胡 偉， 劉大欣， 付明剛， 周德義， 吳寶廣， 于春生

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引言

深松作業(yè)可以打破犁底層，避免風(fēng)蝕、水蝕，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水保墑能力，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)作物生長[1-2]。然而深松作業(yè)時機(jī)具阻力較大，一般的拖拉機(jī)無法滿足深松動力要求，這在很大程度上限制了深松技術(shù)的推廣及應(yīng)用[3]。而深松阻力主要取決于深松鏟上的阻力，因此，減小深松鏟上的作業(yè)阻力，有助于加快深松作業(yè)及保護(hù)性耕作模式的推廣[4-5]。

近年來，仿生學(xué)的快速發(fā)展為農(nóng)機(jī)減阻技術(shù)提供了新思路，在生產(chǎn)實際中有廣泛的應(yīng)用[6]。孫久榮等[7]根據(jù)蜣螂體表電位設(shè)計出了仿生電滲鏟斗，與普通鏟斗對比，可降低15%～41%的推土阻力。張金波[8]通過研究土壤動物高效的挖掘本領(lǐng)，發(fā)明了仿生減阻擴(kuò)孔器及仿生鼠道犁減阻耐磨防黏犁鏟。汲文峰[9]參照鼴鼠爪趾設(shè)計出仿生旋耕-碎茬刀片，不僅能一次性完成旋耕及碎茬兩項作業(yè)，同時減少了拖拉機(jī)對土壤的碾壓。

本研究通過對竹鼠爪趾及蟻獅外輪廓形貌進(jìn)行三維掃描，獲取其截面曲線，并進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用于仿生減阻深松鏟設(shè)計。采用EDEM 離散元對仿生深松鏟進(jìn)行仿真分析，對比3 種仿生深松鏟及原型深松鏟的作業(yè)阻力，這將對深松鏟設(shè)計提供新的仿生思路。

1 仿生原型結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取方法及仿真參數(shù)

1.1 仿生原型

選取擅長挖掘的竹鼠及蟻獅幼蟲為仿生原型。竹鼠（Rhizomyidae）是竹鼠科、竹鼠屬的一種動物，以竹子及植物根莖等為食，前足較為細(xì)小，爪較短，但強(qiáng)壯適合挖掘[10]。竹鼠挖土過程中，首先用爪尖切下濕潤的土壤，使其與大塊的土體分離，而后用整個爪趾和腳掌撥開劃到身后。在竹鼠挖掘過程中，前爪的切土效率較高，同時其爪尖也起到了不可或缺的作用。蟻獅（Myrmeleon sagax）別名沙牛，屬于脈翅目，蟻蛉科，通體呈現(xiàn)出紡錘式的流線型，幼蟲生活于干燥的地表下，在沙土中制造漏斗陷阱以誘捕獵物[11]。它善于在沙土中打洞，利用后臀部振動，采用倒退的方式在土中挖掘，其流線型的身體形態(tài)會以較小的阻力在土中穿梭。竹鼠挖掘特性主要體現(xiàn)在爪趾上，以其右前爪為仿生原型；蟻獅幼蟲在挖掘時全身浸入土中，因而取其整個身體作為仿生原型。選用的竹鼠為健康成年雄性，其體長為32.5 cm，蟻獅幼蟲體長為8.9 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)獲取方法

仿生原型結(jié)構(gòu)的獲取主要分為3 個步驟，分別為仿生原型的三維掃描、三維曲面處理及仿生曲線提取。

（1）利用三維掃描儀對仿生原型掃描。將仿生原型放置于旋轉(zhuǎn)裝置上，調(diào)節(jié)掃描儀使待測物顯示在視野中心；調(diào)整好焦距對待測物掃描；將掃描后的圖導(dǎo)入軟件界面中，判斷掃描結(jié)果的滿意度。旋轉(zhuǎn)載物臺，使后圖與前圖有3 個共同的標(biāo)記點；通過4～5 幀圖對掃描出來的曲面進(jìn)行拼接處理[12]。

