王少偉，李善軍，張衍林，萬(wàn) 強(qiáng)，陳 紅，孟 亮

鼴鼠趾仿生及表面熱處理提高齒形開(kāi)溝刀減阻耐磨性能

王少偉，李善軍※，張衍林，萬(wàn) 強(qiáng)，陳 紅，孟 亮

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，武漢 430070；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部柑橘全程機(jī)械化科研基地，武漢 430070）

為提高農(nóng)用開(kāi)溝機(jī)械開(kāi)溝刀的減阻耐磨性能，該文針對(duì)課題組前期研制的齒形開(kāi)溝刀，利用仿生結(jié)構(gòu)和不同表面熱處理對(duì)原齒形開(kāi)溝刀進(jìn)行優(yōu)化。以鼴鼠前爪第3趾為仿生對(duì)象，設(shè)計(jì)了仿生開(kāi)溝刀。使用EDEM軟件進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，通過(guò)分析齒形開(kāi)溝刀和仿生開(kāi)溝刀的開(kāi)溝功耗，對(duì)比2種刀片的減阻性能；進(jìn)行臺(tái)架磨損試驗(yàn)，利用金相顯微鏡、顯微硬度儀、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析5種表面熱處理仿生開(kāi)溝刀的耐磨性能。單齒仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，仿生開(kāi)溝刀刀齒的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征有利于減阻。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明溝深為150、200、250、300和350 mm時(shí)，仿生開(kāi)溝刀比齒形開(kāi)溝刀的開(kāi)溝功耗分別降低9.68%、10.44%、10.22%、10.70%和10.95%，仿生開(kāi)溝刀的減阻性能更優(yōu)。臺(tái)架磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，滲鉻淬火高溫回火（Ⅱ型刀）、滲碳淬火低溫回火（Ⅲ型刀）、激光熔覆WC/Ni60A粉末合金（Ⅳ型刀）和氧乙炔火焰堆焊鑄造WC焊條（Ⅴ型刀）比淬火中溫回火（Ⅰ型刀）處理的仿生開(kāi)溝刀的磨損質(zhì)量分別降低14.17%、42.05%、66.98%和75.96%，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的耐磨性能依次提高，Ⅴ型刀最優(yōu)。5種刀片組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度和摩擦系數(shù)的分析結(jié)果表明，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型刀的硬化層顯微組織主要為淬火和回火馬氏體，Ⅳ和Ⅴ型刀主要為WC硬質(zhì)相，Ⅳ和Ⅴ型刀的組織結(jié)構(gòu)更優(yōu)；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的平均顯微硬度為558、700、888、1 195和1 441 HV0.1；平均摩擦系數(shù)為0.67、0.57、0.26、0.25和0.22，Ⅴ型刀的顯微硬度和摩擦系數(shù)最優(yōu)，與臺(tái)架磨損試驗(yàn)結(jié)果相一致。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的Ⅲ型和Ⅴ型刀比原來(lái)齒形開(kāi)溝刀的開(kāi)溝功耗分別降低11.45%和5.41%，磨損質(zhì)量分別降低28.26%和82.63%，仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化與表面熱處理能夠提高齒形開(kāi)溝刀的減阻耐磨性能。該研究可為提高開(kāi)溝刀減阻耐磨性能提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；仿生；開(kāi)溝；熱處理；減阻性能；耐磨性能

0 引 言

在農(nóng)用開(kāi)溝機(jī)械作業(yè)過(guò)程中，開(kāi)溝刀與土壤直接接觸，并對(duì)土壤進(jìn)行切削、輸送和拋出從而形成溝渠。開(kāi)溝作業(yè)的質(zhì)量和效率與開(kāi)溝刀的各方面性能密切相關(guān)，其中減阻性能和耐磨性能最為重要。提高減阻性能，能夠降低開(kāi)溝功耗、提高作業(yè)質(zhì)量；提高耐磨性能有利于增加刀片使用壽命、提升作業(yè)效率和節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本[1-2]。針對(duì)提高農(nóng)用機(jī)械觸土部件的減阻性能和耐磨性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。在提高減阻性能方面，仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種應(yīng)用十分廣泛的重要方法。在生物的長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，由于生存環(huán)境和生活習(xí)性的影響，很多生物具有非常優(yōu)秀的土壤挖掘能力[3-7]，典型的土壤挖掘動(dòng)物有鼴鼠、鼢鼠、蜣螂、穿山甲、螻蛄和螞蟻等。不同學(xué)者利用各類(lèi)土壤挖掘動(dòng)物觸土部位的特點(diǎn)對(duì)農(nóng)用機(jī)械的工作部件進(jìn)行了仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化。汲文峰[4]利用鼴鼠前爪第2趾前端結(jié)構(gòu)的擬合圓弧對(duì)旋耕-碎茬通用刀片的正切面刃線進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)仿生刀的功耗均小于旋耕刀和碎茬刀，但作業(yè)質(zhì)量?jī)?yōu)于旋耕刀稍差于碎茬刀。王洪昌[5]將鼢鼠前爪第3趾內(nèi)輪廓縱向截面的第4曲線高斯方程作為刃線設(shè)計(jì)了仿生除草鏟。土槽試驗(yàn)結(jié)果表明，仿生除草鏟的牽引阻力在低速時(shí)低于圓弧型除草鏟，在高速時(shí)相反。朱鳳武[8]分析了蜣螂前足脛節(jié)楔形爪趾頂端和外緣輪廓線設(shè)計(jì)了仿生深松鏟?？梢?jiàn)，上述仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要利用動(dòng)物爪趾的特征輪廓線參數(shù)進(jìn)行刃線設(shè)計(jì)。也有部分學(xué)者利用土壤挖掘動(dòng)物觸土部位的非光滑表面特征，例如凸包、凹坑、波紋、鱗狀等形態(tài)，進(jìn)行免耕播種機(jī)雙圓盤(pán)開(kāi)溝器、仿生犁壁、推土板、波紋板等的仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化[9-14]?？梢?jiàn)，已有研究由于工作部件結(jié)構(gòu)形式等原因，主要為利用土壤挖掘動(dòng)物觸土部位的局部三維表面結(jié)構(gòu)特征。對(duì)觸土部位整體三維表面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行仿生的研究較少，本文以鼴鼠前爪第3趾為仿生研究對(duì)象，將原來(lái)齒形開(kāi)溝刀的刀齒整體替換為鼴鼠前爪第3趾仿生模型，設(shè)計(jì)仿生開(kāi)溝刀。

