李曉鵬，廖 敏，2，胡 奔，潘群林，陶金京

(1.西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610039；2.流體與動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的實(shí)施，馬鈴薯生產(chǎn)發(fā)展前景看好，種植面積穩(wěn)中有增。馬鈴薯人工收獲作業(yè)勞動(dòng)量大，耗時(shí)費(fèi)工，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲是必然趨勢(shì)。挖掘是馬鈴薯收獲中最重要的環(huán)節(jié)，在含有馬鈴薯塊莖、殘根和石塊的土壤中工作，阻力很大，這就要求挖掘鏟具有較高的性能[1]。對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟觸土部件進(jìn)行仿生改形設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高其減阻性能，是一種新的研究途徑。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)挖掘鏟片的仿生設(shè)計(jì)和減阻性能已有一些相關(guān)的研究：鄒翔翔等[2]分析得出傾角在25°～30°之間、鏟齒為空心的仿生挖掘鏟具有較好的質(zhì)量、力學(xué)特性和壽命；石林榕等[3]設(shè)計(jì)的仿生挖掘鏟片，利用LS-DYNA軟件仿真得出仿生鏟片較普通鏟片阻力減小近61%；胡宗政等[4]設(shè)計(jì)的仿生挖掘鏟模型利用LS-DYNA對(duì)鏟片挖削土壤過(guò)程仿真，發(fā)現(xiàn)仿生挖掘鏟片對(duì)土壤應(yīng)力較集中且鏟尖處應(yīng)力最大；王玉晶等[5]運(yùn)用離散元軟件對(duì)新型仿生挖掘鏟工作過(guò)程中所受的阻力及土壤破碎率進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，與普通挖掘鏟相比較，仿生挖掘鏟在X方向上的平均減阻率為10.41%，在Y方向上的平均減阻率為16.28%，土壤破碎率提高了2.67%。仿生挖掘鏟的設(shè)計(jì)將仿生觸土曲面與具有較好碎土性能的二階平面鏟設(shè)計(jì)原理相結(jié)合，對(duì)所得仿生信息進(jìn)行處理，得到復(fù)合函數(shù)組成的仿生曲線，利用離散元軟件EDEM進(jìn)行挖掘過(guò)程仿真，對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)合函數(shù)仿生挖掘鏟的挖掘過(guò)程進(jìn)行仿真，與普通挖掘鏟進(jìn)行對(duì)比，研究其減阻和碎土性能。

1 馬鈴薯仿生挖掘鏟片的設(shè)計(jì)

1.1 螻蛄前爪第一趾仿生信息的獲取

如圖1(a)所示：螻蛄，又名土狗子，觸角短于體長(zhǎng)，前足開(kāi)掘式。我國(guó)已知有4種，即華北螻蛄、東方螻蛄、歐洲螻蛄和臺(tái)灣螻蛄。其中，東方螻蛄遍及全國(guó)，一般在長(zhǎng)江以南東方螻蛄較多，其主要生活于地下15～20cm土層。東方螻蛄前足爪趾正向上形狀似鏟，其構(gòu)形適于土中挖掘，側(cè)向上形成具有一定弧度的曲面[6]。與其它具有挖掘能力的生物不同，螻蛄主要依靠挖掘足在土壤中前進(jìn)，中足和后足在挖掘時(shí)起到支撐身體的作用，螻蛄前足的挖掘過(guò)程包括“切削土壤”和“擴(kuò)張土壤”兩個(gè)動(dòng)作，其挖掘速度極快，每分鐘可掘進(jìn)相當(dāng)于其體長(zhǎng)5～7倍的距離[7]。本文主要研究其“切削土壤”這個(gè)動(dòng)作，將其運(yùn)用到馬鈴薯仿生掘鏟的設(shè)計(jì)當(dāng)中。螻蛄前爪(即挖掘足)共有4趾，第1趾最大，第4趾最小。本文僅選取螻蛄前爪第1趾作為仿生反求對(duì)象，進(jìn)而獲取輪廓曲線。

本實(shí)驗(yàn)選取螻蛄前爪趾，去除與其減阻效果無(wú)關(guān)的跗爪大趾及羽狀刺結(jié)構(gòu)，只保留挖掘足特化的脛節(jié)部分(即主要觸土部分)，將螻蛄前足脛節(jié)爪趾第1趾置于精密三維顯示系統(tǒng)(顯微鏡)下進(jìn)行拍照，如圖1(b)所示。獲取垂直于切削土壤的法向截面的圖像(即側(cè)面輪廓圖像)，如圖1(c)所示。

