仿生研究对深松铲结构改进的意义

　　0、 引言

　　长久以来,我国广泛采用传统的翻耕技术,然而许多发达国家的研究和实践都表明:传统翻耕在带来好处的同时会造成更大的危害,需要引起注意。例如,翻耕这种单一的耕作方法会加剧土壤的风蚀与水蚀,容易破坏地表植被。另外,许多国家因为过度的翻耕导致了土壤肥力和作物产量严重下降,各种自然灾害频发。为此,发达国家提出了保护性耕作的概念,即免耕和少耕,尽量减少土层翻动,保持适当作物残茬覆盖。

　　深松作业是保护性耕作中一项重要内容,其好处如下:可以打破坚硬的犁底层,加深耕层;可以改善土壤的结构;可以疏松土壤,便于雨水流入,防止雨水流失,从而大大地提高了土壤的蓄水能力;在疏松土壤的同时提高了土壤通透性,便于与外界交换气体,改善了作物的生长环境,大幅提高产量。

　　深松技术在国内外已经开始广泛应用,并且在耕作中发挥着巨大的作用。然而,深松过程中也存在着一些问题,如工作阻力大及耗能过多等。这对深松作业的推广产生了阻碍作用,尤其随着耕深和耕速的增加,耕作阻力会大幅增加。因此,减小耕作阻力、提高耕作质量成为了研究的重点。

　　近年来,很多研究者对深松铲的结构进行了改进,应用仿生学原理进行改进的研究也有很多。自然界中的动物在长期的进化过程中形成了优良的结构,这为人类提供了模仿与参照的对象。深松作业是机械与土壤的相互作用,土壤动物由于长期在土壤环境中生存,逐步适应了自然环境,其结构也进化成了适应土壤环境的结构。因此,研究者可将动物的相关结构运用于深松铲结构的改进上,设计出耕作阻力小、深松效果好的深松铲,这对于深松铲的推广应用有着巨大的作用。

　　1、 深松铲研究现状

　　1. 1 深松铲结构优化研究

　　许多研究者采用各类不同方法进行了深松铲结构改进方面的尝试。赵大为对深松铲柄采用 In-ventor 进行三 维建模,采用有限元进行了分析,对应力、变形以及最小安全系数进行了校核;通过反复建模与分析,可以实现快速优化设计,最终获得满意的深松铲柄模型。徐天月对 6 种深松铲进行田间试验,分析发现:只有一种抛物线型深松铲在工作中受到的阻力最小,其设计也较为合理、结构简单。陈坤在国家标准深松铲柄的基础上设计了后掠式弧型深松铲。其根据上部垂直部分左边垂直线与下部圆弧部分的上边切线形成的后掠角的不同,应用三维软件设计了深松铲的 7 个三维图,运用计算机对相关部件进行了 Ansys 有限元分析,并得到最优化制造参数。结果显示,后掠角为 30° ~60°时,深松阻力最小;在对田间试验测得的数据进行分析之后,得出后掠式弧形深松铲柄在后掠角α = 50° 时深松阻力最小,得到了最优形状深松铲柄。王宏立等采用 ANSYS 对铲柱和铲尖的应力和变形进行了分析,结果表明:梯形和三角形截面铲柱的强度刚度能达到设计要求,铲尖也符合要求。通过对应力的分析,指出可能的失效部位,为今后进一步的改进提供了依据。周玉乾等对直腿式铲柄和弯曲式铲柄的受力情况进行了模拟、分析和比较,得出结论为:在侧宽、刃倾角等参数相同的情况下直腿式铲柄的受力要较小一些,小的程度由弯曲式铲柄的弧半径来确定;对于弯曲式铲柄,随着弧半径的增加,阻力成减少的趋势。

　　1. 2 仿生深松铲

　　仿生深松铲研究方面,国内进行了大量研究,本文重点介绍国内最近几年的研究情况。

　　很多与土壤长期接触的动物,在千百年的进化过程中,它们的爪趾已经进化为了适合于挖掘的特殊结构,其轮廓曲线具有优良的挖掘效果。这为仿生学的研究提供了学习的依据和基础,可以利用其爪趾特性研制出具有良好切削性能的深松铲,还可以从材料等方面进行深入研究。吉林大学在该方面进行了细致研究,得到了显著成果,在该方面的研究处于国内先进水平。