在提高耐磨性能方面，由于旋耕機(jī)應(yīng)用范圍較廣，已有研究主要以旋耕刀片為對(duì)象，提高其耐磨性能[15-17]。提高耐磨性能的表面熱處理方式主要分為2類(lèi)，一是改變基材材料性能對(duì)基材磨損，二是在基材上熔覆耐磨層對(duì)耐磨層進(jìn)行磨損。采用不同的淬火處理工藝可以改變基材材料性能，以達(dá)到提高耐磨性能的目的。袁曉明等[15]認(rèn)為對(duì)大耕深旋耕刀先進(jìn)行滲鉻處理，再進(jìn)行淬火中溫回火處理，會(huì)比傳統(tǒng)淬火低溫回火處理獲得更好的組織結(jié)構(gòu)和更小的摩擦系數(shù)。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法可以使磨損質(zhì)量降低59.2%。黃永俊等[16]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)農(nóng)用刀片的常用材料65 Mn鋼進(jìn)行激光淬火處理后的硬化區(qū)顯微硬度高于激光熔凝處理。在基材上熔覆耐磨層，由于耐磨層組織結(jié)構(gòu)更好并含有高硬度耐磨相，因此可以極大的提高耐磨性能。趙建國(guó)等[18]在Q235基材上采用氮弧熔覆制備TiCN/Fe金屬陶瓷涂層，涂層的顯微硬度比基材提高3倍，高達(dá)1 089 HV0.5，磨損質(zhì)量只有65 Mn的50%。郝建軍等[19]為改善65 Mn鋼上熔覆的Fe-Cr-C堆焊層的性能，創(chuàng)新性制備Fe-Cr-C-V堆焊層。常用的65Mn鏟尖和60Si2Mn旋耕刀熔覆Fe-Cr-C-V堆焊層后，磨損質(zhì)量能夠降低78%和50%。Satit等[17]利用高速火焰噴涂和等離子堆焊，在旋耕刀表面分別制備WC/Co和Al2O3-TiO2/NiAl涂層。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與普通旋耕刀磨損質(zhì)量相比，WC/Co涂層旋耕刀降低97.67%，Al2O3-TiO2/NiAl涂層旋耕刀提高4.65%，原因?yàn)橥繉觿兟??？梢?jiàn)，在基材上熔覆耐磨層，使得耐磨性能提高顯著?？紤]到熔覆耐磨層會(huì)部分破壞仿生開(kāi)溝刀刀齒的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征，對(duì)減阻性能產(chǎn)生不利影響，因此本文對(duì)比5種表面熱處理仿生開(kāi)溝刀耐磨性能的差異，并考察對(duì)減阻性能的影響。

1 仿生開(kāi)溝刀設(shè)計(jì)

1.1 齒形開(kāi)溝刀結(jié)構(gòu)

仿生開(kāi)溝刀設(shè)計(jì)以課題組前期研制的1KZ38型傾斜螺旋式山地果園開(kāi)溝機(jī)上使用的齒形開(kāi)溝刀為原型。齒形開(kāi)溝刀參數(shù)為，螺栓孔距=45 mm，刀片中心長(zhǎng)度=40.7 mm，刀片幅寬=40 mm，刀片厚度=6 mm，安裝角=4.5°，折彎角=49°，如圖1a所示[20]。單個(gè)刀齒呈棱錐形，參數(shù)為總長(zhǎng)1=13 mm，后端高度2=6 mm，寬度3=8 mm，圓心角1=170°，圓弧半徑1=3.124 mm，刃角1=21°，刃厚1=1 mm，如圖1b所示。齒形開(kāi)溝刀材料為H13，質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，采用淬火中溫回火處理。

表1 H13組成元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：為螺栓孔距，mm；為刀片中心長(zhǎng)度，mm；為刀片幅寬，mm；為刀片厚度，mm；為安裝角，(°)；為折彎角，(°)。

Note:is bolt holes spacing, mm;is the center length of the blade, mm;is blade width, mm;is blade thickness, mm;is installation angle, (°);is bending angle, (°).

a. 整體結(jié)構(gòu)

a. Overall structure

注：1為總長(zhǎng)，mm；2為后端高度，mm；3為寬度，mm；1為圓心角，(°)；1為圓弧半徑，mm；1為刃角，(°)；1為刃厚，mm。

Note:1is total length, mm;2is back-end height, mm;3is width, mm;1is central angle, (°);1is arc radius, mm;1is edge angle, (°) ;1is edge thickness, mm.

b. 單個(gè)刀齒結(jié)構(gòu)

b. Structure of single tooth

圖1 齒形開(kāi)溝刀結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of toothed ditching blade

1.2 仿生開(kāi)溝刀設(shè)計(jì)

試驗(yàn)鼴鼠用鼠夾法捕獲，捕獲地點(diǎn)為內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市海拉爾區(qū)呼倫貝爾大草原（119°28'～120°34'E，49°06'～49°28'N），生活土壤類(lèi)型為草甸土，飼養(yǎng)于裝滿土的玻璃缸內(nèi)。體視顯微鏡為SZX16型（奧林巴斯中國(guó)有限公司，變倍比16.4∶1，放大倍數(shù)0.7～11.5），觀測(cè)參數(shù)為放大倍數(shù)1.5。三維激光掃描儀為EinScan Pro+型（杭州先臨三維科技股份有限公司，掃描精度0.05 mm，掃描速度550 000點(diǎn)/s，空間點(diǎn)距0.24 mm），工藝參數(shù)為光源白光LED，拼接模式特征拼接和手動(dòng)拼接。3D金屬打印機(jī)為EP-M250Pro型（北京易加三維科技有限公司，工作功率380 V/6 KW），工藝參數(shù)為掃描速度8 m/s，分層厚度0.05 mm。

