基于蚯蚓波纹润滑体表的仿生开沟器优化研究

发布时间：2020-06-09 20:27

【摘要】：土壤粘附现象普遍存在于地面机械与土壤相互作用过程中,对地面机械的工作性能和质量有着不容忽视的影响。土壤动物如蚯蚓能够在不同的土壤环境中自由运动而始终保持自身没有土壤粘附,这是蚯蚓非光滑体表、动态蠕动、体表润滑、电渗等耦合作用的结果。这为解决触土部件的粘附提供了仿生思路。为了提高触土部件的脱附减阻性能,运用仿生学原理,以蚯蚓为仿生原型,对芯铧式开沟器进行了仿生优化研究,以期为触土部件减粘降阻提供参考和依据。以参环毛蚓(Pheretima aspergillum)作为生物原型,基于蚯蚓的非光滑波纹形态体表和生物润滑功能,仿生设计了四种仿生开沟器。首先,提取蚯蚓头部收缩态曲线,将曲线前部的入土部分用到芯铧脊线上,设计仿生脊线开沟器;其次,将曲线中后部的波纹结构应用到芯铧侧线上,设计仿生波纹开沟器;最后,两种开沟器特征结合,设计仿生复合开沟器。对仿生复合开沟器进行润滑设计,完成自润滑功能,命名为自润滑仿生开沟器。利用离散元方法对开沟器减阻性能和触土界面进行仿真分析。结果表明:开沟阻力由大到小依次为传统开沟器、仿生波纹开沟器、仿生脊线开沟器、仿生复合开沟器。三种仿生开沟器的减阻率随开沟深度的增加而增大。仿生复合开沟器在深度60mm、速度100mm/s时达到了最大减阻率为9.08%。三种仿生开沟器的开沟宽度均小于传统开沟器,对土壤扰动小,回土效果均比传统开沟器要好。仿生脊线开沟器由于入土角沿着脊线由小逐渐平缓增大,具有更好的入土性能。仿蚯蚓脊线的芯铧面表面积较圆弧形脊线开沟器小,在整体尺寸相同的情况下,具有更少的颗粒接触。波纹结构能够引导颗粒向垂直方向运行,提高开沟高度,减小开沟宽度,并使颗粒施加给芯铧表面的力从芯铧的尖端缓解到整个芯铧面上,波纹芯铧表面与颗粒之间产生间隙,减少了颗粒接触个数和接触面积。仿生复合开沟器的力场最小,芯铧表面对土壤的扰动小且沿芯铧面均匀分布。对开沟阻力进行单因素试验探究:开沟阻力随着土壤含水量、土壤硬度、开沟深度以及开沟速度的增加均呈增加趋势。对仿生复合开沟器的减阻率进行多元正交多项式回归试验探究,主次因素最优水平依次为:土壤硬度3、开沟深度为60mm、开沟速度为500 cm/min、土壤含水量为20%时,达到最大减阻率20.5%。建立了因素与减阻率的回归方程,减阻率随着土壤硬度和开沟深度的增加而增加,随着开沟速度的增加先增加后减小。蚯蚓在前进过程中分泌的体表粘液在土壤与蚯蚓体表之间形成一个弱剪切层。这一弱剪切层具有良好的流动性,起到流体润滑作用,从而降低了土壤粘附力和阻力。对润滑试验的土壤含水量条件进行探究,土壤含水量较小时,开沟器润滑会促进土壤颗粒与水分子吸附,加大土壤粘附;土壤含水量较大时,土壤颗粒呈整体塑性状态,润滑会使水分子游离,土壤在水的润滑下降低粘附和阻力。通过土壤含水量试验得到,土壤含水量为30%时,润滑减阻效果最好,减阻率均值为21.15%。对润滑孔的最优孔排布进行试验,得出下层孔与外侧孔具有最小的开沟阻力。润滑试验方案采用多元正交多项式回归试验,得到影响仿生开沟器减阻率的主次因素最优水平依次为:润滑液流速为0.1,土壤含水量为30%。建立了因素与仿生开沟器减阻率的回归方程,并得出各单因素与减阻率的关系,减阻率随着润滑液流速的增加而增加,随着土壤含水量的增加,减阻率先增加后减小。
【图文】：

开沟器,刀式,双圆盘

常见的几种开沟器简图

形态图,体表,非光滑,土壤动物

c 蝼蛄背板（刚毛形） d 穿山甲鳞片（鳞片形）图 1.3 土壤动物非光滑体表形态润滑仿生：蚯蚓和泥鳅等动物在土壤中行走时通过分泌体表液达到脱附用。体表液提供了一个弱剪切层，，在土壤与体表之间形成润滑界面，降动物体表的粘附。通过分析蚯蚓的体表自润滑现象，设计仿生润滑试样
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S223.19

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