圖1 仿生圖像信息采集Fig.1 Bionic image information acquisition

1.2 螻蛄爪趾側(cè)面輪廓線擬合

1.2.1 螻蛄爪趾側(cè)面輪廓線樣條點(diǎn)獲取

數(shù)字圖像處理中，輪廓提取的算法較為成熟。首先，對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理和二值化處理，便于提取圖像信息和凸顯目標(biāo)的輪廓；接下來(lái)，對(duì)二值圖像的空洞區(qū)域進(jìn)行填充，采用腐蝕運(yùn)算來(lái)消除小的噪聲點(diǎn)，刪除小區(qū)域，采用膨脹運(yùn)算將圖像中的縫隙橋接起來(lái)。處理過(guò)程中多次用到腐蝕和膨脹運(yùn)算，斷開(kāi)了狹窄的連接，消除了細(xì)毛刺，平滑了輪廓，能夠較為準(zhǔn)確地提取出螻蛄前爪趾第1趾的輪廓線條。圖像處理流程圖如圖2所示。

圖2 圖像處理流程圖Fig.2 Flowchart of image processing

處理后輪廓圖像如圖3(a)所示。將處理后所得輪廓線條的圖像以PNG圖片格式導(dǎo)入到MatLab中，運(yùn)用MatLab對(duì)內(nèi)、外輪廓曲線的像素點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)提取，提取的坐標(biāo)以數(shù)據(jù)點(diǎn)的格式導(dǎo)出。

1.2.2 螻蛄爪趾輪廓曲線的擬合

將兩組輪廓圖像的點(diǎn)數(shù)據(jù)(即提取所得像素點(diǎn)坐標(biāo))繪制在坐標(biāo)系中，如圖3(b)所示。

圖3 輪廓圖像處理Fig.3 Contour image processing

在MatLab中進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，分別得到螻蛄爪趾的內(nèi)、外側(cè)輪廓曲線擬合后的函數(shù)表達(dá)式。內(nèi)側(cè)：y=ax6+bx5+cx4+dx3+ex2+fx+g，a=1.70732E-14 ，b=-4.71343E-12，c=-9.03933E-8，d=6.37403E-5，e=-1.7809015E-2，f=3.000146739，g=7.933154961，擬合度R2=0.9995；外側(cè)：Y=AX6+BX5+CX4+DX3+EX2+FX+G，A=5.90732E-13 ，B=-8.29426E-10，C=4.4825E-7，D=-1.1418E-4，E=1.2007052E-2，F(xiàn)=0.615150932，G=16.57794569，擬合度R2=0.9997。

1.3 馬鈴薯挖掘鏟片仿生設(shè)計(jì)

為了對(duì)比普通挖掘鏟片和仿生挖掘鏟片在挖掘土壤過(guò)程中所受阻力差異，應(yīng)用CREO 2.0軟件對(duì)兩種挖掘鏟鏟片進(jìn)行建模。仿生挖掘鏟片上下鏟面均為仿生曲面，鏟尖兩端仿螻蛄趾尖端部進(jìn)行倒角，如圖4(a)所示。普通挖掘鏟上下鏟面均為平面，如圖4(b)所示。為了保證鏟片和馬鈴薯收獲機(jī)挖掘裝置連接后在工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，鏟片末端均設(shè)有兩個(gè)鉚釘沉頭孔。

圖4 兩種挖掘鏟片三維模型Fig.4 Two kinds of 3D model of digging shovel

2 仿生挖掘鏟片減阻特性研究

為了對(duì)比分析仿生挖掘鏟片與普通挖掘鏟片在土壤介質(zhì)中的切削阻力，應(yīng)用離散元軟件EDEM對(duì)兩種挖掘鏟鏟片模型進(jìn)行土壤切削阻力數(shù)值模擬，獲取相關(guān)的力學(xué)分析數(shù)據(jù)，揭示挖掘鏟片在土壤中運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中兩者的相互作用關(guān)系。

