0、 引言
長久以來,我國廣泛采用傳統的翻耕技術,然而許多發達國家的研究和實踐都表明:傳統翻耕在帶來好處的同時會造成更大的危害,需要引起注意。例如,翻耕這種單一的耕作方法會加劇土壤的風蝕與水蝕,容易破壞地表植被。另外,許多國家因為過度的翻耕導致了土壤肥力和作物產量嚴重下降,各種自然災害頻發。為此,發達國家提出了保護性耕作的概念,即免耕和少耕,盡量減少土層翻動,保持適當作物殘茬覆蓋。
深松作業是保護性耕作中一項重要內容,其好處如下:可以打破堅硬的犁底層,加深耕層;可以改善土壤的結構;可以疏松土壤,便于雨水流入,防止雨水流失,從而大大地提高了土壤的蓄水能力;在疏松土壤的同時提高了土壤通透性,便于與外界交換氣體,改善了作物的生長環境,大幅提高產量。
深松技術在國內外已經開始廣泛應用,并且在耕作中發揮著巨大的作用。然而,深松過程中也存在著一些問題,如工作阻力大及耗能過多等。這對深松作業的推廣產生了阻礙作用,尤其隨著耕深和耕速的增加,耕作阻力會大幅增加。因此,減小耕作阻力、提高耕作質量成為了研究的重點。
近年來,很多研究者對深松鏟的結構進行了改進,應用仿生學原理進行改進的研究也有很多。自然界中的動物在長期的進化過程中形成了優良的結構,這為人類提供了模仿與參照的對象。深松作業是機械與土壤的相互作用,土壤動物由于長期在土壤環境中生存,逐步適應了自然環境,其結構也進化成了適應土壤環境的結構。因此,研究者可將動物的相關結構運用于深松鏟結構的改進上,設計出耕作阻力小、深松效果好的深松鏟,這對于深松鏟的推廣應用有著巨大的作用。
1、 深松鏟研究現狀
1. 1 深松鏟結構優化研究
許多研究者采用各類不同方法進行了深松鏟結構改進方面的嘗試。趙大為對深松鏟柄采用 In-ventor 進行三 維建模,采用有限元進行了分析,對應力、變形以及最小安全系數進行了校核;通過反復建模與分析,可以實現快速優化設計,最終獲得滿意的深松鏟柄模型。徐天月對 6 種深松鏟進行田間試驗,分析發現:只有一種拋物線型深松鏟在工作中受到的阻力最小,其設計也較為合理、結構簡單。陳坤在國家標準深松鏟柄的基礎上設計了后掠式弧型深松鏟。其根據上部垂直部分左邊垂直線與下部圓弧部分的上邊切線形成的后掠角的不同,應用三維軟件設計了深松鏟的 7 個三維圖,運用計算機對相關部件進行了 Ansys 有限元分析,并得到最優化制造參數。結果顯示,后掠角為 30° ~60°時,深松阻力最小;在對田間試驗測得的數據進行分析之后,得出后掠式弧形深松鏟柄在后掠角α = 50° 時深松阻力最小,得到了最優形狀深松鏟柄。王宏立等采用 ANSYS 對鏟柱和鏟尖的應力和變形進行了分析,結果表明:梯形和三角形截面鏟柱的強度剛度能達到設計要求,鏟尖也符合要求。通過對應力的分析,指出可能的失效部位,為今后進一步的改進提供了依據。周玉乾等對直腿式鏟柄和彎曲式鏟柄的受力情況進行了模擬、分析和比較,得出結論為:在側寬、刃傾角等參數相同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確定;對于彎曲式鏟柄,隨著弧半徑的增加,阻力成減少的趨勢。
1. 2 仿生深松鏟
仿生深松鏟研究方面,國內進行了大量研究,本文重點介紹國內最近幾年的研究情況。
很多與土壤長期接觸的動物,在千百年的進化過程中,它們的爪趾已經進化為了適合于挖掘的特殊結構,其輪廓曲線具有優良的挖掘效果。這為仿生學的研究提供了學習的依據和基礎,可以利用其爪趾特性研制出具有良好切削性能的深松鏟,還可以從材料等方面進行深入研究。吉林大學在該方面進行了細致研究,得到了顯著成果,在該方面的研究處于國內先進水平。
陳東輝對家鼠進行研究發現,家鼠善于挖掘洞穴,這與其爪趾結構有很大關系。他對家鼠爪趾進行了研究、拍照以及運用 OLYCIA p3 軟件對爪趾的照片進行了準確的測量分析,從而得到了爪趾的幾何形態;之后,運用相關軟件對得到的參數進行曲線擬合,采用了不同的函數曲線方程來對家鼠爪趾的形態進行了表達;通過對曲線方程的分析改進,設計了仿生深松鏟柄,鏟柄的內準線及外準線采用家鼠爪趾外部輪廓;對該仿生深松鏟進行了田間驗證性試驗,對耕作阻力進行了測量并且對深松過程中土壤擾動情況進行了觀察,結果顯示:改變觸土曲線可以改變耕作阻力,優秀的曲線可以大大減小耕作阻力,設計出的仿生深松鏟柄及鏟尖與現有的深松鏟相比,減阻率為5% "12% 。由此可以說明,仿生結構的深松鏟有著很好的減阻效果。然而,該文對田間驗證過程沒有進行具體的描述,對仿生深松鏟減阻的原因沒有進行深入分析,也沒有對土壤運動形態進行進一步分析。