　　陈东辉对家鼠进行研究发现,家鼠善于挖掘洞穴,这与其爪趾结构有很大关系。他对家鼠爪趾进行了研究、拍照以及运用 OLYCIA p3 软件对爪趾的照片进行了准确的测量分析,从而得到了爪趾的几何形态;之后,运用相关软件对得到的参数进行曲线拟合,采用了不同的函数曲线方程来对家鼠爪趾的形态进行了表达;通过对曲线方程的分析改进,设计了仿生深松铲柄,铲柄的内准线及外准线采用家鼠爪趾外部轮廓;对该仿生深松铲进行了田间验证性试验,对耕作阻力进行了测量并且对深松过程中土壤扰动情况进行了观察,结果显示:改变触土曲线可以改变耕作阻力,优秀的曲线可以大大减小耕作阻力,设计出的仿生深松铲柄及铲尖与现有的深松铲相比,减阻率为5% "12% 。由此可以说明,仿生结构的深松铲有着很好的减阻效果。然而,该文对田间验证过程没有进行具体的描述,对仿生深松铲减阻的原因没有进行深入分析,也没有对土壤运动形态进行进一步分析。

　　龚浩晖等对金龟子和家鼠的足趾结构进行了分析,在国标圆弧形深松铲的基础上,设计了仿鼠趾深松铲,并且对该深松铲进行了有限元分析,建立了该仿生深松铲以及国标圆弧形深松铲的模型;对土壤采用线性扩展 Drucker - Prager 地基模型,采用 Abaqus软件模拟深松铲的工作过程。分析显示,在同等深度300mm 下,仿鼠趾深松铲与国标深松铲相比所受反作用力减少约 2 900N,且与国标深松铲相比深松效果相差无几。该文对设计出的深松铲只进行了一个深度下的仿真,缺乏更多情况下的减阻效果。另外,该文仅进行了仿真,没有进行田间验证性试验,很难说明真实的减阻效果。

　　郭志军等将田鼠爪趾内轮廓线按比例放大以后作为仿生松土部件的触土面准线,再以椭圆抛物线为母线扫过此准线形成了所设计的切削曲面,并制作了一种仿生弯曲型松土部件。其在土槽中进行了研究试验,数据采集及处理系统分别为 PCM -3132 型数据采集及 AUTOTEST 数据记录处理系统。试验时,通过对土槽中土壤硬度及含水量的控制来保证每次试验中土壤的机械性能基本一致,从而增强试验数据的可比性。在低速状态下对该仿生深松铲进行了研究,发现耕作深度、土壤种类及其物理参数对耕作阻力有较大影响。

　　郭志军等人采用有限元法对由各种曲线形状形成的触土曲线进行了分析,这些曲线来自于对不同动物及对昆虫局部结构的分析提取,对这些曲线进行了性能的分析比较。该文对在对土壤建模的过程中,采用简化的弹塑性材料结构和 Von Mises 屈服准则。

　　结果表明,在小纵深比的情况下,弯曲型耕作部件普遍比直线式耕作部件的耕作效果要好且更省力。仿生设计需要针对不同情况进行简化处理,得到最终符合设计要求的深松铲。摆线适宜于设计具有较大纵深比的耕作部件触土曲面。该文对各类仿生深松铲进行了比较分析,并得到了规律性的结论,对今后的仿生研究有很大的参考价值。然而,本文研究内容过多,研究的方法不够详细,同时也没有进行田间试验验证。

　　朱凤武等通过对金龟子爪趾几何形态的分析,发现其轮廓线形式符合抛物线形式。该文采用了弯曲型铲柄的设计方案,触土曲线用抛物线曲线方程进行设计;并且将设计好的深松铲模型转入 ANSYS软件,产生有限元模型,进行求解;采用有限元软件结合编程分析了深松铲的结构,并得到了各参数条件下的耕作阻力。同时,进行了田间的验证性分析,结果表明:耕深是深松机的牵引阻力的最大影响因素,耕作阻力会随着耕深明显增大。研究发现:在相同耕深和耕速条件下,当入土角度为 27. 5°时,深松铲的耕作阻力最小,这与金龟子爪趾切削角度吻合。该文对设计深松铲的过程及田间试验进行了详细描述,并采用参数化分析的方法对该仿生深松铲进行了分析;但是文中缺乏该深松铲与现有深松铲的对比,对该深松铲的减阻效果没有进行分析。

　　张璐等模拟家鼠爪趾的轮廓形态设计了复合形态深松铲柄和仿生钩形深松铲,并采用理论计算分析、有限元法仿真分析以及土槽试验验证的方法进行了详细的对比分析;将土槽试验所测定的深松铲工作阻力与理论计算及有限元仿真得到的数据进行对比。

　　结果表明:有限元法可以很好地预测深松铲工作阻力,然而理论分析得到的结果确与真实的试验结果差距很大。

　　在对深松铲进行设计时,需要首先保证农业对于土壤耕作深度和耕作质量的要求,在此基础上尽量减小耕作阻力。在结构方面,可以对铲柄表面曲线、铲尖形状进行优化,也可以采用不同的材料和合适的安装位置,并且需要有一定的强度来保证使用寿命。铲柄、机架以及铲尖的连接应该保证尽量平顺,这样既可以保证强度要求也可以减小耕作阻力。在制造方面需要尽可能降低制造成本,便于规模生产。

