仿生幾何結構表面深松鏟鏟尖設計與試驗*

王曉陽，潘睿，強華，張智泓，武時會，薛忠, 4

(1.重慶人文科技學院機電與信息工程學院，重慶市，401524；2.中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東湛江，524091；3.昆明理工大學現代農業工程學院，昆明市，650500;4.中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所，廣東湛江，524091)

0 引言

針對北方旱作區保護性耕作技術的研究，從優化機具關鍵部件、農機農藝融合等方面已經獲得了相應的解決方法[1]。李洪文等[2]通過優化機具，設計出可調翼鏟式深松機，能夠適用于地表不平、種床較差的耕作環境。針對南方紅壤土保護性耕作的研究，深松技術研究較少，實際還處于淺耕。機械化深松技術主要取決于研究大功率拖拉機相配套的高效和高強度的機具。高強度機具研究中，對于深松鏟在深松過程中的受力分析研究發現，深松鏟受力位置主要在深松鏟鏟尖和鏟柄，由于工作過程中存在配套動力不足和耕作阻力大的難題[3]，傳統深松機具的設計已經無法滿足減阻要求，設計具有優異減阻性能的仿生幾何結構表面成為了地面機械觸土部件高效減阻研究的發展趨勢[4]。

仿生學的研究對于解決工程實際中阻力大的問題具有重要影響[5]。楊玉婉等[6]通過研究鼴鼠多趾結構，設計出具有良好性能的仿生切土刀片。郭志軍等[7-8]對田鼠爪趾輪廓線進行研究，通過改變輪廓曲線的曲率，設計了9種減阻性能較優的仿生曲面推土板。馬云海等[9]對獾爪趾的表面曲線進行研究，將獲得的擬合曲線方程運用到挖掘機斗齒，設計出具有優異減阻性能的仿生幾何結構的斗齒。結合西南地區機耕面積呈逐年增加的趨勢，針對長期的牲畜耕作導致土壤板結嚴重，緊實易板結[10]，紅壤土黏附力大，深松過程中土壤黏附嚴重，耕作阻力大等難題，研究解決西南地區紅壤土在傳統深松耕作過程中阻力大的難題，具有重要的現實意義。本研究采用工程仿生[11]的方法，利用洞穴類生物與土壤相互作用具備的優異減阻特性，優化設計出具有優異減阻特性的深松鏟鏟尖，解決了西南地區深松機具耕作過程中阻力大的難題。

1 仿生幾何結構表面深松鏟鏟尖設計

1.1 仿生材料與提取方法

克氏原螯蝦生活在濕潤環境中與土壤接觸后具有不黏土特性，運動中阻力較小；砂魚蜥生活在含水率較低的沙粒中，在土壤中能夠快速的游動，具有較優的減阻特性。克氏原螯蝦[12]和砂魚蜥[13]的生存環境以及其在運動過程中具備的減阻特性，為仿生原型的選擇提供了理論研究基礎。

根據Raabe[14-16]、Sachs[17]和Romano[18]等對克氏原螯蝦的試驗研究以及Staudt等[19]對砂魚蜥表皮的試驗結果，通過掃描電鏡進一步微觀觀察，如圖1所示，發現克氏原螯蝦主要減阻部位是頭胸部外骨骼微刺—凸包幾何結構，砂魚蜥背部體表主要耐磨表面是微刺—鱗片幾何表面。通過掃描電鏡觀察，如圖2所示，獲得掃描電鏡微觀結構。

(a)克氏原螯蝦

(a)微刺—凸包

將兩者仿生結構和表面進行耦合設計，獲得具有優異減阻性能的仿生幾何結構表面，通過優化設計研究，將設計的仿生幾何結構表面運動到深松鏟鏟尖，進行試驗考察其減阻性能。

1.2 仿生結構設計

基于克氏原螯蝦表面的微刺—凸包幾何結構和砂魚蜥體表微刺—鱗片幾何表面。Soni等[20-21]設計了不同尺寸的凸包單元，引入了高徑比(HDR)作為描述凸包形狀的參數，將凸包單元安裝于鏵式犁，使用自行設計的試驗臺測試其前進阻力和法向黏附力，結果表明，HDR≤0.5的凸包單元可降低10%～30%的前進阻力和10%～60%的法向黏附力。本設計以高徑比(HDR)作為參數選擇原則，結合微觀觀察尺寸結構，設計凸包尺寸底部直徑為12 mm，高度為1.8 mm。微刺設計參考凸包設計原則，設計微刺高度為1.8 mm，厚度為0.5 mm，為使仿生面積占比均勻，設計的仿生幾何結構表面積占深松鏟鏟尖表面積的占比在45%～55%之間。本文設計的6種鏟尖中，傳統鏟尖a參照JB/T 9788—1999進行設計，參數如圖3所示。優化設計出仿生凸包幾何結構表面鏟尖、仿生微刺—凸包幾何結構表面鏟尖、仿生鱗片表面鏟尖、仿生微刺—鱗片表面鏟尖、仿生微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖。將6種表面的鏟尖定義為a、b、c、d、e、f，如圖4所示。其中微刺—凸包，微刺—鱗片仿生結構表面部分尺寸如圖5所示。仿生鏟尖b表面為凸包結構，仿生鏟尖c表面為微刺—凸包結構，仿生鏟尖d表面為鱗片表面，仿生鏟尖e表面為微刺—鱗片表面，仿生鏟尖f表面為微刺—凸包結構和微刺鱗片表面混合的表面結構。本設計通過保證仿生結構表面在傳統表面的表面積占比近似，避免了由于仿生面積占比不均勻導致誤差較大。同時為保證加工精度及對比的準確性，6種鏟尖加工制造均采用PLA聚乳酸材料3D打印成型。PLA聚乳酸材料具有較強的拉伸性能，沖擊強度方面性能顯著，綠色環保[22]。

