仿生研究對(duì)深松鏟結(jié)構(gòu)改進(jìn)的意義,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

仿生研究對(duì)深松鏟結(jié)構(gòu)改進(jìn)的意義,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文長(zhǎng)久以來(lái),我們國(guó)家廣泛采用傳統(tǒng)的翻耕技術(shù),然而很多發(fā)達(dá)國(guó)家的研究和實(shí)踐都表示清楚:傳統(tǒng)翻耕在帶來(lái)好處的同時(shí)會(huì)造成更大的危害,需要引起注意。例如,翻耕這種單一的耕作方式方法會(huì)加劇土壤的風(fēng)蝕與水蝕,容易毀壞地表植被。另外,很多國(guó)家由于過(guò)度的翻耕導(dǎo)致了土壤肥力和作物產(chǎn)量嚴(yán)重下降,各種自然災(zāi)禍頻發(fā)。為此,發(fā)達(dá)國(guó)家提出了保衛(wèi)性耕作的概念,即免耕和少耕,盡量減少土層翻動(dòng),保持適當(dāng)作物殘茬覆蓋。深松作業(yè)是保衛(wèi)性耕作中一項(xiàng)重要內(nèi)容,其好處如下:能夠打破堅(jiān)硬的犁底層,加深耕層;能夠改善土壤的構(gòu)造;能夠疏松土壤,便于雨水流入,防止雨水流失,進(jìn)而大大地提高了土壤的蓄水能力;在疏松土壤的同時(shí)提高了土壤通透性,便于與外界交換氣體,改善了作物的生長(zhǎng)環(huán)境,大幅提高產(chǎn)量。深松技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)場(chǎng)廣泛應(yīng)用,并且在耕作中發(fā)揮著宏大的作用。然而,深松經(jīng)過(guò)中也存在著一些問(wèn)題,如工作阻力大及耗能太多等。這對(duì)深松作業(yè)的推廣產(chǎn)生了阻礙作用,尤其隨著耕深和耕速的增加,耕作阻力會(huì)大幅增加。因而,減小耕作阻力、提高耕作質(zhì)量成為了研究的重點(diǎn)。近年來(lái),很多研究者對(duì)深松鏟的構(gòu)造進(jìn)行了改良,應(yīng)用仿生學(xué)原理進(jìn)行改良的研究也有很多。自然界中的動(dòng)物在長(zhǎng)期的進(jìn)化經(jīng)過(guò)中構(gòu)成了優(yōu)良的構(gòu)造,這為人類(lèi)提供了模擬與參照的對(duì)象。深松作業(yè)是機(jī)械與土壤的互相作用,土壤動(dòng)物由于長(zhǎng)期在土壤環(huán)境中生存,逐步適應(yīng)了自然環(huán)境,其構(gòu)造也進(jìn)化成了適應(yīng)土壤環(huán)境的構(gòu)造。因而,研究者可將動(dòng)物的相關(guān)構(gòu)造運(yùn)用于深松鏟構(gòu)造的改良上,設(shè)計(jì)出耕作阻力小、深松效果好的深松鏟,這對(duì)于深松鏟的推廣應(yīng)用有著宏大的作用。1、深松鏟研究現(xiàn)在狀況1.1深松鏟構(gòu)造優(yōu)化研究很多研究者采用各類(lèi)不同方式方法進(jìn)行了深松鏟構(gòu)造改良方面的嘗試。趙大為對(duì)深松鏟柄采用In-ventor進(jìn)行三維建模,采用有限元進(jìn)行了分析,對(duì)應(yīng)力、變形以及最小安全系數(shù)進(jìn)行了校核;通過(guò)反復(fù)建模與分析,能夠?qū)崿F(xiàn)快速優(yōu)化設(shè)計(jì),最終獲得滿(mǎn)意的深松鏟柄模型。徐天月對(duì)6種深松鏟進(jìn)行田間試驗(yàn),分析發(fā)現(xiàn):只要一種拋物線(xiàn)型深松鏟在工作中遭到的阻力最小,其設(shè)計(jì)也較為合理、構(gòu)造簡(jiǎn)單。陳坤在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)深松鏟柄的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了后掠式弧型深松鏟。其根據(jù)上部垂直部分左邊垂直線(xiàn)與下部圓弧部分的上邊切線(xiàn)構(gòu)成的后掠角的不同,應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)了深松鏟的7個(gè)三維圖,運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行了Ansys有限元分析,并得到最優(yōu)化制造參數(shù)。結(jié)果顯示,后掠角為30~60時(shí),深松阻力最小;在對(duì)田間試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后,得出后掠式弧形深松鏟柄在后掠角=50時(shí)深松阻力最小,得到了最優(yōu)形狀深松鏟柄。