2.1 土壤顆粒力學(xué)模型建立

本文主要針對(duì)西南地區(qū)含水率在15%～20%之間的粘濕土壤進(jìn)行仿真，真實(shí)的土壤所表現(xiàn)出來(lái)的復(fù)雜的非線性力學(xué)行為可以通過(guò)線性剛度模型、滑移模型和粘結(jié)約束模型根據(jù)含水率大小進(jìn)行有機(jī)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面主要對(duì)濕顆粒的液橋態(tài)和其所相對(duì)應(yīng)的粘結(jié)約束模型進(jìn)行介紹，不再對(duì)其它兩種模型進(jìn)行贅述。

根據(jù)不同地區(qū)土壤含水率不同，可以將土壤顆粒模型分為干顆粒模型和濕顆粒模型。其中，濕顆粒模型又分為液橋模型和浸漬模型兩種形態(tài)。

水分是土壤的重要組成部分，土壤中的液態(tài)水根據(jù)飽和程度不同，通常以吸濕水和毛管水的狀態(tài)存在。其中，毛管水在土壤顆?？障吨g以擺動(dòng)狀態(tài)存在，在擺動(dòng)狀態(tài)下，土壤顆粒之間的水分呈不連續(xù)的液橋分布[8]。

R.A.Fisher認(rèn)為，顆粒之間的液橋可以近似地看作是由兩個(gè)相互垂直的弧面組成，兩顆粒之間的液橋模型如圖5(a)所示。粘濕土壤顆粒空隙之間不連續(xù)的液橋會(huì)產(chǎn)生“靜態(tài)”毛細(xì)管力和“動(dòng)態(tài)”粘附力。其中，ρ1、ρ2分別為凹面和凸面的半徑，R1、R2為兩顆粒半徑；S1、S2為兩顆粒到液橋頸部的距離；θ為顆粒的水接觸角；Φ1、Φ2為兩顆粒的嵌入角[9]。

顆粒模型之間的黏結(jié)約束是顆粒流理論中描述兩顆粒之間一定尺度黏結(jié)物質(zhì)的本構(gòu)特性。線性剛度模型和滑移模型中并沒(méi)有用來(lái)表征黏結(jié)特性的粘結(jié)模型，所以不能夠作為仿真力學(xué)模型的選取對(duì)象；而粘結(jié)約束模型利用了并行約束原理在兩個(gè)顆粒之間建立并行約束，組成非線性力學(xué)模型，如圖5(b)所示。

在此模型中，土壤顆粒的性能方程表示為：[F]=[Fc]+[Fs]+[Fpb]+[Fd]。其中，F(xiàn)為土壤顆粒的綜合作用力；Fc為土壤顆粒的接觸合力；Fs為土壤顆粒摩擦力；Fpb為并行約束合力；Fd為粘性阻尼合力。

由于仿真對(duì)象的土壤顆粒的含水率在15%～20%之間，上述粘結(jié)約束模型雖不能完全準(zhǔn)確地描述真實(shí)的粘濕土壤顆粒之間由于水分的存在而產(chǎn)生的黏結(jié)作用，但已經(jīng)是最接近的了，為接下來(lái)在EDEM參數(shù)設(shè)定中選擇顆粒之間的接觸模型提供依據(jù)。軟件中，仿真土壤顆粒之間的接觸模型采用Hertz-Mindlin with bonding模型。因?yàn)樵撃Ｐ陀姓辰Y(jié)參數(shù)的設(shè)置，且與上述理論中的粘結(jié)約束模型形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，法向剛度對(duì)應(yīng)接觸法向彈簧，剪切剛度對(duì)應(yīng)接觸切向彈簧，臨界剪切應(yīng)力對(duì)應(yīng)非張力聯(lián)結(jié)，臨界應(yīng)力對(duì)應(yīng)并行約束彈簧，通過(guò)粘接半徑的設(shè)置來(lái)體現(xiàn)含水率對(duì)粘結(jié)約束的影響，這樣更接近實(shí)際。

圖5 液橋型的濕顆粒的力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of wet particles in liquid bridge type

2.2 仿生挖掘鏟片離散元模型建立

本文應(yīng)用CREO2.0進(jìn)行挖掘鏟仿真模型的三維建模，并對(duì)盛放土壤的土槽進(jìn)行建模，然后將模型以IGES的格式導(dǎo)入 EDEM軟件。

