農(nóng)耕機(jī)械觸土部分磨損及表面改性研究現(xiàn)狀

夏國峰 楊學(xué)鋒 萬壯 劉文波 李丹

摘要：土壤是農(nóng)耕機(jī)械主要的加工對象，農(nóng)耕機(jī)械中的觸土部件在與土壤接觸作用的過程中會受到來自于土壤顆粒的磨損失效，這是造成其產(chǎn)生失效的主要原因?，F(xiàn)有的提高觸土部件耐磨性能的方式包括選擇耐磨材料、改進(jìn)加工工藝、涂層和表面處理等，近幾年隨著生物仿生學(xué)的發(fā)展，仿生農(nóng)耕觸土部件的設(shè)計(jì)成為了新的發(fā)展趨勢和手段。本研究從觸土部件的磨損機(jī)制、產(chǎn)生磨損的因素及現(xiàn)有的提高農(nóng)耕機(jī)械觸土部分耐磨性能的表面改性方法等幾個(gè)方面進(jìn)行了綜合論述，以期能對我國農(nóng)耕機(jī)械觸土部件設(shè)計(jì)的優(yōu)化和發(fā)展提供理論參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)耕機(jī)械;觸土部件;磨損;表面改性;仿生

中圖分類號： S222文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0046-06

收稿日期：2018-12-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：51575234、51872122）;中國博士后科學(xué)基金（編號：2017M620286）;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號：2018CXGC0809）;山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃（編號：2018YF012）。

作者簡介：夏國峰（1993—），男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)槟Σ翝櫥碚摷肮こ虘?yīng)用。E-mail：2269925790@qq.com。

通信作者：楊學(xué)鋒，博士，教授，研究方向?yàn)槟Σ翝櫥碚摷肮こ虘?yīng)用。E-mail：me_yangxf@ujn.edu.cn。

近年來，隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國農(nóng)業(yè)逐漸開始朝著機(jī)械化方向發(fā)展，先進(jìn)農(nóng)機(jī)使用的普及和推廣已經(jīng)取得了一定成效。但是，農(nóng)耕機(jī)械部件在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象仍然普遍存在，且不易得到有效解決。農(nóng)業(yè)機(jī)械的觸土部件往往都是在無潤滑狀態(tài)下直接與土壤等磨粒直接接觸，工作環(huán)境十分惡劣，所以土壤對農(nóng)業(yè)機(jī)械的磨粒磨損是個(gè)很突出的問題。在進(jìn)行農(nóng)耕作業(yè)時(shí)，只有充分保障農(nóng)耕機(jī)械具有良好的工作條件，才能實(shí)現(xiàn)良好作業(yè)，才能盡可能減少材料的磨損，使能源浪費(fèi)現(xiàn)象得到有效控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械材料和能源的消耗主要是由于摩擦磨損造成的，其中農(nóng)耕機(jī)械報(bào)廢的很大一部分原因就是由于觸土部件與土壤之間產(chǎn)生的磨粒磨損失效，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，其所占比例已經(jīng)高達(dá)60%以上[1-3]。鋼材磨損問題是一個(gè)世界范圍內(nèi)的難題，每年由于磨損所消耗的鋼材占全世界鋼材生產(chǎn)總量的10%左右。就我國來說，我國目前機(jī)耕面積大約有1億hm2，那么所需犁鏵、旋耕機(jī)刀片等農(nóng)耕觸土部件的總用鋼量大約為3萬t，而每年在土壤中直接磨損掉的金屬材料占制造農(nóng)耕觸土部件所需鋼材的27%，這種直接的經(jīng)濟(jì)損失對一個(gè)國家來說是非常驚人的[4]。未來農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程技術(shù)的發(fā)展方向是高效節(jié)能，實(shí)際工作中影響農(nóng)耕機(jī)械的生產(chǎn)效率和產(chǎn)生磨損的因素很多，其中農(nóng)業(yè)物料對農(nóng)業(yè)機(jī)械工作部件的磨損是影響其生產(chǎn)效率和能源消耗的主要因素，其中最具典型性的是土壤對觸土工作部件的磨損。因此，通過研究農(nóng)耕觸土部件與土壤的磨損現(xiàn)象，找到更加有效的解決方法是非常有必要的，這對于提高農(nóng)業(yè)機(jī)具的性能，發(fā)展集約型農(nóng)業(yè)有著積極的意義。

