深松犁減黏降阻研究綜述

鮑洋清，許令峰,2*，宋月鵬,2，劉賢喜,2

(1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018;2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安 271018)

土壤深松是實施保護性耕作技術的重要措施。以其不翻轉、不破壞土壤層原始結構和提高土壤含水率以及降低土壤容重為特點，從而達到疏松土壤、促進植物根系生長的效果，使作物增產增收[1]。然而深松過程中土壤與機具的黏附較為嚴重，導致耕作阻力增大，能耗增大，不但增加深松作業的成本，而且在一定程度上限制土壤深松技術的推廣和應用[2]。因此，減黏降阻、提高機具壽命成為深松機具設計的重要課題。通過模仿自然界的生物經過長期進化而形成的結構及其減黏降阻機理，設計多種結構的仿生深松犁；另外借助振動理論優化深松犁結構，也可降低深松耕作阻力和黏滯力，提高觸土部件的耐磨性，從而延長其使用壽命。

1 深松犁仿生降阻技術研究

黏附問題普遍存在于農機觸土部件中，由于土壤黏附導致深松犁耕作阻力增大，降低深松犁工作效率[3]。一些土壤動物外殼等器官具有顯著的減黏功能，成為仿生的對象。

1.1仿蜣螂深松犁蜣螂長期生活在黏性較大的介質中，身體卻并未被介質黏附，表現出非凡的減黏脫附功能，因此成為被廣泛模仿的對象。

1.1.1蜣螂體表非光滑表面仿生。蜣螂體表的分布有密集的魚鱗狀、圓盤狀和波浪形念珠狀凸起和凹陷，構成其與糞便或者泥土直接相接觸的非光滑表面。將蜣螂體表非光滑結構幾何特征用于犁壁設計，結果表明，隨機分布的仿生非光滑表面與規則分布的表面相比，前者使犁壁的橫截面不存在規則分布所具有的有序的壁厚差,使其強度分配更加合理，有利于消除薄弱環節，使加工制造時產生的變形開裂現象得到明顯改善；當土垡沿著仿生非光滑表面運動時，無規則排列方向與次序的幾何單元大大減少了其運動中產生的擺動及附加阻力，降低了土垡與底平面的接觸概率，這些因素均有利于犁壁的減黏脫土[3-4]。

1.1.2蜣螂前足曲線擬和仿生。研究發現，蜣螂前足脛節各齒的觸土曲面是由無數特征曲線構成的，其中最具有代表性的是爪趾的外緣輪廓曲線，其他曲線與此相近。因此，對蜣螂的前足脛節外緣輪廓依次進行測量和曲線擬合，分析結果表明，其輪廓線可用以下的二次多項式來描述：y=24.799 5x2-313.992 0x+995.594 0，該多項式的擬合精度為0.993 55，利用ANSYS軟件分析深松鏟耕作過程中的力學性能，得到深松部件的優化參數[5]。該項研究通過對蜣螂的形態特征進行細致的觀察和分析，運用專業軟件進行計算機輔助設計，最終研制出仿生深松鏟，田間耕作試驗表明其具有良好的減阻效果。

1.1.3蜣螂體表電場仿生。除了對蜣螂的體表及足進行模仿研究以外，研究者還模擬蜣螂體表電位的正、負交變電場,將觸土部件作為負極，并找到合適的正極位置，促使土壤中的水分子向負極移動進而形成水膜，以此降低觸土部件與土壤之間的相互作用力，實現減黏降阻。采用這種分離式電滲的方式制備非光滑表面，形成仿生電滲模面。為消除電滲效果的“死區”，研究者將非光滑表面的觸土部件分為多個相間的區域，從而構成正、負交變電場，此種方式獲得了更好的脫附效果。

1.2仿動物鱗片深松犁研究發現，穿山甲與扇貝雖然生活在不同的環境中，但穿山甲的鱗片與扇貝的瓣均具有表面棱紋型的幾何結構，其磨損形式十分相似。故研究者將穿山甲體表鱗片與櫛孔扇貝瓣定為生物原型[6]，通過三維激光掃描、點云處理，分析2種試驗樣品的橫截面輪廓特征點的分布規律，發現2種曲線都有類似正弦函數的特征，所不同的是其振幅的大小，因此可用以下的標準正弦函數方程表達：f(x)=a×sin(bx+c),式中，a、b、c均為實常數，且a、b不為 0。在傳統深松鏟刃結構類型的基礎上設計不同的仿生幾何結構在鏟刃上的分布形式。將仿生棱紋條在鏟刃上的布置方向與土壤沿觸土表面的運動方向設置為垂直，分別按1.0D、1.5D、2.0D 3種分布方式排列。將這3種仿生棱紋形深松鏟與非仿生深松鏟分別進行磨料磨損試驗，結果是3種仿生棱紋形深松鏟刃較非仿生深松鏟的耐磨效果均好，其中1.5D型取得最佳耐磨性。