鼴鼠是土壤挖掘能力最強(qiáng)的動(dòng)物之一[3-4,14]，它一生中絕大部分時(shí)間生活在地下，以地下植物根莖和土壤中生活的動(dòng)物幼蟲(chóng)和昆蟲(chóng)等為食，覓食時(shí)需要大量的土壤挖掘作業(yè)，一夜的挖掘距離可達(dá)100 m。挖掘土壤時(shí)，鼴鼠的后爪緊緊地抓住地面，利用強(qiáng)壯的前爪和鼻子挖開(kāi)前方土壤，并將土壤推到身體兩側(cè)并由后爪移到身后，再用前爪和鼻子修整洞壁。前期研究發(fā)現(xiàn)，鼴鼠爪趾的后爪窄小，趾為細(xì)長(zhǎng)棱錐形，前部尖銳，起支撐固定身體和拋土作用。前爪寬大，整體為鏟狀，爪心朝外，起挖土和推土作用。前爪的5個(gè)趾中，第5趾短小，具有明顯的退化特征，不利于土壤挖掘。第3趾最為寬大，是最主要的挖掘趾[3-4,14]，為充分利用鼴鼠爪趾的土壤挖掘能力，本文以鼴鼠前爪第3趾為仿生對(duì)象。將齒形開(kāi)溝刀的刀齒整體替換為鼴鼠前爪第3趾仿生模型。通過(guò)體視顯微鏡對(duì)鼴鼠前爪第3趾進(jìn)行觀察，趾整體寬扁，為扁圓楔形，前部和兩側(cè)邊緣較薄，表面具有凸棱、凸起、凹溝等細(xì)微結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)非光滑表面特征。趾的腹面，前端刃部?jī)?nèi)凹，前部有1圈U型凸起和2條縱向?qū)ΨQ分布的小凸臺(tái)，后部有2條縱向?qū)ΨQ分布的大凸臺(tái)，如圖2a所示。趾的背面，平滑光順，前端為圓鈍形狀，橫向曲率大于縱向曲率，縱向后部曲率大于前部曲率，橫向中間曲率大于兩側(cè)曲率，如圖 2b所示。

首先利用三維激光掃描儀獲得鼴鼠前爪第3趾的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后使用Geomagic studio 2017軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云稀疏、拼接封裝、平滑降噪等處理，獲得鼴鼠前爪第3趾仿生模型，主要參數(shù)為總長(zhǎng)4=18.5 mm，后端高度5=6 mm，寬度6=8 mm，圓心角2=176°，圓弧半徑2=4 mm，刃角2=19°，刃厚半徑2=0.47 mm，如圖2c所示。最后使用Creo 3.0軟件將鼴鼠前爪第3趾仿生模型放大3倍，使得6與3相等，便于替換齒形開(kāi)溝刀的刀齒。使用3D金屬打印機(jī)制造仿生開(kāi)溝刀，如圖 2d所示。其參數(shù)螺栓孔距、刀片中心長(zhǎng)度、刀片幅寬、刀片厚度、安裝角、折彎角、材料和熱處理方式與齒形開(kāi)溝刀片相同。

圖2 鼴鼠前爪第3趾仿生開(kāi)溝刀結(jié)構(gòu)

2 仿真試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為對(duì)比原齒形開(kāi)溝刀和仿生開(kāi)溝刀開(kāi)溝過(guò)程的開(kāi)溝功耗，采用離散元法進(jìn)行開(kāi)溝過(guò)程仿真試驗(yàn)。仿真軟件是EDEM 2.7，采用Hertz-Mindlin with bonding模型。根據(jù)開(kāi)溝機(jī)常用作業(yè)參數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)為開(kāi)溝主軸轉(zhuǎn)速625 r/min，前進(jìn)速度750 m/h，溝深150、200、250、300和350 mm，其他主要仿真參數(shù)如表2所示[20-21]。開(kāi)溝功耗通過(guò)仿真測(cè)定的開(kāi)溝主軸扭矩和開(kāi)溝主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)式（1）計(jì)算。為進(jìn)一步分析開(kāi)溝過(guò)程中仿生開(kāi)溝刀的減阻機(jī)理，進(jìn)行單個(gè)刀齒土壤挖掘仿真試驗(yàn)。根據(jù)中部刀齒的回轉(zhuǎn)半徑（0.284 m）及開(kāi)溝主軸轉(zhuǎn)速，由式（2）確定刀齒切削土壤的線速度為9.3 m/s，其他主要仿真參數(shù)如表2所示。

式中為開(kāi)溝功耗，kW；為開(kāi)溝主軸扭矩，N·m；為開(kāi)溝主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

式中為刀齒線速度，m/s；為中部刀齒回轉(zhuǎn)半徑，m；為開(kāi)溝主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