龔浩暉等對金龜子和家鼠的足趾結構進行了分析,在國標圓弧形深松鏟的基礎上,設計了仿鼠趾深松鏟,并且對該深松鏟進行了有限元分析,建立了該仿生深松鏟以及國標圓弧形深松鏟的模型;對土壤采用線性擴展 Drucker - Prager 地基模型,采用 Abaqus軟件模擬深松鏟的工作過程。分析顯示,在同等深度300mm 下,仿鼠趾深松鏟與國標深松鏟相比所受反作用力減少約 2 900N,且與國標深松鏟相比深松效果相差無幾。該文對設計出的深松鏟只進行了一個深度下的仿真,缺乏更多情況下的減阻效果。另外,該文僅進行了仿真,沒有進行田間驗證性試驗,很難說明真實的減阻效果。
郭志軍等將田鼠爪趾內輪廓線按比例放大以后作為仿生松土部件的觸土面準線,再以橢圓拋物線為母線掃過此準線形成了所設計的切削曲面,并制作了一種仿生彎曲型松土部件。其在土槽中進行了研究試驗,數據采集及處理系統分別為 PCM -3132 型數據采集及 AUTOTEST 數據記錄處理系統。試驗時,通過對土槽中土壤硬度及含水量的控制來保證每次試驗中土壤的機械性能基本一致,從而增強試驗數據的可比性。在低速狀態下對該仿生深松鏟進行了研究,發現耕作深度、土壤種類及其物理參數對耕作阻力有較大影響。
郭志軍等人采用有限元法對由各種曲線形狀形成的觸土曲線進行了分析,這些曲線來自于對不同動物及對昆蟲局部結構的分析提取,對這些曲線進行了性能的分析比較。該文對在對土壤建模的過程中,采用簡化的彈塑性材料結構和 Von Mises 屈服準則。
結果表明,在小縱深比的情況下,彎曲型耕作部件普遍比直線式耕作部件的耕作效果要好且更省力。仿生設計需要針對不同情況進行簡化處理,得到最終符合設計要求的深松鏟。擺線適宜于設計具有較大縱深比的耕作部件觸土曲面。該文對各類仿生深松鏟進行了比較分析,并得到了規律性的結論,對今后的仿生研究有很大的參考價值。然而,本文研究內容過多,研究的方法不夠詳細,同時也沒有進行田間試驗驗證。
朱鳳武等通過對金龜子爪趾幾何形態的分析,發現其輪廓線形式符合拋物線形式。該文采用了彎曲型鏟柄的設計方案,觸土曲線用拋物線曲線方程進行設計;并且將設計好的深松鏟模型轉入 ANSYS軟件,產生有限元模型,進行求解;采用有限元軟件結合編程分析了深松鏟的結構,并得到了各參數條件下的耕作阻力。同時,進行了田間的驗證性分析,結果表明:耕深是深松機的牽引阻力的最大影響因素,耕作阻力會隨著耕深明顯增大。研究發現:在相同耕深和耕速條件下,當入土角度為 27. 5°時,深松鏟的耕作阻力最小,這與金龜子爪趾切削角度吻合。該文對設計深松鏟的過程及田間試驗進行了詳細描述,并采用參數化分析的方法對該仿生深松鏟進行了分析;但是文中缺乏該深松鏟與現有深松鏟的對比,對該深松鏟的減阻效果沒有進行分析。
張璐等模擬家鼠爪趾的輪廓形態設計了復合形態深松鏟柄和仿生鉤形深松鏟,并采用理論計算分析、有限元法仿真分析以及土槽試驗驗證的方法進行了詳細的對比分析;將土槽試驗所測定的深松鏟工作阻力與理論計算及有限元仿真得到的數據進行對比。
結果表明:有限元法可以很好地預測深松鏟工作阻力,然而理論分析得到的結果確與真實的試驗結果差距很大。
在對深松鏟進行設計時,需要首先保證農業對于土壤耕作深度和耕作質量的要求,在此基礎上盡量減小耕作阻力。在結構方面,可以對鏟柄表面曲線、鏟尖形狀進行優化,也可以采用不同的材料和合適的安裝位置,并且需要有一定的強度來保證使用壽命。鏟柄、機架以及鏟尖的連接應該保證盡量平順,這樣既可以保證強度要求也可以減小耕作阻力。在制造方面需要盡可能降低制造成本,便于規模生產。
以上眾多研究者對自然界中動物進行仿生并運用到深松鏟的設計中,取得了較好的效果;但研究還不夠深入,還需進一步細致研究。