（2）將三維掃描儀中掃描出來的曲面導(dǎo)入到Geomagic Studio 軟件中初步處理。拼接前的曲面噪聲點較多，用選擇工具將曲面上的噪聲點圈選并剔除，并用多邊形中的裁剪工具截下載物臺曲面，剔除周邊的噪聲點；再用網(wǎng)格醫(yī)生對需拼接的曲面進(jìn)行修整；最后用多邊形中的填充孔工具對曲面漏洞進(jìn)行填補(bǔ)。對拼接后的曲面進(jìn)行平滑處理，可得出平順光滑的三維曲面。

（3）對三維曲面進(jìn)一步處理。提取出有利于挖掘土壤的仿生曲線，并對仿生曲線進(jìn)一步優(yōu)化處理，處理后的曲線將用于仿生深松鏟設(shè)計。

1.3 EDEM 仿真參數(shù)

利用EDEM 2.7 建立偏柱式深松鏟的離散元仿真算法，并設(shè)定土槽邊界條件，定義土壤顆粒參數(shù)、深松鏟參數(shù)，以及土壤與土壤、土壤與深松鏟間的接觸參數(shù)。

為了真實模擬深松鏟深松過程，深松深度取40 cm，深松鏟寬度為160 mm，組裝后的深松鏟整體導(dǎo)入EDEM 軟件中。設(shè)定深松鏟深松速度為1 m/s，仿真步長1×10?6s，記錄數(shù)據(jù)的時間間隔為0.01 s，具體參數(shù)的設(shè)定如表1 所示。

表1 EDEM 仿真參數(shù)設(shè)定Tab. 1 EDEM simulation parameter setting

1.4 三維掃描儀參數(shù)介紹

三維掃描儀型號為Konica Minolta Vivid 910，采用激光三角法測量原理，質(zhì)量11 kg，掃描距離在0.5～2.5 m，精 度 為±8 μm，每 次 掃 描 可 得 到640×480 點 的 距 離信息。

2 仿生偏柱式深松鏟設(shè)計及分析

深松鏟作業(yè)時，影響其阻力的主要因素有深松深度、深松鏟對土壤的擾動范圍、深松鏟入土角度及深松鏟鏟柄和鏟尖形狀等。其中，深松深度、深松鏟對土壤的擾動范圍由深松作業(yè)的農(nóng)藝要求而定。因而深松鏟入土角、入土方式、深松鏟鏟柄和鏟尖形狀的設(shè)計將直接影響深松阻力。一般而言，入土角越大時，深松鏟越容易破土及入土，而深松阻力較大，當(dāng)入土角較小時，深松鏟不易入土，但入土后阻力較?。煌瑫r，深松鏟鏟柄和鏟尖形狀對深松阻力影響也較大。

仿生偏柱式深松鏟主要包括鏟柄、鏟尖及連接體。連接體的設(shè)計對深松阻力的影響較小，因此設(shè)計的重點在于深松鏟鏟尖和鏟柄。

2.1 鏟柄設(shè)計

竹鼠右前爪仿生曲線提取過程如圖1 所示，提取后的曲線用于仿生深松鏟鏟柄設(shè)計。鏟柄側(cè)面彎折曲線由竹鼠掌部外輪廓線擬合并加以修正所得（圖1a、圖1b 和圖1c），擬合后的曲線方程為y=9.58e0.054x，x的取值范圍為0～60，方程擬合的相關(guān)系數(shù)為R2=0.968 3。鏟柄前端切割刃刃口截面曲線為竹鼠右前爪第三趾截面曲線擬合所得（圖1a、圖1d 和圖1e），其曲線方程為y=?0.368 4x2+3.067 2x?0.034，x的取值范圍為0～8.32，擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 1。

圖1 竹鼠右前爪三維掃描處理后的三維結(jié)構(gòu)及曲線提取Fig. 1 3D structure and curve extraction after 3D scanning of right front paw of Rhizomyidae