表2 EDEM仿真參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

開(kāi)溝過(guò)程仿真試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，溝深為150、200、250、300和350 mm時(shí)，仿生開(kāi)溝刀比齒形開(kāi)溝刀的開(kāi)溝功耗降低9.68%、10.44%、10.22%、10.70%和10.95%，平均降低10.398%，減阻效果明顯。通過(guò)單個(gè)刀齒土壤挖掘仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，仿生開(kāi)溝刀優(yōu)異的減阻性能與刀齒的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。刀齒具有鼴鼠前爪第3趾的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征。刀齒為扁圓楔形，前部和兩側(cè)邊緣較薄，刃部?jī)?nèi)凹，刃角較小，經(jīng)測(cè)定仿生開(kāi)溝刀片刀齒的刃角2=19°，而齒形開(kāi)溝刀片刀齒的刃角1=21°。扁圓楔形和較小的刃角能夠減少觸土面積、減弱土壤壓實(shí)，從而降低切削阻力，具有較強(qiáng)的入土能力和脫土效果。仿生開(kāi)溝刀刀齒前端的圓心角2=176°，圓弧半徑2=4 mm，頂端特征線為過(guò)渡圓弧，刃厚半徑2=0.47 mm，而齒形開(kāi)溝刀刀齒前端的圓心角1=170°，圓弧半徑1=3.124 mm，頂端特征線為直線，刃厚1=1 mm，仿生開(kāi)溝刀刀齒的圓心角和圓弧半徑均較大，二者刃厚接近，但是圓弧特征會(huì)形成過(guò)渡圓角，因此仿生開(kāi)溝刀刀齒前端的圓鈍特征更加明顯，圓鈍結(jié)構(gòu)能夠改變土壤應(yīng)力分布和壓實(shí)形狀，從而減弱應(yīng)力集中，降低摩擦磨損和減少土壤粘附。如圖3a和3b中接觸土壤時(shí)顆粒粘結(jié)力分布所示。由于仿生刀齒表面為非光滑表面，具有凸棱、凸起、凹溝等細(xì)微結(jié)構(gòu)，使刀齒與土壤接觸面間存在間隙，減少了接觸面積。開(kāi)溝過(guò)程中細(xì)微凹凸結(jié)構(gòu)使土壤顆粒產(chǎn)生震動(dòng)、變形等作用，導(dǎo)致接觸面水膜面積和厚度出現(xiàn)隨機(jī)性波動(dòng)進(jìn)而水膜不能連續(xù)，從而降低了土壤對(duì)刀齒表面的粘附力。如圖3a和3b中連續(xù)工作時(shí)顆粒粘結(jié)力分布所示。刀齒腹面前部的U型凸起和背面縱向前部曲率小后部曲率大、橫向兩側(cè)曲率小中間曲率大的結(jié)構(gòu)特征，有利于土壤顆粒向兩側(cè)分流。2條縱向?qū)ΨQ分布的小凸臺(tái)和縱向變曲率特征，使土壤中小顆粒沿切削方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著曲率逐漸增大垂直刀面的速度分量也增大，逐漸脫離刀面，有利于脫土。如圖3c和3d中的切入土壤時(shí)顆粒速度分布所示。后部2條縱向?qū)ΨQ分布的大凸臺(tái)和縱向變曲率特征，使土壤中大顆粒沿切削方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著曲率逐漸增大垂直刀面的速度分量也增大，逐漸脫離刀面，有利于脫土。如圖3c和3d中的連續(xù)工作時(shí)顆粒速度分布所示。

表3 2種刀片仿真開(kāi)溝功耗對(duì)比

圖3 單個(gè)刀齒的土壤挖掘過(guò)程仿真結(jié)果

3 不同表面熱處理對(duì)仿生開(kāi)溝刀耐磨性能的影響

3.1 試驗(yàn)材料與方法

為提高仿生開(kāi)溝刀的耐磨性能，本文選取淬火中溫回火、滲鉻淬火高溫回火、滲碳淬火低溫回火、激光熔覆WC/Ni60A粉末合金（WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%）、氧乙炔火焰堆焊鑄造WC焊條（WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%）5種表面熱處理方法對(duì)仿生開(kāi)溝刀進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，對(duì)應(yīng)刀片命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型刀為對(duì)刀片進(jìn)行整體處理，Ⅳ和Ⅴ型刀只對(duì)刀齒腹面進(jìn)行處理。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型刀的淬火回火表面熱處理方式，對(duì)刀齒原來(lái)的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征沒(méi)有影響，但Ⅳ和Ⅴ型刀的熔覆表面熱處理方式會(huì)造成部分表面結(jié)構(gòu)破壞。為最大限度降低破壞程度，在Ⅳ和Ⅴ型刀刀齒腹面的熔覆層基礎(chǔ)上，利用人工點(diǎn)動(dòng)熔覆和激光雕琢方法，對(duì)刀齒原來(lái)的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)多次修復(fù)后，Ⅳ和Ⅴ型刀刀齒熔覆層的精度為0.1 mm，屬于可接受范圍，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的耐磨性能具有可比性。進(jìn)行臺(tái)架磨損試驗(yàn)，利用金相顯微鏡、顯微硬度儀、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的耐磨性能。

熱處理前對(duì)刀片表面進(jìn)行除銹、除油、清洗等預(yù)處理。淬火、回火設(shè)備為SX2-5-12型電爐（武漢亞華電爐有限公司，額定功率5 kW，額定電壓220 V，額定溫度1 000 ℃）。滲鉻、滲碳設(shè)備為RQD-80/120-DS型井式氣體滲碳爐（江蘇恒力爐業(yè)有限公司，額定功率80 kW，額定電壓380 V，額定溫度950 ℃）。激光熔覆設(shè)備為GS-HL-5000型激光器（武漢高斯激光設(shè)備有限公司，功率5 kW，波長(zhǎng)0.010 6 mm）。淬火中溫回火工藝參數(shù)為預(yù)熱溫度650 ℃，時(shí)間30 min；溫度850 ℃，時(shí)間30 min；淬火溫度1 000 ℃，油冷10 min；2次中溫回火溫度550 ℃，時(shí)間10 min。滲鉻淬火高溫回火工藝參數(shù)為滲鉻劑65%FeCr70、30%Al2O3、5%NH4Cl，溫度950 ℃，時(shí)間15 h，滲層深度0.2±0.05 mm；預(yù)熱溫度650 ℃，時(shí)間30 min；溫度850 ℃，時(shí)間30 min；淬火溫度1 000 ℃，油冷10 min；3次高溫回火溫度570 ℃，時(shí)間10 min。滲碳淬火低溫回火工藝參數(shù)為滲碳劑丙烷，溫度930 ℃，時(shí)間5 h，滲層深度1±0.2 mm，正火溫度400 ℃，時(shí)間1 h；球化退火溫度760 ℃，時(shí)間2 h；預(yù)熱溫度650 ℃，時(shí)間30 min；溫度850 ℃，時(shí)間30 min；淬火溫度950 ℃，油冷10 min；低溫回火溫度250 ℃，時(shí)間10 min。激光熔覆工藝參數(shù)為工作功率3.2 kW，掃描速度300 mm/min，送粉速度15～20 g/min，堆焊層厚度1.4±0.2 mm。氧乙炔火焰堆焊參數(shù)為堆焊速度300 mm/min，焊條送絲速度15～20 g/min，堆焊層厚度1.4±0.2 mm。

