深松犁減黏降阻研究綜述

鮑洋清，許令峰,2*，宋月鵬,2，劉賢喜,2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安 271018;2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018)

土壤深松是實(shí)施保護(hù)性耕作技術(shù)的重要措施。以其不翻轉(zhuǎn)、不破壞土壤層原始結(jié)構(gòu)和提高土壤含水率以及降低土壤容重為特點(diǎn)，從而達(dá)到疏松土壤、促進(jìn)植物根系生長的效果，使作物增產(chǎn)增收[1]。然而深松過程中土壤與機(jī)具的黏附較為嚴(yán)重，導(dǎo)致耕作阻力增大，能耗增大，不但增加深松作業(yè)的成本，而且在一定程度上限制土壤深松技術(shù)的推廣和應(yīng)用[2]。因此，減黏降阻、提高機(jī)具壽命成為深松機(jī)具設(shè)計(jì)的重要課題。通過模仿自然界的生物經(jīng)過長期進(jìn)化而形成的結(jié)構(gòu)及其減黏降阻機(jī)理，設(shè)計(jì)多種結(jié)構(gòu)的仿生深松犁；另外借助振動理論優(yōu)化深松犁結(jié)構(gòu)，也可降低深松耕作阻力和黏滯力，提高觸土部件的耐磨性，從而延長其使用壽命。

1 深松犁仿生降阻技術(shù)研究

黏附問題普遍存在于農(nóng)機(jī)觸土部件中，由于土壤黏附導(dǎo)致深松犁耕作阻力增大，降低深松犁工作效率[3]。一些土壤動物外殼等器官具有顯著的減黏功能，成為仿生的對象。

1.1仿蜣螂深松犁蜣螂長期生活在黏性較大的介質(zhì)中，身體卻并未被介質(zhì)黏附，表現(xiàn)出非凡的減黏脫附功能，因此成為被廣泛模仿的對象。

1.1.1蜣螂體表非光滑表面仿生。蜣螂體表的分布有密集的魚鱗狀、圓盤狀和波浪形念珠狀凸起和凹陷，構(gòu)成其與糞便或者泥土直接相接觸的非光滑表面。將蜣螂體表非光滑結(jié)構(gòu)幾何特征用于犁壁設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，隨機(jī)分布的仿生非光滑表面與規(guī)則分布的表面相比，前者使犁壁的橫截面不存在規(guī)則分布所具有的有序的壁厚差,使其強(qiáng)度分配更加合理，有利于消除薄弱環(huán)節(jié)，使加工制造時(shí)產(chǎn)生的變形開裂現(xiàn)象得到明顯改善；當(dāng)土垡沿著仿生非光滑表面運(yùn)動時(shí)，無規(guī)則排列方向與次序的幾何單元大大減少了其運(yùn)動中產(chǎn)生的擺動及附加阻力，降低了土垡與底平面的接觸概率，這些因素均有利于犁壁的減黏脫土[3-4]。

1.1.2蜣螂前足曲線擬和仿生。研究發(fā)現(xiàn)，蜣螂前足脛節(jié)各齒的觸土曲面是由無數(shù)特征曲線構(gòu)成的，其中最具有代表性的是爪趾的外緣輪廓曲線，其他曲線與此相近。因此，對蜣螂的前足脛節(jié)外緣輪廓依次進(jìn)行測量和曲線擬合，分析結(jié)果表明，其輪廓線可用以下的二次多項(xiàng)式來描述：y=24.799 5x2-313.992 0x+995.594 0，該多項(xiàng)式的擬合精度為0.993 55，利用ANSYS軟件分析深松鏟耕作過程中的力學(xué)性能，得到深松部件的優(yōu)化參數(shù)[5]。該項(xiàng)研究通過對蜣螂的形態(tài)特征進(jìn)行細(xì)致的觀察和分析，運(yùn)用專業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，最終研制出仿生深松鏟，田間耕作試驗(yàn)表明其具有良好的減阻效果。

1.1.3蜣螂體表電場仿生。除了對蜣螂的體表及足進(jìn)行模仿研究以外，研究者還模擬蜣螂體表電位的正、負(fù)交變電場,將觸土部件作為負(fù)極，并找到合適的正極位置，促使土壤中的水分子向負(fù)極移動進(jìn)而形成水膜，以此降低觸土部件與土壤之間的相互作用力，實(shí)現(xiàn)減黏降阻。采用這種分離式電滲的方式制備非光滑表面，形成仿生電滲模面。為消除電滲效果的“死區(qū)”，研究者將非光滑表面的觸土部件分為多個(gè)相間的區(qū)域，從而構(gòu)成正、負(fù)交變電場，此種方式獲得了更好的脫附效果。

