仿生半圓柱金屬表面及土壤直剪試驗研究

楊光明唐亞鳴

(1 合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

(2 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

仿生半圓柱金屬表面及土壤直剪試驗研究

楊光明1唐亞鳴2

(1 合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

(2 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

為檢驗仿生半圓柱非光滑金屬表面的減粘降阻效果，對典型非光滑仿生半圓柱表面試樣進行直接剪切試驗，得到了在一定的壓力條件下剪切力和剪切位移的關(guān)系，用最小二乘法求出土樣的抗剪強度指標(biāo)c和φ，繪制刀齒在不同的法向應(yīng)力作用下剪位移與剪切力的關(guān)系圖，并進行了比較分析，為切削土壤刀具的表面結(jié)構(gòu)仿生減粘降阻設(shè)計提供了依據(jù)。

仿生表面；減粘降阻；直接剪切；試驗研究

疏浚機械、農(nóng)業(yè)機械等觸土機械切削土壤過程中，由于土壤的粘附等原因造成的表面阻力不僅會降低觸土機械的生產(chǎn)效率，縮短觸土機械的使用壽命，同時也消耗掉了大量的能源。而自然界一些動植物的體表結(jié)構(gòu)具有減少阻力的作用，譬如生活在粘濕土壤中的蜣螂，身體表面布滿了凹凸不平的小圓點使其行動自如而身不粘土[1-3]。基于蜣螂的減粘脫附特性，國內(nèi)外學(xué)者提出了幾何非光滑表面脫附減阻技術(shù)。為了解切土機械仿生刀齒與土壤的切削特性，用疏浚刀齒金屬材料對典型半圓柱非光滑表面的試樣進行粘性土壤的直接剪切試驗，分別測量不同壓力作用下土的抗剪強度指標(biāo)，并比較切削過程中試樣所受的粘聚力和摩擦力，以得到不同參數(shù)的仿生表面的減粘降阻效果，為仿生刀齒的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 直接剪切試驗原理

仿生半圓柱金屬表面與土壤直剪試驗是在南京土壤儀器場生產(chǎn)的DJY-4型四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀上完成的，其主要部件包括：上下剪切盒和推動框、杠桿垂直加荷機構(gòu)、水平推動座和量力環(huán)、直流調(diào)速電機、齒輪變速箱(二檔位）、臺式調(diào)速機箱和剪切盒剪切行程自控開關(guān)等。其它輔助設(shè)備包括有：百分表、環(huán)刀、削土刀、不透水塑料膜、透水石等。

仿生半圓柱金屬試樣的直接剪切試驗分為兩部分，第一部分為土的直接剪切試驗，用來測量被切削土樣的抗剪強度指標(biāo)；另一部分為仿生表面試樣的直接剪切試驗，分別測量光滑表面試樣和仿生表面試樣受到的粘聚力和摩擦力，進行分析對比得出仿生表面的減粘脫附性能。

直接剪切試驗簡稱直剪試驗，是根據(jù)庫侖強度理論測定土的抗剪強度的常用方法。直剪試驗通常采取四個圓柱狀試樣(圖1），在豎直方向分別施加不同的法向力P，在預(yù)定的水平剪切面施加剪切T剪切試樣[4]。試驗開始時，剪切力T從零開始增加，剪切位移δ也自零隨之增加。剪破時，剪切力T達到最大值Tmax，對應(yīng)剪切破壞面上的剪應(yīng)力達到抗剪強度，即：

式中：σ—剪切面上法向應(yīng)力；P—法向力；T—剪切力；A—剪破面面積；

τf—剪破面上抗剪強度；Tmax—試驗?zāi)艹惺艿淖畲蠹魬?yīng)力；

試驗采用四個試樣，用不同的法向應(yīng)力σi作用于豎直方向，得到相應(yīng)的抗剪強度τfi。將四組(σi，τfi）利用最小二乘法計算出土的抗剪強度指標(biāo)：內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。

2 直剪試驗試樣的制備

土的直剪試驗中土樣的制備根據(jù)試驗需要取原狀土，再用環(huán)刀切削而成。土樣的直徑為61.2 mm，高度為20 mm。每組試驗至少制備四個土樣，在四種不同的豎向壓力作用下進行剪切試驗。豎向壓力范圍從原則上講應(yīng)覆蓋原狀土從自重應(yīng)力到自重應(yīng)力加附加應(yīng)力的范圍，一般可取為：100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