1?農(nóng)耕機(jī)械觸土部件的磨損機(jī)制

農(nóng)耕機(jī)械觸土部件與土壤之間發(fā)生的磨粒磨損現(xiàn)象是造成其磨損失效的主要原因。磨粒磨損是指由外界硬質(zhì)表面或硬顆粒在摩擦副對偶表面滑動過程中引起的部件表面擦傷、材料脫落或變形、斷裂的一種現(xiàn)象，圖1為磨粒磨損示意圖。磨粒磨損通常分為兩體磨料磨損和三體磨料磨損2種情況。兩體磨損是指當(dāng)部件與土壤表面或表面鑲嵌的磨粒相互接觸并發(fā)生滑動時(shí)，硬度較高的一方對硬度較低的一方產(chǎn)生的磨損，如犁鏵與土壤等物料接觸的磨損。三體磨損是指在部件和土壤之間存在自由磨粒，其在觸土部件表面滾動或滑動時(shí)產(chǎn)生的磨損[1，5-6]。

磨粒磨損在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在，如常見的挖掘機(jī)的鏟齒、犁鏵等的磨損都是磨粒磨損的典型代表。

2?農(nóng)耕機(jī)械觸土部件磨損的影響因素

2.1?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對觸土部件磨損的影響

農(nóng)耕觸土部件的結(jié)構(gòu)形狀決定了其工作性能的好壞。觸土部件與土壤的接觸面積和機(jī)械整體所受阻力的大小以及土壤在部件表面的流動狀況都與其結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，進(jìn)而就會對磨損情況造成影響。以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用的犁體工具為例，犁體曲面結(jié)構(gòu)是影響犁體工具加工土壤質(zhì)量的主要因素之一。早在15世紀(jì)30年代，意大利的蘭姆勃洛新等就提出了滾垡型犁體翻垡過程的假想，并總結(jié)出了以正螺旋面來作為犁體曲面的設(shè)計(jì)理論[7-8]。幾百年來，大多數(shù)的設(shè)計(jì)者一直將其作為犁體曲面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)之一，再加上人們對土壤的力學(xué)行為和耕作部件與土壤之間相互作用等問題的忽視，導(dǎo)致到目前為止，土壤耕作部件的設(shè)計(jì)還在采用經(jīng)驗(yàn)法，這對于土壤耕作部件設(shè)計(jì)理論的發(fā)展十分不利。近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，使得耕作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始向著參數(shù)化方向發(fā)展。例如，徐銳良等借助Matlab軟件對已知點(diǎn)進(jìn)行了曲線擬合，并得到了4種不同參數(shù)的曲線方程，然后基于solidworks中方程驅(qū)動曲線功能建立導(dǎo)曲線，完成了犁體曲面三維模型，并對其進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明，合理地改變犁體結(jié)構(gòu)的參數(shù)能夠有效降低犁體的阻力和耐磨性[9]。

2.2?材料和加工工藝對觸土部件磨損的影響

材料的摩擦系數(shù)、硬度、韌性等不同，由不同材料加工而成的觸土部件在與土壤相互作用的時(shí)候，耐磨能力也就不盡相同，即使是同一種材料，成型時(shí)的加工工藝不同，觸土部件的強(qiáng)度和硬度等就會有所不同，從而表現(xiàn)出不同的耐磨性能。為了提高耕作部件的耐磨性能和使用壽命，科研人員一直在探索如何在材料選擇和加工工藝方面對其進(jìn)行優(yōu)化，如采用白口鑄鐵材料進(jìn)行加工的陽城犁鏡就是其中的杰出研究成果[10]。為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對作業(yè)速度、強(qiáng)度的更高要求，就須要同步提高觸土部件的硬度和韌性，觸土部件的材料開始以傳統(tǒng)的鋼鐵材料為主，逐漸向合金鋼材料過渡，其中應(yīng)用最為廣泛的就是65Mn鋼。