鏟柄中部設(shè)計有仿竹鼠爪趾肋條，仿竹鼠爪趾肋條中心線與鏟柄側(cè)面彎折曲線一致，曲線方程也為y=9.58e0.054x，x的取值范圍為49～58，每兩個仿竹鼠爪趾肋條間距為14～18 mm。

2.2 鏟尖設(shè)計

蟻獅幼蟲仿生曲線提取過程如圖2 所示，提取后的曲線用于仿生深松鏟鏟尖設(shè)計。蟻獅幼蟲仿生曲線提取與竹鼠爪趾略有不同，由于僅需要提取蟻獅幼蟲背部輪廓線，因此在對蟻獅幼蟲掃描所獲得的三維曲面處理時，需要去除蟻獅腿部、下顎等部位數(shù)據(jù)，以免對整體形貌造成干擾，以此獲取更為準(zhǔn)確的整體形態(tài)數(shù)據(jù)。

圖2 蟻獅照片、三維掃描建模對比及背部曲線提取Fig. 2 Photos of antlion，comparison of 3D scanning modeling and back curve extraction

仿生偏柱式深松鏟鏟尖為上下對稱結(jié)構(gòu)，橫截面由上下對稱的兩條曲線圍成（圖2c），該曲線為蟻獅背部橫切輪廓線擬合并根據(jù)相似原理放大所得（圖2a、圖2b 和圖2c）。其中，曲線方程為y=?0.081 3x2+3.251 4x?0.082 3，x的取值范圍為0～40，擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2= 0.999 3。

2.3 鏟柄與鏟尖過渡區(qū)設(shè)計

鏟柄與鏟尖間的過渡區(qū)域決定入土角及深松時土壤擾動范圍，因而需要設(shè)計計算。鏟柄與鏟尖過渡區(qū)的設(shè)計參數(shù)如圖3 所示，鏟柄與鏟尖間的過渡區(qū)為直角梯形結(jié)構(gòu)件，梯形的直角邊為鏟柄的寬度，兩底邊的長度差為需要設(shè)計的重要參數(shù)，決定了偏柱式深松鏟入土角。

圖3 偏柱式深松鏟鏟柄與鏟尖過渡區(qū)設(shè)計原理Fig. 3 Schematic diagram of transition zone between shovel shaft and shovel tip of slant column subsoilers

如圖3 所示，箭頭代表深松鏟運動的前進(jìn)方向，深松鏟鏟柄寬度為l，過渡區(qū)與水平面間的夾角為α，深松鏟入土角為β，鏟柄與鏟尖間過渡區(qū)形成的梯形上下底尺寸差為x，根據(jù)幾何關(guān)系，可得到以下關(guān)系式。

最終整理可得

由式（5）可知，鏟柄與鏟尖間過渡區(qū)形成的梯形上下底的尺寸之差x與過渡區(qū)與水平面間的夾角α、深松鏟入土角β和深松鏟鏟柄寬度l間的關(guān)系，這將對偏柱式深松鏟的設(shè)計及加工起到一定的指導(dǎo)作用。

2.4 仿生深松鏟仿真分析

4 種偏柱深松鏟結(jié)構(gòu)及其在EDEM 仿真狀態(tài)下顆粒運動速度截面如圖4 所示。0 號深松鏟為原型偏柱式深松鏟，鏟柄曲線為圓弧曲線，鏟柄側(cè)面外輪廓圓弧曲線半徑為216 mm，鏟尖為圓柱形（圖4a）；1 號深松鏟鏟柄側(cè)面外輪廓線為仿生曲線，鏟尖為圓柱形（圖4b）；2 號深松鏟鏟柄側(cè)面輪廓線為仿生曲線，鏟尖為仿生鏟尖（圖4c）；3 號深松鏟鏟柄側(cè)面輪廓線為仿生曲線，且鏟柄中部設(shè)有仿生肋條結(jié)構(gòu)，鏟尖也為仿生鏟尖（圖4d）。其中，0 號深松鏟及1 號深松鏟鏟尖橫截面積與2 號及3 號深松鏟鏟尖橫截面積相同，虛線框顯示出4 種不同的深松鏟設(shè)計參數(shù)的差異。

