滅茬仿生刀片研究

文立閣 李建橋 龐浩

摘 ?要：現(xiàn)代仿生學(xué)研究表明，許多生物經(jīng)過長期與自然界進(jìn)行物質(zhì)、能量及信息交換，造就了適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)良系統(tǒng)。典型土壤動(dòng)物螻蛄生存在土壤及作物根茬環(huán)境中，其爪趾經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，逐步形成了優(yōu)良的幾何形狀和生物力學(xué)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(duì)螻蛄開掘爪趾的排列幾何形態(tài)和爪趾輪廓曲線分析，設(shè)計(jì)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(xué)性能的優(yōu)化提供了仿生研究的基礎(chǔ)。

關(guān)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(duì)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(diǎn)是各節(jié)粗短強(qiáng)壯，脛節(jié)扁平，端部有4個(gè)發(fā)達(dá)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(cè)。

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(xiàn)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(shù)[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(dāng)楔入速度很低時(shí)，當(dāng)楔角大于 時(shí)，楔前就會(huì)出現(xiàn)被壓實(shí)的土核，而被壓實(shí)的土壤易于聚集楔端部而粘附于楔面上，并作為楔的粘結(jié)部分隨其運(yùn)動(dòng)，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(gè)開掘爪趾頂端圓鈍且兩側(cè)成凸曲線型，可以減少應(yīng)力集中，增強(qiáng)生物材料與環(huán)境條件相適應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度，提高對(duì)土壤磨損的耐磨性[4]。為考察爪趾頂端圓鈍及其兩側(cè)曲線的確切狀況，研究了經(jīng)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(duì)圖1b中的數(shù)據(jù)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(yīng)的趨勢線圖線，表達(dá)式為式（2），二次多項(xiàng)式的擬合度為R2=0.944，雖沒有四次多項(xiàng)式精確，但也可用來近似表達(dá)原曲線。因此，四次多項(xiàng)式能對(duì)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(shí)，二次拋物線也可以用來近似表達(dá)螻蛄爪趾輪廓形態(tài)。

3仿生滅茬刀的設(shè)計(jì)

3.1仿生設(shè)計(jì)分析

對(duì)螻蛄開掘爪爪趾輪廓進(jìn)行了曲線擬合，得出了其開掘爪的體征信息。對(duì)爪趾在爪上分布的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何分析，得到了鋸齒形的仿生學(xué)幾何特征參數(shù)。

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

3.2仿生滅茬刀鋸齒設(shè)計(jì)

三角鋸齒各參數(shù)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(shè)計(jì)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(jié)論

1）對(duì)土壤動(dòng)物螻蛄的開掘爪趾進(jìn)行了攝像分析，并且進(jìn)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(duì)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(yàn)提供了仿生滅茬刀片。

參考文獻(xiàn)

[1] ?周之江.木工修鋸技術(shù)[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(xué)，2002

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

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