近年來，伴隨著冶煉等加工工藝的迅速發(fā)展，硼鋼也開始被嘗試用來制造觸土部件，如西班牙貝洛塔公司采用28MnB5鋼加工的觸土部件，其韌性和強(qiáng)度都比較優(yōu)越，且硬度（HRC）能夠達(dá)到48～53[11-12]。硼鋼材料雖然具有比較優(yōu)越的性能，但這種材料的制備、熱處理方式和加工工藝等技術(shù)不容易掌握，目前我國企業(yè)雖然能把這種材料應(yīng)用到觸土部件的生產(chǎn)中，但難以保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)精度，這也成為制約應(yīng)用這種材料的瓶頸。

2.3?不同土壤耕作條件對觸土部件磨損的影響

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，耕作條件往往不是一成不變的，不同種類的土壤及其一些理化性質(zhì)會對觸土部件的磨損產(chǎn)生不同的影響。我國幅員遼闊，土地類型繁多，常見的土壤類型包括沙土、壤土、黏土等，按土壤顆粒大小又可以分為石礫、沙粒、黏粒、粉粒等，這些粗細(xì)不同的顆粒的硬度、強(qiáng)度都有所不同，與觸土部件之間的摩擦系數(shù)也就不同。通常情況下，沙土中所含的石礫、沙粒等大顆粒與觸土部件之間的摩擦系數(shù)要遠(yuǎn)大于壤土、黏土中所含的細(xì)顆粒[13]。另外，土壤的一些理化性質(zhì)也會對觸土部件的磨損產(chǎn)生影響。例如，Mirmehrabi等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將類黏土顆粒的硅粉加入到硅砂中能夠降低硅砂對觸土部件的磨損[14]。土壤的含水量也會影響磨損情況，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著含水量的增加，會加大沙土對觸土部件的磨損，而黏土、壤土對部件的磨損則會逐漸降低。

2.4?其他一些因素對觸土部件磨損的影響

農(nóng)耕機(jī)械的耕作速度、耕深、幅寬等的變化會引起機(jī)器工作負(fù)載的變化，負(fù)載越大磨損就會越嚴(yán)重。工作者的操作水平與耕作經(jīng)驗(yàn)在一定程度上對觸土部件的磨損也會產(chǎn)生很大的影響。此外，土壤中可能含有大的石塊、鐵塊等硬質(zhì)物體，它們隨機(jī)分布在田間，這就可能加大觸土部件的磨損，甚至發(fā)生斷裂。深松鏟、施耕刀、滅茬刀的磨損情況如圖2至圖4所示。

3?提高觸土部件耐磨性能的表面改性方式

3.1?表面處理

3.1.1?表面熱噴涂

表面熱噴涂處理技術(shù)是指高溫下融化的噴涂材料在高速氣流的作用下霧化成顆粒狀，并在高速氣流的帶動下撞擊基體材料的表面，當(dāng)發(fā)生冷凝作用之后會在基材表面形成具有某種特殊功能表面涂層的一種表面處理方法[15]。

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，為了破土、切割根茬和秸稈等，根茬粉碎機(jī)、旋耕機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械的觸土部件常常要與土壤中的土壤磨粒等直接接觸，這種情況下極易發(fā)生磨損。我國現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)械刀具的基體材料大多是65 Mn鋼，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，普通65 Mn鋼刀具已經(jīng)滿足不了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，因此須要找出更合適的替代材料。2005年，郝建軍等對65 Mn鋼滅茬刀具進(jìn)行了熱噴涂試驗(yàn)，為了接近真實(shí)的作業(yè)環(huán)境，他們利用鋼砂對田間環(huán)境進(jìn)行了模擬，在做了大量的磨損試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，用Ni-WC合金進(jìn)行噴涂過的65 Mn鋼與未做處理的原始材料相比可以減少約50%的磨粒損失量，除此之外，試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，基體與噴焊層之間黏接性能良好，且并未發(fā)生分層和裂紋現(xiàn)象[15]。