通過(guò)土壤的基本物理性能試驗(yàn)和模擬土壤的雙軸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)獲得如表1所示的仿真參數(shù)。其中，挖掘鏟的材料選擇采用65Mn[10]。

表1 EDEM仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 EDEM simulation parameter setting

EDEM前處理器模塊依次進(jìn)行接觸力學(xué)模型、仿真參數(shù)、土壤顆粒模型、幾何模型和顆粒工廠等的設(shè)置。仿真試驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn)，所有參數(shù)設(shè)置不變，只改變兩次仿真的對(duì)象(即挖掘鏟片)。在EDEM求解器模塊對(duì)仿真時(shí)步、仿真時(shí)間、數(shù)據(jù)保存間隔時(shí)間及網(wǎng)格大小等進(jìn)行設(shè)置。仿真開(kāi)始時(shí)生成土壤顆粒，待顆粒沉降穩(wěn)定后挖掘鏟開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，直至仿真結(jié)束。在EDEM后處理工具模塊進(jìn)行仿真結(jié)果的分析和導(dǎo)出。

仿真中，采用長(zhǎng)為1m、寬為0.2m、高為0.2m、厚度為5mm的土槽，土壤顆粒之間的接觸模型采用Hertz-Mindlin with bonding模型，顆粒生成方式為static，這樣能夠盡量減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)算。挖掘鏟的動(dòng)力學(xué)參數(shù)為：開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)間0.5s，結(jié)束時(shí)間2.5s，挖掘前進(jìn)速度0.8m/s。為了讓仿真的土壤更接近真實(shí)，讓其先沉降0.5s，設(shè)置0.5s后土壤顆粒開(kāi)始粘結(jié)。粘結(jié)參數(shù)為：法向接觸剛度為1e+08，切向接觸剛度為5e+07，臨界法向切應(yīng)力為30 000Pa，臨界切向應(yīng)力為15 000Pa；顆粒半徑為4mm，設(shè)置粘結(jié)半徑為5.2mm；仿真時(shí)間設(shè)置為2.5s，數(shù)據(jù)保存間隔為0.01s，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒半徑的2倍。

2.3 土壤分布狀態(tài)

圖6所示為兩種挖掘鏟初始仿真狀態(tài)圖。挖掘鏟的入土角度均為30°，沿-X方向進(jìn)行挖削，挖掘深度為90mm。為了分析不同挖掘鏟在挖掘土壤過(guò)程中對(duì)土壤的擾動(dòng)和所受阻力差異，將土壤設(shè)置為表層、淺層、中層、挖掘鏟上層及挖掘鏟下層共5層結(jié)構(gòu)，依次深度為20、10、20、100、30mm，并在不同深度土層設(shè)置特定顏色的土壤顆粒，用于觀察挖掘鏟對(duì)土壤的擾動(dòng)和土壤在挖掘鏟上鏟面的流變情況。

圖6 兩種挖掘鏟仿真初始狀態(tài)圖Fig.6 Simulated initial state diagram of digging shovel

3 結(jié)果與分析

3.1 挖掘土壤擾動(dòng)情況分析

從整個(gè)仿真過(guò)程中選取4個(gè)仿真時(shí)刻來(lái)觀察鏟面土壤動(dòng)態(tài)擾動(dòng)行為，即t1=0.57s、t2=0.63s、t3=0.72s和t4=0.78s。仿真過(guò)程中，為了清晰、直觀地觀察不同深度層土壤的擾動(dòng)和流動(dòng)，特將土壤進(jìn)行顏色分層處理：表層、中層和挖掘鏟下層作為參考層，顏色設(shè)置為淺色；淺層和挖掘鏟上層為標(biāo)記層，顏色設(shè)置為深色。

