仿生耐磨減阻深松鏟的研究現狀

西南林業大學 陳紅艷 陳文剛 代炳貴 李祖陽

前言

深松作業將土地深度松耕，使土壤撕裂、擠壓和擾動，從而打破犁底層，改善土壤的結構，增強土壤蓄水保墑能力、抗旱防澇能力和土壤肥力，是在農業生產中廣泛使用的保護性耕作技術。深松技術的實現主要依賴于深松機械的應用，但深松機械在作業過程中的耕作阻力過大、觸土零部件磨損嚴重問題一直未能得到很好地解決。因此，深松機械配套使用的深松鏟制造材料就必須要有較高的硬度、耐磨性和良好的沖擊韌性，研究優化深松鏟的抗磨減阻性能具有極其重要的意義。

很多與土壤長期接觸的動物在千百年的進化過程中，其身體各部位結構及表面紋理結構具有較好的減阻抗磨特點，基于此，研究者在觸土農業機具結構仿生優化減小阻力方面進行了大量的計算機仿真及試驗研究工作。而在深松鏟相關研究中有一些研究者也進行了一些有益的嘗試。為了更好地促進此項技術的發展和廣泛應用，本文對仿生深松鏟的耐磨減阻性能研究進行分析和總結，并對仿生耐磨減阻深松鏟今后的研究工作進行展望。

1 深松鏟的生物仿生原型及仿生方法

在深松鏟的仿生設計上，仿生原型包括螻蛄、竹鼠、田鼠、家鼠、達烏爾黃鼠、鼴鼠、狗獾、棕熊、黑熊、穴兔、蟻獅幼蟲、克氏原螯蝦、砂魚蜥、穿山甲、鯊魚、蚯蚓、夏威夷貝、櫛孔扇貝、蜣螂、金龜子、海豚等動物，將其爪趾形態、肢體運動方式和體表特殊的幾何結構等應用于深松鏟的設計中，優化深松鏟的抗磨減阻、減粘脫附性能和作業效果。而仿生方法包括以生物爪趾形態特點仿生、生物體表面特殊幾何結構特征仿生和復合仿生三種類型。

2 動物爪趾形態仿生深松鏟

動物爪趾已經進化成適合于挖掘的特殊結構，其輪廓曲線具有優良的挖掘效果，具有挖掘時爪趾對土壤的粘附性小等優異特性，因此受到了廣大研究者的青睞。

洪英[1]等以達烏爾黃鼠爪趾曲面輪廓形態為仿生原型，設計了仿生彎曲型深松部件，大大降低了工作阻力。王彬等[2]以家鼠爪趾輪廓形態為仿生原型，設計出北方玉米地仿生振動式深松機，減阻率達10%～17%。白景峰等[3-4]基于狗獾爪趾形態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和一種仿生振動減阻深松鏟，減阻效果明顯。姚克恒等[5]擬合穿山甲挖穴爪趾曲線設計深松鏟鏟體曲面，能有效實現深松機的減阻降耗。李博[6]將棕熊爪趾結構和入土角為30°時的黑熊爪趾曲線應用于深松鏟的優化中，基于離散元法分別設計出了棕熊爪趾仿生深松鏟和黑熊爪趾仿生深松鏟，其中棕熊爪趾仿生深松鏟的減阻效率為10.99%～26.81%，黑熊爪趾仿生深松鏟的耕作性能是凱斯深松鏟的9.5 倍。為解決深松機械耕作阻力大，深松鏟磨損嚴重、適應性不強等問題，張金波等[7]模仿小家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能設計了鏟柄破土刃口為指數函數曲線型的減阻深松鏟，田間試驗結果表明，仿生減阻深松鏟與傳統深松鏟相比耕作阻力降低了8.5%～39.5%。

3 生物體表面幾何結構仿生深松鏟

國內外在生物體表的非光滑結構仿生表面減摩及減阻特性有限元仿真及試驗研究方面也有許多研究者進行了有益的探索。

邱兆美等[8-9]利用蚯蚓波紋表面的降阻機制設計深松鏟波紋形觸土表面，仿真分析結果表明仿生深松鏟的耕作阻力明顯低于原深松鏟，且理論使用壽命高于原深松鏟。夏威夷貝殼體表面受砂石的磨損形式與土壤對深松鏟的作用形式比較相似，鮑洋清[10]以此為基礎，應用夏威夷貝殼體外表面的棱紋結構設計了14 種不同形狀的仿生密肋深松鏟，其中肋角45°、肋寬30mm、肋數為6 的仿生深松鏟減阻效果最佳。牛紀蘋等[11]仿鯊魚盾鱗微結構，分別設計并制造了兩種具有連續和不連續微結構的仿生鑿形深松鏟。通過有限元模擬和試驗分析表明，與傳統的深松鏟相比，具有不連續微結構表面的仿生深松鏟，垂直方向阻力可降低24.8%、水平方向阻力可降低21.3%，能夠有效降低耕作阻力和土壤粘附力。張智泓等[12]以砂魚蜥頭部的幾何特征為仿生原型，設計了3 種仿生深松鏟尖，所需牽引力要比鑿型鏟尖更低，其中B-S-2 型仿生鏟尖和鑿型鏟尖相比減阻效果最好，減阻率達到8.34%～19.31%。羅曉峰[13]構建仿生表面結構結合控制工藝（設置冷鐵）來設計結構/材料二元耦合仿生表面結構，并用砂型鑄造制備球墨鑄鐵材料試樣進行實驗。結果表明，耦合仿生表面結構顯微硬度值平均比芯部基體提高35.71%，磨料磨損實驗磨損量最小，能兼顧部件的耐磨性和機械性能，有利于降低土壤粘附，具有一定的減阻效果，基于此設計的耦合仿生雙翼型深松鏟尖在一定程度上減小耕作阻力。張廣凱[14]研究克氏原螯蝦的減粘降阻和耐磨機理，設計了仿生單微刺- 凸包深松鏟、仿生雙微刺- 凸包深松鏟、仿生三微刺- 凸包深松鏟。土槽試驗驗證結果表明在土壤含水率為20.62%時，仿生三微刺- 凸包深松鏟鏟尖減阻效果優于仿生凸包深松鏟鏟尖和普通深松鏟鏟尖，減阻效果最好。摩擦磨損試驗結果表明在相同試驗條件下，仿生雙微刺- 凸包非光滑表面的耐磨性能優于仿生凸包非光滑表面和光滑表面，磨損量最少。