在復(fù)雜的磨料環(huán)境下，旋轉(zhuǎn)式翻耕機(jī)的分蘗葉片表面磨損嚴(yán)重。Kang等采用脈沖爆轟噴涂技術(shù)在高強(qiáng)度鋼材質(zhì)的分蘗葉片表面分別進(jìn)行了stellet-21、WC-Co-Cr和Cr3C2-NiCr涂層的沉積，利用針盤機(jī)構(gòu)對涂層在常溫下的干態(tài)磨損性能進(jìn)行了測試，并對磨損表面進(jìn)行了掃描電子顯微鏡/能量色散X射線（SEM/EDAX）和X射線衍射（XRD）分析。結(jié)果表明，在高強(qiáng)度鋼表面制備的WC-Co-Cr涂層與Cr3C2-NiCr和stellite-21相比，具有更高的耐磨性[16]。

3.1.2?表面激光強(qiáng)化

激光表面強(qiáng)化處理是依靠電子束、激光和離子束等來實(shí)現(xiàn)材料表面硬化的一種技術(shù)。激光表面強(qiáng)化技術(shù)具有無淬火介質(zhì)、加工后材料硬度大、加工效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，越來越多的國家開始重視該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

胡宇等對45號鋼進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理，在試驗(yàn)前為了增加45號鋼對激光的吸收率，對其進(jìn)行了噴砂處理。結(jié)果表明，在激光掃描速度為600 mm/min，功率為1 600 W時(shí)，在45號鋼表面可以產(chǎn)生洛氏硬度為50.4的優(yōu)異耐磨硬化層[17]。

2018年，高秋實(shí)等以NiCrBSi、TiN和Ni包MoS2為熔覆材料，采用激光熔覆技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面制備了以TiN、TiMo和Ti-Ni金屬間化合物為增強(qiáng)相，以MoS2、TiS為潤滑相的自潤滑復(fù)合涂層。結(jié)果表明，復(fù)合涂層的平均顯微硬度為1 060～1 140 HV 0.3，約為基體硬度（370 HV 0.3）的3倍[18]。

3.1.3?表面高能離子注滲

高能粒子注滲技術(shù)是表面改性技術(shù)的一種，是指在強(qiáng)電場的作用下使離化后的原子快速運(yùn)動，注射進(jìn)入材料的表面，進(jìn)而使這種材料的各種理化性質(zhì)都得到一定程度的優(yōu)化[19]。

邢澤炳等以犁鏵鋼作為研究對象，進(jìn)行了鎢離子注入技術(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)，對經(jīng)過高能離子注滲處理過的犁鏵進(jìn)行了磨粒磨損試驗(yàn)測試。結(jié)果表明，在同樣大小的載荷磨損條件下，經(jīng)過注滲處理的犁鏵累積磨損量降低75%～80%[20]。這足以說明高能離子注滲技術(shù)在提高農(nóng)耕觸土部件的耐磨性能方面有著積極的研究價(jià)值。

季凡渝等應(yīng)用離子注滲和熱處理技術(shù)，在16Mn 鋼表面注滲WC，形成表面合金硬化層，對樣品材料進(jìn)行了磨料磨損、吹砂磨損對比試驗(yàn)，并采用金相、硬度、掃描電子顯微鏡、X-射線能譜等方法對其進(jìn)行了測試分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，16Mn鋼離子注滲WC后的耐磨性比16Mn的耐磨性約高19倍[21]。

3.1.4?表面堆焊處理

表面堆焊技術(shù)是指利用焊接工藝，使具備一定優(yōu)良性能的材料在基材的表面形成一種耐磨層的方法。研究表明，堆焊技術(shù)能有效地提高機(jī)械零件表面的耐磨性能。

目前，60Si2Mn材料被廣泛應(yīng)用在我國農(nóng)業(yè)耕作部件的生產(chǎn)中。翟鵬飛等以60Si2Mn合金鋼作為試驗(yàn)的基體材料在其表面形成了一種合金鑄鐵層，并通過顯微觀測和磨損試驗(yàn)對這種合金鑄鐵堆焊層的顯微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，堆焊層組織細(xì)密，其耐磨性能、強(qiáng)度、韌性都十分優(yōu)良[22]。