王宏立等采用ANSYS對(duì)鏟柱和鏟尖的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析,結(jié)果表示清楚:梯形和三角形截面鏟柱的強(qiáng)度剛度能到達(dá)設(shè)計(jì)要求,鏟尖也符合要求。通過(guò)對(duì)應(yīng)力的分析,指出可能的失效部位,為今后進(jìn)一步的改良提供了根據(jù)。周玉乾等對(duì)直腿式鏟柄和彎曲式鏟柄的受力情況進(jìn)行了模擬、分析和比擬,得出結(jié)論為:在側(cè)寬、刃傾角等參數(shù)一樣的情況下直腿式鏟柄的受力要較小一些,小的程度由彎曲式鏟柄的弧半徑來(lái)確定;對(duì)于彎曲式鏟柄,隨著弧半徑的增加,阻力成減少的趨勢(shì)。1.2仿生深松鏟仿生深松鏟研究方面,國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大量研究,本文重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)近期幾年的研究情況。很多與土壤長(zhǎng)期接觸的動(dòng)物,在千百年的進(jìn)化經(jīng)過(guò)中,它們的爪趾已經(jīng)進(jìn)化為了合適于挖掘的特殊構(gòu)造,其輪廓曲線(xiàn)具有優(yōu)良的挖掘效果。這為仿生學(xué)的研究提供了學(xué)習(xí)的根據(jù)和基礎(chǔ),能夠利用其爪趾特性研制出具有良好切削性能的深松鏟,還能夠從材料等方面進(jìn)行深切進(jìn)入研究。吉林大學(xué)在該方面進(jìn)行了細(xì)致研究,得到了顯著成果,在該方面的研究處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。陳東輝對(duì)家鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),家鼠擅長(zhǎng)挖掘洞穴,這與其爪趾構(gòu)造有很大關(guān)系。他對(duì)家鼠爪趾進(jìn)行了研究、拍照以及運(yùn)用OLYCIAp3軟件對(duì)爪趾的照片進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量分析,進(jìn)而得到了爪趾的幾何形態(tài);之后,運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)得到的參數(shù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合,采用了不同的函數(shù)曲線(xiàn)方程來(lái)對(duì)家鼠爪趾的形態(tài)進(jìn)行了表示出;通過(guò)對(duì)曲線(xiàn)方程的分析改良,設(shè)計(jì)了仿生深松鏟柄,鏟柄的內(nèi)準(zhǔn)線(xiàn)及外準(zhǔn)線(xiàn)采用家鼠爪趾外部輪廓;對(duì)該仿生深松鏟進(jìn)行了田間驗(yàn)證性試驗(yàn),對(duì)耕作阻力進(jìn)行了測(cè)量并且對(duì)深松經(jīng)過(guò)中土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行了觀察,結(jié)果顯示:改變觸土曲線(xiàn)能夠改變耕作阻力,優(yōu)秀的曲線(xiàn)能夠大大減小耕作阻力,設(shè)計(jì)出的仿生深松鏟柄及鏟尖與現(xiàn)有的深松鏟相比,減阻率為5%12%。由此能夠講明,仿生構(gòu)造的深松鏟有著很好的減阻效果。然而,該文對(duì)田間驗(yàn)證經(jīng)過(guò)沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的描繪敘述,對(duì)仿生深松鏟減阻的原因沒(méi)有進(jìn)行深切進(jìn)入分析,也沒(méi)有對(duì)土壤運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步分析。龔浩暉等對(duì)金龜子和家鼠的足趾構(gòu)造進(jìn)行了分析,在國(guó)標(biāo)圓弧形深松鏟的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了仿鼠趾深松鏟,并且對(duì)該深松鏟進(jìn)行了有限元分析,建立了該仿生深松鏟以及國(guó)標(biāo)圓弧形深松鏟的模型;對(duì)土壤采用線(xiàn)性擴(kuò)展Drucker-Prager地基模型,采用Abaqus軟件模擬深松鏟的工作經(jīng)過(guò)。分析顯示,在同等深度300mm下,仿鼠趾深松鏟與國(guó)標(biāo)深松鏟相比所受反作用力減少約2900N,且與國(guó)標(biāo)深松鏟相比深松效果相差無(wú)幾。該文對(duì)設(shè)計(jì)出的深松鏟只進(jìn)行了一個(gè)深度下的仿真,缺乏更多情況下的減阻效果。另外,該文僅進(jìn)行了仿真,沒(méi)有進(jìn)行田間驗(yàn)證性試驗(yàn),很難講明真實(shí)的減阻效果。