1. 3 相關仿生耕作部件
除深松鏟之外,有研究者對其他一些耕作部件也進行了仿生設計與分析。Li M 等通過對鼴鼠爪趾結構的分析設計了仿生缺口耙,并進行了有限元分析,對該缺口耙的強度進行了校核。仿真對比發現,仿生缺口耙入土更深更快,性能也更好。Ren L Q等在分析金龜子爪趾的基礎上,設計了可以減少土壤附著的推土板,這為今后農業機具減少土壤粘連提供了思路和依據。張毅等設計了仿生圓盤犁,對具體的設計過程及所使用的材料進行了詳細的闡述,在圓盤耙表面添加了幾何非光滑結構單元來減粘降阻,為仿生圓盤犁減粘試驗研究創造了條件。
這些仿生研究對深松鏟結構的改進有借鑒意義,對農業部件的優化產生了積極的作用,為今后的進一步研究提供了思路和方法。
2、 仿生設計步驟及關鍵問題
2. 1 設計步驟
仿生學是一門模仿生物的特殊本領,利用生物的結構和功能原理來研制機械或各種新技術的科學技術,既可以在結構方面進行仿生,還可以進行材料等方面的仿真。對于農業機械仿真來說,需要首先確定研究目標,確定連接關系,對所研究動物形態進行相關工作部件的研究、運動情況分析及抽象化處理等。
具體步驟如下:
1\\)首先明確所要解決的問題,針對現有機具做哪些方面的改進。仔細分析相關土壤動物,了解動物習性,選擇合適動物的局部結構進行分析、抽象,提取其中關鍵結構曲線。
2\\)采用三維軟件進行建模。確定設計要求、設計準則及約束條件等,將相關仿生結構運用到深松鏟的設計中來,根據實際情況進行進一步結構優化改進,去除不相關曲線,簡化設計,便于加工成型。
3\\) 將設計出的仿生深松鏟模型進行仿真分析,與現有深松鏟進行對比,分析是否具有某些方面優勢。
如果沒有達到設計要求,需要重新進行設計與改進。
另外,需要將設計好的深松鏟進行受力分析,確定是否能夠達到強度要求。
4\\) 對設計完成的深松鏟進行加工,將仿生結構同原有的機械結構進行合理的布局,根據各地耕作制度及需求的不同,進行相關的調整,并在田間進行真實的試驗,在測試的過程中發現問題,從而進一步完善設計。
2. 2 關鍵問題
1\\)在動物相關結構分析方面需要適當放大有益結構,去除干擾因素,從而使深松鏟設計更加合理。
2\\)在進行仿真的過程中,所建立的土壤模型需要盡量接近于真實土壤,深松鏟的模型需要保證準確無誤,這樣仿真的結果才有意義。
3\\)所有的設計都是在保證強度符合要求的情況下進行的。
4\\)在田間試驗過程中進行耕作阻力的記錄分析,觀察是否達到設計要求。
3、 存在的問題
目前,深松鏟進一步推廣應用的阻礙在于其耕作阻力過大,因而減小耕作阻力成為了亟待解決的問題。其中,優化深松鏟觸土曲線的形狀、改進各部分的結構參數是最好的解決辦法。在仿生深松鏟的研究方面,也存在著一些問題需要研究者繼續研究。具體如下:
1\\)對于動物結構的研究過于局限,絕大多數的研究都集中在動物爪趾的研究方面,可以從其他有利于松土的結構入手進行分析研究。
2\\)對于動物爪趾的研究不夠細致,大多數研究僅僅從輪廓形狀進行了研究,很少人對其工作時形態及運動規律進行探索。
3\\)有些工作部件設計僅考慮了仿生設計,沒有對其結構強度進行校核及驗證,有些設計存在著不合理的現象。
4\\)不能滿足在不同土壤條件下對深松效果的不同要求。
4、 研究展望
深松技術作為保護性耕作技術越來越受到重視,如何在保證耕作質量的前提下解決耕作阻力大這一問題是現價段研究的重點。
1\\) 采用計算機輔助優化設計將是今后深松鏟設計的主要發展方向。對于仿生深松鏟的設計來講,不僅可以從結構方面,還可以從材料、運動方式等方面進行分析,通過計算機編程得到最終優化方案。今后對于仿生深松鏟的研究會更加深入,對減阻機理以及土壤運動方式都會進行更加詳細的研究,該種方法也會進一步完善。
2\\) 現階段大多數研究還是采用有限元法進行研究,今后設計過程中采用的方法也會變得豐富,有限元法、離散元法都將會應用到深松鏟的優化中來,所建立的土壤模型也會更加符合實際情況。
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