1.2仿動物鱗片深松犁研究發(fā)現(xiàn)，穿山甲與扇貝雖然生活在不同的環(huán)境中，但穿山甲的鱗片與扇貝的瓣均具有表面棱紋型的幾何結(jié)構(gòu)，其磨損形式十分相似。故研究者將穿山甲體表鱗片與櫛孔扇貝瓣定為生物原型[6]，通過三維激光掃描、點(diǎn)云處理，分析2種試驗(yàn)樣品的橫截面輪廓特征點(diǎn)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)2種曲線都有類似正弦函數(shù)的特征，所不同的是其振幅的大小，因此可用以下的標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)方程表達(dá)：f(x)=a×sin(bx+c),式中，a、b、c均為實(shí)常數(shù)，且a、b不為 0。在傳統(tǒng)深松鏟刃結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)不同的仿生幾何結(jié)構(gòu)在鏟刃上的分布形式。將仿生棱紋條在鏟刃上的布置方向與土壤沿觸土表面的運(yùn)動方向設(shè)置為垂直，分別按1.0D、1.5D、2.0D 3種分布方式排列。將這3種仿生棱紋形深松鏟與非仿生深松鏟分別進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn)，結(jié)果是3種仿生棱紋形深松鏟刃較非仿生深松鏟的耐磨效果均好，其中1.5D型取得最佳耐磨性。

1.3仿挖掘足深松犁除了以生物的體表為研究對象外，研究者還對善于挖掘的動物進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，達(dá)烏爾黃鼠、小家鼠以及螻蛄的挖掘足形狀具有相同的特征，利用UG9.0軟件中的光柵圖像功能，將獲取的挖掘足圖片插入軟件進(jìn)行仿形輔助設(shè)計(jì)，最終將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)借助CAXA軟件進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。 根據(jù)家鼠鼠趾、達(dá)烏爾黃鼠鼠趾以及螻蛄爪趾的外形分別設(shè)計(jì)不同形狀的深松鏟柄，并對這3種動物挖掘足的仿生深松鏟的減阻效果進(jìn)行比對[7]。結(jié)果表明，仿生爪趾深松鏟比對照深松鏟的耕作阻力明顯減小，且耕作中更容易入土，但不足的是仿生鏟的鏟尖雖然起到耐磨作用，但脫附效果有待提高。

研究者通過觀察熊類挖掘時(shí)爪趾的運(yùn)動形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其與深松鏟的深松過程很相近[8]，故基于仿生學(xué)原理，借助MATLAB軟件提取棕熊爪趾的曲線信息，其爪趾內(nèi)、外側(cè)曲線的擬合方程分別為：y1=1 917 000x1-1.658+8.743,式中，x1的取值范圍是116≤x1≤500；y2=5 299x2-0.573 7-1 143，式中，x2的取值范圍是26≤x2≤500，將擬合得到的曲線進(jìn)行等比例放大，并在國標(biāo)圓弧形深松鏟的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)仿棕熊爪趾的深松鏟柄和鏟尖。但考慮到深松作業(yè)時(shí)土壤顆粒間的相互粘結(jié)，故建立離散元模型，從而進(jìn)一步直觀地模擬深松鏟與土壤顆粒間的相互作用，并依據(jù)仿真結(jié)果對仿黑熊爪趾深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，此種仿生深松鏟大大減小耕作阻力，從而使耕作效果得到改善。

1.4仿蚯蚓深松犁根據(jù)蚯蚓能在土壤中活動自如、不易粘土這一現(xiàn)象，深入探究其原因，發(fā)現(xiàn)這與蚯蚓體表接觸外界時(shí)產(chǎn)生的剪切阻力有關(guān)。由于其體表液中的黏蛋白可以有效地黏附住土壤表面顆粒，故體表液層內(nèi)的剪切阻力比其他界面層邊壁的剪切阻力小，明顯小于蚯蚓直接與土壤接觸時(shí)所產(chǎn)生的剪切阻力[9]。對蚯蚓的頭部和體部分別進(jìn)行體表形貌的潤濕性分析，結(jié)果表明，體表背孔和波紋的排列特征對其減黏降阻效果有很大影響。通過設(shè)定孔及波紋的數(shù)量和排列方式，設(shè)計(jì)制造出仿生耦合試件，結(jié)果表明仿蚯蚓體表形貌試件的減黏降阻效果明顯。