通過(guò)臺(tái)架磨損試驗(yàn)對(duì)比Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的耐磨性能，磨損臺(tái)架如圖4所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)和主軸之間裝有扭矩傳感器，主軸上安裝有螺旋葉片（螺旋外徑300 mm，螺旋角30°）和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀，扭矩傳感器和扭矩顯示儀測(cè)定和顯示扭矩，變頻器調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，注砂孔和排砂孔加入和排出磨料[20]。利用變頻器調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速為625 r/min，磨料選用60目、100目金剛砂與32目土壤顆粒按照質(zhì)量1∶1∶1混合，含水率為18.91%，磨料加入速度為50±5 g/s，對(duì)應(yīng)主軸扭矩為20±2 N·m，磨損時(shí)間為50 h，每隔1 h停機(jī)，記錄1次刀片質(zhì)量，每種刀片重復(fù)3次取平均值。停機(jī)取下刀片后，用裝有75%乙醇溶液的超聲波清洗儀清洗刀片20 min，再用烘干箱在105 ℃烘干15 min，冷卻至室溫后用電子天平稱量刀片質(zhì)量。刀片的磨損質(zhì)量根據(jù)式（3）計(jì)算。沿刀片表面垂直方向截取材料制成斷面金相樣品，使用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，利用金相顯微鏡、顯微硬度儀、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析金相組織、硬度、摩擦系數(shù)等。金相顯微鏡為MJ30型（廣州明美光電技術(shù)有限公司，像素2 000萬(wàn)）。數(shù)字顯微硬度儀為HV-1000B型（煙臺(tái)華銀試驗(yàn)儀器有限公司，最小檢測(cè)單位0.25 um），測(cè)試參數(shù)為加載壓力0.981 N，壓力保持時(shí)間15 s。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為MS-T-3001型（蘭州華匯儀器科技有限公司，加載精度0.1 g），測(cè)試參數(shù)為磨頭材料Si3N4，摩擦磨損時(shí)間20 min，加載載荷25 N，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度0.25 m/s，摩擦磨損溫度10 ℃。

Δ=0－m（3）

式中Δ為磨損質(zhì)量，g；0為初始質(zhì)量，g；m為當(dāng)前時(shí)刻質(zhì)量，g。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 磨損質(zhì)量對(duì)比

臺(tái)架磨損試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5磨損質(zhì)量的變化特征，將磨損過(guò)程分為初始磨損期、急劇磨損期和平穩(wěn)磨損期，如表4所示。初始磨損期主要是刀片表面經(jīng)清洗以后仍殘留或固著的氧化物和顆粒物質(zhì)等發(fā)生磨損，由于磨損物質(zhì)數(shù)量較少，該階段磨損量增加較為平緩，約在第5 h結(jié)束。急劇磨損期是刀片的凸棱部位、形狀尺寸過(guò)渡突變部位和表面粗糙度較大部位發(fā)生磨損，該階段磨損量急劇增加并且增加趨勢(shì)越來(lái)越快，又可細(xì)分為直線磨損段、指數(shù)磨損段。Ⅰ～Ⅴ型刀急劇磨損期的持續(xù)時(shí)間為22、21、16、13和13 h，其中指數(shù)磨損段持續(xù)時(shí)間為8、7、4、3和3 h，且直線、指數(shù)磨損段斜率均減小。平穩(wěn)磨損期是刀片進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定工作狀態(tài)，與土壤、砂粒接觸部位發(fā)生磨損的階段，該階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，直到刀片磨損失效，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀磨損質(zhì)量的斜率減小。由于在急劇磨損期、平穩(wěn)磨損期Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀磨損斜率均減小，以及Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀比Ⅰ型刀提前1、6、9和9 h進(jìn)入平穩(wěn)磨損期，且指數(shù)磨損段持續(xù)時(shí)間減少1、4、5和5 h，因此Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的耐磨性能依次提高。在第50 h時(shí)，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀比Ⅰ型刀的磨損質(zhì)量降低14.17%、42.05%、66.98%和75.96%，也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此，在淬火回火處理之前，利用元素滲入方法滲入鉻和碳等強(qiáng)化元素，能夠提高刀片的耐磨性能。滲碳處理的效果優(yōu)于滲鉻處理。在刀片表面熔覆耐磨層，對(duì)刀片耐磨性能的提高更加顯著。Ⅴ型刀的耐磨性能最好并且優(yōu)于Ⅳ型刀，因此在一定范圍內(nèi)提高耐磨層中WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以提高刀片的耐磨性能。

圖4 磨損試驗(yàn)臺(tái)

圖5 刀片磨損質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線

3.2.2 顯微組織對(duì)比

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的硬化層的顯微組織如圖 6所示。Ⅰ型刀顯微組織為細(xì)針狀回火馬氏體、極少量殘余奧氏體和少量顆粒狀碳化物，如圖6a所示。Ⅱ型刀顯微組織為細(xì)針狀馬氏體、回火馬氏體、極少量殘余奧氏體和顆粒狀碳化物，如圖6b所示。Ⅲ型刀顯微組織為細(xì)針狀高碳馬氏體、高碳回火馬氏體、少量殘余奧氏體和顆粒狀碳化物，如圖6c所示。Ⅰ～Ⅲ型刀心部組織為回火馬氏體、鐵素體、珠光體混合組織。Ⅳ～Ⅴ型刀顯微組織分為熔覆區(qū)和基體熱影響區(qū)，熔覆層區(qū)域?yàn)槿鄹矃^(qū)，熔覆層以下1±0.2 mm為基體熱影響區(qū)，熔覆區(qū)、基體熱影響區(qū)根據(jù)距表面距離又都分為上、中、下部，Ⅳ型刀熔覆區(qū)界面和熔覆區(qū)上部組織如圖 6d和6e所示，Ⅴ型刀熔覆區(qū)界面和熔覆區(qū)上部組織如圖 6f和6g所示。Ⅳ～Ⅴ型刀熔覆區(qū)上部顯微組織為少量奧氏體和樹(shù)枝狀共晶組織，Ⅴ型刀中的WC顆粒燒損較少，Ⅳ型刀中有部分燒損導(dǎo)致硬度下降。由于熔覆區(qū)上部可通過(guò)外界氣體和基體散熱，因此結(jié)晶速度最快，形成多向生長(zhǎng)的樹(shù)枝晶。熔覆區(qū)中、下部為共晶組織和奧氏體，由于散熱速度逐漸降低，晶體相對(duì)于上部逐漸增大。熔覆區(qū)與基體熱影響區(qū)界面為冶金結(jié)合區(qū)，由于稀釋率相對(duì)較小，為5%～10%，因此呈現(xiàn)一條0.001～0.002 mm寬的過(guò)渡帶。冶金結(jié)合區(qū)的散熱條件較好，金相組織為樹(shù)枝晶和等軸晶，沿溫度梯度方向即與過(guò)渡帶垂直生長(zhǎng)[22-28]?；w熱影響區(qū)上部顯微組織為托氏體和奧氏體，中部顯微組織為索氏體，下部顯微組織為粒狀和片狀珠光體[29-30]。

