仿生幾何結(jié)構(gòu)表面深松鏟鏟尖設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

王曉陽(yáng)，潘睿，強(qiáng)華，張智泓，武時(shí)會(huì)，薛忠, 4

(1.重慶人文科技學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，重慶市，401524；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東湛江，524091；3.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明市，650500;4.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所，廣東湛江，524091)

0 引言

針對(duì)北方旱作區(qū)保護(hù)性耕作技術(shù)的研究，從優(yōu)化機(jī)具關(guān)鍵部件、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合等方面已經(jīng)獲得了相應(yīng)的解決方法[1]。李洪文等[2]通過(guò)優(yōu)化機(jī)具，設(shè)計(jì)出可調(diào)翼鏟式深松機(jī)，能夠適用于地表不平、種床較差的耕作環(huán)境。針對(duì)南方紅壤土保護(hù)性耕作的研究，深松技術(shù)研究較少，實(shí)際還處于淺耕。機(jī)械化深松技術(shù)主要取決于研究大功率拖拉機(jī)相配套的高效和高強(qiáng)度的機(jī)具。高強(qiáng)度機(jī)具研究中，對(duì)于深松鏟在深松過(guò)程中的受力分析研究發(fā)現(xiàn)，深松鏟受力位置主要在深松鏟鏟尖和鏟柄，由于工作過(guò)程中存在配套動(dòng)力不足和耕作阻力大的難題[3]，傳統(tǒng)深松機(jī)具的設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú)法滿足減阻要求，設(shè)計(jì)具有優(yōu)異減阻性能的仿生幾何結(jié)構(gòu)表面成為了地面機(jī)械觸土部件高效減阻研究的發(fā)展趨勢(shì)[4]。

仿生學(xué)的研究對(duì)于解決工程實(shí)際中阻力大的問(wèn)題具有重要影響[5]。楊玉婉等[6]通過(guò)研究鼴鼠多趾結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出具有良好性能的仿生切土刀片。郭志軍等[7-8]對(duì)田鼠爪趾輪廓線進(jìn)行研究，通過(guò)改變輪廓曲線的曲率，設(shè)計(jì)了9種減阻性能較優(yōu)的仿生曲面推土板。馬云海等[9]對(duì)獾爪趾的表面曲線進(jìn)行研究，將獲得的擬合曲線方程運(yùn)用到挖掘機(jī)斗齒，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異減阻性能的仿生幾何結(jié)構(gòu)的斗齒。結(jié)合西南地區(qū)機(jī)耕面積呈逐年增加的趨勢(shì)，針對(duì)長(zhǎng)期的牲畜耕作導(dǎo)致土壤板結(jié)嚴(yán)重，緊實(shí)易板結(jié)[10]，紅壤土黏附力大，深松過(guò)程中土壤黏附嚴(yán)重，耕作阻力大等難題，研究解決西南地區(qū)紅壤土在傳統(tǒng)深松耕作過(guò)程中阻力大的難題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究采用工程仿生[11]的方法，利用洞穴類生物與土壤相互作用具備的優(yōu)異減阻特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異減阻特性的深松鏟鏟尖，解決了西南地區(qū)深松機(jī)具耕作過(guò)程中阻力大的難題。

1 仿生幾何結(jié)構(gòu)表面深松鏟鏟尖設(shè)計(jì)

1.1 仿生材料與提取方法

克氏原螯蝦生活在濕潤(rùn)環(huán)境中與土壤接觸后具有不黏土特性，運(yùn)動(dòng)中阻力較小；砂魚蜥生活在含水率較低的沙粒中，在土壤中能夠快速的游動(dòng)，具有較優(yōu)的減阻特性?？耸显r[12]和砂魚蜥[13]的生存環(huán)境以及其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具備的減阻特性，為仿生原型的選擇提供了理論研究基礎(chǔ)。

根據(jù)Raabe[14-16]、Sachs[17]和Romano[18]等對(duì)克氏原螯蝦的試驗(yàn)研究以及Staudt等[19]對(duì)砂魚蜥表皮的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)掃描電鏡進(jìn)一步微觀觀察，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)克氏原螯蝦主要減阻部位是頭胸部外骨骼微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)，砂魚蜥背部體表主要耐磨表面是微刺—鱗片幾何表面。通過(guò)掃描電鏡觀察，如圖2所示，獲得掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)。

(a)克氏原螯蝦

(a)微刺—凸包

將兩者仿生結(jié)構(gòu)和表面進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，獲得具有優(yōu)異減阻性能的仿生幾何結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，將設(shè)計(jì)的仿生幾何結(jié)構(gòu)表面運(yùn)動(dòng)到深松鏟鏟尖，進(jìn)行試驗(yàn)考察其減阻性能。

