仿克氏原螯蝦螯部幾何結(jié)構(gòu)粘附力測(cè)試研究

王曉陽(yáng)

摘? 要：根據(jù)觸土部件作用土壤的受粘附力情況，證實(shí)仿生幾何結(jié)構(gòu)表面具有降低阻力的效果。對(duì)比了具有三種不同尺寸的凸包幾何結(jié)構(gòu)的表面和無(wú)仿生幾何結(jié)構(gòu)的表面，在脫附土壤過(guò)程中粘附力變化的情況，試驗(yàn)結(jié)果證明具有中凸包的2號(hào)鏟尖表面脫附土壤過(guò)程中受到的土壤粘附力最小。

關(guān)鍵詞：仿生;粘附力;凸包;脫附

中圖分類號(hào)：Q954? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0025-02

Abstract： According to the adhesion force of the soil affected by the soil contact parts， it is proved that the bionic geometric structure surface has the effect of reducing resistance. The changes of adhesion between the surfaces with three different sizes of convex hull geometry and those without bionic geometric structure were compared. The experimental results show that the soil adhesion is the least in the process of soil desorption on the No.2 shovel tip surface with middle convex hull.

Keywords： bionic; adhesion; convex hull; desorption

引言

土壤粘附力一直是困擾農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的難題，特別是在農(nóng)機(jī)具觸土部件的研究上，需要更進(jìn)一步的降低土壤粘附力對(duì)于機(jī)具的影響。云南紅壤土粘性強(qiáng)，對(duì)于降低紅壤土粘附力的研究在云南地區(qū)具有深遠(yuǎn)的研究意義。仿生學(xué)的研究將新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)用于工程技術(shù)的研究和發(fā)展上[1]。本研究是基于對(duì)克氏原螯蝦螯部凸包結(jié)構(gòu)的微觀分析，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)仿生表面粘附力測(cè)試平臺(tái)，分析凸包幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于土壤脫附的能力，獲得土壤脫附能力較優(yōu)的仿生凸包結(jié)構(gòu)。

1 仿生幾何結(jié)構(gòu)的制備

仿生幾何結(jié)構(gòu)為從克氏原螯蝦螯部表面提取的微觀結(jié)構(gòu)，采用 3D打印成型方式使產(chǎn)品加工的精度得到了保證。本研究采用聚乳酸（PLA）材料，較強(qiáng)的拉伸性能和沖擊強(qiáng)度方面性能顯著[2]。3D打印成型的工藝基本包括FDM

工藝和SLS工藝[3]，研究中使用FDM工藝，通過(guò)噴頭加熱后吐絲，在平面上堆積生成打印模型。本文采用南京威布三維科技有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)。

2 試驗(yàn)研究及方法

2.1 粘附力測(cè)試樣件和測(cè)試平臺(tái)的搭建

2.1.1 粘附力測(cè)試樣件的制備

試驗(yàn)樣件以克氏原螯蝦螯部[4]凸包幾何結(jié)構(gòu)作為仿生原型，使用常見(jiàn)觸土機(jī)具深松鏟鏟尖，按照高徑比[5]設(shè)置三種仿生凸包結(jié)構(gòu)鏟尖，打印完成的深松鏟鏟尖試樣1號(hào)鏟尖（表面具有底部直徑為20mm，凸包高度為2mm），2號(hào)鏟尖（表面具有底部直徑為12mm，凸包高度為1.8mm），3號(hào)鏟尖（表面具有底部直徑為6mm，凸包高度為1.5mm），4號(hào)鏟尖（無(wú)凸包）。

2.1.2 測(cè)試平臺(tái)的搭建

本試驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)在伺服萬(wàn)能機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)與電腦相連接，在SuperTest試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)上觀察粘附力的變化情況。本試驗(yàn)通過(guò)分析機(jī)具觸土部件與土壤脫附過(guò)程中粘附力受力情況，判斷得到粘附力主要集中在機(jī)具觸土部件的表面。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)夾具的過(guò)程中，在下端設(shè)置了放置了土槽的試驗(yàn)臺(tái)，以及小土槽，土槽中的土壤可以更換，以滿足對(duì)不同土壤條件下表面粘附力的測(cè)試研究。

2.2 試驗(yàn)土壤條件

試驗(yàn)土壤選用云南紅壤土，該土壤具有粘附力強(qiáng)的特點(diǎn)，本試驗(yàn)收集的土壤為耕作后的試驗(yàn)田地表土壤。為保證土壤的一致性，用直徑為1mm的篩子篩出顆粒小于等于1mm的土壤顆粒與水分的配比按照1：5的配比進(jìn)行添加，加水后，放置24小時(shí)，待水分完全浸入土壤后，測(cè)量試樣土壤的含水率。

本試驗(yàn)選用單一數(shù)值的含水率，測(cè)定含水率的方法為烘干法。首先是取得試驗(yàn)鋁盒，稱重記為W1，對(duì)于土壤取樣，取樣試樣土壤的中段土壤，取樣土壤20g，取樣后將土壤快速放置到準(zhǔn)備好的鋁盒內(nèi)，用天平稱重鋁盒與試驗(yàn)土壤的重量，記為W2，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，將帶有試驗(yàn)土壤的鋁盒放置在恒溫為105度的烘箱內(nèi)，打開(kāi)鋁盒蓋子，烘干6小時(shí)后蓋上蓋子，放置在干燥器內(nèi)冷卻30分鐘后進(jìn)行稱重。然后，打開(kāi)鋁盒蓋子，放置在烘箱內(nèi)繼續(xù)烘干，時(shí)間定為4小時(shí)，然后蓋上蓋子，放置在干燥器內(nèi)30分鐘后進(jìn)行稱重，前后兩次烘干重量無(wú)明顯變化記為W3。含水率的計(jì)算公式為：

