基于狗獾爪趾的仿生深松鏟結構設計與試驗

白景峰，李　博，呂秀婷，陳　軍，黨革榮，史江濤

(1.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌　712100；2.西安亞澳農機股份有限公司，西安　710300)

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基于狗獾爪趾的仿生深松鏟結構設計與試驗

白景峰1，李博1，呂秀婷1，陳軍1，黨革榮1，史江濤2

(1.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌712100；2.西安亞澳農機股份有限公司，西安710300)

摘要：針對現有深松鏟存在的耕作阻力較大及能耗較高等問題，利用仿生學原理將狗獾爪趾的曲線應用到深松鏟的結構設計中，設計了一種鏟柄刃口為多項式曲線、鏟尖為圓弧形的新型深松鏟。為研究其耕作效果，將所設計的深松鏟與國標深松鏟進行了室內土槽對比試驗。試驗結果表明：在相同的深松試驗條件下，仿生深松鏟比國標深松鏟的耕作阻力減小了13.33%～21.72%，仿生深松鏟減阻效果明顯；仿生鏟柄與國標鏟尖組合比國標深松鏟耕作阻力減小了3.01%～7.61%，仿生鏟尖與國標鏟柄的組合比國標深松鏟耕作阻力減小了7.67%～16.97%，仿生鏟尖的減阻效果顯著于仿生鏟柄的減阻效果。

關鍵詞：深松鏟；仿生；狗獾爪趾；土槽試驗

0引言

深松技術是指深松鏟、深松梨運用不同的深松機械配合相應的動力機械，完成田間深松作業的機械化技術[1-3]。深松作業可以在不翻耕土壤的基礎上，打破犁底層，保護地表植被，降低風蝕水蝕的危害，增強土壤的蓄水保墑能力，并提高土壤中微生物的生活率及土壤肥性，有利于農作物根系的生長發育[4-6]。但現階段所研究的深松機械具有耕作阻力較大、能耗較高和深松效果不好等缺點，因此降低耕作阻力成為限制深松機械發展的主要因素[7-10，14]。

近年來，許多學者對深松鏟進行了大量的研究工作，并取得了較好的研究成果。李博運用離散元法對深松鏟耕作因素的影響進行了分析[6,11]。趙大為采用偏心裝置設計了一種被迫式振動深松機術[12]。楊有剛等設計了一種具有往復插土式淺松功能，還可進行土壤深松作業的淺深松聯合松耕機[13]。隨著仿生學的不斷發展，許多學者運用仿生學進行深松鏟的設計。龔浩輝等對家鼠進行研究，對深松鏟進行了結構優化，并與國標深松鏟進行了理論受力對比分析，表明仿生深松鏟減阻效果明顯[15]。張金波等基于指數函數曲線，針對家鼠的爪趾進行了深松鏟的仿生減阻設計[16]。

本文在前人研究的基礎上，針對狗獾進行仿生減阻深松鏟的結構設計，并對所設計的仿生深松鏟與國標深松鏟進行土槽對比試驗，驗證其減阻效果。

1仿生深松鏟結構設計

1.1鏟尖結構設計

通過對狗獾前爪趾結構進行研究，發現其爪趾尖部呈錐形，在長期的挖掘過程中，由于磨損使得尖部的硬度和韌性都比爪趾其他地方要強[14,17]。借助自身肌肉的收縮運動，狗獾能夠很好地完成土壤的破碎和搬運工作。

通過對其前端曲線的提取和分析，并進行相應的多項式擬合，得到曲線如圖1所示。

圖1　狗獾爪趾尖端擬合曲線

同時，可以得到擬合精度R2=0.995 67的原形態曲線擬合方程為

y=393.88922-8.57804x+0.07406x2-

2.92722×104x3+4.61938×10-7x4

(1)

根據國標JB/T9788-1999的深松鏟鏟尖參數與所提取曲線的方程，確定其放大倍數δ=0.156。因此，仿生鏟尖的實際曲線擬合方程為

y=61.54759-8.57804x+0.4474397x2-

0.011989x3+0.00012108x4

(2)