圖4 4 種偏柱式深松鏟設(shè)計及EDEM 仿真顆粒運動速度截面Fig. 4 Design of four slant column subsoilers and cross-section of EDEM simulation particle movement velocity

4 種不同深松鏟仿真阻力隨運動距離的變化關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可以看出，隨著深松距離的增加，深松阻力不斷地增大，原因是深松鏟的初始位置為鏟尖剛剛接觸土壤的位置，隨著鏟尖接觸土壤越來越多，深松鏟在運動方向上的阻力越大，直至整個鏟身全部進(jìn)入模擬土壤的顆粒中時，深松阻力趨于穩(wěn)定。而當(dāng)深松鏟即將運動到邊界的另一端時，由于邊界效應(yīng)的存在，使深松阻力繼續(xù)增加。因此，EDEM 仿真數(shù)據(jù)的深松阻力值取深松距離0.3～0.6 m 的深松阻力平均值作為參考數(shù)據(jù)，并剔除波動較大的噪聲點。

圖5 4 種不同深松鏟仿真阻力隨運動距離的變化關(guān)系Fig. 5 Relationship between simulation resistance of four kinds of subsoilers and movement distance

與此同時，剛開始進(jìn)入土壤中時，4 種不同的深松鏟阻力相差不多，當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)定區(qū)域時，4 種深松鏟均在不同的范圍內(nèi)波動。其中，0 號原型深松鏟阻力最大，其次為1 號鏟，2 號深松鏟次之，3 號深松鏟深松阻力最小。

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，4 種不同的深松鏟深松阻力不同，將0.3～0.6 m 深松數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出平均阻力值。可得出在此段的深松阻力數(shù)據(jù)，對比4 種深松鏟阻力數(shù)據(jù)，0 號鏟平均阻力最大，1 號深松鏟與0 號對比，平均阻力減小7.94%，2 號深松鏟與0 號對比，平均阻力值減小10.32%，3 號深松鏟與0 號相比，平均阻力值減小12.92%。

對深松阻力分析可知，1 號深松鏟比0 號深松鏟阻力小，其鏟柄側(cè)面截面曲線不同，鏟柄側(cè)面仿生曲線設(shè)計有助于深松減阻；1 號、2 號、3 號深松鏟阻力依次減小，深松鏟不同部位的仿生設(shè)計均有減阻效果，且表現(xiàn)出疊加的減阻效果；3 號深松鏟與2 號深松鏟對比，在深松過程中，由于待深松的部分土壤顆粒能夠順利地在鏟柄面上滑落，減小偏柱式深松鏟對土壤的提升力，因而表現(xiàn)為減阻效果。在同等深松寬度的條件下，偏柱式深松鏟縱向距離較大，因而有更強(qiáng)的土壤擾動區(qū)域，有利于實現(xiàn)全面深松作業(yè)。

3 結(jié)論

（1）通過三維激光掃描儀獲取了竹鼠右前爪及蟻獅的三維幾何模型，并通過Geomagic Studio 軟件對所得模型進(jìn)行處理，獲取較準(zhǔn)確的三維幾何數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)竹鼠爪趾掌面和爪尖輪廓，及蟻獅體表輪廓，提取了較為優(yōu)異的擬合曲線，對擬合的曲線優(yōu)化處理，并應(yīng)用于偏柱式深松鏟的仿生設(shè)計上。

（3）根據(jù)偏柱式深松鏟鏟柄及鏟尖間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，提出了一種基于偏柱式深松鏟入土角的鏟柄設(shè)計方法，為偏柱式深松鏟鏟柄設(shè)計提供一種新思路。

（4）對設(shè)計的偏柱式深松鏟應(yīng)用EDEM 仿真分析，對比4 種不同形式的偏柱式深松鏟，得出仿生深松鏟深松阻力小于普通深松鏟，為偏柱式仿生深松鏟提供了一定的設(shè)計依據(jù)。