4 復合仿生深松鏟

為了實現全方位的仿生來達到減磨抗磨的作用，目前在結構及表面復合仿生方面也有研究者進行了研究工作。

趙永來等[15]應用海豚胸鰭外輪廓特征曲線設計了深松鏟鏟尖、應用海豚背鰭外輪廓特征曲線設計了深松鏟鏟柄，將海豚流線型鰭結構特征曲線運用于深松鏟的整體設計，輔以加注氣壓，設計出了氣壓耦合仿生減阻深松鏟。胡偉等[16]提取竹鼠爪趾曲線用于優化深松鏟鏟柄，提取蟻獅幼蟲背部輪廓線用于優化深松鏟鏟尖，設計出3 種復合仿生偏柱式深松鏟，可有效減小深松阻力，最大可減阻12.92%。王曉陽等[17]將克氏原螯蝦頭胸部外骨骼微刺- 凸包（如圖1a）減阻幾何結構和砂魚蜥背部體表微刺- 鱗片（如圖1b）幾何耐磨表面進行耦合設計，獲得具有優異減阻性能的仿生凸包、微刺-凸包、仿生鱗片、微刺- 鱗片和微刺- 凸包- 鱗片混合表面5 種仿生幾何結構表面（如圖2），并運用到深松鏟鏟尖的優化設計中，通過土槽試驗表明，仿生鏟尖具有較優的減阻能力。甘帥匯[18]綜合應用砂魚蜥頭部正弦運動特征和頭部特殊幾何結構設計復合仿生深松鏟，減阻率為9.31%。張金波[19]將櫛孔扇貝殼體表面和穿山甲體表鱗片表面放射狀的棱紋形幾何結構應用于深松鏟刃的耐磨設計中，將小家鼠的爪趾結構應用于深松鏟柄破土刃口曲線結構設計中，設計出的仿生深松鏟刃耐磨性能顯著提高，仿生深松鏟柄具有優良的減阻性能。龔皓暉等[20]模擬金龜子前足脛節結構和家鼠爪趾結構設計的仿生深松鏟受到的牽引阻力比JB/T 9788-1999 更少，功耗降低了20.6%。朱鳳武[21]結合金龜子前足脛節齒頂端外緣輪廓線和齒的外緣輪廓線形狀的拋物線規律，優化設計了深松鏟的形狀參數。王立冬[22]對狗獾爪趾曲線和穿山甲鱗片表面結構特征進行分析，設計出了雙耦合仿生減阻深松鏟，運用離散元法仿真模擬和田間試驗驗證得出雙耦合仿生減阻深松鏟的減阻、防粘附性能較好。

圖1

圖2 a 為傳統鏟尖，b、c、d、e、f 為復合仿生鏟尖

5 總結和展望

綜上所述可得，以具有耐磨減阻特征的動物爪趾、生物表面特殊幾何結構為仿生對象，研制的仿生深松鏟和復合仿生深松鏟減阻效果顯著，能有效解決深松鏟工作阻力大、磨損嚴重的問題，研究的理論成果為后續的仿生深松鏟研究提供了良好的借鑒。

但是目前對仿生深松鏟的研究，多是結合仿生原型的結構形狀，對生物體的外形或輪廓進行結構仿生和表面仿生，只針對深松鏟的結構進行優化，仿生的生物原型則是以水生動物和土壤動物為主，較為局限，而將仿生與表面改性技術、土壤電滲、振動脫附等方法結合的研究先例較少。實際上蚯蚓粘液、鳥類羽毛、臭蜣螂頭部轉動的力學特性以及植物的很多微觀結構都是具備減粘脫附、減阻降磨作用的。因此，在未來的研究中，可以向生物力學特性仿生、功能特征仿生方面拓展。在仿生原型上，將鳥類、植物等的耐磨減阻特征作為新的仿生探索領域；在研究方法上，可以嘗試將仿生設計與其他技術方法相結合，使仿生深松鏟的抗磨減阻性能得到更好的優化改善，研制出更加適用于現代農業生產實際的仿生耐磨減阻深松鏟。