阅读说明：本技术 一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧 (High-speed plough share embedded with bionic structure of 'brick-bridge-mud' of shell pearl layer ) 是由 仲高艳 杨守峰 卞玉超 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧,用于延长高速犁犁铧耕作寿命,其特征在于：所述的高速犁犁铧易损部位镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构,包括以下步骤：(1)确定高速犁犁铧易损部位,(2)仿贝壳珍珠层结构设计及制备,(3)镶嵌仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构至犁铧本体。本发明的一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧,解决了高速犁犁铧耕作部位由于传统技术制造的均质材料强度和韧性不能同时提高,抗冲击性能低,易磨损的问题,提升了犁铧耕作部位的机械性能,使犁铧耕作部位机械性能适应高速整地作业需求,延长了犁铧耕作寿命。(The invention discloses a high-speed plough share embedded with a bionic structure of 'brick-bridge-mud' of a shell-like pearl layer, which is used for prolonging the cultivation life of the high-speed plough share and is characterized in that: the quick plough share is embedded with a bionic structure of 'brick-bridge-mud' imitating a shell pearl layer, and comprises the following steps: (1) determining a vulnerable part of the high-speed plough share, (2) designing and preparing a shell-like pearl layer structure, and (3) inlaying a shell-like pearl layer 'brick-bridge-mud' bionic structure to the plough share body. The high-speed plough share embedded with the bionic structure of 'brick-bridge-mud' imitating shell pearl layers solves the problems that the strength and the toughness of a homogeneous material manufactured by the traditional technology at the ploughing part of the high-speed plough share cannot be simultaneously improved, the shock resistance is low, and the high-speed plough share is easy to wear, improves the mechanical performance of the ploughshare ploughing part, enables the mechanical performance of the ploughshare ploughing part to adapt to the requirement of high-speed soil preparation operation, and prolongs the ploughshare ploughing service life.)

一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧

技术领域

本发明涉及一种高速犁犁铧，具体涉及一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧，属于农业装备技术领域。

背景技术

犁的主要功能是翻土和碎土，水平摆动式双向犁(简称摆式犁)是一种新型高速铧式犁耕地工具，采用梭式作业方式，可以连续、交替地进行高速整地作业，由于工作环境差，经常与土壤、砂石、作物秸秆、根块等接触，常受到摩擦力、土垡变形力和剧烈凿削阻力的作用，高速耕作条件下的土壤/工具间的相互作用使犁铧的耕作部位发生严重磨损，出现“表层剥落”、“热裂”、“耕犁”损伤等现象，大大降低了犁铧的工作效率，致使其提前报废。其中，犁铧的铧尖区的主要作用是入土、切土，是最为关键的耕作部位，研究表明，犁铧的铧尖区磨损最为严重。

“摆式犁”作为一种典型的农业机械，通常希望其关键部位的工程结构材料既坚固又坚韧，然而不幸的是，受传统设计、制造等方法的限制，传统工程结构材料经常面临强度和韧性之间的权衡。高速犁犁铧易损问题的本质原因是耕犁作业速度的提高与耕作部位由于传统技术制造的均质材料机械性能两者之间产生了不匹配，耕作部位由于传统技术制造的均质材料机械性能已不适应高速整地作业需求，耕犁作业速度的提高与均质材料机械性能提升已达瓶颈之间的矛盾阻碍了高速犁犁铧使用性能的正常发挥。

自然界中存在的大量天然生物结构(如骨、贝壳珍珠层、牙齿等)，经过长期进化，其结构与功能适应自然的程度近乎完美，是高性能结构材料的典范，特别是贝壳珍珠层，由大量结晶文石片层(硬相)和少量生物聚合物层(软相)相互堆积而成，形成了软硬交织、高度有序的“砖-泥”或“砖-桥-泥”复杂层级结构，表现出了高强高韧等优异机械性能。国内外研究人员大量的研究结果表明仿贝壳珍珠层材料的强度、韧性等机械性能均获得了大幅度的提升，这意味着仿贝壳珍珠层结构在提高材料机械性能方面具有极大的优势。然而，由于仿珍珠层材料结构复杂、材料异质等特点，传统制造技术无法制备。

增材制造逐点、逐线、逐面、逐域的成形方法给制造技术从传统的宏观外形制造向宏微结构一体化制造提供了新契机，特别是激光粉末床增材制造是一种兼顾精确成形和高性能成性一体化需求的先进制造技术，可通过一定的工艺策略与方法调控局部区域的显微组织，制造出复杂结构和特定性能的制品，激光粉末床基于“增量制造”原理，理论上可制造任意复杂结构的制品，特别适合于定制化、个性化制造，已有文献表明，激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台可以实现多材料复杂结构制品的制备，但如何利用激光粉末床熔融多材料复杂结构平台解决高速犁犁铧耕作部位严重磨损问题尚无解决方案。现有仿珍珠层的研究大多为聚合物类或其他非金属材料，少量金属仿珍珠层研究，不能形成“砖-桥-泥”仿生结构，因而现有这些研究不适用于解决高速犁犁铧易损问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的这些问题，提供一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧，解决高速犁犁铧耕作部位由于传统技术制造的均质材料强度和韧性不能同时提高，抗冲击性能低，易磨损的问题，为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧，用于延长高速犁犁铧耕作寿命，其特征在于：所述的高速犁犁铧易损部位镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构，包括以下步骤：

