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1、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
2、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
3、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。
4、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
5、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
6、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OLYCIAp3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
7、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
8、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
