基于狗獾爪趾的仿生深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

白景峰，李　博，呂秀婷，陳　軍，黨革榮，史江濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100；2.西安亞澳農(nóng)機(jī)股份有限公司，西安　710300)

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基于狗獾爪趾的仿生深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

白景峰1，李博1，呂秀婷1，陳軍1，黨革榮1，史江濤2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西安亞澳農(nóng)機(jī)股份有限公司，西安710300)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有深松鏟存在的耕作阻力較大及能耗較高等問(wèn)題，利用仿生學(xué)原理將狗獾爪趾的曲線應(yīng)用到深松鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種鏟柄刃口為多項(xiàng)式曲線、鏟尖為圓弧形的新型深松鏟。為研究其耕作效果，將所設(shè)計(jì)的深松鏟與國(guó)標(biāo)深松鏟進(jìn)行了室內(nèi)土槽對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的深松試驗(yàn)條件下，仿生深松鏟比國(guó)標(biāo)深松鏟的耕作阻力減小了13.33%～21.72%，仿生深松鏟減阻效果明顯；仿生鏟柄與國(guó)標(biāo)鏟尖組合比國(guó)標(biāo)深松鏟耕作阻力減小了3.01%～7.61%，仿生鏟尖與國(guó)標(biāo)鏟柄的組合比國(guó)標(biāo)深松鏟耕作阻力減小了7.67%～16.97%，仿生鏟尖的減阻效果顯著于仿生鏟柄的減阻效果。

關(guān)鍵詞：深松鏟；仿生；狗獾爪趾；土槽試驗(yàn)

0引言

深松技術(shù)是指深松鏟、深松梨運(yùn)用不同的深松機(jī)械配合相應(yīng)的動(dòng)力機(jī)械，完成田間深松作業(yè)的機(jī)械化技術(shù)[1-3]。深松作業(yè)可以在不翻耕土壤的基礎(chǔ)上，打破犁底層，保護(hù)地表植被，降低風(fēng)蝕水蝕的危害，增強(qiáng)土壤的蓄水保墑能力，并提高土壤中微生物的生活率及土壤肥性，有利于農(nóng)作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育[4-6]。但現(xiàn)階段所研究的深松機(jī)械具有耕作阻力較大、能耗較高和深松效果不好等缺點(diǎn)，因此降低耕作阻力成為限制深松機(jī)械發(fā)展的主要因素[7-10，14]。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)深松鏟進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了較好的研究成果。李博運(yùn)用離散元法對(duì)深松鏟耕作因素的影響進(jìn)行了分析[6,11]。趙大為采用偏心裝置設(shè)計(jì)了一種被迫式振動(dòng)深松機(jī)術(shù)[12]。楊有剛等設(shè)計(jì)了一種具有往復(fù)插土式淺松功能，還可進(jìn)行土壤深松作業(yè)的淺深松聯(lián)合松耕機(jī)[13]。隨著仿生學(xué)的不斷發(fā)展，許多學(xué)者運(yùn)用仿生學(xué)進(jìn)行深松鏟的設(shè)計(jì)。龔浩輝等對(duì)家鼠進(jìn)行研究，對(duì)深松鏟進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并與國(guó)標(biāo)深松鏟進(jìn)行了理論受力對(duì)比分析，表明仿生深松鏟減阻效果明顯[15]。張金波等基于指數(shù)函數(shù)曲線，針對(duì)家鼠的爪趾進(jìn)行了深松鏟的仿生減阻設(shè)計(jì)[16]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)狗獾進(jìn)行仿生減阻深松鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的仿生深松鏟與國(guó)標(biāo)深松鏟進(jìn)行土槽對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證其減阻效果。

1仿生深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1鏟尖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)狗獾前爪趾結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其爪趾尖部呈錐形，在長(zhǎng)期的挖掘過(guò)程中，由于磨損使得尖部的硬度和韌性都比爪趾其他地方要強(qiáng)[14,17]。借助自身肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)，狗獾能夠很好地完成土壤的破碎和搬運(yùn)工作。

通過(guò)對(duì)其前端曲線的提取和分析，并進(jìn)行相應(yīng)的多項(xiàng)式擬合，得到曲線如圖1所示。

圖1　狗獾爪趾尖端擬合曲線

同時(shí)，可以得到擬合精度R2=0.995 67的原形態(tài)曲線擬合方程為

y=393.88922-8.57804x+0.07406x2-

2.92722×104x3+4.61938×10-7x4

(1)

根據(jù)國(guó)標(biāo)JB/T9788-1999的深松鏟鏟尖參數(shù)與所提取曲線的方程，確定其放大倍數(shù)δ=0.156。因此，仿生鏟尖的實(shí)際曲線擬合方程為

y=61.54759-8.57804x+0.4474397x2-

0.011989x3+0.00012108x4

(2)