郭志軍等將田鼠爪趾內(nèi)輪廓線(xiàn)按比例放大以后作為仿生松土部件的觸土面準(zhǔn)線(xiàn),再以橢圓拋物線(xiàn)為母線(xiàn)掃過(guò)此準(zhǔn)線(xiàn)構(gòu)成了所設(shè)計(jì)的切削曲面,并制作了一種仿生彎曲型松土部件。其在土槽中進(jìn)行了研究試驗(yàn),數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)分別為PCM-3132型數(shù)據(jù)采集及AUTOTEST數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí),通過(guò)對(duì)土槽中土壤硬度及含水量的控制來(lái)保證每次試驗(yàn)中土壤的機(jī)械性能基本一致,進(jìn)而加強(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。在低速狀態(tài)下對(duì)該仿生深松鏟進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)耕作深度、土壤種類(lèi)及其物理參數(shù)對(duì)耕作阻力有較大影響。郭志軍等人采用有限元法對(duì)由各種曲線(xiàn)形狀構(gòu)成的觸土曲線(xiàn)進(jìn)行了分析,這些曲線(xiàn)來(lái)自于對(duì)不同動(dòng)物及對(duì)昆蟲(chóng)局部構(gòu)造的分析提取,對(duì)這些曲線(xiàn)進(jìn)行了性能的分析比擬。該文對(duì)在對(duì)土壤建模的經(jīng)過(guò)中,采用簡(jiǎn)化的彈塑性材料構(gòu)造和VonMises委屈服從準(zhǔn)則。結(jié)果表示清楚,在小縱深比的情況下,彎曲型耕作部件普遍比直線(xiàn)式耕作部件的耕作效果要好且更省力。仿生設(shè)計(jì)需要針對(duì)不同情況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,得到最終符合設(shè)計(jì)要求的深松鏟。擺線(xiàn)適宜于設(shè)計(jì)具有較大縱深比的耕作部件觸土曲面。該文對(duì)各類(lèi)仿生深松鏟進(jìn)行了比擬分析,并得到了規(guī)律性的結(jié)論,對(duì)今后的仿生研究有很大的參考價(jià)值。然而,本文研究?jī)?nèi)容太多,研究的方式方法不夠具體,同時(shí)也沒(méi)有進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。朱鳳武等通過(guò)對(duì)金龜子爪趾幾何形態(tài)的分析,發(fā)現(xiàn)其輪廓線(xiàn)形式符合拋物線(xiàn)形式。該文采用了彎曲型鏟柄的設(shè)計(jì)方案,觸土曲線(xiàn)用拋物線(xiàn)曲線(xiàn)方程進(jìn)行設(shè)計(jì);并且將設(shè)計(jì)好的深松鏟模型轉(zhuǎn)入ANSYS軟件,產(chǎn)生有限元模型,進(jìn)行求解;采用有限元軟件結(jié)合編程分析了深松鏟的構(gòu)造,并得到了各參數(shù)條件下的耕作阻力。同時(shí),進(jìn)行了田間的驗(yàn)證性分析,結(jié)果表示清楚:耕深是深松機(jī)的牽引阻力的最大影響因素,耕作阻力會(huì)隨著耕深明顯增大。研究發(fā)現(xiàn):在一樣耕深和耕速條件下,當(dāng)入土角度為27.5時(shí),深松鏟的耕作阻力最小,這與金龜子爪趾切削角度吻合。該文對(duì)設(shè)計(jì)深松鏟的經(jīng)過(guò)及田間試驗(yàn)進(jìn)行了具體描繪敘述,并采用參數(shù)化分析的方式方法對(duì)該仿生深松鏟進(jìn)行了分析;但是文中缺乏該深松鏟與現(xiàn)有深松鏟的比照,對(duì)該深松鏟的減阻效果沒(méi)有進(jìn)行分析。張璐等模擬家鼠爪趾的輪廓形態(tài)設(shè)計(jì)了復(fù)合形態(tài)深松鏟柄和仿生鉤形深松鏟,并采用理論計(jì)算分析、有限元法仿真分析以及土槽試驗(yàn)驗(yàn)證的方式方法進(jìn)行了具體的比照分析;將土槽試驗(yàn)所測(cè)定的深松鏟工作阻力與理論計(jì)算及有限元仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比照。結(jié)果表示清楚:有限元法能夠很好地預(yù)測(cè)深松鏟工作阻力,然而理論分析得到的結(jié)果確與真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果差距很大。在對(duì)深松鏟進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要首先保證農(nóng)業(yè)對(duì)于土壤耕作深度和耕作質(zhì)量的要求,在這里基礎(chǔ)上盡量減小耕作阻力。