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        滅茬仿生刀片研究

        2020-10-28 08:47:06文立閣李建橋龐浩

        文立閣 李建橋 龐浩

        摘 ?要:現(xiàn)代仿生學(xué)研究表明,許多生物經(jīng)過長期與自然界進(jìn)行物質(zhì)、能量及信息交換,造就了適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)良系統(tǒng)。典型土壤動(dòng)物螻蛄生存在土壤及作物根茬環(huán)境中,其爪趾經(jīng)過億萬年的進(jìn)化,逐步形成了優(yōu)良的幾何形狀和生物力學(xué)功能,不但可有效挖掘切削,且具有優(yōu)良的減粘脫土降阻功能。本文對(duì)螻蛄開掘爪趾的排列幾何形態(tài)和爪趾輪廓曲線分析,設(shè)計(jì)了5種仿生滅茬刀,為高性能旋耕滅茬刀具的幾何形狀及力學(xué)性能的優(yōu)化提供了仿生研究的基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:仿生;螻蛄;滅茬刀;減阻

        1開挖掘爪宏觀形態(tài)分析

        1.1 螻蛄開掘爪趾形體分析

        螻蛄具有前、中、后三對(duì)爪,但具有挖掘功能的僅為前爪,其它爪趾則起到在挖掘過程中的支撐或挖掘后推擁土的作用。其前爪被稱為開掘爪,其特點(diǎn)是各節(jié)粗短強(qiáng)壯,脛節(jié)扁平,端部有4個(gè)發(fā)達(dá)的爪趾,呈齒狀,鋸齒形排列。跗節(jié)有3節(jié),極小,著生在脛節(jié)外側(cè)。

        1.2 螻蛄開掘爪趾角度分析

        通過圖像分析測(cè)量了螻蛄爪趾之間的角度,發(fā)現(xiàn)爪趾1和爪趾2之間的角度為 ,爪趾2和爪趾3之間的角度為 ,爪趾3和爪趾4之間的角度為 。若把爪趾視為鋸齒,爪趾之間夾角即為鋸齒齒尖角,齒尖角在 - 之間符合常用三角鋸齒參數(shù)[1]。通過測(cè)量得到爪趾1的錐角度為 ,爪趾2的錐角度為 ,爪趾3的錐角度為 ,爪趾4的錐角度為 ,研究表明[2],當(dāng)楔入速度很低時(shí),當(dāng)楔角大于 時(shí),楔前就會(huì)出現(xiàn)被壓實(shí)的土核,而被壓實(shí)的土壤易于聚集楔端部而粘附于楔面上,并作為楔的粘結(jié)部分隨其運(yùn)動(dòng),增大阻力。螻蛄的挖掘爪趾較銳利,這與耕作部件楔角隨阻力變化最小角度在 - 相符合,有利于開掘土壤。

        2螻蛄開掘爪趾輪廓分析

        螻蛄單個(gè)開掘爪趾頂端圓鈍且兩側(cè)成凸曲線型,可以減少應(yīng)力集中,增強(qiáng)生物材料與環(huán)境條件相適應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度,提高對(duì)土壤磨損的耐磨性[4]。為考察爪趾頂端圓鈍及其兩側(cè)曲線的確切狀況,研究了經(jīng)掃描電鏡放大50倍的螻蛄開掘爪的最大趾輪廓曲線,如圖1a所示。

        對(duì)圖1b中的數(shù)據(jù)分析表明,該曲線接近于二次拋物線,圖中也給出了二次拋物線相應(yīng)的趨勢(shì)線圖線,表達(dá)式為式(2),二次多項(xiàng)式的擬合度為R2=0.944,雖沒有四次多項(xiàng)式精確,但也可用來近似表達(dá)原曲線。因此,四次多項(xiàng)式能對(duì)螻蛄爪趾頂端圓鈍的俯視輪廓線給出較為精確的描述,在精度要求不高時(shí),二次拋物線也可以用來近似表達(dá)螻蛄爪趾輪廓形態(tài)。

        3仿生滅茬刀的設(shè)計(jì)

        3.1仿生設(shè)計(jì)分析

        對(duì)螻蛄開掘爪爪趾輪廓進(jìn)行了曲線擬合,得出了其開掘爪的體征信息。對(duì)爪趾在爪上分布的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何分析,得到了鋸齒形的仿生學(xué)幾何特征參數(shù)。

        常用的L型滅茬刀主要切割部位-正切刀刃與秸稈作用時(shí)存在著滑切,因此對(duì)其正切刃進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì),引入了螻蛄開掘爪趾在爪上的分布及爪趾形態(tài)。設(shè)計(jì)的仿生滅茬刀如圖2所示。

        3.2仿生滅茬刀鋸齒設(shè)計(jì)

        三角鋸齒各參數(shù)概念[1]如圖2a所示, 為齒距、 為齒高、 為齒尖角、 為齒喉角、 為齒背角,其中:齒尖角( )+齒背角( )+齒喉角( )=90°,齒距( )4-8mm,齒高( )與齒距( )的比為0.6-0.8之間。

        本文設(shè)計(jì)并加工出了5種仿生滅茬刀,加上原型滅茬刀,共6把滅茬刀,如圖2b所示。由上往下仿生滅茬刀的齒喉角 依次為0°、-15°、-22.5°、-35°、-50°。

        結(jié)論

        1)對(duì)土壤動(dòng)物螻蛄的開掘爪趾進(jìn)行了攝像分析,并且進(jìn)行了開掘爪趾的輪廓曲線擬合,得到4次曲線方程。

        2)通過對(duì)爪趾的形態(tài)和爪趾在爪上分布幾何特征分析,并借鑒了常用三角齒鋸齒尺寸,共研制5種仿生滅茬刀,為以后試驗(yàn)提供了仿生滅茬刀片。

        參考文獻(xiàn)

        [1] ?周之江.木工修鋸技術(shù)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1981.

        [2] ?Gill,W.R. Vanden Berg,G.E. Soil dynamics in tillage and traction[M]. Agricuture Handbook No.316. United States Department of Agiculture,1967.

        [3] ?郭志軍.高性能仿生深松部件研究及切削部件與土壤相互作用的有限元分析[D].長春:吉林大學(xué),2002

        [4] ?蔣金琳.玉米免耕播種機(jī)切茬挖茬裝置研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.

        作者簡介:文立閣,1967.05,男,漢,吉林省長春市,副教授,工學(xué)博士,研究方向:地面機(jī)械及機(jī)械CAD方向。

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