根據(jù)現(xiàn)有的耕作部件研究成果可知：在不壓實(shí)下部和側(cè)面土壤的條件下，應(yīng)使鏟尖與地面的隙角(見(jiàn)圖2)ε≥3°。根據(jù)前人所研究的相關(guān)內(nèi)容[18]及切削角α與土壤條件的關(guān)系，確定本次設(shè)計(jì)的切削角α=23°。

圖2　鏟尖隙角γ與切削角α

1.2鏟柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深松鏟結(jié)構(gòu)除鏟尖外，鏟柄也是其不可缺少的一部分。深松鏟鏟柄(見(jiàn)圖3)同鏟尖相同，對(duì)深松作業(yè)的耕作深度、耕作速度、耕作阻力、耕作范圍和土壤破碎程度有著重要的影響。

圖3　深松鏟鏟柄

結(jié)合現(xiàn)有的理論分析和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)深松鏟鏟柄伸長(zhǎng)量(縱向尺寸在耕深范圍內(nèi)的水平長(zhǎng)度)L與深松鏟耕作深度D的比值L/D分布在0.68 ～ 1.04時(shí)，深松鏟減阻性能更加明顯；尤其是當(dāng)L/D=0.8左右時(shí)，深松效果最好，減阻性能最好。

運(yùn)用仿生學(xué)原理，針對(duì)狗獾的爪趾的內(nèi)邊緣曲線進(jìn)行提取，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，可以得到擬合精度R2=0.997 41的初始邊緣曲線的多項(xiàng)式擬合方程為

y=319.39916-1.70123x+0.00796x2-

1.76587×10-5x3+1.5323×10-8x4

(3)

通過(guò)與JB/T9788-1999的深松鏟鏟柄對(duì)比，可以獲得放大參數(shù)δ=0.658。同時(shí)，獲得最終擬合的多項(xiàng)式方程為

y=210.18423-1.70123x+0.012097x2-

4.07856×10-5x3+5.37856×10-8x4

(4)

本次設(shè)計(jì)的鏟柄寬60mm、厚25mm、水平長(zhǎng)度為253mm，鏟柄與鏟尖均采用65Mn制造，最大耕作深度為320mm，其他參數(shù)均參照國(guó)標(biāo)深松鏟進(jìn)行設(shè)計(jì)制造[19-20]。因此，基于多項(xiàng)式擬合的仿生深松鏟結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　多項(xiàng)式曲線型仿生深松鏟

2試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院室內(nèi)土槽進(jìn)行，土槽尺寸為長(zhǎng)27.0m、寬2.3m、深1.5m；試驗(yàn)土壤為陜西關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤，屬于黃土母質(zhì)上發(fā)育的農(nóng)業(yè)土壤[13]，平均含水率為17%。據(jù)深松作業(yè)基本要求，確定本次試驗(yàn)的耕作深度為200、250、300mm，耕作速度選擇0.6、0.8、1.0m/s。為更好地研究仿生深松鏟減阻效果，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)將仿生深松鏟與國(guó)標(biāo)深松鏟進(jìn)行交互試驗(yàn)，將深松鏟類型分為仿生深松鏟、仿生鏟柄國(guó)標(biāo)(鑿形)鏟尖、國(guó)標(biāo)鏟柄仿生鏟尖和國(guó)標(biāo)深松鏟4種類型。

本試驗(yàn)以土槽試驗(yàn)車為試驗(yàn)平臺(tái)，承載試驗(yàn)所需的試驗(yàn)設(shè)備(見(jiàn)圖5)，試驗(yàn)所選用的傳感器為上拉桿傳感器(型號(hào)：CYB-602S)與懸掛銷傳感器(型號(hào)：CYB-601S)。試驗(yàn)車上安裝了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)內(nèi)置無(wú)線發(fā)射裝置(SZ02-USB-2K)將所采集的信號(hào)發(fā)送到遙測(cè)采集程序中，將所采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化為耕作阻力進(jìn)行保存。

圖5　深松鏟固定及懸掛裝置

2.2試驗(yàn)內(nèi)容與方法

通過(guò)仿生深松鏟與國(guó)標(biāo)深松鏟在相同條件下的交互性試驗(yàn)，研究仿生深松鏟的減阻效果及其減阻效果的主要來(lái)源。

本次深松鏟減阻性能試驗(yàn)所需土壤的有效長(zhǎng)度為23m，為得到相對(duì)較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將有效長(zhǎng)度分為3部分：前6m為深松鏟入土階段和試驗(yàn)車加速階段，中間11m為試驗(yàn)穩(wěn)定測(cè)量階段，后6m為深松鏟出土階段和試驗(yàn)車減速階段。此次試驗(yàn)的有效寬度為1.8m，為保證深松鏟之間的對(duì)比性和對(duì)土槽試驗(yàn)空間的有效利用，每次在土槽內(nèi)進(jìn)行兩次深松試驗(yàn)，每次試驗(yàn)深松鏟距離土槽導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)為500mm，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率。