圖3 傳統深松鏟鏟尖

圖4 6種三維鏟尖模型

(a)微刺—凸包

2 土槽試驗

2.1 試驗平臺搭建

本試驗在昆明理工大學現代農業工程學院完成，土槽試驗的土壤選擇云南地區耕作后的紅壤土，試驗過程中每次對土壤進行鎮壓處理，以保證土壤堅實度，減少對試驗造成的誤差。

試驗平臺采用BELS-2S型拉力傳感器和BSFY-1型信號放大器，Arduino開發板，SD卡模塊、SD卡以及筆記本電腦作為數據采集系統的硬件裝置，軟件系統采用Arduino軟件系統，通過在Arduino系統中編寫拉力傳感器受力采集程序，獲得在耕作過程中受到的牽引阻力。Arduino開發板和SD卡模塊，如圖6所示；測力系統，深松鏟與拉力傳感器連接示意圖，如圖7所示。測試系統通過在Arduino軟件中編寫數據采集程序，在串口監測窗口通過觀測電壓輸出，根據輸出值與力值的比例關系，換算獲得相對應的受力值。

圖6 SD卡模塊和開發板接線圖

圖7 測力系統

2.2 試驗方法

本試驗基于Arduino軟件系統，利用Arduino開發板編寫了可以采集電壓的程序，通過監測電壓輸出，將電壓值采集到SD卡中，從而獲得在耕作過程中連續受到的牽引阻力。試驗選取相同深松深度，在兩種不同含水率的情況下，對比6種不同表面的鏟尖在3種牽引速度情況下，深松鏟在工作過程中受到的牽引阻力，每組牽引阻力試驗進行5次，取5次牽引阻力的平均值為不同水平試驗條件下所受牽引阻力。

2.3 牽引阻力分析

通過土槽試驗，測試在深松深度為250 mm的情況下，選用含水率為18.11%和12.57%，6種不同結構表面的鏟尖在3種深松速度下的牽引阻力，測試結果如表1所示。

表1 6種鏟尖的牽引阻力值

1)當含水率為18.11%時，隨著深松速度的增加，相同表面的鏟尖牽引阻力呈逐漸減小的趨勢。在深松速度相同的條件下，由于鏟尖不同的表面結構，改變了深松鏟鏟尖與土壤的相互作用的受力關系，產生了不同的牽引阻力。深松速度為0.4 m/s時，6種結構表面的鏟尖產生的牽引阻力值波動最大。

當含水率為18.11%時，深松速度相同的情況下，對比傳統鏟尖a，可以觀察到，仿生鏟尖c受到的牽引阻力最小；仿生鏟尖b較仿生鏟尖f的減阻能力較弱，仿生鏟尖d和仿生鏟尖e的減阻能力最小。結合克氏原螯蝦在較高含水率的情況下，利用體表微刺—凸包結構與土壤相互作用，表現出優異的減阻特性，優化設計了具有微刺—凸包結構、減阻性能較強的仿生鏟尖c。

2)當含水率為12.57%時，隨著深松速度的增加，相同表面的鏟尖牽引阻力呈逐漸減小的趨勢，與含水率為18.11%時情況相似。在相同深松速度的條件下，與含水率為18.11%時鏟尖牽引阻力值波動情況對比，可以得到含水率較低時，具有不同結構表面的深松鏟鏟尖牽引阻力值同樣具有較大的波動。與含水率為18.11%時鏟尖牽引阻力值波動情況不同點在于波動最大情況出現在深松速度為0.6 m/s時，出現此種現象的原因是，相對于含水率為18.11%，含水率降低后微刺—鱗片表面體現出優異的減阻特性，設計的微刺—鱗片表面利用砂魚蜥在含水率較低時，較高的爬行速度下體表優異的減阻特性。

當含水率為12.57%時，在相同深松速度的情況下，與傳統鏟尖a對比，仿生鏟尖f受到的牽引阻力最小，其次是仿生鏟尖c，仿生鏟尖b較仿生鏟尖c的減阻能力較弱，仿生鏟尖d、e的減阻能力最小。產生此種現象的原因是與含水率為18.11%對比，此時含水率降低，微刺—鱗片表面表現出較優的減阻特性，通過對比5種仿生鏟尖，可以看出從凸包結構到微刺—凸包結構，鱗片表面到微刺—鱗片表面的減阻特性逐漸增強。在含水率為12.57%時，具有仿生微刺—凸包—鱗片表面混合鏟尖減阻能力最優。