2 深松犁振動降阻技術(shù)研究

土壤作用力影響牽引阻力，而合理地利用振動可以減小土壤顆粒之間相互作用力，從而降低牽引阻力，并且不同的土壤特性和地表覆蓋對牽引阻力有一定的影響。振動深松機(jī)可降低機(jī)具牽引阻力，節(jié)省燃油消耗，為蓄水保墑提供可行的作業(yè)機(jī)具[10-12]，概括來講，振動深松機(jī)分為受迫振動和自激振動2類深松機(jī)。

2.1受迫振動深松犁非振動深松時(shí)，深松鏟的運(yùn)動狀態(tài)可看成勻速運(yùn)動，而振動深松作業(yè)時(shí)，深松鏟發(fā)生水平及豎直方向的擺動，故其速度和加速度不是固定的[13]。據(jù)此，研究者設(shè)計(jì)一種受迫振動深松機(jī)，其振動動力來源于拖拉機(jī)的后動力輸出軸，工作時(shí)聯(lián)軸器將拖拉機(jī)的后動力輸出軸的轉(zhuǎn)動運(yùn)動傳遞給偏心軸，將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接器的上下振動，連接板將振動轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)動軸的擺動，從而深松鏟開始振動，以此實(shí)現(xiàn)振動深松。這種振動方式不僅能實(shí)現(xiàn)振動深松，還能減振，在一定程度上可以緩解拖拉機(jī)由深松機(jī)振動所帶來的影響。隨后采用正交試驗(yàn)方法得出影響受迫振動參數(shù)的最優(yōu)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證，為深松機(jī)振動特性分析與性能參數(shù)設(shè)計(jì)提供有力的參考[14]。

除了此種振動方式以外，日本的SAKAI等研制了一種與中型拖拉機(jī)配套的四鏵振動深松機(jī)，其輸出的動力被傳送到錐齒輪減速器上，再通過鏈輪傳動使曲柄軸開始轉(zhuǎn)動，連桿在曲柄軸的帶動下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，最終深松鏟在前進(jìn)方向上產(chǎn)生振動，實(shí)現(xiàn)深松作業(yè)，并取得顯著的減阻效果。

2.2自激振動深松犁與受迫振動原理所不同的自激振動深松機(jī)，其振動來自于專門的振動機(jī)構(gòu)。研究者設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、入土角可控的自激振動深松機(jī)。其自激振動深松裝置主要由彈性減阻單元、深松部件固定部件等組成[15]。該裝置由螺栓將上下固定板連接在機(jī)架上，由過載保護(hù)銷和鉸鏈將深松鏟與杠桿固接起來。當(dāng)深松鏟未工作時(shí)，調(diào)節(jié)預(yù)緊螺母，減振彈簧使滑塊沿著擺桿滑動，從而帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使杠桿與下固定板一側(cè)接觸，此為深松鏟最小入土角的位置。深松鏟入土工作時(shí)，深松鏟受土壤阻力作用帶動杠桿轉(zhuǎn)動，當(dāng)耕作阻力過大時(shí)，杠桿和下固定板另一側(cè)相接觸，此為深松鏟的最大入土角位置。該種深松鏟可以調(diào)節(jié)入土角，根據(jù)實(shí)際深松入土情況將入土角控制在最佳的范圍內(nèi)，這種自激振動深松方式可降低牽引阻力29.8%，并且自激振動條件下，入土角可控相對于不可控牽引阻力下降8.9%。

有研究者根據(jù)自激式振動減阻方式的振動來源即自激振動、土壤表層凹凸不平、土壤內(nèi)部緊實(shí)度含水率與牽引機(jī)械自身振動等方面，將仿生學(xué)理論融入設(shè)計(jì)中，研制出仿獾爪趾的自激式仿生振動深松鏟。結(jié)果表明，這種振動式仿生深松鏟的耕作阻力與耕作深度、耕作速度均呈正相關(guān)，但受耕作深度的影響相比于耕作速度更加顯著?？偟膩碚f，振動式仿生深松鏟比未經(jīng)振動的仿生深松鏟的耕作阻力明顯減小，且減阻效果非常顯著[16]。