1.2 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于克氏原螯蝦表面的微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)和砂魚蜥體表微刺—鱗片幾何表面。Soni等[20-21]設(shè)計(jì)了不同尺寸的凸包單元，引入了高徑比(HDR)作為描述凸包形狀的參數(shù)，將凸包單元安裝于鏵式犁，使用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試其前進(jìn)阻力和法向黏附力，結(jié)果表明，HDR≤0.5的凸包單元可降低10%～30%的前進(jìn)阻力和10%～60%的法向黏附力。本設(shè)計(jì)以高徑比(HDR)作為參數(shù)選擇原則，結(jié)合微觀觀察尺寸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)凸包尺寸底部直徑為12 mm，高度為1.8 mm。微刺設(shè)計(jì)參考凸包設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)微刺高度為1.8 mm，厚度為0.5 mm，為使仿生面積占比均勻，設(shè)計(jì)的仿生幾何結(jié)構(gòu)表面積占深松鏟鏟尖表面積的占比在45%～55%之間。本文設(shè)計(jì)的6種鏟尖中，傳統(tǒng)鏟尖a參照J(rèn)B/T 9788—1999進(jìn)行設(shè)計(jì)，參數(shù)如圖3所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)出仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖、仿生微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖、仿生鱗片表面鏟尖、仿生微刺—鱗片表面鏟尖、仿生微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖。將6種表面的鏟尖定義為a、b、c、d、e、f，如圖4所示。其中微刺—凸包，微刺—鱗片仿生結(jié)構(gòu)表面部分尺寸如圖5所示。仿生鏟尖b表面為凸包結(jié)構(gòu)，仿生鏟尖c表面為微刺—凸包結(jié)構(gòu)，仿生鏟尖d表面為鱗片表面，仿生鏟尖e表面為微刺—鱗片表面，仿生鏟尖f表面為微刺—凸包結(jié)構(gòu)和微刺鱗片表面混合的表面結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)通過(guò)保證仿生結(jié)構(gòu)表面在傳統(tǒng)表面的表面積占比近似，避免了由于仿生面積占比不均勻?qū)е抡`差較大。同時(shí)為保證加工精度及對(duì)比的準(zhǔn)確性，6種鏟尖加工制造均采用PLA聚乳酸材料3D打印成型。PLA聚乳酸材料具有較強(qiáng)的拉伸性能，沖擊強(qiáng)度方面性能顯著，綠色環(huán)保[22]。

圖3 傳統(tǒng)深松鏟鏟尖

圖4 6種三維鏟尖模型

(a)微刺—凸包

2 土槽試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本試驗(yàn)在昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院完成，土槽試驗(yàn)的土壤選擇云南地區(qū)耕作后的紅壤土，試驗(yàn)過(guò)程中每次對(duì)土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓處理，以保證土壤堅(jiān)實(shí)度，減少對(duì)試驗(yàn)造成的誤差。

試驗(yàn)平臺(tái)采用BELS-2S型拉力傳感器和BSFY-1型信號(hào)放大器，Arduino開發(fā)板，SD卡模塊、SD卡以及筆記本電腦作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件裝置，軟件系統(tǒng)采用Arduino軟件系統(tǒng)，通過(guò)在Arduino系統(tǒng)中編寫拉力傳感器受力采集程序，獲得在耕作過(guò)程中受到的牽引阻力。Arduino開發(fā)板和SD卡模塊，如圖6所示；測(cè)力系統(tǒng)，深松鏟與拉力傳感器連接示意圖，如圖7所示。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)在Arduino軟件中編寫數(shù)據(jù)采集程序，在串口監(jiān)測(cè)窗口通過(guò)觀測(cè)電壓輸出，根據(jù)輸出值與力值的比例關(guān)系，換算獲得相對(duì)應(yīng)的受力值。

圖6 SD卡模塊和開發(fā)板接線圖

圖7 測(cè)力系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)基于Arduino軟件系統(tǒng)，利用Arduino開發(fā)板編寫了可以采集電壓的程序，通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓輸出，將電壓值采集到SD卡中，從而獲得在耕作過(guò)程中連續(xù)受到的牽引阻力。試驗(yàn)選取相同深松深度，在兩種不同含水率的情況下，對(duì)比6種不同表面的鏟尖在3種牽引速度情況下，深松鏟在工作過(guò)程中受到的牽引阻力，每組牽引阻力試驗(yàn)進(jìn)行5次，取5次牽引阻力的平均值為不同水平試驗(yàn)條件下所受牽引阻力。