表4 磨損階段劃分

注：Ⅰ型刀為淬火中溫回火；Ⅱ型刀為滲鉻淬火高溫回火；Ⅲ型刀為滲碳淬火低溫回火；Ⅳ型刀為激光熔覆WC/Ni60A粉末合金；Ⅴ型刀為氧乙炔火焰堆焊鑄造WC焊條。下同。

Note: Blade Ⅰ is quenching and tempering at medium temperature; Blade Ⅱ is quenching and low temperature tempering with chromizing; Blade Ⅲ is quenching and low temperature tempering with carburizing; Blade Ⅳ is laser cladding of WC/Ni60A powder alloy; Blade Ⅴ is oxyacetylene flame surfacing WC cast electrode. The same below.

圖6 不同表面熱處理刀片的顯微組織

3.2.3 顯微硬度對(duì)比

顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖7所示，根據(jù)圖7顯微硬度分布規(guī)律，將測(cè)試區(qū)域分為高硬度區(qū)、急劇下降區(qū)、平穩(wěn)下降區(qū)，如表5所示。Ⅰ型刀的顯微硬度急劇下降區(qū)不明顯。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的顯微硬度高硬度區(qū)寬度為1、1.2、1.4和1.4 mm，平均硬度為700、888、1 195和1 441 HV0.1，比Ⅰ型刀的平均硬度558 HV0.1提高25.41%、59.11%、114.08%和158.17%?？梢?jiàn)Ⅳ和Ⅴ型刀的顯微硬度高硬度區(qū)最寬、硬度最大、對(duì)應(yīng)位置為金相組織的熔覆區(qū)。Ⅱ和Ⅲ型刀由于冶金結(jié)合區(qū)C、Cr元素的擴(kuò)散產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，相比C、Cr元素的滲層深度，Ⅲ型刀高硬度區(qū)略有增大，Ⅱ型刀高硬度區(qū)增大不明顯。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的顯微硬度急劇下降區(qū)寬度均為0.6 mm，Ⅳ和Ⅴ型刀的顯微硬度急劇下降區(qū)對(duì)應(yīng)位置為金相組織基體熱影響區(qū)上部和中部。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的顯微硬度平穩(wěn)下降區(qū)的寬度為1、0.8、0.6和0.6 mm，平均硬度為519、523、344和349 HV0.1。與Ⅰ型刀的顯微硬度平穩(wěn)下降區(qū)的平均硬度496 HV0.1相比，Ⅱ和Ⅲ型刀提高4.70%和5.44%，但是Ⅳ和Ⅴ型刀降低30.75%和29.74%?？梢?jiàn)，Ⅳ和Ⅴ型刀的顯微硬度平穩(wěn)下降區(qū)的平均硬度較低，對(duì)應(yīng)位置為基體熱影響區(qū)下部。

圖7 不同表面熱處理刀片的顯微硬度分布

表5 顯微硬度區(qū)域劃分

對(duì)于開(kāi)溝刀片，磨損主要發(fā)生在刀片表面，并隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，由于對(duì)應(yīng)位置位于高硬度區(qū)，因此該處的硬度對(duì)于刀片耐磨性能的影響最大。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀高硬度區(qū)硬度依次提高。Ⅱ型刀由于Cr元素增多，會(huì)在馬氏體基體上分布（Cr, Fe）7C3、（Fe, Cr）3C，使硬度提高，同時(shí)存在二次硬化現(xiàn)象即高溫回火時(shí)馬氏體中沉淀析出彌散分布的特殊碳化物VC、Mo2O等產(chǎn)生彌散硬化，以及冷卻過(guò)程中殘余奧氏體會(huì)部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，因此Ⅱ型刀的硬度高于Ⅰ型刀。Ⅲ型刀中存在高碳馬氏體、高碳回火馬氏體和更多的強(qiáng)碳化物相（VC、Mo2O等），因此硬度高于Ⅱ型刀。Ⅳ～Ⅴ型刀熔覆層由于彌散分布著硬度極高的WC顆粒產(chǎn)生釘扎作用，因此硬度高于Ⅲ型刀[29-30]。

3.2.4 摩擦系數(shù)對(duì)比

通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的摩擦系數(shù)，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，刀片在磨損初始階段摩擦系數(shù)增加較快，而后增加緩慢，第600 s后進(jìn)入平穩(wěn)磨損階段。在平穩(wěn)磨損階段后期由于Si3N4球與刀片表面接觸面積逐漸增加，進(jìn)而加大了塑性變形和磨損程度，使粗糙度增加并導(dǎo)致摩擦系數(shù)略有上升。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的平均摩擦系數(shù)為0.65、0.55、0.24、0.22和0.20，平穩(wěn)磨損階段為0.67、0.57、0.26、0.25和0.22。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.110、0.070、0.037、0.037和0.033，平穩(wěn)磨損階段為0.012、0.013、0.015、0.008和0.024?？梢?jiàn)平穩(wěn)磨損階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的摩擦系數(shù)降低，波動(dòng)程度Ⅳ型刀最小，Ⅴ型刀最大，這是由于Ⅴ型刀含有WC顆粒較多，磨損過(guò)程中WC顆粒發(fā)生剝落參與到Si3N4對(duì)刀片的摩擦磨損過(guò)程所致。Ⅰ和Ⅱ型刀的犁溝較深，磨損類(lèi)型為粘著磨損。Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的犁溝較淺，磨損類(lèi)型為磨粒磨損[31]。