仿生挖掘鏟切削土壤的過(guò)程大致可分為4個(gè)階段，即切入階段、切開(kāi)階段、上升階段和持續(xù)性挖掘階段，如圖7所示。在0.57s時(shí)，挖掘過(guò)程處于切入階段，由于沉降了0.5s，此時(shí)土壤層已變得不規(guī)則，鏟尖剛切入挖掘鏟下層，由于仿生挖掘鏟鏟尖為仿生曲面，鏟尖處切削土壤切口較小、過(guò)渡大，位于淺層和挖掘鏟上層的標(biāo)記層基本無(wú)擾動(dòng)；在0.63s時(shí)，挖掘過(guò)程處于切開(kāi)階段，此時(shí)鏟片大部分已切入土壤，被切開(kāi)的土壤堆積在仿生挖掘鏟的鏟面上，鏟面上方的標(biāo)記層和參考層交錯(cuò)在一起，擾動(dòng)情況較明顯；在0.72s時(shí)，挖掘過(guò)程處于上升階段，隨著挖掘的進(jìn)行，堆積在鏟面的土壤在后續(xù)進(jìn)入鏟面的土壤的推力下沿著仿生挖掘鏟面向后上方運(yùn)動(dòng)，土壤標(biāo)記層和參考層交錯(cuò)在一起，鏟面土壤擾動(dòng)情況明顯；在0.78s時(shí)，挖掘鏟處于持續(xù)性挖掘階段，土壤切口較大，被切開(kāi)的土壤沿著鏟面持續(xù)上升直至從鏟面后端掉落，鏟尖處標(biāo)記層和參考層無(wú)明顯交錯(cuò)，擾動(dòng)小，鏟面土壤擾動(dòng)已趨于穩(wěn)定。

圖7 仿生鏟面土壤動(dòng)態(tài)擾動(dòng)行為模擬Fig.7 Simulation of soil dynamic disturbance in bionic shovel surface

從仿生挖掘鏟挖掘土壤的整個(gè)仿真過(guò)程分析可知：由于仿生挖掘鏟鏟尖為曲面，挖削土壤切口小，過(guò)渡大，鏟尖所受應(yīng)力較分散，對(duì)土壤基本無(wú)擾動(dòng)，推測(cè)出鏟尖碎土能力一般。土壤沿鏟面上升的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)路徑類似于一個(gè)被“折彎”的過(guò)程，土壤擾動(dòng)情況明顯，推測(cè)出仿生鏟面碎土能力良好。

同理，普通挖掘鏟挖掘土壤的過(guò)程也大致分為4個(gè)階段，即切入階段、切開(kāi)階段、上升階段、持續(xù)性挖掘階段，如圖8所示。在0.57s時(shí)，挖掘過(guò)程處于切入階段，由于沉降了0.5s，此時(shí)土壤層已變得不規(guī)則，此時(shí)鏟尖剛切入挖掘鏟下層，鏟尖處切削土壤切口較大、過(guò)渡小，位于淺層和挖掘鏟上層的標(biāo)記層擾動(dòng)明顯；在0.63s時(shí)，挖掘過(guò)程處于切開(kāi)階段，此時(shí)鏟片大部分已切入土壤，被切開(kāi)的土壤堆積在普通挖掘鏟的鏟面上，擾動(dòng)情況明顯；在0.72s時(shí)，挖掘過(guò)程處于上升階段，隨著挖掘的進(jìn)行，堆積在鏟面的土壤在后續(xù)進(jìn)入鏟面土壤的推力下沿著普通挖掘鏟面向后上方運(yùn)動(dòng)，由于普通挖掘鏟鏟面為平面，整個(gè)運(yùn)動(dòng)基本為平移運(yùn)動(dòng)，擾動(dòng)情況明顯；在0.78s時(shí)，挖掘鏟處于持續(xù)性挖掘階段，土壤切口較大，被切開(kāi)的土壤沿著鏟面持續(xù)上升，擾動(dòng)情況明顯。

圖8 普通鏟面土壤動(dòng)態(tài)擾動(dòng)行為模擬Fig.8 Simulation of soil dynamic disturbance in ordinary shovel surface

從普通挖掘鏟挖掘土壤的整個(gè)仿真過(guò)程分析可知：由于普通挖掘鏟鏟尖和鏟面均為平面，挖削土壤切口較大、過(guò)渡小，鏟尖所受應(yīng)力較集中，對(duì)土壤擾動(dòng)明顯，推測(cè)出鏟尖碎土能力良好；土壤沿鏟面上升的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)路徑為平移運(yùn)動(dòng)，且后續(xù)的3個(gè)階段土壤擾動(dòng)情況相對(duì)于第1階段均無(wú)較大變化，推測(cè)出普通鏟面不具備碎土能力。