3結(jié)果與分析

表1為4種不同組合的深松鏟(仿生深松鏟、仿生鏟柄+國(guó)標(biāo)鏟尖、國(guó)標(biāo)鏟柄+仿生鏟尖、國(guó)標(biāo)深松鏟)分別在3種速度(0.6、0.8、1.0m/s)和3種耕深(200、250、300mm)的試驗(yàn)因素下所得到的水平耕作阻力的平均值。其中，γ1表示仿生深松鏟相比較國(guó)標(biāo)深松鏟的減阻率，γ2表示仿生柄國(guó)標(biāo)尖相比較國(guó)標(biāo)深松鏟的減阻率，γ3表示國(guó)標(biāo)柄仿生尖相比較國(guó)標(biāo)深松鏟的減阻率。

表1　不同組合深松鏟耕作阻力試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)表1進(jìn)行深松作業(yè)耕作阻力的分析可知：在相同耕作條件下，仿生深松鏟的耕作阻力最小，國(guó)標(biāo)深松鏟的耕作阻力最大，且仿生鏟柄與國(guó)標(biāo)鏟尖組合的耕作阻力明顯大于仿生鏟尖與國(guó)標(biāo)鏟柄的耕作阻力。對(duì)于相同類型的深松鏟，當(dāng)深松耕作深度一定時(shí)，深松作業(yè)的耕作阻力隨著耕作速度的不斷增大而增大；深松作業(yè)速度一定的時(shí)候，深松作業(yè)的耕作阻力隨著耕作深度的不斷加深而增大。

通過(guò)對(duì)表1中深松鏟減阻率的分析可知：仿生深松鏟相對(duì)于國(guó)標(biāo)深松鏟的耕作阻力減小了13.33%～21.72%，表明仿生深松鏟與國(guó)標(biāo)深松鏟相比具有明顯的減阻效果，平均減阻17.87%；仿生鏟柄與國(guó)標(biāo)鏟尖組合相對(duì)于國(guó)標(biāo)深松鏟的耕作阻力減小了3.01%～7.61%，平均減阻5.22%；仿生鏟尖與國(guó)標(biāo)鏟柄組合相對(duì)于國(guó)標(biāo)深松鏟耕作阻力減小了7.67%～16.97，平均減阻13.25%。由此表明：仿生鏟尖相對(duì)于國(guó)標(biāo)鏟尖的減阻效果明顯優(yōu)于仿生鏟柄相對(duì)于國(guó)標(biāo)鏟柄的減阻效果。

4結(jié)論

1)深松鏟的耕作速度與耕作深度對(duì)耕作阻力具有顯著影響，且耕作阻力隨著耕作速度和耕作深度的增大而增大，并由兩者相互作用。

2)在相同的耕作深度與耕作速度下，仿生深松鏟相比較國(guó)標(biāo)深松鏟的耕作阻力減小了13.33%～21.72%，平均減阻17.87%，減阻效果明顯。

3)仿生鏟柄與國(guó)標(biāo)鏟尖組合相比較國(guó)標(biāo)深松鏟，耕作阻力減小了3.01%～7.61%，平均減阻5.22%；而仿生鏟尖與國(guó)標(biāo)鏟柄的組合相比較國(guó)標(biāo)深松鏟，耕作阻力減小了7.67%～16.97%，平均減阻13.25%。仿生鏟尖的減阻效果明顯優(yōu)于仿生鏟柄的減阻效果。

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Structure Design and Test of the Badger Claws Bionic Subsoiler

Bai Jingfeng1， Li Bo1， Lv Xiuting1， Chen Jun1， Dang Gerong1， Shi Jiangtao2

(1.Collage of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2.Xi’an Yaao Agricultural Machinery Co.Ltd. ,Xi’an 710300,China)

Abstract：The problem of greater cultivation resistance,higher energy consumption and other issue exists in the traditional subsoiler. In this paper, the curve of the badge claws is applied in the structural design of subsoiler according to the principle of bionics, it has designed a new subsoiler which contains the share shaft of polynomial curve and the sweep point of circular arc. In order to study the cultivation effect, we do the contrast experiment to bionic subsoiler and traditional subsoiler in soil-bin laboratory.The result showed that the bionic subsoiler's tillage resistance decreased by 13.33% ～ 21.72% and the drag reduction effect was obvious in comparison to traditional subsoiler under the same test conditions. If the bionic share shaft combined with the traditional sweep point, the tillage resistance will be reduced by 3.01%～7.61% compared to the traditional subsoiler. While the combination of the bionic sweep point and the traditional share shaft decreased by 7.67%～16.97% than the traditional subsoiler in the tillage resistance.Thus the difference of the drag reduction effect of the bionic sweep point and the bionic share shaft was significant.

Key words：subsoiler; bionic; badger claws; soil-bin test

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0175-05

中圖分類號(hào)：S222.12+9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：白景峰(1989-)，男，河北滄州人，碩士研究生,(E-mail)541522260@qq.com。通訊作者：陳軍(1970-)，男，寧夏固原人，教授，博士生導(dǎo)師， (E-mail)chenjun_jdxy@nwsuaf.edu.cn。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD29B08)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014K02-09-03)

收稿日期：2015-04-11