滅茬仿生刀片研究

文立閣 李建橋 龐浩

摘 ?要：現代仿生學研究表明，許多生物經過長期與自然界進行物質、能量及信息交換，造就了適應生態(tài)環(huán)境的優(yōu)良系統。典型土壤動物螻蛄生存在土壤及作物根茬環(huán)境中，其爪趾經過億萬年的進化，逐步形成了優(yōu)良的幾何形狀和生物力學功能，不但可有效挖掘切削，且具有優(yōu)良的減粘脫土降阻功能。本文對螻蛄開掘爪趾的排列幾何形態(tài)和爪趾輪廓曲線分析，設計了5種仿生滅茬刀，為高性能旋耕滅茬刀具的幾何形狀及力學性能的優(yōu)化提供了仿生研究的基礎。

關鍵詞：仿生;螻蛄;滅茬刀;減阻

1開挖掘爪宏觀形態(tài)分析

1.1 螻蛄開掘爪趾形體分析

螻蛄具有前、中、后三對爪，但具有挖掘功能的僅為前爪，其它爪趾則起到在挖掘過程中的支撐或挖掘后推擁土的作用。其前爪被稱為開掘爪，其特點是各節(jié)粗短強壯，脛節(jié)扁平，端部有4個發(fā)達的爪趾，呈齒狀，鋸齒形排列。跗節(jié)有3節(jié)，極小，著生在脛節(jié)外側。

1.2 螻蛄開掘爪趾角度分析

通過圖像分析測量了螻蛄爪趾之間的角度，發(fā)現爪趾1和爪趾2之間的角度為 ，爪趾2和爪趾3之間的角度為 ，爪趾3和爪趾4之間的角度為 。若把爪趾視為鋸齒，爪趾之間夾角即為鋸齒齒尖角，齒尖角在 - 之間符合常用三角鋸齒參數[1]。通過測量得到爪趾1的錐角度為 ，爪趾2的錐角度為 ，爪趾3的錐角度為 ，爪趾4的錐角度為 ，研究表明[2]，當楔入速度很低時，當楔角大于 時，楔前就會出現被壓實的土核，而被壓實的土壤易于聚集楔端部而粘附于楔面上，并作為楔的粘結部分隨其運動，增大阻力。螻蛄的挖掘爪趾較銳利，這與耕作部件楔角隨阻力變化最小角度在 - 相符合，有利于開掘土壤。

2螻蛄開掘爪趾輪廓分析

螻蛄單個開掘爪趾頂端圓鈍且兩側成凸曲線型，可以減少應力集中，增強生物材料與環(huán)境條件相適應的機械強度，提高對土壤磨損的耐磨性[4]。為考察爪趾頂端圓鈍及其兩側曲線的確切狀況，研究了經掃描電鏡放大50倍的螻蛄開掘爪的最大趾輪廓曲線，如圖1a所示。

對圖1b中的數據分析表明，該曲線接近于二次拋物線，圖中也給出了二次拋物線相應的趨勢線圖線，表達式為式（2），二次多項式的擬合度為R2=0.944，雖沒有四次多項式精確，但也可用來近似表達原曲線。因此，四次多項式能對螻蛄爪趾頂端圓鈍的俯視輪廓線給出較為精確的描述，在精度要求不高時，二次拋物線也可以用來近似表達螻蛄爪趾輪廓形態(tài)。

3仿生滅茬刀的設計

3.1仿生設計分析

對螻蛄開掘爪爪趾輪廓進行了曲線擬合，得出了其開掘爪的體征信息。對爪趾在爪上分布的結構進行幾何分析，得到了鋸齒形的仿生學幾何特征參數。

常用的L型滅茬刀主要切割部位-正切刀刃與秸稈作用時存在著滑切，因此對其正切刃進行了仿生設計，引入了螻蛄開掘爪趾在爪上的分布及爪趾形態(tài)。設計的仿生滅茬刀如圖2所示。

3.2仿生滅茬刀鋸齒設計

三角鋸齒各參數概念[1]如圖2a所示， 為齒距、 為齒高、 為齒尖角、 為齒喉角、 為齒背角，其中：齒尖角（ ）+齒背角（ ）+齒喉角（ ）=90°，齒距（ ）4-8mm，齒高（ ）與齒距（ ）的比為0.6-0.8之間。

本文設計并加工出了5種仿生滅茬刀，加上原型滅茬刀，共6把滅茬刀，如圖2b所示。由上往下仿生滅茬刀的齒喉角 依次為0°、-15°、-22.5°、-35°、-50°。

結論

1）對土壤動物螻蛄的開掘爪趾進行了攝像分析，并且進行了開掘爪趾的輪廓曲線擬合，得到4次曲線方程。

2）通過對爪趾的形態(tài)和爪趾在爪上分布幾何特征分析，并借鑒了常用三角齒鋸齒尺寸，共研制5種仿生滅茬刀，為以后試驗提供了仿生滅茬刀片。

參考文獻

[1] ?周之江.木工修鋸技術[M].北京：中國林業(yè)出版社，1981.

[2] ?Gill，W.R. Vanden Berg，G.E. Soil dynamics in tillage and traction[M]. Agricuture Handbook No.316. United States Department of Agiculture，1967.

[3] ?郭志軍.高性能仿生深松部件研究及切削部件與土壤相互作用的有限元分析[D].長春：吉林大學，2002

[4] ?蔣金琳.玉米免耕播種機切茬挖茬裝置研究[D].北京：中國農業(yè)大學，2004.

作者簡介：文立閣，1967.05，男，漢，吉林省長春市，副教授，工學博士，研究方向：地面機械及機械CAD方向。