2015年，Raikov等利用電子顯微鏡對鋼材表面的堆焊層進(jìn)行了觀察研究發(fā)現(xiàn)，鋼材表面除了表面涂層以外，還出現(xiàn)了過渡層和熱影響區(qū)等多層耐磨涂層結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，堆焊涂層和基材表面均形成了能有效降低磨損的彈性應(yīng)力狀態(tài)[23]。

2018年，孟媛媛等利用CO2作為堆焊熱源，在Q235鋼表面堆焊Fe314自熔合金和Fe314與WC的混合粉末。通過金相觀察、硬度測試及磨粒磨損試驗(yàn)，分別研究了涂層厚度及WC含量對堆焊層組織及性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)涂層厚度為3 mm，WC含量為30%時(shí)，堆焊層顯硬度能達(dá)到65.7 HRC，微觀組織由多角形碳化物（碳化鎢）和少量共晶組成，具有較好的耐磨性[24]。仍然是在同一年，Benegra等對比分析了等離子堆焊技術(shù)和超聲火焰噴涂技術(shù)分別在不銹鋼基體上所形成的Ni-Al合金涂層的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用等離子堆焊得到的Ni-Al涂層具有更好的耐磨性，并且Ni-Al化合物本身具有抗高溫的性能，通過觀察，在等離子堆焊涂層形成的過程中并沒有發(fā)生表面氧化現(xiàn)象[25]。

3.1.5?表面熔覆

激光熔覆可以在普通的基材上形成耐磨合金層，有效提高基材的耐磨性能。例如，利用激光熔覆技術(shù)可以在碳素結(jié)構(gòu)鋼10號鋼的表面形成TiB2陶瓷涂層，這種涂層具有很高的耐磨性;不銹鋼表面在經(jīng)過連續(xù)CO2激光熔覆后能夠產(chǎn)生WC、TiB2、TiN的硬化涂層，進(jìn)一步提高了不銹鋼的使用壽命[26-27]。

Ke等采用激光熔覆技術(shù)以常用的犁鏵鋼B27硼鋼為基體制備了stellite-6/WC復(fù)合涂層并通過對涂層的宏觀、微觀組織的觀察、相組成的分析、顯微硬度的測量和實(shí)際應(yīng)用情況對農(nóng)具進(jìn)行了耐磨性試驗(yàn)。結(jié)果表明，stellite-6/WC復(fù)合涂層對提高農(nóng)耕機(jī)械觸土部件的耐磨性有著顯著的效果[28]。

2005年，郝建軍等把Ni60A材料和鑄造WC材料進(jìn)行了結(jié)合，并把它們應(yīng)用在犁鏵表面激光熔覆的試驗(yàn)中。結(jié)果表明，利用熔覆技術(shù)可以對犁鏵進(jìn)行有效的修復(fù)，實(shí)現(xiàn)了犁鏵的再利用[15]。

為解決農(nóng)耕機(jī)械刀具磨損快、失效頻率高的問題，趙建國等利用工業(yè)氮?dú)庵苽淞薚i CN/Fe金屬陶瓷復(fù)合涂層，并把它應(yīng)用到了針對65 Mn鋼的反應(yīng)氮弧熔覆技術(shù)的改性試驗(yàn)中。結(jié)果顯示，經(jīng)過熔覆改良后的刀具表面涂層的硬度是Q235的3倍多，耐磨性能是普通65 Mn鋼的2倍[29]。

從以上幾種表面處理方法和例子可以看出，表面處理技術(shù)能在一定程度上提高農(nóng)機(jī)觸土部件的耐磨性能。但在實(shí)際應(yīng)用中，堆焊、激光熔覆等處理方式會遇到設(shè)備笨重、集中修復(fù)成本高等問題。針對這些問題，從農(nóng)機(jī)觸土部件自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來入手，是提高其耐磨性能的首選方式。