在構(gòu)造方面,能夠?qū)︾P柄外表曲線(xiàn)、鏟尖形狀進(jìn)行優(yōu)化,可以以采用不同的材料和適宜的安裝位置,并且需要有一定的強(qiáng)度來(lái)保證使用壽命。鏟柄、機(jī)架以及鏟尖的連接應(yīng)該保證盡量平順,這樣既能夠保證強(qiáng)度要求可以以減小耕作阻力。在制造方面需要盡可能降低制造成本,便于規(guī)模生產(chǎn)。以上諸多研究者對(duì)自然界中動(dòng)物進(jìn)行仿生并運(yùn)用到深松鏟的設(shè)計(jì)中,獲得了較好的效果;但研究還不夠深切進(jìn)入,還需進(jìn)一步細(xì)致研究。1.3相關(guān)仿生耕作部件除深松鏟之外,有研究者對(duì)其他一些耕作部件也進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)與分析。LiM等通過(guò)對(duì)鼴鼠爪趾構(gòu)造的分析設(shè)計(jì)了仿生缺口耙,并進(jìn)行了有限元分析,對(duì)該缺口耙的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。仿真比照發(fā)現(xiàn),仿生缺口耙入土更深更快,性能也更好。RenLQ等在分析金龜子爪趾的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了能夠減少土壤附著的推土板,這為今后農(nóng)業(yè)機(jī)具減少土壤粘連提供了思路和根據(jù)。張毅等設(shè)計(jì)了仿生圓盤(pán)犁,對(duì)詳細(xì)的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)及所使用的材料進(jìn)行了具體的闡述,在圓盤(pán)耙外表添加了幾何非光滑構(gòu)造單元來(lái)減粘降阻,為仿生圓盤(pán)犁減粘試驗(yàn)研究創(chuàng)造了條件。這些仿生研究對(duì)深松鏟構(gòu)造的改良有借鑒意義,對(duì)農(nóng)業(yè)部件的優(yōu)化產(chǎn)生了積極的作用,為今后的進(jìn)一步研究提供了思路和方式方法。2、仿生設(shè)計(jì)步驟及關(guān)鍵問(wèn)題2.1設(shè)計(jì)步驟仿生學(xué)是一門(mén)模擬生物的特殊本領(lǐng),利用生物的構(gòu)造和功能原理來(lái)研制機(jī)械或各種新技術(shù)的科學(xué)技術(shù),既能夠在構(gòu)造方面進(jìn)行仿生,還能夠進(jìn)行材料等方面的仿真。對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械仿真來(lái)講,需要首先確定研究目的,確定連接關(guān)系,對(duì)所研究動(dòng)物形態(tài)進(jìn)行相關(guān)工作部件的研究、運(yùn)動(dòng)情況分析及抽象化處理等。詳細(xì)步驟如下:1)首先明確所要解決的問(wèn)題,針對(duì)現(xiàn)有機(jī)具做哪些方面的改良。仔細(xì)分析相關(guān)土壤動(dòng)物,了解動(dòng)物習(xí)性,選擇適宜動(dòng)物的局部構(gòu)造進(jìn)行分析、抽象,提取華而不實(shí)關(guān)鍵構(gòu)造曲線(xiàn)。2)采用三維軟件進(jìn)行建模。確定設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及約束條件等,將相關(guān)仿生構(gòu)造運(yùn)用到深松鏟的設(shè)計(jì)中來(lái),根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步構(gòu)造優(yōu)化改良,去除不相關(guān)曲線(xiàn),簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),便于加工成型。3)將設(shè)計(jì)出的仿生深松鏟模型進(jìn)行仿真分析,與現(xiàn)有深松鏟進(jìn)行比照,分析能否具有某些方面優(yōu)勢(shì)。假如沒(méi)有到達(dá)設(shè)計(jì)要求,需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)與改良。另外,需要將設(shè)計(jì)好的深松鏟進(jìn)行受力分析,確定能否能夠到達(dá)強(qiáng)度要求。4)對(duì)設(shè)計(jì)完成的深松鏟進(jìn)行加工,將仿生構(gòu)造同原有的機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行合理的布局,根據(jù)各地耕作制度及需求的不同,進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整,并在田間進(jìn)行真實(shí)的試驗(yàn),在測(cè)試的經(jīng)過(guò)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,進(jìn)而進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。