仿生减阻深松铲设计与试验.pdf

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1、2014年4月农业机械学报第45卷第4期doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2014．04．022仿生减阻深松铲设计与试验术张金波佟金马云海(1．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130025；2．佳木斯大学机械工程学院，佳木斯154007)摘要：将小家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能应用于深松铲减阻结构设计中，设计了铲柄破土刃口为指数函数曲线型减阻深松铲。为了对比耕作阻力，应用仿生减阻深松铲与传统深松铲进行了田间深松耕作试验。结果表明，耕深和前进速度对耕作阻力均有显著影响，且耕作阻力随着耕深和前进速度的增大而增大。在相同试验条件下，仿生减阻深松铲与传统深

2、松铲相比，耕作阻力降低8．5％一39．5％，减阻效果明显。关键词：深松铲结构设计指数曲线减阻耕作阻力中图分类号：$222．129文献标识码：A文章编号：1000—1298(2014)04—0141-05壤挖掘性能应用于深松铲减阻结构设计中，设计仿引言生深松铲，并与传统圆弧形铲柄深松铲进行耕作阻传统的耕作方式连年耕作，导致土壤压实严重、力的对比分析。耕层变浅、土地板结，致使土壤有机质含量下降、蓄1仿生减阻深松铲水能力差、透气性和透水性降低，作物的根系发展空11rJ．6802468O2间减小，产量下降¨。深松作为少耕或免耕农作1．1深松铲减阻结构设计原理的一种重要模式，已经在全

3、世界范围内得到了广泛根据文献[4]的研究，小家鼠的爪趾在掘洞过应用。深松技术可以大幅增加作物的产量，尤其程中表现出高效的土壤挖掘性能，不仅能够轻而易是深根系作物的产量，是一项重要的增产技术。举地切下任何坚硬的土壤，而且速度很快。对小家然而，在深松过程中的耕作阻力过大一直未能得到鼠的爪趾研究发现，爪趾纵剖面上轮廓线具有指数很好的解决。函数曲线的特征，如图1所示。目前，国内外针对这一问题开展了广泛的研究工作。邱立春等设计了自激振动式深松铲。李艳龙和Shahgoli等设计了受迫振动式深松铲。周桂霞等采用通径系数法对深松铲的结构参数与牵引阻力的关系进行了深入研究¨⋯。近几年，仿生学

4、在农业上的应用越来越受到人们的重视。将动物的某些优良的土壤工作特性应用于耕作部件的减阻结位置~X／mm构设计中已经成为农业耕作领域研究的一大热点。图1小家鼠爪趾纵剖面上轮廓线张强等设计了仿生钩形深松铲，并进行了室内土槽Fig．1Uppercontourlineoflongitudinalprofileof耕作阻力测试和有限元模拟分析。龚皓晖等设clawofMUSmusculus计了仿生鼠趾深松铲，并与传统圆弧形深松铲在室采用回归分析方法得到爪趾纵剖面上轮廓线的内土槽进行了耕作阻力对比试验和有限元模拟分回归方程为析。y=一66．61e。。”+1778e一。本文在原有传统深松铲

5、的基础上进行改进，在．深松铲的铲柄破土刃口具有与小家鼠爪趾挖掘不增加制造成本的前提下将土壤洞穴动物高效的土收稿日期：2叭3一l0—26修回日期：2013—12—1l国家自然科学基金资助项目(51075185)、吉林省科技引导计划资助项目(20100711)、吉林大学研究生创新基金资助项目(20121096)、黑龙江省教育厅科技研究资助项目(12531700)和佳木斯大学科技面上资助项目(L2012—0l1)作者简介：张金波，博士生，佳木斯大学讲师，主要从事农业耕作机械减阻及磨损研究，E—mail：zhan鲥inp09872@sina．tom通讯作者：佟金，教授，博士生导师，

6、主要从事农业工程仿生理论与技术和仿生摩擦学研究，E—mail：jtong@jlu．edu．CB142农业机械学报土壤相似的工作方式，而且深松铲的工作阻力大部分来自刃口对土嚷坚实层的犁削作用。小家鼠爪趾的高效挖掘特性为深松铲仿生设计提供了设计依据。1．2仿生减阻深松铲设计深松铲的整体结构一般包括安装部分和工作部分。如图2所示，段为铲柄与机架的连接段，日、c为工作部分，其中段为破土刃口，c段为铲尖及其安装段。将小家鼠挖掘足爪趾纵剖面上轮廓线的结构特征及参数转换为深松铲破土刃口曲线的技术参数，将轮廓曲线经适当放大后应用于铲柄破土刃口B段的结构设计中，并与铲柄、铲刃安装段圆滑连图3

7、指数函数曲线型仿生减阻深松铲柄接。为提高深松铲对土壤的犁削破碎性能，破土刃Fig．3Bionicanti—dragshaftwithexponentialCHIVefeature口段横截面设计为楔形，刃口夹角为60。。2田间试验2．1试验条件试验在吉林省长春市吉林农业大学试验田内进行。牵引机为长拖农业机械装备集团有限公司生产的CT904型拖拉机。试验过程中拖拉机的牵引速度设定2个水平，2．0km／h(慢IlI)和3．6km／h(快Ⅲ)。耕深D设定为250和350mm。传统圆弧形深松铲和仿生减阻深松铲在相同试验条件下