鼹鼠前足多趾组合结构切土性能研究与仿生旋耕刀设计

发布时间：2020-04-08 04:29

【摘要】：旋耕作业阻力大、能耗高是农业土壤耕作中一个亟待解决的问题。旋耕刀是旋耕机的关键触土部件,其工作性能对旋耕机工作质量和功率消耗有直接影响。因此,为降低旋耕机作业功耗,对旋耕刀几何结构进行优化设计是必要的。仿生学,是通过研究和模拟生物功能特性、结构特征等来实现已有技术创新的一门科学。鼹鼠,是一种高效挖掘的土壤洞穴动物,其前足爪趾是主要的挖掘器官。当鼹鼠挖掘土壤时,前足的五个爪趾张开并处于同一平面协同工作,从而实现高效切土,这种结构被称为多趾组合结构。目前,已有文献对鼹鼠前足爪趾的切土性能进行了研究,但是对多趾组合结构几何特征和切土机理的研究尚少,特别是该结构与土壤相互作用过程中的土壤阻力和土壤失效情况。多趾组合结构围绕鼹鼠肱骨长轴旋转而切削入土,其工作原理与旋耕刀围绕刀轴旋转切土类似。相关文献基于鼹鼠爪趾几何特征设计了仿生旋耕-碎茬刀,试验表明仿生结构特征提高了刃口入土性能和碎茬能力,然而,对刀片在切土过程中的土壤阻力形成和土壤失效方式研究较少。本文对鼹鼠前足多趾组合结构的几何特征和切土机理进行深入研究,并基于多趾组合结构特征设计仿生旋耕刀片,以期改变旋耕刀切土时的土壤失效特征参数,减小旋耕扭矩,从而实现旋耕机减阻降耗的目的。本文首先对鼹鼠前足多趾组合结构的几何特征和切土性能进行研究。通过测量和分析,得到多趾组合结构在切土时是一种多窄齿组合结构,且建立了其数学模型。此外,基于离散元法和土槽试验分别对其切土性能进行研究,结果表明:在模拟过程中,多趾组合结构的水平和竖直阻力均随着工作倾角的增加而非线性变化,其中在工作倾角为30?时,水平阻力和竖直阻力最小,切土和入土性能最佳;在土槽试验中,多趾组合结构的平均水平阻力随着工作倾角的增加而非线性变化,小于传统模型的平均水平阻力。并且,模拟结果发现多趾组合结构的土壤破裂半径比m值比传统型刀片的m值小19.6%;土槽试验结果表明多趾组合结构在切土过程中不仅有较小的触土面积,而且还形成了较小的土壤失效楔块,从而使得切土阻力最小。可见,多趾组合结构特征对切土性能具有显著影响,这也是鼹鼠挖掘高效性的重要原因。本文基于经典土力学理论建立了鼹鼠前足多趾组合结构切土力学模型,并基于离散元法和土槽试验分别验证该力学模型。结果表明,土壤阻力的理论值随着工作倾角的增加而增大,与模拟结果的变化趋势相同,但水平阻力的理论值比模拟值小30.73%,竖直阻力的理论值与模拟值差异较大;此外,理论计算结果与土槽试验结果均随着工作倾角的增加而非线性增大,但理论值比土槽试验值小12.84%,处于±20%范围内。可知,建立的力学模型能够合理、准确地预言多趾组合结构在不同条件下的阻力变化情况。此力学模型,揭露了多趾组合结构的土壤阻力是所有爪趾切土阻力的和再减去引起土壤扰动叠加区域的力,也阐明了多趾组合结构的土壤失效是多个新月形土壤失效的叠加。这为多趾组合结构的科学研究和实际应用奠定了理论基础。基于对鼹鼠前足多趾组合结构特征,设计了9组仿生旋耕刀片。在土槽试验中,通过3因素3水平正交试验,得到优化的仿生刀片(BB-2),其中n_(cl)=1.25、θ=60?,当转速n=240 rpm时,BB-2有最小的扭矩17.11 Nm。将传统刀片(CB)、已报道的仿生旋耕-碎茬刀(BB-1)与本文优化得到的仿生旋耕刀片(BB-2),在土槽试验中进行单刀切土试验,结果表明BB-2的旋耕扭矩比CB的旋耕扭矩小13.99%,BB-1的旋耕扭矩比CB的旋耕扭矩小3.74%;并发现爪趾趾尖轮廓曲线特征提高了BB-2刀刃的入土能力和滑切性能;而且多趾组合结构改变了BB-2的土壤失效方式,形成了较小的土壤楔,使得旋耕扭矩要远远小于传统旋耕刀。最后,通过田间试验进一步验证了土槽试验结果,得到仿生旋耕刀在保证基本耕作质量的前提下,可明显降低耕作扭矩和功率消耗、提高土壤破碎率、降低沟底被涂抹的风险,实现旋耕机减阻降耗的目的。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S222.3
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本文编号：2618891