2.2關(guān)鍵問(wèn)題1)在動(dòng)物相關(guān)構(gòu)造分析方面需要適當(dāng)放大有益構(gòu)造,去除干擾因素,進(jìn)而使深松鏟設(shè)計(jì)愈加合理。2)在進(jìn)行仿真的經(jīng)過(guò)中,所建立的土壤模型需要盡量接近于真實(shí)土壤,深松鏟的模型需要保證準(zhǔn)確無(wú)誤,這樣仿真的結(jié)果才有意義。3)所有的設(shè)計(jì)都是在保證強(qiáng)度符合要求的情況下進(jìn)行的。4)在田間試驗(yàn)經(jīng)過(guò)中進(jìn)行耕作阻力的記錄分析,觀察能否到達(dá)設(shè)計(jì)要求。3、存在的問(wèn)題當(dāng)前,深松鏟進(jìn)一步推廣應(yīng)用的阻礙在于其耕作阻力過(guò)大,因此減小耕作阻力成為了亟待解決的問(wèn)題。華而不實(shí),優(yōu)化深松鏟觸土曲線(xiàn)的形狀、改良各部分的構(gòu)造參數(shù)是最好的解決辦法。在仿生深松鏟的研究方面,也存在著一些問(wèn)題需要研究者繼續(xù)研究。詳細(xì)如下:1)對(duì)于動(dòng)物構(gòu)造的研究過(guò)于局限,絕大多數(shù)的研究都集中在動(dòng)物爪趾的研究方面,能夠從其他有利于松土的構(gòu)造入手進(jìn)行分析研究。2)對(duì)于動(dòng)物爪趾的研究不夠細(xì)致,大多數(shù)研究?jī)H僅從輪廓形狀進(jìn)行了研究,很少人對(duì)其工作時(shí)形態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行探尋求索。3)有些工作部件設(shè)計(jì)僅考慮了仿生設(shè)計(jì),沒(méi)有對(duì)其構(gòu)造強(qiáng)度進(jìn)行校核及驗(yàn)證,有些設(shè)計(jì)存在著不合理的現(xiàn)象。4)不能知足在不同土壤條件下對(duì)深松效果的不同要求。4、研究瞻望深松技術(shù)作為保衛(wèi)性耕作技術(shù)越來(lái)越遭到重視,怎樣在保證耕作質(zhì)量的前提下解決耕作阻力大這一問(wèn)題是現(xiàn)價(jià)段研究的重點(diǎn)。1)采用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)將是今后深松鏟設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。對(duì)于仿生深松鏟的設(shè)計(jì)來(lái)講,不僅能夠從構(gòu)造方面,還能夠從材料、運(yùn)動(dòng)方式等方面進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算機(jī)編程得到最終優(yōu)化方案。今后對(duì)于仿生深松鏟的研究會(huì)愈加深切進(jìn)入,對(duì)減阻機(jī)理以及土壤運(yùn)動(dòng)方式都會(huì)進(jìn)行愈加具體的研究,該種方式方法也會(huì)進(jìn)一步完善。2)現(xiàn)前階段大多數(shù)研究還是采用有限元法進(jìn)行研究,今后設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)中采用的方式方法也會(huì)變得豐富,有限元法、離散元法都將會(huì)應(yīng)用到深松鏟的優(yōu)化中來(lái),所建立的土壤模型也會(huì)愈加符合實(shí)際情況。以下為參考文獻(xiàn):[1]賈洪雷,陳忠亮,馬成林,等.北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)耕作體系關(guān)鍵技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(11):59-63.[2]賈洪雷,馬成林,劉昭辰,等.北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)蓄水保墑耕作形式研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(12):190-194.[3]郭志軍,佟金,周志立,等.深松技術(shù)研究現(xiàn)在狀況與瞻望[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,17(6):169-174.[4]趙大為.1S-2型深松鏟柄的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2018(10):38-40.[5]徐天月.SPSS的深松鏟構(gòu)造運(yùn)動(dòng)參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)[J