犁鏵鋼仿生表面對(duì)水接觸角的研究

錢(qián)良存,邵陸壽,朱德泉,陳培榮,潘 靜

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,安徽合肥 230036)

0 前言

機(jī)械觸土部件表面與土壤之間的摩擦阻力占總工作阻力的 30%50%,在摩擦阻力中,其表面與土壤之間的粘滯力是最主要的部分[1]。通過(guò)表面仿生非光滑效應(yīng)降低粘滯阻力已成為研究熱點(diǎn),但目前表面仿生基本上是對(duì)表面形態(tài)仿生,表面微納米信息直接提取仿生很少報(bào)導(dǎo)[2-6]。觸土部件表面對(duì)水接觸角是影響減粘降阻的重要參數(shù),接觸角越大,憎水性越強(qiáng),其減粘降阻效果越顯著[7-8]。因此,接觸角有待進(jìn)一步提高。為了探索接觸角提高的工藝,本文依據(jù)荷葉表面微納米結(jié)構(gòu)的超憎水性原理[8-9],采用電子顯微技術(shù)對(duì)荷葉葉表形態(tài)進(jìn)行了 SEM電鏡掃描,運(yùn)用圖像處理技術(shù)[10],分割荷葉表面掃描圖像微納米形貌,運(yùn)用激光標(biāo)牌機(jī)進(jìn)行犁鏵鋼表面仿生激光刻蝕正交試驗(yàn),并借助靜液滴接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)犁鏵鋼表面的水滴接觸角測(cè)定,為機(jī)械觸土部件表面仿生減粘降阻提供更好的依據(jù)。

1 試驗(yàn)器材與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

HGL-LSY50F型激光標(biāo)牌機(jī),光波中心波長(zhǎng)為1 660 nm,激光機(jī)的電流可從730 A連續(xù)取值,激光機(jī)的分辨率為200 dots/cm,輸入控制激光機(jī)的計(jì)算機(jī)中的源圖像為灰度圖;SEM掃描電鏡;精度為0.25°的JC2000C1型靜液滴測(cè)量?jī)x;銑床;角磨機(jī);烘干設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)材料與試劑

新鮮荷葉1片;8 cm×40 cm犁鏵鋼(18#CrMnTi)3片;純凈水和無(wú)水酒精均為分析純。

1.3 試驗(yàn)方法

圖1 荷葉表面的生物電鏡圖片

運(yùn)用電鏡掃描新鮮荷葉表面平坦部位,采集葉片表面微納米圖像,見(jiàn)圖1。在MATLAB圖像工具箱中調(diào)用圖像邊緣Sobel算子,分割出圖像閾值為不連續(xù)的整數(shù)值的微納米圖像形貌特征,圖2為閾值為 4、8、16、32的荷葉微納米形貌特征圖像。在銑床上銑磨犁鏵鋼表面,得到光滑平坦犁鏵鋼表面,供激光機(jī)刻蝕。將閾值為 8的圖樣輸入控制激光機(jī)計(jì)算機(jī)中,激光機(jī)的輸出電流取 13.0 A,犁鏵鋼表面刻蝕圖樣見(jiàn)圖3。水滴對(duì)刻蝕區(qū)的接觸角用靜液滴測(cè)量?jī)x測(cè)定,測(cè)量方法為量角法。為了保證接觸角測(cè)量的準(zhǔn)確性,利用帶羊毛絨磨片的角磨機(jī)去除激光燒蝕的熔渣,得到銀白色的犁鏵鋼表面,放入無(wú)水酒精密封浸泡 48 h后,拿出快速烘干,冷卻后對(duì)其接觸角測(cè)試,每個(gè)圖樣測(cè)試 3次,其測(cè)定圖片見(jiàn)圖4。

2 結(jié)果及分析

2.1 單因素試驗(yàn)與分析

(1)閾值對(duì)接觸角試驗(yàn)。利用不同的閾值圖像作為源圖像,閾值為 2、4、8、13、16、32、64、93、128、173、253,圖像比例取 100%,電流取 11 A,在犁鏵鋼表面刻蝕,測(cè)試水滴在刻蝕區(qū)的接觸角,測(cè)試室溫為27.3℃。剔除誤差較大值,接觸角 y和閾值 x間關(guān)系利用多項(xiàng)式擬合,擬合曲線見(jiàn)圖5。回歸方程:

決定系數(shù)為0.756 6,F檢驗(yàn)值5.180 1;顯著水平 0.054 1,閾值對(duì)加工的犁鏵鋼表面對(duì)水的接觸角影響較明顯。從曲線上看出接觸角較大值在閾值為 100左右,分布范圍較大。

(2)電流對(duì)接觸角試驗(yàn)。閾值為 93,圖像比例為 100%,電流取 715 A刻蝕,測(cè)試水滴在刻蝕區(qū)的接觸角,測(cè)試室溫為 26.8℃。接觸角 y和電流 x間對(duì)應(yīng)關(guān)系采用多項(xiàng)式逐次擬合,滿足二次曲線關(guān)系,見(jiàn)圖6?；貧w方程:

決定系數(shù)為0.729 7;F檢驗(yàn)值8.100 1;顯著性水平0.019 7,通過(guò)方程求得:閾值為93,圖像比例為100%,電流取 11.1 A,最大接觸角為73.70°。

(3)圖像比例對(duì)接觸角試驗(yàn)。閾值為 93,圖像比例從 0.1開(kāi)始到0.65,電流取 10 A刻蝕,測(cè)試水滴在刻蝕區(qū)的接觸角,測(cè)試室溫為 26.5℃。采用二次曲線擬合,得到接觸角 y和圖像比例 x間關(guān)系曲線,見(jiàn)圖7。回歸方程:

決定系數(shù)為0.904 2;F檢驗(yàn)值為14.149 6;顯著性水平 0.029 7。通過(guò)方程得:閾值為93,電流取10 A,圖像比例為23.9%,最大接觸角為73.55°。

2.2 二次回歸正交試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)正交試驗(yàn)。根據(jù)激光刻蝕的單因素試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定正交試驗(yàn)表見(jiàn)表1。正交試驗(yàn)取 3因素 4水平。做激光刻蝕犁鏵鋼 3次重復(fù)正交試驗(yàn),得 3×16組刻蝕面積為1 cm×1.5 cm的圖案。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2,測(cè)試時(shí)室溫為11.4℃,未刻蝕面接觸角測(cè)試值為65.22°。

圖7 圖像比例和接觸角關(guān)系曲線

表1 正交試驗(yàn)因素水平

(2)正交試驗(yàn)結(jié)果與分析。運(yùn)用DPS軟件分析試驗(yàn)結(jié)果的方差和極差,見(jiàn)表3。由方差和極差比較看出:閾值x1因子顯著性最高,閾值 x1、圖像比例x2對(duì)接觸角改變較顯著,電流 x3對(duì)接觸角改變不顯著。試驗(yàn)因素的主次關(guān)系為x1＞x2＞x3。由Tukey多重比較法,對(duì)試驗(yàn)因素各水平間差異顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),見(jiàn)表4。各因子中,僅有閾值 x1的各水平間差異顯著性為 5%,且差異連續(xù)變化,說(shuō)明閾值處理水平對(duì)接觸角影響較大,其他因子在本次試驗(yàn)中顯著性水平低于5%,而在極顯著1%水平上無(wú)差異性,說(shuō)明正交試驗(yàn)每因素在極顯著水平上取值合理。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

3 工藝參數(shù)的優(yōu)化與分析

對(duì)于本次正交試驗(yàn)運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析中“多因子及平方項(xiàng)逐步回歸模型”進(jìn)行非線性規(guī)劃方法優(yōu)化。尋優(yōu)類(lèi)別:模型最大值。

3.1 約束條件

(x1-13)(x1-253)/253＜0;

(x2-0.1)(x2-0.5)/0.5＜0;

(x3-8.5)(x3-14)/14＜0。

3.2 優(yōu)化方程的確定和驗(yàn)證試驗(yàn)

表3 DPS軟件方差分析結(jié)果

回歸模型優(yōu)化方程:

當(dāng)前方程的相關(guān)系數(shù)和顯著性:R=0.926 6,P=0.090。

表4 試驗(yàn)處理因子各水平間差異顯著性

4 結(jié)論

(1)采用圖像邊緣分割Sobol算子,圖像閾值取值不同分割出荷葉葉片SEM圖片不同層次的微納米形貌,有效地提取荷葉表面形貌的層次特征,為激光刻蝕犁鏵鋼提供了另一種仿生途徑。

(2)激光刻蝕的單因素試驗(yàn)中,在忽略高階無(wú)窮小時(shí),圖像閾值、圖像比例、電流對(duì)接觸角的影響均滿足二次曲線規(guī)律。

(3)仿生刻蝕正交試驗(yàn)中,圖像閾值對(duì)接觸角影響最大,圖像比例對(duì)接觸角改變較顯著,電流強(qiáng)度對(duì)接觸角改變不顯著。且試驗(yàn)處理因子各水平在 1%顯著性水平下準(zhǔn)確可靠。得到非線性規(guī)劃正交試驗(yàn)的回歸方程,為地面機(jī)械觸土部件表面仿生減粘降阻提供更好的依據(jù)。激光仿生刻蝕犁鏵鋼表面對(duì)水接觸角提高的最優(yōu)組合為:閾值 125、圖像比例為 29%和電流 13.3 A。并試驗(yàn)驗(yàn)證接觸角為 75.50°,接觸角提高顯著。

[1] Zhang L,Ren LQ,Tong J,et al.Study of Soil-solid Adhesion by Grey System Theory[J].Progress in Natural Science, 2004,14(2):119-125.

[2] 呂有界,王玉興,唐艷芹,等.仿生曲面在螺旋樁螺旋葉片上的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(4):34-137.

[3] 高 吭,佟 金.東方螻蛄體表形態(tài)與潤(rùn)濕性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(11):172-175.

[4] 錢(qián)良存,邵陸壽,王 川.材料表面減粘自潔的研究與進(jìn)展[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào):理工版,2008,33(3):30-34.

[5] 郭志軍,陳海燕,鄧志強(qiáng).裝載機(jī)鏟斗的仿生設(shè)計(jì)及有限元分析[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,28(5):18-23.

[6] 郭志軍,周志立,任露泉.達(dá)烏爾黃鼠爪趾幾何特征分析[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,24(1):1-4.

[7] 李 剛,周 明,蔡 蘭,等.疏水性表面流動(dòng)減阻特性的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(4):172-175.

[8] 高雪峰,江 雷.天然超疏水生物表面研究的新進(jìn)展[J].物理,2006,35(7):599-605.

[9] BarthlottW,Neinhuis C.Purity of the Sacred Lotus or Escape from Contamination in Biological Surfaces[J].Planta,Selfcleaning of Biological Surfaces,1997(202):1-8.

[10] 冉彥中,曹婧華,韋 軍.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像邊緣檢測(cè)方法及應(yīng)用[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007, 28(5):599-605.