2.4 降阻率分析

深松深度為250 mm時，以傳統鏟尖a受到的牽引阻力為基準，計算不同含水率和深松速度條件下降阻效率如式(1)所示。通過計算可得到在兩種含水率，3種深松速度情況下，5種仿生幾何結構表面鏟尖的降阻率，如表2所示。

表2 仿生幾何結構表面鏟尖降阻率

(1)

式中：F——傳統鏟尖牽引阻力；

F0——具有仿生結構表面鏟尖的牽引阻力。

由表2可以看出，3種深松速度條件下，仿生鏟尖c和仿生鏟尖f的降阻率較高；含水率為18.11%時，仿生鏟尖c的降阻率優于仿生鏟尖f，在牽引速度為0.2 m/s時，深松鏟受到的牽引阻力較大，仿生鏟尖c的降阻率最優；含水率為12.57%時，仿生鏟尖f的降阻率優于仿生鏟尖c，在牽引速度為0.6 m/s時，牽引阻力隨著深松速度的增加逐漸降低，仿生鏟尖f的降阻率最優。

分析兩種含水率條件下，不同仿生幾何結構表面的深松鏟鏟尖的降阻率，可以得到：含水率較高的情況下，土壤水分較多，微刺—凸包幾何結構的減阻特性較為明顯；含水率較低的情況下，微刺—鱗片表面減阻特性較為顯著；對比單獨的凸包結構和鱗片結構，反映出微刺結構在減阻效果上起到增強特性，并且隨著含水率的改變，從微刺—凸包結構過渡到微刺—鱗片，仿生幾何結構表面減阻特性逐漸改變。考慮到西南地區土壤特性，在含水率較低的情況下，具有微刺—凸包—鱗片混合表面結構的鏟尖減阻能力較優。

從表2可以看出，含水率較高時，具有微刺—凸包幾何結構表面鏟尖具有最優的減阻能力，其次是微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖；隨著深松速度的增加，微刺—凸包幾何結構表面鏟尖體現出減阻能力明顯優于微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖的性能；含水率較低時，具有微刺—凸包—鱗片混合表面的鏟尖與微刺—凸包幾何結構表面鏟尖具有較優的減阻能力，具有微刺—凸包—鱗片混合表面的鏟尖在減阻性能上略優于微刺—凸包幾何結構表面鏟尖。

2.5 鏟尖黏附土壤觀察分析

從宏觀角度觀察試驗后的6種結構表面的鏟尖，如圖8所示。從圖8可以觀察到鏟尖表面微刺處積聚有土壤，由于微刺為分叉幾何結構，在與土壤作用過程中，土壤會優先作用于微刺結構，并積聚在微刺處，形成對于深松鏟鏟尖表面的土壤覆蓋層，因此會減少表面與土壤的相互作用力，從而降低了鏟尖表面與土壤的相互作用力，達到了仿生幾何結構表面鏟尖減阻優于傳統鏟尖的試驗效果。試驗后的鏟尖表面黏附的土壤多集中在仿生幾何結構的前半部分，后半部分黏附土壤較少，分析可得前半部分在積聚土壤的過程中，降低了鏟尖對后半部分的土壤黏附，與傳統鏟尖表面直接接觸土壤相比，降低了與土壤黏附的表面積，降低土壤顆粒之間的相互作用力，達到了減阻的效果。

圖8 6種鏟尖土壤黏附照片

3 結論

1)根據克氏原螯蝦和砂魚蜥的生存環境以及體表具備的優異減阻性能，引入了高徑比(HDR)參數選擇原則，設計出凸包尺寸底部直徑為12 mm，高度為1.8 mm；微刺高度為1.8 mm，厚度為0.5 mm。優化設計出仿生凸包幾何結構表面鏟尖、仿生微刺—凸包幾何結構表面鏟尖、仿生鱗片表面鏟尖、仿生微刺—鱗片表面鏟尖、仿生微刺—凸包—鱗片表面混合鏟尖。

2)相同深松深度下，含水率為12.57%和18.11%，耕作速度為0.2 m/s、0.4 m/s和0.6 m/s情況下，測試5種具有仿生幾何結構表面的鏟尖在深松耕作過程中受到的牽引阻力。根據試驗結果分析可得，具有耦合仿生表面結構的仿生微刺—凸包幾何結構表面鏟尖、仿生微刺—凸包—鱗片混合表面鏟尖具有較優的減阻能力。與傳統鏟尖相比，優化設計的耦合仿生幾何結構表面鏟尖具有較高的降阻率，在含水率為18.11%，深松速度為0.4 m/s時，具有仿生微刺—凸包結構的鏟尖c牽引阻力值為65.82 N，降阻率最大達到20%以上；在含水率為12.57%，深松速度為0.6 m/s時，具有仿生微刺—凸包—鱗片表面混合鏟尖f牽引阻力值為58.31 N，降阻率達到15%以上，表面含水率較低時，仿生微刺—鱗片表面具有較優減阻特性。