仿生表面直剪試驗中所用土樣的制備步驟與上述相同，需要特別指出的是仿生表面直剪試驗中所用土樣的高度都是土的直剪試驗中土樣高度的一半，即土樣的直徑為61.2 mm，高度為10 mm。試驗時，土樣裝入上剪切盒，刀齒裝在下剪切盒。當(dāng)測量剪切位移δ的百分表讀數(shù)與土的直剪試驗中土樣被剪破時百分表的讀數(shù)相同時，試驗結(jié)束。

根據(jù)直剪試驗設(shè)備的要求，仿生表面采用圓柱狀試樣，直徑為61.2 mm，高度為11.5 mm，材料為45號鋼。普通刀齒的兩表面均為光滑平面，仿生刀齒的下表面為光滑平面，上表面為半圓柱形非光滑平面，制備的試樣如圖2。半圓柱形非光滑曲面的數(shù)學(xué)表達式為：

式中：R—仿生刀齒上表面圓柱體橫截面圓的半徑；L1—上表面前端平面部分長度；Lm—上表面兩半圓柱體圓心之間的間隔，Lm≥2R；m—上表面半圓柱體的個數(shù)，

試樣在土壤切削過程中受到的摩擦力主要是由粘附力引起，對于一定條件的土壤，當(dāng)正壓力P一定時，粘附的程度主要取決于接觸面積A，接觸面積越小，摩擦阻力越小，減粘降阻能力越好。針對上述半圓柱非光滑平面的[5-6]結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示。

試樣在數(shù)控線切割加工機床上加工而成。首先取直徑為70 mm，長度為50 mm的45號鋼原材料，在數(shù)控機床上編程進行線切割將材料加工成直徑為61.2mm的圓柱體，再將其切割成四片高度為11.5mm，兩表面均為平面的圓柱狀試樣。根據(jù)表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在機床的電腦中進行編程加工仿生刀齒的半圓柱形非光滑平面，并將加工好的刀齒用砂紙打磨處理。

3 試驗記錄和結(jié)果分析

直剪試驗的記錄和結(jié)果分析包括直剪試驗數(shù)據(jù)記錄和試驗數(shù)據(jù)處理。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)求出各組試驗中所施加的法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ。

試驗設(shè)備DJY四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀中使用了杠桿，比例為12：1。在砝碼盤上加上質(zhì)量為2.54 kg的砝碼，相當(dāng)于在試樣的豎直方向施加了300 N的法向力。試樣面積A0為30 cm2，根據(jù)公式(1）計算得出法向應(yīng)力σ=100 kpa。即在砝碼盤上每加一個質(zhì)量為2.54 kg的砝碼，就相當(dāng)于在試樣豎直方向上施加100 kpa的法向應(yīng)力。

作用在試樣上的剪應(yīng)力τ可根據(jù)以下公式計算[4]。

式中：10—單位換算系數(shù)；C—測力計率定系數(shù)(N/0.01 mm），取C=1.5；

R—測力計讀數(shù)(0.01 mm），即鋼環(huán)變形的數(shù)值；A0—試樣面積(cm2）。

求出各組試驗中法向應(yīng)力和剪應(yīng)力后，用最小二乘法求出土樣的抗剪強度指標(biāo)c和φ，繪制刀齒在不同的法向應(yīng)力作用下剪位移與剪切力的關(guān)系圖。

根據(jù)土的直剪試驗記錄，土樣在試驗過程中受到的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力如表3所示，土壤的粘聚力c=28.5 kpa，內(nèi)摩擦角φ=14.0362°。

當(dāng)法向應(yīng)力σ=200、300 kpa時，光滑表面刀齒和四種半圓柱形刀齒受到的剪切力與剪位移的關(guān)系如圖2所示。

由圖2(a）中可得出，當(dāng)σ=200 kpa時，半圓柱1、2、4形試樣受到的剪切力比光滑表面刀齒大，而半圓柱3形試樣受到的剪切力比光滑表面刀齒小，這可以根據(jù)非光滑表面設(shè)計原理來解釋[7]：