3.2?仿生耕作部件

近年來，仿生學(xué)原理的機(jī)械減阻抗磨技術(shù)已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，大量學(xué)者通過研究具有優(yōu)良特性的生物體結(jié)構(gòu)或表面對傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行了一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿生結(jié)構(gòu)也已經(jīng)被應(yīng)用到農(nóng)機(jī)觸土部件的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中。

通過對一些土壤動物的長期觀察，引發(fā)了科學(xué)家對仿生觸土部件的設(shè)計(jì)構(gòu)想。如常年生活在地底下的鼴鼠，為了適應(yīng)環(huán)境，它們的爪趾進(jìn)化出了具有優(yōu)良力學(xué)性能的幾何結(jié)構(gòu)，憑借這種特殊結(jié)構(gòu)，一只成年的鼴鼠能夠在一夜之間挖出90 m的地道[30]。這種能夠高效加工土壤的結(jié)構(gòu)為農(nóng)耕觸土部件的仿生設(shè)計(jì)提供了新的參考。其他一些土壤洞穴動物，如蜣螂、穿山甲、家鼠等，它們的肢體結(jié)構(gòu)在加工土壤時(shí)，不僅具有很低的切削阻力，而且還具有良好的降低土壤黏附性和摩擦阻力的功能。一些專家根據(jù)這一功能設(shè)計(jì)了一種仿生彎曲深松鏟，與普通直線型深松鏟相比，其耕作阻力大幅度降低。仿生觸土部件在我國也取得了很多成果。如老式鏵式犁在比較潮濕的土壤中耕作時(shí)，常常會發(fā)生黏土現(xiàn)象，會降低工作效率和耕種質(zhì)量。李建橋等以蜣螂為研究對象，在建立數(shù)學(xué)模型后進(jìn)行了仿真研究，模擬出了仿蜣螂體表非光滑表面，它克服了舊式鏵式犁對泥土的黏附性[31]。吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)室成員在研究土壤動物體表時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們在土壤中移動的過程中能降低黏度和阻力，并據(jù)此研制出了仿生非光滑犁壁。通過研究和分析大鼠的爪子和腳趾的結(jié)構(gòu)，陳東輝對深松鏟柄進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)，這種仿生深松鏟柄采用鼠爪外側(cè)輪廓作為內(nèi)外的基準(zhǔn)線，根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，通過合理地改變鏟柄與土壤的接觸曲線，耕作阻力會發(fā)生明顯的降低[32]。朱鳳武采用有限元法和其他一些輔助分析軟件對金龜子的爪、趾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在相同的耕作深度和速度條件下，當(dāng)挖掘土壤的入滲角為27.5°時(shí)，深松鏟的耕作阻力最小，這與金龜子爪尖的耕作角度一致[33]。有關(guān)專家和高校根據(jù)對蚯蚓體表的柔韌性、體表結(jié)構(gòu)及體表分泌的潤滑物的研究（圖5）總結(jié)出了蚯蚓體表的仿生電滲理論，這種電滲效應(yīng)能夠使土壤的摩擦阻力和黏附性降低，由此可以參照蚯蚓的這種特性在觸土部件的表面按一定規(guī)律進(jìn)行電極的布置，這樣就可以形成仿蚯蚓的非光滑電滲表面，圖6為根據(jù)此原理所設(shè)計(jì)的仿生前推土板[34-37]。

從以上多個(gè)實(shí)例可以看出，仿生原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械與仿生學(xué)的結(jié)合已經(jīng)形成了一個(gè)新的發(fā)展趨勢，相信在不久的將來仿生技術(shù)在農(nóng)耕機(jī)械觸土部件耐磨性方面一定會有更好的應(yīng)用前景。

4?結(jié)束語

雖然目前已經(jīng)有了很多提高觸土部件耐磨性能的方法，但并不能完全滿足要求，除了對觸土部件進(jìn)行表面處理外，從農(nóng)機(jī)觸土部件自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來入手，是提高其耐磨性能的首選方式，所以仿生耕作部件在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用將是未來發(fā)展的一個(gè)新趨勢。

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