張清珠,李 默,張金波,李 兵,魏玉蘭,徐云杰,佟 金,張智泓

(1.湖州師范學(xué)院 工學(xué)院,浙江 湖州 313000;2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130025;3.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007;4.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引言

鎮(zhèn)壓輥主要用于壓實(shí)播種后的土壤[1],研究表明[2-6]:合理的鎮(zhèn)壓可以提高作物產(chǎn)量。理想的鎮(zhèn)壓輥應(yīng)在保證作物所需土壤容重的前提下,不滑移,粘土量和牽引阻力要低,鎮(zhèn)壓力可調(diào),壓后粒距均勻[1]。但是,傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥多為光滑圓柱表面,在工作時(shí)極易將種床土壤粘連起來,使土壤失墑嚴(yán)重,而且還會(huì)將一部分土壤推到鎮(zhèn)壓輥前方,形成波浪狀凸起,即“拖堆壅土”現(xiàn)象[7-8]。這不僅起不到壓實(shí)土壤的效果,還要額外消耗功去推移隆起的土壤,使得株距分布不均,影響最后田間的植株密度[9]。因此,解決傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)過程中的粘附和壅土問題,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

研究證實(shí),與鋼鐵材料相比,農(nóng)機(jī)觸土部件采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和搪瓷涂層時(shí)可有效地降低土壤對(duì)觸土部件的粘附力和摩擦阻力[10-12]。

佟金等[13]將UHMWPE材料制作的肋條結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鎮(zhèn)壓輥的減粘降阻上,通過正交試驗(yàn)獲得了最佳的肋條結(jié)構(gòu),結(jié)果表明:肋條型仿生鎮(zhèn)壓輥的減粘率最高可達(dá)41.08%,降阻率最高可達(dá)39.4%。賈洪雷等[14]在仿形彈性鎮(zhèn)壓輥表面用UHMWPE材料制成的肋條結(jié)構(gòu)將橡膠凸起固定,試驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)化后的仿形彈性鎮(zhèn)壓輥的粘附和阻力比普通鎮(zhèn)壓輥降低了60.1%和54.3%。杜衛(wèi)剛[15]將UHMWPE制成波紋幾何結(jié)構(gòu)單元粘在開溝器表面,試驗(yàn)表明, UHMWPE仿生開溝器粘土很少。Salokhe等[16-17]將9種涂層運(yùn)用到籠式水田輪輪刺,結(jié)果表明:搪瓷涂層的減粘效果最佳,并考察了搪瓷涂層對(duì)阻力的影響,證明它可明顯降低阻力。左春檉等[18]在圓盤開溝器表面噴涂搪瓷后,其平均牽引阻力比普通圓盤開溝器降低了62.1%。由上述可知,改變鎮(zhèn)壓輥的表面結(jié)構(gòu)同時(shí)結(jié)合疏水材料能改善鎮(zhèn)壓輥由于粘附而產(chǎn)生的工作阻力增大的問題。同時(shí),根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)研究,未發(fā)現(xiàn)有考察鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)過程中的壅土問題。本研究在前人工作的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程仿生的技術(shù)手段,設(shè)計(jì)了新型的鎮(zhèn)壓輥,以減輕粘附和壅土問題。

穿山甲(ManisPentadactyla)生活在潮濕地帶,覓食時(shí)可通過靈敏的嗅覺挖到蟻群聚居處,且挖洞過程中身上鱗片粘土很少。其體表分布的單體覆瓦狀鱗片具有對(duì)稱的六邊形幾何結(jié)構(gòu)[19-20],如圖1所示。為了解決傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附和壅土的問題,在深入研究穿山甲體表鱗片多邊形幾何結(jié)構(gòu)的不粘土特性后,將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設(shè)計(jì)成正多面體結(jié)構(gòu),通過全面試驗(yàn)獲得粒距變化率最低(即防壅土效果最佳)的仿生鎮(zhèn)壓輥。同時(shí),將UHMWPE和搪瓷涂層應(yīng)用到防壅土效果最佳的仿生鎮(zhèn)壓輥上,考察材料對(duì)仿生鎮(zhèn)壓輥減粘降阻效果的影響。