3.2 挖掘鏟挖掘阻力分析

運(yùn)用離散元法對(duì)兩種挖掘鏟片在相同的條件參數(shù)設(shè)置下挖掘土壤的過(guò)程進(jìn)行仿真，得到兩種挖掘鏟片所受挖掘阻力隨時(shí)間變化的曲線，如圖9所示。

由仿生挖掘鏟片所受挖掘阻力曲線可以看出：由于事先設(shè)置的土壤沉降時(shí)間為0.5s，鏟片在剛開(kāi)始的0.5s內(nèi)阻力為零，然后鏟片開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。切入階段過(guò)程中，鏟尖切開(kāi)土壤，阻力逐漸增大；切開(kāi)階段過(guò)程中，土壤堆積在仿生挖掘鏟的鏟面上，阻力繼續(xù)增大；在上升階段過(guò)程中，土壤擾動(dòng)情況明顯，“折彎”過(guò)程使得挖掘鏟所受阻力出現(xiàn)了小范圍的波動(dòng)，在持續(xù)性挖掘階段過(guò)程中，土壤不斷地沿鏟尖進(jìn)入鏟面，從鏟面掉落，但進(jìn)入的土壤是連續(xù)性的，而掉落的土壤卻呈現(xiàn)出不規(guī)律的短時(shí)周期性，所以這個(gè)過(guò)程中挖掘鏟所受阻力曲線為大致穩(wěn)定的波動(dòng)折線。

由普通挖掘鏟片所受挖掘阻力曲線可以看出：由于土壤沉降時(shí)間為0.5s，鏟片在剛開(kāi)始的0.5s內(nèi)阻力為零，然后鏟片開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。切入階段過(guò)程中，鏟尖切開(kāi)土壤，阻力逐漸增大；切開(kāi)階段過(guò)程中，土壤堆積在普通挖掘鏟的鏟面上，阻力繼續(xù)增大；在上升階段過(guò)程中，挖掘阻力達(dá)到最大；在持續(xù)性挖掘階段過(guò)程中，土壤不斷的沿鏟尖進(jìn)入鏟面，然后從鏟面掉落，但進(jìn)入的土壤是連續(xù)性的，而掉落的土壤卻呈現(xiàn)出不規(guī)律的短時(shí)周期性，所以這個(gè)過(guò)程中挖掘鏟所受阻力曲線為大致穩(wěn)定的波動(dòng)折線。

圖9 兩種挖掘鏟片受力曲線Fig.9 Resistance curve of two kinds of digging shovel

從仿生挖掘鏟片和普通挖掘鏟片挖削土壤時(shí)的阻力曲線對(duì)比可以看出：在切入階段和切開(kāi)階段，仿生挖掘鏟鏟尖為曲面，挖削土壤切口小，過(guò)渡大，應(yīng)力較分散，而普通挖掘鏟反之，所以仿生挖掘鏟所受阻力曲線的斜率略小于普通挖掘鏟；在上升階段，仿生挖掘鏟鏟面具有“折彎”土壤的過(guò)程，而土壤在普通挖掘鏟面上升中做平移運(yùn)動(dòng)，所以仿生挖掘鏟所受阻力出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，而此時(shí)普通挖掘鏟所受阻力達(dá)到最大值；在持續(xù)性挖掘階段，兩種挖掘鏟所受阻力均呈周期性波動(dòng)。

將0.5s直至仿真結(jié)束時(shí)間段內(nèi)阻力點(diǎn)值求平均值，得到仿生挖掘鏟片的平均阻力為118.212N，普通挖掘鏟片的平均阻力為159.508N，仿生鏟片較普通鏟片挖削土壤時(shí)的阻力減小近26%。

4 結(jié)論

1)運(yùn)用離散元分析軟件EDEM對(duì)兩種挖掘鏟挖掘土壤過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：在仿生挖掘鏟片與普通挖掘鏟片挖削土壤過(guò)程中，仿生挖掘鏟片在鏟尖處所受阻力較分散，且鏟面具有碎土能力；普通挖掘鏟片在鏟尖處所受阻力較集中，且鏟面不具有碎土能力。因此，仿生挖掘鏟片更具優(yōu)良的挖掘性能。

2)仿真阻力曲線對(duì)比結(jié)果表明：仿生挖掘鏟片較普通挖掘鏟片所受土壤阻力減小近26%。