圖8 不同表面熱處理刀片摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與方法

根據(jù)磨損臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，Ⅴ型刀的耐磨性能最好，但是刀齒原來(lái)的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征受損，對(duì)減阻性能有一定影響。Ⅲ型刀的耐磨性能僅次于Ⅴ和Ⅳ型刀，但是刀齒原來(lái)的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征保存完整，減阻性能未受影響。綜合分析，選取原來(lái)的齒形開(kāi)溝刀與Ⅲ和Ⅴ型刀，利用課題組研制的1KZ38型傾斜螺旋式山地果園開(kāi)溝機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，測(cè)試減阻和耐磨性能。試驗(yàn)設(shè)備包括扭矩轉(zhuǎn)速功率傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理終端、溝深測(cè)量?jī)x、秒表、卷尺等。扭矩轉(zhuǎn)速功率傳感器為CYT-302型（北京天宇恒創(chuàng)傳感技術(shù)有限公司，量程0～200 N·m，精度0.25%）。扭矩轉(zhuǎn)速功率儀為CYT-30B型（北京天宇恒創(chuàng)傳感技術(shù)有限公司，量程0～99 999 N·m，精度1/120 000）與計(jì)算機(jī)相連，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。整機(jī)傳動(dòng)路線為，柴油機(jī)的動(dòng)力由柴油機(jī)帶輪傳遞給帶輪A，扭矩轉(zhuǎn)速功率傳感器兩端與帶輪A和B都用聯(lián)軸器連接，動(dòng)力從帶輪A經(jīng)由扭矩轉(zhuǎn)速功率傳感器到達(dá)帶輪B，帶輪B傳遞動(dòng)力給錐齒輪減速機(jī)輸入軸帶輪，錐齒輪減速機(jī)輸出軸用聯(lián)軸器連接開(kāi)溝器的開(kāi)溝主軸。測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示。開(kāi)溝功耗根據(jù)式（1）計(jì)算。

試驗(yàn)于2018年10月17日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)柑橘園種植基地進(jìn)行，相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)定方法參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[32]。試驗(yàn)地測(cè)區(qū)長(zhǎng)度60 m，兩端預(yù)備區(qū)長(zhǎng)度20 m，寬度30 m。開(kāi)溝機(jī)前進(jìn)速度750 m/h，開(kāi)溝轉(zhuǎn)速625 r/min，溝深范圍0～350 mm。同一工況測(cè)試3個(gè)行程，每個(gè)行程測(cè)定10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)定位置沿機(jī)組前進(jìn)方向間隔2 m。試驗(yàn)地坡度為8°～12°，土壤類(lèi)型為黃棕壤，0～400 mm土壤堅(jiān)實(shí)度平均值1.02 MPa，平均含水率18.13%，土壤表層覆蓋50～100 mm雜草等植被。

圖9 田間試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)的開(kāi)溝功耗如表6所示。由表6可知，Ⅲ和Ⅴ型刀的開(kāi)溝功耗均低于齒形開(kāi)溝刀，平均開(kāi)溝功耗分別降低11.45%和5.41%，開(kāi)溝深度越大整體減阻效果越加明顯，與仿真試驗(yàn)的結(jié)果相一致。Ⅲ型刀田間試驗(yàn)的減阻效果和仿真試驗(yàn)的減阻效果較接近，Ⅴ型刀田間試驗(yàn)的減阻效果和仿真試驗(yàn)的減阻效果差異較大，這是由于Ⅴ型刀刀齒原來(lái)的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征部分受損，導(dǎo)致減阻性能降低，Ⅴ型刀的減阻性能不如Ⅲ型刀。田間試驗(yàn)作業(yè)10 h后，齒形開(kāi)溝刀、Ⅲ型刀和Ⅴ型刀的磨損質(zhì)量分別為0.426 1、0.305 7和0.074 g，Ⅲ型刀和Ⅴ型刀比齒形開(kāi)溝刀的磨損質(zhì)量分別降低28.26%和82.63%。臺(tái)架磨損試驗(yàn)10 h后，Ⅲ型刀和Ⅴ型刀比齒形開(kāi)溝刀的磨損質(zhì)量分別降低32.77%和84.96%。由此可見(jiàn)，Ⅴ型刀田間試驗(yàn)的耐磨效果和臺(tái)架磨損試驗(yàn)的耐磨效果較接近，Ⅲ型刀田間試驗(yàn)的耐磨效果和臺(tái)架磨損試驗(yàn)的耐磨效果差異較大，這是由于土壤中富含樹(shù)根、磚石塊等雜物，磨損時(shí)間較短等導(dǎo)致。總體來(lái)看，Ⅲ型刀的減阻和耐磨綜合性能較優(yōu)。

表6 田間試驗(yàn)開(kāi)溝功耗

5 結(jié) 論

1）以鼴鼠前爪第3趾為仿生對(duì)象，對(duì)原來(lái)的齒形開(kāi)溝刀進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化。溝深為150、200、250、300和350 mm時(shí)，仿生開(kāi)溝刀比齒形開(kāi)溝刀的開(kāi)溝功耗分別降低9.68%、10.44%、10.22%、10.70%和10.95%，平均降低10.398%。由于仿生開(kāi)溝刀的刀齒具有鼴鼠前爪第3趾的整體三維表面結(jié)構(gòu)特征，因此減阻性能優(yōu)于齒形開(kāi)溝刀。