圖1 穿山甲體表鱗片

1 仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的設(shè)計(jì)

基于穿山甲體表鱗片的多邊形幾何結(jié)構(gòu),將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設(shè)計(jì)成正多面體結(jié)構(gòu),分別設(shè)計(jì)了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥,如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)用鎮(zhèn)壓輥

仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的制造材料均選用外徑為325mm、寬為200 mm、厚為8mm的Q235無縫鋼管,3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的截面分別為內(nèi)接于直徑為325mm的圓的正12邊形、正15邊形和正18邊形。

2 土槽試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在吉林大學(xué)室內(nèi)土槽進(jìn)行,土槽的尺寸、土壤性質(zhì)、試驗(yàn)前土壤容重情況詳見文獻(xiàn)[13]。選取土槽兩個(gè)長18m、寬1m的地塊作為試驗(yàn)區(qū),兩地塊的土壤干基含水率分別為20%和28%。土槽臺(tái)車的前進(jìn)速度為0.9 m/s。

以粘附土壤量、牽引阻力、種子粒距變化率、土壤容重為指標(biāo),進(jìn)行全面試驗(yàn),考察了土壤干基含水率分別為20%和28%時(shí)3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥在載荷分別為300、500、700N下的鎮(zhèn)壓效果,并與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行對(duì)比。

粘附土壤量是通過每次試驗(yàn)結(jié)束后,用硬毛刷將粘在輥?zhàn)由系耐凉蜗路Q量測(cè)得[13]。

牽引阻力是依靠自制輪架與臺(tái)車上連接裝置之間的RSS03型拉壓傳感器測(cè)得。

種子粒距變化率Rs用來評(píng)定鎮(zhèn)壓輥的壅土程度,其測(cè)得方法如下:試驗(yàn)前人工擺放種子,粒距為200mm;然后輕輕覆土,防止粒距在覆土過程改變,試驗(yàn)后測(cè)量鎮(zhèn)壓后的粒距。種子粒距變化率計(jì)算公式為

(1)

式中s1—試驗(yàn)前的粒距,s1=200mm;

s2—作業(yè)后的粒距(mm)。

2.2 鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)對(duì)作業(yè)效果的影響

2.2.1 減粘減阻效果

對(duì)比試驗(yàn)證明,3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥沒有起到減輕粘附的效果,甚至阻力略高于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥。這表明,僅將傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的圓柱狀外形設(shè)計(jì)為多面體形狀對(duì)減粘沒有效果。

2.2.2 防壅土效果

土壤干基含水率分別為20%和28%時(shí),試驗(yàn)用鎮(zhèn)壓輥在不同載荷下的種子粒距變化率如圖3所示。由圖3可知:所有鎮(zhèn)壓輥壓后的種子粒距變化率Rs均隨著載荷的增加而增大。

試驗(yàn)表明:土壤干基含水率為20%、載荷為300 N時(shí),正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥分別降低33.19%、28.17%和27.29%;載荷為500 N時(shí),正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥分別降低21.03%、13.99%和9.86%;載荷為700 N時(shí),正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥分別降低31.37%、27.62%和12.38%。

試驗(yàn)表明:土壤干基含水率為28%、載荷為300 N時(shí),正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs分別比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低32.89%、17.97%和11.37%;載荷為500 N時(shí),正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs分別比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低29.77%、13.13%和10.26%;載荷為700 N時(shí),正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs分別比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低27.99%、17.37%和10.25%。

綜上所述,兩種土壤干基含水率條件下,正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的粒距變化率最低、防壅土性能最好。

2.2.3 土壤壓實(shí)效果

土壤干基含水率分別為20%和28%時(shí),試驗(yàn)用鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)后的土壤容重如表1所示。