W%=%

式中W指土壤含水率（%）;

W1指鋁盒重量（g）;

W2指鋁盒和新鮮土壤總重量（g）;

W3指鋁盒和烘干土壤總重量（g）。

3 粘附力試驗(yàn)測(cè)試

本文選用的土壤含水率為18.11%。首先，將顆粒直徑尺寸為1mm的土壤添加到小土槽中，深度為70mm，然后按照土壤與顆粒的配比添加水，添加過(guò)程中盡量保證土壤表面平整，如不平整用刮板刮平，用保鮮袋或者保鮮膜密封，放置24h后，作為試驗(yàn)土壤樣本。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)與電腦相連，在SuperTest控制系統(tǒng)中設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)。設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn)方案，分別是鏟尖下降試驗(yàn)方案和鏟尖上升試驗(yàn)方案。鏟尖下降試驗(yàn)方案中，鏟尖厚度為5mm，在設(shè)置鏟尖下降深度時(shí)，設(shè)置為5.5mm，以保證鏟尖完全進(jìn)入土壤中，材料形狀選用板材，試驗(yàn)速度選用10mm/min，其他數(shù)據(jù)選用默認(rèn)設(shè)置。在鏟尖上升試驗(yàn)方案中，鏟尖上升設(shè)置為6mm，保證了鏟尖能夠完全脫附土壤。

測(cè)試方案設(shè)計(jì)完成后，完成裝夾，進(jìn)行調(diào)零設(shè)置。對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)零設(shè)置后，開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇四種表面鏟尖，分別進(jìn)行五次下降試驗(yàn)和五次上升試驗(yàn)。根據(jù)五次試驗(yàn)受力的平均值，分析在上升試驗(yàn)過(guò)程中鏟尖脫附土壤的粘附力大小，從而判斷仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于鏟尖粘附力的影響。

根據(jù)試驗(yàn)受力結(jié)果可知，鏟尖下壓過(guò)程中，受力變化呈正比例變化，上升過(guò)程中，土壤在不斷脫附土壤的過(guò)程中受力逐漸增大，鏟尖開(kāi)始脫離土壤后受力達(dá)到峰值，當(dāng)鏟尖逐漸脫離土壤后，鏟尖受到的粘附力逐漸降低，直到完全脫離土壤后會(huì)趨于穩(wěn)定，因此鏟尖受到的粘附力公式為：F=Fmax-f1

式中：F代表鏟尖脫離土壤的粘附力;

Fmax代表鏟尖受到的最大力;

f1代表鏟尖完全脫離土壤后受力。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的下降試樣方案，進(jìn)行了五組下降試驗(yàn)，記錄五次下降試驗(yàn)過(guò)程中鏟尖受到的最大力，對(duì)五次下降過(guò)程受到的最大力求平均值，記為F下降。通過(guò)試驗(yàn)方案中設(shè)計(jì)的上升試樣方案，進(jìn)行了五組上升試驗(yàn)，記錄五次上升試驗(yàn)鏟尖受到的最大力，對(duì)五次上升過(guò)程受到的最大力求平均值，記為F上升。在對(duì)四種不同表面的鏟尖進(jìn)行了五組上升試驗(yàn)中，根據(jù)上升過(guò)程脫附土壤穩(wěn)定后受力f1的大小變化，通過(guò)粘附力的計(jì)算公式，計(jì)算五次上升試驗(yàn)鏟尖受到的粘附力，對(duì)五次上升過(guò)程受到的粘附力求平均值，記為F平均。如表1所示。

對(duì)下降和上升過(guò)程中，鏟尖受力進(jìn)行單因素方差分析，分析不同鏟尖下壓過(guò)程中鏟尖表面結(jié)構(gòu)對(duì)于下壓和上升過(guò)程中與土壤作用受力的影響。

當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)（3，16）=3.24，鏟尖下降過(guò)程中，F(xiàn)=2.78F（3，16）=3.24，在鏟尖上升過(guò)程中，鏟尖表面幾何結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)于鏟尖脫附土壤過(guò)程中受力的影響顯著。通過(guò)單因素方差分析，改變鏟尖表面幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)鏟尖脫附土壤過(guò)程中受力具有顯著的影響。

表1 粘附力試驗(yàn)中，鏟尖受力變化

4.2 試驗(yàn)分析

根據(jù)鏟尖脫附土壤后鏟尖力值的變化，計(jì)算出鏟尖所受到粘附力，通過(guò)表1根據(jù)受力分析粘附力變化，可以觀察出鏟尖在五次試驗(yàn)中所受到的粘附力平均值的變化情況，3號(hào)鏟尖受到的粘附力的平均值最小，其次是2號(hào)鏟尖，4號(hào)鏟尖的粘附力大于1號(hào)鏟尖，反映了仿生幾何結(jié)構(gòu)脫附土壤的能力在尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，凸包結(jié)構(gòu)尺寸較大，反而對(duì)鏟尖脫附土壤的受力效果影響較小?？梢猿醪椒治?，凸包結(jié)構(gòu)尺寸越小，鏟尖表面脫附土壤時(shí)受到的粘附力就越小。判斷，在凸包尺寸為表面具有底部直徑為12 mm，凸包高度為1.8 mm的中凸包時(shí)，鏟尖脫附土壤時(shí)受到的粘附力最小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)以特有仿生動(dòng)物體表結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)提取并進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建粘附力測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于減粘效果的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)紅壤粘性土壤減粘幾何結(jié)構(gòu)的研究提供理論研究基礎(chǔ)。

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