2.3 牽引阻力分析

通過(guò)土槽試驗(yàn)，測(cè)試在深松深度為250 mm的情況下，選用含水率為18.11%和12.57%，6種不同結(jié)構(gòu)表面的鏟尖在3種深松速度下的牽引阻力，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 6種鏟尖的牽引阻力值

1)當(dāng)含水率為18.11%時(shí)，隨著深松速度的增加，相同表面的鏟尖牽引阻力呈逐漸減小的趨勢(shì)。在深松速度相同的條件下，由于鏟尖不同的表面結(jié)構(gòu)，改變了深松鏟鏟尖與土壤的相互作用的受力關(guān)系，產(chǎn)生了不同的牽引阻力。深松速度為0.4 m/s時(shí)，6種結(jié)構(gòu)表面的鏟尖產(chǎn)生的牽引阻力值波動(dòng)最大。

當(dāng)含水率為18.11%時(shí)，深松速度相同的情況下，對(duì)比傳統(tǒng)鏟尖a，可以觀察到，仿生鏟尖c受到的牽引阻力最?。环律P尖b較仿生鏟尖f的減阻能力較弱，仿生鏟尖d和仿生鏟尖e的減阻能力最小。結(jié)合克氏原螯蝦在較高含水率的情況下，利用體表微刺—凸包結(jié)構(gòu)與土壤相互作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的減阻特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了具有微刺—凸包結(jié)構(gòu)、減阻性能較強(qiáng)的仿生鏟尖c。

2)當(dāng)含水率為12.57%時(shí)，隨著深松速度的增加，相同表面的鏟尖牽引阻力呈逐漸減小的趨勢(shì)，與含水率為18.11%時(shí)情況相似。在相同深松速度的條件下，與含水率為18.11%時(shí)鏟尖牽引阻力值波動(dòng)情況對(duì)比，可以得到含水率較低時(shí)，具有不同結(jié)構(gòu)表面的深松鏟鏟尖牽引阻力值同樣具有較大的波動(dòng)。與含水率為18.11%時(shí)鏟尖牽引阻力值波動(dòng)情況不同點(diǎn)在于波動(dòng)最大情況出現(xiàn)在深松速度為0.6 m/s時(shí)，出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是，相對(duì)于含水率為18.11%，含水率降低后微刺—鱗片表面體現(xiàn)出優(yōu)異的減阻特性，設(shè)計(jì)的微刺—鱗片表面利用砂魚蜥在含水率較低時(shí)，較高的爬行速度下體表優(yōu)異的減阻特性。

當(dāng)含水率為12.57%時(shí)，在相同深松速度的情況下，與傳統(tǒng)鏟尖a對(duì)比，仿生鏟尖f受到的牽引阻力最小，其次是仿生鏟尖c，仿生鏟尖b較仿生鏟尖c的減阻能力較弱，仿生鏟尖d、e的減阻能力最小。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是與含水率為18.11%對(duì)比，此時(shí)含水率降低，微刺—鱗片表面表現(xiàn)出較優(yōu)的減阻特性，通過(guò)對(duì)比5種仿生鏟尖，可以看出從凸包結(jié)構(gòu)到微刺—凸包結(jié)構(gòu)，鱗片表面到微刺—鱗片表面的減阻特性逐漸增強(qiáng)。在含水率為12.57%時(shí)，具有仿生微刺—凸包—鱗片表面混合鏟尖減阻能力最優(yōu)。

2.4 降阻率分析

深松深度為250 mm時(shí)，以傳統(tǒng)鏟尖a受到的牽引阻力為基準(zhǔn)，計(jì)算不同含水率和深松速度條件下降阻效率如式(1)所示。通過(guò)計(jì)算可得到在兩種含水率，3種深松速度情況下，5種仿生幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖的降阻率，如表2所示。

表2 仿生幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖降阻率

(1)

式中：F——傳統(tǒng)鏟尖牽引阻力；

F0——具有仿生結(jié)構(gòu)表面鏟尖的牽引阻力。

由表2可以看出，3種深松速度條件下，仿生鏟尖c和仿生鏟尖f的降阻率較高；含水率為18.11%時(shí)，仿生鏟尖c的降阻率優(yōu)于仿生鏟尖f，在牽引速度為0.2 m/s時(shí)，深松鏟受到的牽引阻力較大，仿生鏟尖c的降阻率最優(yōu)；含水率為12.57%時(shí)，仿生鏟尖f的降阻率優(yōu)于仿生鏟尖c，在牽引速度為0.6 m/s時(shí)，牽引阻力隨著深松速度的增加逐漸降低，仿生鏟尖f的降阻率最優(yōu)。