2）臺(tái)架磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，滲鉻淬火高溫回火（Ⅱ型刀）、滲碳淬火低溫回火（Ⅲ型刀）、激光熔覆WC/Ni60A粉末合金（Ⅳ型刀）和氧乙炔火焰堆焊鑄造WC焊條（Ⅴ型刀）比淬火中溫回火（Ⅰ型刀）處理的仿生開(kāi)溝刀的磨損質(zhì)量分別降低14.17%、42.05%、66.98%和75.96%。5種刀片的硬化層顯微組織，Ⅰ型刀為細(xì)針狀回火馬氏體、極少量殘余奧氏體和少量顆粒狀碳化物，Ⅱ型刀為細(xì)針狀馬氏體、回火馬氏體、極少量殘余奧氏體和顆粒狀碳化物，Ⅲ型刀為細(xì)針狀高碳馬氏體、高碳回火馬氏體、少量殘余奧氏體和顆粒狀碳化物，Ⅳ～Ⅴ型刀為少量奧氏體和樹(shù)枝狀共晶組織。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的平均顯微硬度為558、700、888、1 195和1 441 HV0.1。Ⅰ和Ⅱ型刀磨損類(lèi)型為粘著磨損，平均摩擦系數(shù)為0.67和0.57，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ型刀的磨損類(lèi)型為磨粒磨損，平均摩擦系數(shù)為0.26、0.25和0.22。

3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，Ⅲ和Ⅴ型刀的開(kāi)溝功耗均低于齒形開(kāi)溝刀，分別降低11.45%和5.41%。田間作業(yè)10 h后，Ⅲ和Ⅴ型刀比齒形開(kāi)溝刀的平均磨損質(zhì)量分別降低28.26%和82.63%。

相比原來(lái)的齒形開(kāi)溝刀，仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化和適當(dāng)?shù)谋砻鏌崽幚砟軌蛱岣叩镀臏p阻和耐磨性能。Ⅲ型刀的減阻和耐磨綜合性能較優(yōu)。該研究為提高開(kāi)溝刀減阻和耐磨性能提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的參考意義。

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Mole toe bionics and surface heat treatment improving resistance reduction and abrasion resistance performance of toothed ditching blade

Wang Shaowei, Li Shanjun※, Zhang Yanlin, Wan Qiang, Chen Hong, Meng Liang

(1.,,430070,; 2.(),430070,; 3.,,430070,4,,430070,)

In the process of agricultural ditching machinery operation, the ditching blade contacts directly with soil. The quality and efficiency of ditching operation are closely related to the performance of ditching blade. Among them, resistance reduction and abrasion resistance performance are the most important. Improving the resistance reduction and abrasion resistance ditching blade can reduce trenching power consumption and improve operation quality, which is beneficial to increasing the service life of the blade, improving operation efficiency and saving economic costs. Moles live underground in most time of their life and have amazing soil-ditching skills. The studys show that third toe of mole’s front paw is the most critical tool to ditching soil. In this paper, the third toe of mole's fore paw is taken as an object, and the whole tooth of the toothed ditching blade is replaced by the bionic model of the third toe of mole's fore paw. Firstly, the point cloud data of the third toe of the mole fore paw are obtained by 3D laser scanner. Then, the point cloud data are sparsely processed, spliced and encapsulated, smoothed and denoised by Geomagic studio 2017 software, and the bionic model of the third toe of the mole fore paw is obtained. Then the bionic cutter tooth is used to replace all the teeth of toothed ditching blade. Bionic ditching blades are manufactured using a 3D metal printer. The simulation of ditching process is achieved using EDEM software. Power consumptions of bionic ditching blade are 9.68%, 10.44%, 10.22%, 10.70% and 10.95% less than that of toothed blade separately when ditch depths are 150, 200, 250, 300 and 350 mm. In order to improve the abrasion resistance of bionic ditching blade, five surface heat treatment methods are selected to strengthen the surface of bionic ditching blade: quenching tempering at medium temperature(Blades I), chromizing quenching at high temperature(Blades Ⅱ), carburizing quenching at low temperature(Blades Ⅲ), laser cladding WC/Ni60A powder alloy (WC mass fraction 40%, BladesⅣ) and oxygen-acetylene flame surfacing casting WC electrode (WC mass fraction 60%, Blades V). Abrasion weight of 5 kinds of blades are measured by bench abrasion test. Abrasion weight of Blades II to Blade V are 14.17%, 42.05%, 66.98% and 75.96% less than that of Blade I separately. Hardened layer microstructure of Blades I to Blade III are all martensite, and that of Blades IV and Blasé V are both WC hard phase. Aerage microhardness of Blades I to Blade V are 558, 700, 888, 1 195 and 1 441 HV0.1respectivly. And average microhardness of Blade II to Blade V are 25.41%, 59.11%, 114.08% and 158.17% higher than that of Blade I. Abrasion types of Blade I and Blade II are both adhesive abrasion, and average friction factors are 0.67 and 0.57 respectivly. Abrasion types of Blade III and Blade V are abrasive abrasion, and average friction factors are 0.26, 0.25 and 0.22. Field test is completed to compare differences between resistance reduction and abrasion resistance performance of 3 blades. Power consumption of Blade III and Blade V are 11.45% and 5.41% lower than that of toothed blade. Average abrasion weight of Blade III and Blade V are 28.26% and 82.63% less than that of toothed blade. The results can provide references for improving resistance reduction and abrasion resistance performance of ditching blades.

agricultural machinery; bionics; opener; heat treatment; resistance reduction; abrasion resistance

2019-04-10

2019-05-11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0202001）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（柑橘）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-26）；柑橘全程機(jī)械化科研基地建設(shè)項(xiàng)目（農(nóng)計(jì)發(fā)[2017]19號(hào)）；湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新行動(dòng)項(xiàng)目

王少偉，博士生，主要從事水果生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究. Email：itismyway163@163.com

李善軍，副教授，博士，主要從事水果生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究. Email：shanjunlee@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.002

S229+.1

A

1002-6819(2019)-12-0010-11

王少偉，李善軍，張衍林，萬(wàn) 強(qiáng)，陳 紅，孟 亮.鼴鼠趾仿生及表面熱處理提高齒形開(kāi)溝刀減阻耐磨性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(12)：10－20. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.002 http://www.tcsae.org

Wang Shaowei, Li Shanjun, Zhang Yanlin, Wan Qiang, Chen Hong, Meng Liang. Mole toe bionics and surface heat treatment improving resistance reduction and abrasion resistance performance of toothed ditching blade[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 10－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.002 http://www.tcsae.org