半圓柱表面的直剪試驗中，在豎直方向施加法向力P，水平方向施加剪切力T，使放置在下剪切盒中的半圓柱形刀齒剪切放置在上剪切盒中的土樣，土樣由于受到法向力的作用發(fā)生沉陷變形。試驗結(jié)束后，從上剪切盒中取出的土樣受到嚴(yán)重的擠壓變形以至于碎裂并完全粘附在半圓柱1形試樣上，這說明土樣的沉陷量大于試樣表面的半圓柱體半徑2.6962 mm，從而導(dǎo)致土壤完全包住試樣表面的凸起部分，充滿凸起之間的空隙和底部，增加了粘附力和剪切力。

半圓柱3型試樣幾何單元的半徑相對較大，沉陷的土壤僅與試樣表面凸起部分的頂部接觸，試樣與土壤的接觸面積減小，剪切力和阻力變小。凸起部分的底部和土壤之間存在空隙，儲存空氣，也可以降低大氣壓力，起到減粘降阻的效果。

半圓柱2形試樣和半圓柱4形試樣與半圓柱3形試樣相比，幾何單元個數(shù)和幾何單元半徑增加，與土壤的接觸面積相對增加，減粘降阻效果不佳。

隨著豎直方向法向應(yīng)力σ的增大，土壤受到的剪切力也逐漸增大。在σ=200 kpa時，半圓柱1形試樣的直剪試驗中，土樣發(fā)生嚴(yán)重沉陷變形使粘附力和剪切力增加，所以在σ=300 kpa時，只采用半圓柱2、3、4形表面進行直剪試驗與光滑平面比較。由圖2(b）可得出，半圓柱4形試樣受到的剪切力最小，減粘降阻能力最好，半圓柱2形試樣次之，而半圓柱3型試樣再次之。這是因為隨著法向力的增大，土壤的沉陷量增大，半圓柱4形試樣表面幾何單元的半徑較大，發(fā)生沉陷變形的土壤在半圓柱4形試樣的頂部運動，土壤與試樣的接觸面積減小，減粘降阻的效果最好。

4 結(jié)束語

本文對仿生半圓柱金屬表面及土壤進行了直剪試驗研究，得到了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的半圓柱形仿生表面剪切粘性土壤的剪切力和剪切位移的關(guān)系，結(jié)果表明仿生非光華表面可以產(chǎn)生減粘降阻的效果，試驗結(jié)果為設(shè)計切削不同粘性特性土壤的仿生刀具提供依據(jù)。試驗表明針對不同的切削壓力和不同的土壤特性，需要對土壤刀具的仿生表面結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以獲得比較好的減粘降阻的效果。

參考文獻：

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[2]Neinhuis，C.&Barthlott W.Characterization and distribution of water-repellent，self-cleaning plant surfaces[J].Annals of Botany，1997，（388）∶431-432.

[3]任露泉，陳德興，胡建國.土壤動物減粘脫土規(guī)律初步分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1990，（1）：15-20。

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[7]Luquan Ren，Shiqiao Deng，Jingchun Wang，et al.Design Principles of the Non-smooth Surface of Bionic Plow Moldboard [J].Journal of Bionics Engineering，2004，（1）∶9-19.

A STUDY ON THE BIONIC HALF-CYLINDER METALl SURFACE AND SOIL DIRECT-SHEAR TEST

YANG Guang-ming1TANG Ya-ming2
（1 Heifei Technology College，Chaohu Anhui 238000）
（2 Hohai Universty，Nanjing Jiangsu 210098）

In order to test the viscosity-drag effect of non-smooth metal surface of bionic half-cylinder，we take a direct-shear test on the surface of typical non-smooth bionic half-cylinder metal.And we get the relationship between shearing force and shearing displacement under a certain pressure condition.Through the least square method，we get two intensity indexes∶and.According to the relationship between shearing displacement and shearing force as well as comparison analysis，we obtain the basis for the design of soil cutting tools in adhesion reduction and resistance reduction.

bionic surface；adhesion reduction and resistance reduction；direct-shear test；test study

TU411.7

A

1672-2868（2015）06-0088-05

責(zé)任編輯：陳小舉

2015-10-02

楊光明(1973-），男，安徽合肥人。合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級講師。研究方向：機械應(yīng)用。