　　以上众多研究者对自然界中动物进行仿生并运用到深松铲的设计中,取得了较好的效果;但研究还不够深入,还需进一步细致研究。

　　1. 3 相关仿生耕作部件

　　除深松铲之外,有研究者对其他一些耕作部件也进行了仿生设计与分析。Li M 等通过对鼹鼠爪趾结构的分析设计了仿生缺口耙,并进行了有限元分析,对该缺口耙的强度进行了校核。仿真对比发现,仿生缺口耙入土更深更快,性能也更好。Ren L Q等在分析金龟子爪趾的基础上,设计了可以减少土壤附着的推土板,这为今后农业机具减少土壤粘连提供了思路和依据。张毅等设计了仿生圆盘犁,对具体的设计过程及所使用的材料进行了详细的阐述,在圆盘耙表面添加了几何非光滑结构单元来减粘降阻,为仿生圆盘犁减粘试验研究创造了条件。

　　这些仿生研究对深松铲结构的改进有借鉴意义,对农业部件的优化产生了积极的作用,为今后的进一步研究提供了思路和方法。

　　2、 仿生设计步骤及关键问题

　　2. 1 设计步骤

　　仿生学是一门模仿生物的特殊本领,利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术,既可以在结构方面进行仿生,还可以进行材料等方面的仿真。对于农业机械仿真来说,需要首先确定研究目标,确定连接关系,对所研究动物形态进行相关工作部件的研究、运动情况分析及抽象化处理等。

　　具体步骤如下:

　　1)首先明确所要解决的问题,针对现有机具做哪些方面的改进。仔细分析相关土壤动物,了解动物习性,选择合适动物的局部结构进行分析、抽象,提取其中关键结构曲线。

　　2)采用三维软件进行建模。确定设计要求、设计准则及约束条件等,将相关仿生结构运用到深松铲的设计中来,根据实际情况进行进一步结构优化改进,去除不相关曲线,简化设计,便于加工成型。

　　3) 将设计出的仿生深松铲模型进行仿真分析,与现有深松铲进行对比,分析是否具有某些方面优势。

　　如果没有达到设计要求,需要重新进行设计与改进。

　　另外,需要将设计好的深松铲进行受力分析,确定是否能够达到强度要求。

　　4) 对设计完成的深松铲进行加工,将仿生结构同原有的机械结构进行合理的布局,根据各地耕作制度及需求的不同,进行相关的调整,并在田间进行真实的试验,在测试的过程中发现问题,从而进一步完善设计。

　　2. 2 关键问题

　　1)在动物相关结构分析方面需要适当放大有益结构,去除干扰因素,从而使深松铲设计更加合理。

　　2)在进行仿真的过程中,所建立的土壤模型需要尽量接近于真实土壤,深松铲的模型需要保证准确无误,这样仿真的结果才有意义。

　　3)所有的设计都是在保证强度符合要求的情况下进行的。

　　4)在田间试验过程中进行耕作阻力的记录分析,观察是否达到设计要求。

　　3、 存在的问题

　　目前,深松铲进一步推广应用的阻碍在于其耕作阻力过大,因而减小耕作阻力成为了亟待解决的问题。其中,优化深松铲触土曲线的形状、改进各部分的结构参数是最好的解决办法。在仿生深松铲的研究方面,也存在着一些问题需要研究者继续研究。具体如下:

　　1)对于动物结构的研究过于局限,绝大多数的研究都集中在动物爪趾的研究方面,可以从其他有利于松土的结构入手进行分析研究。

　　2)对于动物爪趾的研究不够细致,大多数研究仅仅从轮廓形状进行了研究,很少人对其工作时形态及运动规律进行探索。

　　3)有些工作部件设计仅考虑了仿生设计,没有对其结构强度进行校核及验证,有些设计存在着不合理的现象。

　　4)不能满足在不同土壤条件下对深松效果的不同要求。

　　4、 研究展望

　　深松技术作为保护性耕作技术越来越受到重视,如何在保证耕作质量的前提下解决耕作阻力大这一问题是现价段研究的重点。

　　1) 采用计算机辅助优化设计将是今后深松铲设计的主要发展方向。对于仿生深松铲的设计来讲,不仅可以从结构方面,还可以从材料、运动方式等方面进行分析,通过计算机编程得到最终优化方案。今后对于仿生深松铲的研究会更加深入,对减阻机理以及土壤运动方式都会进行更加详细的研究,该种方法也会进一步完善。

　　2) 现阶段大多数研究还是采用有限元法进行研究,今后设计过程中采用的方法也会变得丰富,有限元法、离散元法都将会应用到深松铲的优化中来,所建立的土壤模型也会更加符合实际情况。

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