根據現有的耕作部件研究成果可知：在不壓實下部和側面土壤的條件下，應使鏟尖與地面的隙角(見圖2)ε≥3°。根據前人所研究的相關內容[18]及切削角α與土壤條件的關系，確定本次設計的切削角α=23°。

圖2　鏟尖隙角γ與切削角α

1.2鏟柄結構設計

深松鏟結構除鏟尖外，鏟柄也是其不可缺少的一部分。深松鏟鏟柄(見圖3)同鏟尖相同，對深松作業的耕作深度、耕作速度、耕作阻力、耕作范圍和土壤破碎程度有著重要的影響。

圖3　深松鏟鏟柄

結合現有的理論分析和試驗研究發現：當深松鏟鏟柄伸長量(縱向尺寸在耕深范圍內的水平長度)L與深松鏟耕作深度D的比值L/D分布在0.68 ～ 1.04時，深松鏟減阻性能更加明顯；尤其是當L/D=0.8左右時，深松效果最好，減阻性能最好。

運用仿生學原理，針對狗獾的爪趾的內邊緣曲線進行提取，并進行數據擬合分析，可以得到擬合精度R2=0.997 41的初始邊緣曲線的多項式擬合方程為

y=319.39916-1.70123x+0.00796x2-

1.76587×10-5x3+1.5323×10-8x4

(3)

通過與JB/T9788-1999的深松鏟鏟柄對比，可以獲得放大參數δ=0.658。同時，獲得最終擬合的多項式方程為

y=210.18423-1.70123x+0.012097x2-

4.07856×10-5x3+5.37856×10-8x4

(4)

本次設計的鏟柄寬60mm、厚25mm、水平長度為253mm，鏟柄與鏟尖均采用65Mn制造，最大耕作深度為320mm，其他參數均參照國標深松鏟進行設計制造[19-20]。因此，基于多項式擬合的仿生深松鏟結構如圖4所示。

圖4　多項式曲線型仿生深松鏟

2試驗與結果分析

2.1試驗條件

試驗地點在陜西楊凌西北農林科技大學機電學院室內土槽進行，土槽尺寸為長27.0m、寬2.3m、深1.5m；試驗土壤為陜西關中地區農田土壤，屬于黃土母質上發育的農業土壤[13]，平均含水率為17%。據深松作業基本要求，確定本次試驗的耕作深度為200、250、300mm，耕作速度選擇0.6、0.8、1.0m/s。為更好地研究仿生深松鏟減阻效果，在進行試驗時將仿生深松鏟與國標深松鏟進行交互試驗，將深松鏟類型分為仿生深松鏟、仿生鏟柄國標(鑿形)鏟尖、國標鏟柄仿生鏟尖和國標深松鏟4種類型。

本試驗以土槽試驗車為試驗平臺，承載試驗所需的試驗設備(見圖5)，試驗所選用的傳感器為上拉桿傳感器(型號：CYB-602S)與懸掛銷傳感器(型號：CYB-601S)。試驗車上安裝了動態數據采集器，通過內置無線發射裝置(SZ02-USB-2K)將所采集的信號發送到遙測采集程序中，將所采集的信號轉化為耕作阻力進行保存。

圖5　深松鏟固定及懸掛裝置

2.2試驗內容與方法

通過仿生深松鏟與國標深松鏟在相同條件下的交互性試驗，研究仿生深松鏟的減阻效果及其減阻效果的主要來源。

本次深松鏟減阻性能試驗所需土壤的有效長度為23m，為得到相對較準確的實驗數據將有效長度分為3部分：前6m為深松鏟入土階段和試驗車加速階段，中間11m為試驗穩定測量階段，后6m為深松鏟出土階段和試驗車減速階段。此次試驗的有效寬度為1.8m，為保證深松鏟之間的對比性和對土槽試驗空間的有效利用，每次在土槽內進行兩次深松試驗，每次試驗深松鏟距離土槽導軌內側為500mm，縮短了試驗時間，提高了試驗效率。

3結果與分析

表1為4種不同組合的深松鏟(仿生深松鏟、仿生鏟柄+國標鏟尖、國標鏟柄+仿生鏟尖、國標深松鏟)分別在3種速度(0.6、0.8、1.0m/s)和3種耕深(200、250、300mm)的試驗因素下所得到的水平耕作阻力的平均值。其中，γ1表示仿生深松鏟相比較國標深松鏟的減阻率，γ2表示仿生柄國標尖相比較國標深松鏟的減阻率，γ3表示國標柄仿生尖相比較國標深松鏟的減阻率。