1.3仿挖掘足深松犁除了以生物的體表為研究對象外，研究者還對善于挖掘的動物進行分析。研究發現，達烏爾黃鼠、小家鼠以及螻蛄的挖掘足形狀具有相同的特征，利用UG9.0軟件中的光柵圖像功能，將獲取的挖掘足圖片插入軟件進行仿形輔助設計，最終將優化后的結構借助CAXA軟件進行編程，以實現數控加工。 根據家鼠鼠趾、達烏爾黃鼠鼠趾以及螻蛄爪趾的外形分別設計不同形狀的深松鏟柄，并對這3種動物挖掘足的仿生深松鏟的減阻效果進行比對[7]。結果表明，仿生爪趾深松鏟比對照深松鏟的耕作阻力明顯減小，且耕作中更容易入土，但不足的是仿生鏟的鏟尖雖然起到耐磨作用，但脫附效果有待提高。

研究者通過觀察熊類挖掘時爪趾的運動形態，發現其與深松鏟的深松過程很相近[8]，故基于仿生學原理，借助MATLAB軟件提取棕熊爪趾的曲線信息，其爪趾內、外側曲線的擬合方程分別為：y1=1 917 000x1-1.658+8.743,式中，x1的取值范圍是116≤x1≤500；y2=5 299x2-0.573 7-1 143，式中，x2的取值范圍是26≤x2≤500，將擬合得到的曲線進行等比例放大，并在國標圓弧形深松鏟的基礎上，設計仿棕熊爪趾的深松鏟柄和鏟尖。但考慮到深松作業時土壤顆粒間的相互粘結，故建立離散元模型，從而進一步直觀地模擬深松鏟與土壤顆粒間的相互作用，并依據仿真結果對仿黑熊爪趾深松鏟結構參數進行優化，結果表明，此種仿生深松鏟大大減小耕作阻力，從而使耕作效果得到改善。

1.4仿蚯蚓深松犁根據蚯蚓能在土壤中活動自如、不易粘土這一現象，深入探究其原因，發現這與蚯蚓體表接觸外界時產生的剪切阻力有關。由于其體表液中的黏蛋白可以有效地黏附住土壤表面顆粒，故體表液層內的剪切阻力比其他界面層邊壁的剪切阻力小，明顯小于蚯蚓直接與土壤接觸時所產生的剪切阻力[9]。對蚯蚓的頭部和體部分別進行體表形貌的潤濕性分析，結果表明，體表背孔和波紋的排列特征對其減黏降阻效果有很大影響。通過設定孔及波紋的數量和排列方式，設計制造出仿生耦合試件，結果表明仿蚯蚓體表形貌試件的減黏降阻效果明顯。

2 深松犁振動降阻技術研究

土壤作用力影響牽引阻力，而合理地利用振動可以減小土壤顆粒之間相互作用力，從而降低牽引阻力，并且不同的土壤特性和地表覆蓋對牽引阻力有一定的影響。振動深松機可降低機具牽引阻力，節省燃油消耗，為蓄水保墑提供可行的作業機具[10-12]，概括來講，振動深松機分為受迫振動和自激振動2類深松機。

2.1受迫振動深松犁非振動深松時，深松鏟的運動狀態可看成勻速運動，而振動深松作業時，深松鏟發生水平及豎直方向的擺動，故其速度和加速度不是固定的[13]。據此，研究者設計一種受迫振動深松機，其振動動力來源于拖拉機的后動力輸出軸，工作時聯軸器將拖拉機的后動力輸出軸的轉動運動傳遞給偏心軸，將轉動轉變為連接器的上下振動，連接板將振動轉變成轉動軸的擺動，從而深松鏟開始振動，以此實現振動深松。這種振動方式不僅能實現振動深松，還能減振，在一定程度上可以緩解拖拉機由深松機振動所帶來的影響。隨后采用正交試驗方法得出影響受迫振動參數的最優組合，并進行驗證，為深松機振動特性分析與性能參數設計提供有力的參考[14]。

除了此種振動方式以外，日本的SAKAI等研制了一種與中型拖拉機配套的四鏵振動深松機，其輸出的動力被傳送到錐齒輪減速器上，再通過鏈輪傳動使曲柄軸開始轉動，連桿在曲柄軸的帶動下進行往復運動，最終深松鏟在前進方向上產生振動，實現深松作業，并取得顯著的減阻效果。

