土壤運輸相互作用表面以便將土壤從第一位置運動到第 二位置的任何機器。土壤運輸與土壤耕作的區(qū)別在于土壤經由機器的動作從一個位置承載 到另一個位置，而不是耕作操作中就地翻轉或碎裂。雖然本發(fā)明在包括裝備有推土機鏟刀 的履帶式拖拉機、翻斗卡車以及挖掘機的多種不同的土壤運輸機器的描述中進行說明，本 發(fā)明不局限于此。例如，裝載機鏟斗在某些土壤類型中操作時可得益于本發(fā)明。本發(fā)明還 可以應用于與便于土壤運輸的機器結合使用的襯墊。例如，通過運動土壤運輸相互作用表 面22，通過機器在第一位置截獲土壤并將土壤推到第二位置，采用推土機鏟刀來幫助土壤 運輸。在出現(xiàn)這種情況時，土壤被迫接觸土壤運輸相互作用表面22，并隨后接觸防粘連仿生 突出部23。在翻斗卡車的情況下，通過首先將土壤放置在翻斗卡車車廂112內，隨后如圖4 所示在翻斗卡車提升車廂并傾倒載荷時將土壤堆積在第二位置，從而將土壤從第一位置運 輸到第二位置。通過在第一位置挖起土壤并在可以是靠近挖掘機或用于例如運輸到遠處位 置的翻斗卡車110的卡車附近的相鄰區(qū)域的第二位置傾倒土壤，土壤運輸通過圖5的挖掘 機來得到幫助。在所有這些土壤運輸例子中，土壤被迫接觸土壤運輸相互作用表面22、122、222， 并且隨后接觸防粘連仿生突出部23、123、223。出于沒有被完全理解的原因，突出部23、 123、223趨于減小土壤粘連到突出部和周圍底部表面24、124、224的能力。確信的是突出部 23、123、223減小了土壤和突出部周圍的底部表面24、124、224部分之間的粘連接觸。減小 足以形成粘連的接觸減小了總體土壤與金屬的粘連，并且因此減小了土壤粘連到土壤運輸 表面22、122、222的能力。在例如重粘土的粘性土壤中操作時，相關機器性能的改進可以是 深遠的。例如，在推土機鏟刀的情況下，通過減小重粘性土壤中的土壤粘連以及相關反帶現(xiàn) 象，有效載荷可以從10%增加到42%或更多。如果同樣的土壤運輸相互作用表面用于例如 松散土壤的不太粘性的土壤中，有效載荷會有多至4%的降低。因此，根據特定機器的所希 望的工作循環(huán)，如果機器花費大部分工作循環(huán)在粘性土壤中操作，則使防粘連仿生突出部 永久地附接到相關土壤運輸相互作用表面會更加有利。另一方面，如果機器只偶爾在粘性 土壤中操作，更有利的是采用配備有防粘連仿生突出部的可拆卸的襯墊，使得機器的性能可在粘性土壤中操作時增強，但是在不太粘性的土壤條件下操作時不退化。
應該理解到以上說明只用于說明目的，并不打算以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 例如，本領域普通技術人員將理解到本發(fā)明的防粘連仿生突出部的策略可潛在適用于機器 中發(fā)現(xiàn)有土壤粘連的任何地方，可能在非工作表面，否則會損害機器的性能和效率。例如，推土機鏟刀組件的后側或挖掘機鏟斗的下側可得益于根據本發(fā)明的防粘連仿生突出部的 添加。因此，本領域普通技術人員將理解到本發(fā)明的其它方面可從對附圖、說明書和權利要 求的研究中得到。
權利要求
一種機器(11、111、211)，包括機器主體(11、111、211)，其包括具有土壤運輸相互作用表面(22、122、222)的執(zhí)行裝置組件(12、112、212)；并且所述土壤運輸相互作用表面(22、122、222)包括底部表面(24、124、224)和從所述底部表面(24、124、224)伸出的防粘連仿生突出部(23、123、223)的陣列(25)。
2.根據權利要求1所述的機器(11、111)，其中所述執(zhí)行裝置組件包括被附接到執(zhí)行裝 置底部單元的可更換的襯墊(15)；以及所述底部表面(24、124)和所述防粘連仿生突出部(23、123)是所述襯墊(15)的部件。
3.根據權利要求2所述的機器(11、111、211)，其中所述執(zhí)行裝置組件是推土機鏟刀組 件(12)。
4.根據權利要求1所述的機器(11、111、211)，其中所述執(zhí)行裝置組件是挖掘機鏟斗 (212)。
5.根據權利要求1所述的機器(11、111、211)，其中所述執(zhí)行裝置組件是推土機鏟刀組 件(12)。
6.根據權利要求1所述的機器(11、111、211)，其中所述執(zhí)行裝置組件包括翻斗卡車車 廂(112)。
7.一種執(zhí)行裝置，包括執(zhí)行裝置主體(20)，其包括連接器和土壤運輸相互作用表面(22、122、222)；所述土壤運輸相互作用表面(22、122、222)包括底部表面(24、124、224)和從所述底部 表面(24、124、224)伸出的防粘連仿生突出部(23、123、223)的陣列(25)；并且所述防粘連仿生突出部(23、123、223)構成所述土壤運輸相互作用表面(22、122、222) 的總面積的至少大約15%。
8.根據權利要求7所述的執(zhí)行裝置，其中所述執(zhí)行裝置主體是用于執(zhí)行裝置組件(12、 112)的襯墊(15)。
9.根據權利要求7所述的執(zhí)行裝置，其中每個所述防粘連仿生突出部(23、123、223)包 括暴露的平滑突出表面(31)；所述防粘連仿生突出部(23、123、223)構成所述土壤運輸相互作用表面(22、122、222) 總面積的大約15%至30% ；所述防粘連仿生突出部(23、123、223)均具有在大約3到大約4的范圍內的高度-寬 度比；以及所述執(zhí)行裝置主體是推土機鏟刀主體(20)。
10.一種運輸土壤的方法，包括如下步驟通過運動土壤運輸相互作用表面(22、122、222)將土壤從第一位置運輸到第二位置；通過在所述運輸步驟過程中迫使土壤接觸防粘連仿生突出部(23、123、223)來減小土 壤與所述土壤運輸相互作用表面(22、122、222)的粘連。
全文摘要
一種土壤運輸機器，例如裝備有推土機鏟刀(12)的履帶式拖拉機(10)，包括具有防粘連仿生突出部(23)的陣列(25)的土壤運輸相互作用表面(22)(鏟刀)，該突出部從底部表面(24)伸出。仿生突出部(23)可具有平滑凸起形狀，特別是在例如重粘土的粘性土壤中，仿生突出部以減小土壤粘連和相關反帶現(xiàn)象的方式設置尺寸以及進行分布。仿生突出部(23)可被直接結合到推土機鏟刀(12)的表面內，或者可以是以傳統(tǒng)方式附接到鏟刀主體(20)的可更換襯墊(15)的一部分。
文檔編號B60P1/28GK101827980SQ200880111939
公開日2010年9月8日 申請日期2008年9月19日 優(yōu)先權日2007年10月18日
發(fā)明者V·塔索維斯基 申請人:卡特彼勒公司