雖然振動深松機(jī)能通過振動松碎土塊，有效降低耕作阻力，但振動同時(shí)傳遞到拖拉機(jī)上給作業(yè)者帶來不適，因此研究者設(shè)計(jì)了一種新型的V型交錯振動深松施肥機(jī)[17]，主要包括主機(jī)架、動力提供及轉(zhuǎn)化裝置、交錯往復(fù)運(yùn)動單元、偏心結(jié)構(gòu)單元、深度控制機(jī)構(gòu)和施肥系統(tǒng)等，通過優(yōu)化深松鏟的結(jié)構(gòu)來改變穿透土壤形式并降低阻力,同時(shí)保持振動深松機(jī)在工作時(shí)的振動穩(wěn)定性和平衡性，使作業(yè)者的工作環(huán)境得到改善。結(jié)果表明，與不振動深松的工作方式相比，振動深松的牽引阻力顯著降低，且牽引阻力隨著前進(jìn)速度的增加而增加；土壤平均含水率明顯增加；滑移率、土壤堅(jiān)實(shí)度、土壤容重均明顯降低。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，研究者從振動式深松機(jī)的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動特性入手，對振動機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模和運(yùn)動仿真分析。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)振動角對振動式深松機(jī)的減阻影響較大，當(dāng)振動角為負(fù)值時(shí)，更利于深松犁的減阻。UG運(yùn)動仿真和ANSYS有限元分析不僅為上述結(jié)論提供理論支持，而且提供模擬土壤切削有限元分析的載荷數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，不斷地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)振動式深松機(jī)的結(jié)構(gòu),將改進(jìn)后的機(jī)具借助在線監(jiān)測裝備進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的振動式深松機(jī)深松后的土壤密度、 堅(jiān)實(shí)度、土壤耕作阻力均有明顯下降[18]。

3 總結(jié)與展望

諸多研究表明，以土壤動物等生物為仿生對象研制的深松犁減黏降阻效果顯著，降低能耗的同時(shí)進(jìn)一步促進(jìn)土壤深松技術(shù)的發(fā)展。但是目前對仿生深松犁的研究多集中在深松鏟本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于土壤深松耕作系統(tǒng)中的土壤物理特性以及土壤的交互作用研究則相對較少[19]。此外，研究中大多只對生物原型的外形或結(jié)構(gòu)進(jìn)行輪廓上的仿生，而動物在運(yùn)動過程中的發(fā)力方式和具體減阻過程需要仔細(xì)研究；仿生用的動物原型目前局限性比較大，基本上是土壤動物或者挖掘動物等，所涉及的產(chǎn)品外觀相仿，希望今后研究者能從大自然其他生物中發(fā)現(xiàn)靈感，進(jìn)而應(yīng)用到仿生犁的研制中。

通過總結(jié)前人振動深松犁的研究成果，不難發(fā)現(xiàn)振動式深松減阻方式減阻效果明顯。除激振裝置外，幾乎無需增設(shè)其他輔助裝置，結(jié)構(gòu)簡單易行，操作方便可靠，并且拖拉機(jī)的牽引性能得到明顯改善，發(fā)動機(jī)的功率利用率得到提高，但是振動式深松機(jī)消耗的總功率比非振動深松機(jī)高。因此，研發(fā)振動式深松機(jī)時(shí)，需要兼顧功率消耗、發(fā)動機(jī)的功率利用率等因素[20]。

除了仿生深松犁和振動深松犁2種減黏降阻方式以外，有研究者在深松鏟尖設(shè)小孔，在鏟柄上設(shè)有2條通道與小孔相通，依靠壓縮機(jī)充水使鏟尖土壤得到疏松，此為充氣深松機(jī)。還有學(xué)者以天然植物纖維為研究對象，利用其低摩擦系數(shù)、低黏著、耐磨等力學(xué)特性研究生物仿生復(fù)合材料，當(dāng)橫切面纖維與滑動界面處于垂直方向時(shí)，試樣表面層一定深度的集體組織首先被磨去，使纖維端頭突出于基體之上，形成一種具有非光滑特征的磨損表面幾何形態(tài)，磨料粒子在這種形態(tài)的表面上易產(chǎn)生滑動，使得生物纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐磨性和減黏降阻特性[21]。因此，今后還可在仿生植物纖維復(fù)合材料等方面尋求深松犁新的減阻方式。

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科技論文寫作規(guī)范——標(biāo)點(diǎn)符號

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