2.2自激振動深松犁與受迫振動原理所不同的自激振動深松機，其振動來自于專門的振動機構。研究者設計一種結構簡單緊湊、入土角可控的自激振動深松機。其自激振動深松裝置主要由彈性減阻單元、深松部件固定部件等組成[15]。該裝置由螺栓將上下固定板連接在機架上，由過載保護銷和鉸鏈將深松鏟與杠桿固接起來。當深松鏟未工作時，調節預緊螺母，減振彈簧使滑塊沿著擺桿滑動，從而帶動杠桿轉動，使杠桿與下固定板一側接觸，此為深松鏟最小入土角的位置。深松鏟入土工作時，深松鏟受土壤阻力作用帶動杠桿轉動，當耕作阻力過大時，杠桿和下固定板另一側相接觸，此為深松鏟的最大入土角位置。該種深松鏟可以調節入土角，根據實際深松入土情況將入土角控制在最佳的范圍內，這種自激振動深松方式可降低牽引阻力29.8%，并且自激振動條件下，入土角可控相對于不可控牽引阻力下降8.9%。

有研究者根據自激式振動減阻方式的振動來源即自激振動、土壤表層凹凸不平、土壤內部緊實度含水率與牽引機械自身振動等方面，將仿生學理論融入設計中，研制出仿獾爪趾的自激式仿生振動深松鏟。結果表明，這種振動式仿生深松鏟的耕作阻力與耕作深度、耕作速度均呈正相關，但受耕作深度的影響相比于耕作速度更加顯著。總的來說，振動式仿生深松鏟比未經振動的仿生深松鏟的耕作阻力明顯減小，且減阻效果非常顯著[16]。

雖然振動深松機能通過振動松碎土塊，有效降低耕作阻力，但振動同時傳遞到拖拉機上給作業者帶來不適，因此研究者設計了一種新型的V型交錯振動深松施肥機[17]，主要包括主機架、動力提供及轉化裝置、交錯往復運動單元、偏心結構單元、深度控制機構和施肥系統等，通過優化深松鏟的結構來改變穿透土壤形式并降低阻力,同時保持振動深松機在工作時的振動穩定性和平衡性，使作業者的工作環境得到改善。結果表明，與不振動深松的工作方式相比，振動深松的牽引阻力顯著降低，且牽引阻力隨著前進速度的增加而增加；土壤平均含水率明顯增加；滑移率、土壤堅實度、土壤容重均明顯降低。

隨著計算機輔助設計技術的發展，研究者從振動式深松機的運動軌跡和運動特性入手，對振動機構進行三維建模和運動仿真分析。結果表明，結構參數振動角對振動式深松機的減阻影響較大，當振動角為負值時，更利于深松犁的減阻。UG運動仿真和ANSYS有限元分析不僅為上述結論提供理論支持，而且提供模擬土壤切削有限元分析的載荷數據。在此基礎上，不斷地進行參數優化，根據仿真結果改進振動式深松機的結構,將改進后的機具借助在線監測裝備進行田間試驗，結果表明，參數優化后的振動式深松機深松后的土壤密度、 堅實度、土壤耕作阻力均有明顯下降[18]。

3 總結與展望

諸多研究表明，以土壤動物等生物為仿生對象研制的深松犁減黏降阻效果顯著，降低能耗的同時進一步促進土壤深松技術的發展。但是目前對仿生深松犁的研究多集中在深松鏟本身的結構參數，對于土壤深松耕作系統中的土壤物理特性以及土壤的交互作用研究則相對較少[19]。此外，研究中大多只對生物原型的外形或結構進行輪廓上的仿生，而動物在運動過程中的發力方式和具體減阻過程需要仔細研究；仿生用的動物原型目前局限性比較大，基本上是土壤動物或者挖掘動物等，所涉及的產品外觀相仿，希望今后研究者能從大自然其他生物中發現靈感，進而應用到仿生犁的研制中。

通過總結前人振動深松犁的研究成果，不難發現振動式深松減阻方式減阻效果明顯。除激振裝置外，幾乎無需增設其他輔助裝置，結構簡單易行，操作方便可靠，并且拖拉機的牽引性能得到明顯改善，發動機的功率利用率得到提高，但是振動式深松機消耗的總功率比非振動深松機高。因此，研發振動式深松機時，需要兼顧功率消耗、發動機的功率利用率等因素[20]。

除了仿生深松犁和振動深松犁2種減黏降阻方式以外，有研究者在深松鏟尖設小孔，在鏟柄上設有2條通道與小孔相通，依靠壓縮機充水使鏟尖土壤得到疏松，此為充氣深松機。還有學者以天然植物纖維為研究對象，利用其低摩擦系數、低黏著、耐磨等力學特性研究生物仿生復合材料，當橫切面纖維與滑動界面處于垂直方向時，試樣表面層一定深度的集體組織首先被磨去，使纖維端頭突出于基體之上，形成一種具有非光滑特征的磨損表面幾何形態，磨料粒子在這種形態的表面上易產生滑動，使得生物纖維復合材料表現出很強的耐磨性和減黏降阻特性[21]。因此，今后還可在仿生植物纖維復合材料等方面尋求深松犁新的減阻方式。

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科技論文寫作規范——標點符號

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