表1　不同組合深松鏟耕作阻力試驗結果

通過對表1進行深松作業耕作阻力的分析可知：在相同耕作條件下，仿生深松鏟的耕作阻力最小，國標深松鏟的耕作阻力最大，且仿生鏟柄與國標鏟尖組合的耕作阻力明顯大于仿生鏟尖與國標鏟柄的耕作阻力。對于相同類型的深松鏟，當深松耕作深度一定時，深松作業的耕作阻力隨著耕作速度的不斷增大而增大；深松作業速度一定的時候，深松作業的耕作阻力隨著耕作深度的不斷加深而增大。

通過對表1中深松鏟減阻率的分析可知：仿生深松鏟相對于國標深松鏟的耕作阻力減小了13.33%～21.72%，表明仿生深松鏟與國標深松鏟相比具有明顯的減阻效果，平均減阻17.87%；仿生鏟柄與國標鏟尖組合相對于國標深松鏟的耕作阻力減小了3.01%～7.61%，平均減阻5.22%；仿生鏟尖與國標鏟柄組合相對于國標深松鏟耕作阻力減小了7.67%～16.97，平均減阻13.25%。由此表明：仿生鏟尖相對于國標鏟尖的減阻效果明顯優于仿生鏟柄相對于國標鏟柄的減阻效果。

4結論

1)深松鏟的耕作速度與耕作深度對耕作阻力具有顯著影響，且耕作阻力隨著耕作速度和耕作深度的增大而增大，并由兩者相互作用。

2)在相同的耕作深度與耕作速度下，仿生深松鏟相比較國標深松鏟的耕作阻力減小了13.33%～21.72%，平均減阻17.87%，減阻效果明顯。

3)仿生鏟柄與國標鏟尖組合相比較國標深松鏟，耕作阻力減小了3.01%～7.61%，平均減阻5.22%；而仿生鏟尖與國標鏟柄的組合相比較國標深松鏟，耕作阻力減小了7.67%～16.97%，平均減阻13.25%。仿生鏟尖的減阻效果明顯優于仿生鏟柄的減阻效果。

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Structure Design and Test of the Badger Claws Bionic Subsoiler

Bai Jingfeng1， Li Bo1， Lv Xiuting1， Chen Jun1， Dang Gerong1， Shi Jiangtao2

(1.Collage of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2.Xi’an Yaao Agricultural Machinery Co.Ltd. ,Xi’an 710300,China)

Abstract：The problem of greater cultivation resistance,higher energy consumption and other issue exists in the traditional subsoiler. In this paper, the curve of the badge claws is applied in the structural design of subsoiler according to the principle of bionics, it has designed a new subsoiler which contains the share shaft of polynomial curve and the sweep point of circular arc. In order to study the cultivation effect, we do the contrast experiment to bionic subsoiler and traditional subsoiler in soil-bin laboratory.The result showed that the bionic subsoiler's tillage resistance decreased by 13.33% ～ 21.72% and the drag reduction effect was obvious in comparison to traditional subsoiler under the same test conditions. If the bionic share shaft combined with the traditional sweep point, the tillage resistance will be reduced by 3.01%～7.61% compared to the traditional subsoiler. While the combination of the bionic sweep point and the traditional share shaft decreased by 7.67%～16.97% than the traditional subsoiler in the tillage resistance.Thus the difference of the drag reduction effect of the bionic sweep point and the bionic share shaft was significant.

Key words：subsoiler; bionic; badger claws; soil-bin test

文章編號：1003-188X(2016)04-0175-05

中圖分類號：S222.12+9

文獻標識碼：A

作者簡介：白景峰(1989-)，男，河北滄州人，碩士研究生,(E-mail)541522260@qq.com。通訊作者：陳軍(1970-)，男，寧夏固原人，教授，博士生導師， (E-mail)chenjun_jdxy@nwsuaf.edu.cn。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAD29B08)；陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014K02-09-03)

收稿日期：2015-04-11