分析兩種含水率條件下，不同仿生幾何結(jié)構(gòu)表面的深松鏟鏟尖的降阻率，可以得到：含水率較高的情況下，土壤水分較多，微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)的減阻特性較為明顯；含水率較低的情況下，微刺—鱗片表面減阻特性較為顯著；對(duì)比單獨(dú)的凸包結(jié)構(gòu)和鱗片結(jié)構(gòu)，反映出微刺結(jié)構(gòu)在減阻效果上起到增強(qiáng)特性，并且隨著含水率的改變，從微刺—凸包結(jié)構(gòu)過(guò)渡到微刺—鱗片，仿生幾何結(jié)構(gòu)表面減阻特性逐漸改變?？紤]到西南地區(qū)土壤特性，在含水率較低的情況下，具有微刺—凸包—鱗片混合表面結(jié)構(gòu)的鏟尖減阻能力較優(yōu)。

從表2可以看出，含水率較高時(shí)，具有微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖具有最優(yōu)的減阻能力，其次是微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖；隨著深松速度的增加，微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖體現(xiàn)出減阻能力明顯優(yōu)于微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖的性能；含水率較低時(shí)，具有微刺—凸包—鱗片混合表面的鏟尖與微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖具有較優(yōu)的減阻能力，具有微刺—凸包—鱗片混合表面的鏟尖在減阻性能上略優(yōu)于微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖。

2.5 鏟尖黏附土壤觀察分析

從宏觀角度觀察試驗(yàn)后的6種結(jié)構(gòu)表面的鏟尖，如圖8所示。從圖8可以觀察到鏟尖表面微刺處積聚有土壤，由于微刺為分叉幾何結(jié)構(gòu)，在與土壤作用過(guò)程中，土壤會(huì)優(yōu)先作用于微刺結(jié)構(gòu)，并積聚在微刺處，形成對(duì)于深松鏟鏟尖表面的土壤覆蓋層，因此會(huì)減少表面與土壤的相互作用力，從而降低了鏟尖表面與土壤的相互作用力，達(dá)到了仿生幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖減阻優(yōu)于傳統(tǒng)鏟尖的試驗(yàn)效果。試驗(yàn)后的鏟尖表面黏附的土壤多集中在仿生幾何結(jié)構(gòu)的前半部分，后半部分黏附土壤較少，分析可得前半部分在積聚土壤的過(guò)程中，降低了鏟尖對(duì)后半部分的土壤黏附，與傳統(tǒng)鏟尖表面直接接觸土壤相比，降低了與土壤黏附的表面積，降低土壤顆粒之間的相互作用力，達(dá)到了減阻的效果。

圖8 6種鏟尖土壤黏附照片

3 結(jié)論

1)根據(jù)克氏原螯蝦和砂魚蜥的生存環(huán)境以及體表具備的優(yōu)異減阻性能，引入了高徑比(HDR)參數(shù)選擇原則，設(shè)計(jì)出凸包尺寸底部直徑為12 mm，高度為1.8 mm；微刺高度為1.8 mm，厚度為0.5 mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)出仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖、仿生微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖、仿生鱗片表面鏟尖、仿生微刺—鱗片表面鏟尖、仿生微刺—凸包—鱗片表面混合鏟尖。

2)相同深松深度下，含水率為12.57%和18.11%，耕作速度為0.2 m/s、0.4 m/s和0.6 m/s情況下，測(cè)試5種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)表面的鏟尖在深松耕作過(guò)程中受到的牽引阻力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得，具有耦合仿生表面結(jié)構(gòu)的仿生微刺—凸包幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖、仿生微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖具有較優(yōu)的減阻能力。與傳統(tǒng)鏟尖相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)的耦合仿生幾何結(jié)構(gòu)表面鏟尖具有較高的降阻率，在含水率為18.11%，深松速度為0.4 m/s時(shí)，具有仿生微刺—凸包結(jié)構(gòu)的鏟尖c牽引阻力值為65.82 N，降阻率最大達(dá)到20%以上；在含水率為12.57%，深松速度為0.6 m/s時(shí)，具有仿生微刺—凸包—鱗片表面混合鏟尖f牽引阻力值為58.31 N，降阻率達(dá)到15%以上，表面含水率較低時(shí)，仿生微刺—鱗片表面具有較優(yōu)減阻特性。