適宜玉米生長的土壤容重為1.0～1.3g/cm3[13,21]。由表1可知:兩種土壤干基含水率下,所有鎮(zhèn)壓輥對(duì)應(yīng)的土壤容重均隨著載荷的增大而增加,且3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥和傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥一樣,均能使土壤容重達(dá)到適宜玉米生長的狀態(tài)。

圖3 試驗(yàn)用鎮(zhèn)壓輥在3種載荷下的種子粒距變化率

表1 鎮(zhèn)壓后土壤容重

2.3 材料對(duì)仿生鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)效果的影響

通過上述試驗(yàn)結(jié)果可知,防壅土性能最好的鎮(zhèn)壓輥為正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥,但卻起不到減粘減阻的效果。為了解決這個(gè)問題,在優(yōu)化后的正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥固定UHMWPE板或噴涂搪瓷涂層,從而考察材料對(duì)仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥粘附和阻力的影響。試驗(yàn)時(shí),土壤干基含水率為20%,臺(tái)車前進(jìn)速度為0.9m/s,鎮(zhèn)壓輥的載荷為300N。

搪瓷仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥表面的涂層厚度為0.8mm。UHMWPE仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥是通過在表面上打出兩個(gè)螺紋孔并用沉頭螺釘將UHMWPE板固定。傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥及3種材料的仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)用鎮(zhèn)壓輥

2.3.1 粘附土壤量

試驗(yàn)用鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)后的粘附土壤量及粘附狀態(tài)如圖5和圖6所示。

圖5 鎮(zhèn)壓輥的粘附土壤量

由圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn):Q235仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的粘附土壤量與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相差不大。這說明,僅將鎮(zhèn)壓輥的柱面設(shè)計(jì)成正多面體結(jié)構(gòu)只能起到一定防壅土效果,不能起到減輕粘附的效果;另外,結(jié)合使用疏水材料時(shí)的粘附土壤量明顯低于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥并采用UHMWPE時(shí),其粘附土壤量最低,比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低33.22%;表面噴涂搪瓷涂層時(shí),其粘附土壤量比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低25.07%。

傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥和UHMWPE仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)后的地表狀況如圖7所示。

圖7 作業(yè)后的地表狀況

由圖7 (a)的矩形框區(qū)域可以發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥將地表土壤粘附起來,不利于土壤保持溫度和水分,影響種子的發(fā)芽。

2.3.2 牽引阻力

傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥和3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的牽引阻力如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn):仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥表面噴涂搪瓷涂層時(shí)阻力最低,相較于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低了17.87%,采用UHMWPE時(shí)阻力降低了4.37%;而采用Q235鋼時(shí),阻力比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥高出10.87%。綜上分析,鎮(zhèn)壓輥采用仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)同時(shí)結(jié)合使用疏水材料(UHMWPE或搪瓷涂層),可以在保證適當(dāng)?shù)膲簩?shí)效果、防壅土效果好的前提下減輕粘附和阻力。

圖8 鎮(zhèn)壓輥的牽引阻力

3 結(jié)論

1)針對(duì)傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附土壤、阻力大和壅土問題,將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設(shè)計(jì)成正多面體結(jié)構(gòu),分別設(shè)計(jì)了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥,制造材料選用Q235鋼。

2)土槽試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明:兩種土壤干基含水率下,所有鎮(zhèn)壓輥壓后的土壤容重均能達(dá)到適宜玉米生長的狀態(tài),且3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的防壅土效果均比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥好。其中,正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的防壅土效果最好,種子粒距變化率最低,比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低了33.19%,但卻沒起到減粘降阻的效果。

3)將UHMWPE和搪瓷涂層這兩種疏水材料分別用于優(yōu)化得到的正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥,試驗(yàn)結(jié)果表明:采用疏水材料的這兩種仿生鎮(zhèn)壓輥的均能實(shí)現(xiàn)減粘降阻,鎮(zhèn)壓輥表面采用UHMWPE時(shí)粘附土壤量最少,與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了33.22%;鎮(zhèn)壓輥表面噴涂搪瓷涂層時(shí)阻力最低,與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了17.87%。