(1)确定高速犁犁铧易损部位

S1：测量高速犁犁铧的外形结构特征参数，包括长度、宽度、厚度、表面曲率半径以及角度等数据；

S2：采用基于零件特征实体建模方法，构建高速犁犁铧的三维实体模型；

S3：依据犁铧/土壤之间相互作用受载状况，采用有限元分析方法，计算最大工况条件下犁铧的机械应力与应变，根据最大应力与应变的分布位置，确定高速犁犁铧易损部位；

(2)仿贝壳珍珠层结构设计及制备

S4：依据高速犁犁铧易损部位结构特点，使用建模软件设计犁铧易损部位仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构模型；

S5：将所设计的犁铧易损部位仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构模型转换成STL文件，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，依据导入的STL文件，制备犁铧易损部位仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构；

(3)镶嵌仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构至犁铧本体

S6：去除高速犁犁铧易损部位，将所制备的仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构镶嵌至犁铧本体。

本发明的有益效果是：本发明的一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧，解决了高速犁犁铧耕作部位由于传统技术制造的均质材料强度和韧性不能同时提高，抗冲击性能低，易磨损的问题，提升了犁铧耕作部位的机械性能，使犁铧耕作部位机械性能适应高速整地作业需求，延长了犁铧耕作寿命。

附图说明

图1是本发明的高速犁犁铧结构示意图；

图2是犁铧的铧尖区仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构示意图。

附图中的零部件序号如下：犁铧1、犁铧的铧尖区2、“砖”结构3、“泥”结构4、“桥”结构5。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合附图和实施例，对本发明作进一步地说明：

如图1所示，本发明的一种镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的高速犁犁铧1，用于延长高速犁犁铧耕作寿命，其特征在于：所述的高速犁犁铧1易损部位犁铧的铧尖区2镶嵌了仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构，包括以下步骤：

(1)确定高速犁犁铧1易损部位

S1：测量高速犁犁铧1的外形结构特征参数，包括长度、宽度、厚度、表面曲率半径以及角度等数据；

S2：采用基于零件特征实体建模方法，构建高速犁犁铧1的三维实体模型；

S3：依据犁铧/土壤之间相互作用受载状况，采用有限元分析方法，计算最大工况条件下犁铧1的机械应力与应变，根据最大应力与应变的分布位置，确定高速犁犁铧1易损部位是犁铧的铧尖区2；

(2)仿贝壳珍珠层结构设计及制备

S4：依据高速犁犁铧1易损部位犁铧的铧尖区2结构特点，使用建模软件设计犁铧1易损部位犁铧的铧尖区2的仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构模型；

S5：将所设计的犁铧易损部位犁铧的铧尖区2的仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构模型转换成STL文件，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台，依据导入的STL文件，制备犁铧易损部位犁铧的铧尖区2的仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构；

(3)镶嵌仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构至犁铧本体

S6：去除高速犁犁铧1易损部位原犁铧的铧尖区2均质材料结构，将所制备的仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构镶嵌至犁铧本体。

图2给出了犁铧的铧尖区2仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构示意图，采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台进行制备，用“砖”结构3承载载荷，用“泥”结构4传递载荷，用互联网络布局的“桥”结构5影响材料强韧化机制，目的是当材料出现裂纹发生断裂倾向时，由于“桥”的存在和出现位置的随机性，使裂纹扩展发生偏转，或使裂纹分裂成多个分支，从而增加能量耗损，并使应力场和应变场分布更加均匀，使“砖-桥-泥”仿生结构具有更高的韧性模量，增加材料整体断裂韧性，同时增加结构抵抗破坏的坚固性。研究表明，“砖-桥-泥”仿生结构的硬度主要来源是“砖”结构3材料，但其硬度是单独“砖”结构母材的20-30倍，合理的“砖-桥-泥”材料成分及结构设计对材料机械性能提升起到了关键作用。

本实施例采用激光粉末床熔融多材料复杂结构的平台制备犁铧的铧尖区2仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构的基本过程是：首先采用建模软件构建仿珍珠层“砖3-桥5-泥4”仿生结构，如图2所示，并转换成STL文件导入所述激光粉末床熔融多材料复杂结构平台的操作系统；其次，选择机械强度相差3倍以上两种不同种类的金属粉末，将第一种金属粉末存放在制备平台的下送粉缸内，将第二种金属粉末存放在制备平台的上送粉系统的存储舱内；最后，启动激光粉末床熔融多材料复杂结构平台操作系统，依据STL文件，制备完成犁铧的铧尖区2仿贝壳珍珠层“砖-桥-泥”仿生结构，如图2所示，制备完成后经后处理后备用。

本发明涉及的其他未说明部分与现有技术相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。