仿生多面体型几何结构镇压辊的设计与试验

张清珠,李 默,张金波,李 兵,魏玉兰,徐云杰,佟 金,张智泓

(1.湖州师范学院 工学院,浙江 湖州 313000;2.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,长春 130025;3.佳木斯大学 机械工程学院,黑龙江 佳木斯 154007;4.昆明理工大学 现代农业工程学院,昆明 650500)

0 引言

镇压辊主要用于压实播种后的土壤[1],研究表明[2-6]:合理的镇压可以提高作物产量。理想的镇压辊应在保证作物所需土壤容重的前提下,不滑移,粘土量和牵引阻力要低,镇压力可调,压后粒距均匀[1]。但是,传统镇压辊多为光滑圆柱表面,在工作时极易将种床土壤粘连起来,使土壤失墒严重,而且还会将一部分土壤推到镇压辊前方,形成波浪状凸起,即“拖堆壅土”现象[7-8]。这不仅起不到压实土壤的效果,还要额外消耗功去推移隆起的土壤,使得株距分布不均,影响最后田间的植株密度[9]。因此,解决传统镇压辊作业过程中的粘附和壅土问题,具有重要的现实意义。

研究证实,与钢铁材料相比,农机触土部件采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和搪瓷涂层时可有效地降低土壤对触土部件的粘附力和摩擦阻力[10-12]。

佟金等[13]将UHMWPE材料制作的肋条结构应用于镇压辊的减粘降阻上,通过正交试验获得了最佳的肋条结构,结果表明:肋条型仿生镇压辊的减粘率最高可达41.08%,降阻率最高可达39.4%。贾洪雷等[14]在仿形弹性镇压辊表面用UHMWPE材料制成的肋条结构将橡胶凸起固定,试验结果表明:优化后的仿形弹性镇压辊的粘附和阻力比普通镇压辊降低了60.1%和54.3%。杜卫刚[15]将UHMWPE制成波纹几何结构单元粘在开沟器表面,试验表明, UHMWPE仿生开沟器粘土很少。Salokhe等[16-17]将9种涂层运用到笼式水田轮轮刺,结果表明:搪瓷涂层的减粘效果最佳,并考察了搪瓷涂层对阻力的影响,证明它可明显降低阻力。左春柽等[18]在圆盘开沟器表面喷涂搪瓷后,其平均牵引阻力比普通圆盘开沟器降低了62.1%。由上述可知,改变镇压辊的表面结构同时结合疏水材料能改善镇压辊由于粘附而产生的工作阻力增大的问题。同时,根据现有的相关研究,未发现有考察镇压辊作业过程中的壅土问题。本研究在前人工作的基础上,结合工程仿生的技术手段,设计了新型的镇压辊,以减轻粘附和壅土问题。

穿山甲(ManisPentadactyla)生活在潮湿地带,觅食时可通过灵敏的嗅觉挖到蚁群聚居处,且挖洞过程中身上鳞片粘土很少。其体表分布的单体覆瓦状鳞片具有对称的六边形几何结构[19-20],如图1所示。为了解决传统镇压辊粘附和壅土的问题,在深入研究穿山甲体表鳞片多边形几何结构的不粘土特性后,将镇压辊的表面由传统的柱面设计成正多面体结构,通过全面试验获得粒距变化率最低(即防壅土效果最佳)的仿生镇压辊。同时,将UHMWPE和搪瓷涂层应用到防壅土效果最佳的仿生镇压辊上,考察材料对仿生镇压辊减粘降阻效果的影响。

图1 穿山甲体表鳞片

1 仿生多面体型几何结构镇压辊的设计

基于穿山甲体表鳞片的多边形几何结构,将镇压辊的表面由传统的柱面设计成正多面体结构,分别设计了正12面体、正15面体和正18面体3种仿生多面体型几何结构镇压辊,如图2所示。

图2 试验用镇压辊

仿生多面体型几何结构镇压辊与传统镇压辊的制造材料均选用外径为325mm、宽为200 mm、厚为8mm的Q235无缝钢管,3种仿生多面体型几何结构镇压辊的截面分别为内接于直径为325mm的圆的正12边形、正15边形和正18边形。

2 土槽试验

2.1 试验方法

试验在吉林大学室内土槽进行,土槽的尺寸、土壤性质、试验前土壤容重情况详见文献[13]。选取土槽两个长18m、宽1m的地块作为试验区,两地块的土壤干基含水率分别为20%和28%。土槽台车的前进速度为0.9 m/s。

以粘附土壤量、牵引阻力、种子粒距变化率、土壤容重为指标,进行全面试验,考察了土壤干基含水率分别为20%和28%时3种仿生多面体型几何结构镇压辊在载荷分别为300、500、700N下的镇压效果,并与传统镇压辊进行对比。

粘附土壤量是通过每次试验结束后,用硬毛刷将粘在辊子上的土刮下称量测得[13]。

牵引阻力是依靠自制轮架与台车上连接装置之间的RSS03型拉压传感器测得。

种子粒距变化率Rs用来评定镇压辊的壅土程度,其测得方法如下:试验前人工摆放种子,粒距为200mm;然后轻轻覆土,防止粒距在覆土过程改变,试验后测量镇压后的粒距。种子粒距变化率计算公式为

(1)

式中s1—试验前的粒距,s1=200mm;

s2—作业后的粒距(mm)。

2.2 镇压辊结构对作业效果的影响

2.2.1 减粘减阻效果

对比试验证明,3种仿生多面体型几何结构镇压辊没有起到减轻粘附的效果,甚至阻力略高于传统镇压辊。这表明,仅将传统镇压辊的圆柱状外形设计为多面体形状对减粘没有效果。

2.2.2 防壅土效果

土壤干基含水率分别为20%和28%时,试验用镇压辊在不同载荷下的种子粒距变化率如图3所示。由图3可知:所有镇压辊压后的种子粒距变化率Rs均随着载荷的增加而增大。

试验表明:土壤干基含水率为20%、载荷为300 N时,正12面体、正15面体和正18面体仿生几何结构镇压辊镇压后的Rs比传统镇压辊分别降低33.19%、28.17%和27.29%;载荷为500 N时,正12面体、正15面体和正18面体仿生几何结构镇压辊镇压后的Rs比传统镇压辊分别降低21.03%、13.99%和9.86%;载荷为700 N时,正12面体、正15面体和正18面体仿生几何结构镇压辊镇压后的Rs比传统镇压辊分别降低31.37%、27.62%和12.38%。

试验表明:土壤干基含水率为28%、载荷为300 N时,正12面体、正15面体和正18面体仿生几何结构镇压辊镇压后的Rs分别比传统镇压辊降低32.89%、17.97%和11.37%;载荷为500 N时,正12面体、正15面体和正18面体仿生几何结构镇压辊镇压后的Rs分别比传统镇压辊降低29.77%、13.13%和10.26%;载荷为700 N时,正12面体、正15面体和正18面体仿生几何结构镇压辊镇压后的Rs分别比传统镇压辊降低27.99%、17.37%和10.25%。

综上所述,两种土壤干基含水率条件下,正12面体仿生几何结构镇压辊的粒距变化率最低、防壅土性能最好。

2.2.3 土壤压实效果

土壤干基含水率分别为20%和28%时,试验用镇压辊作业后的土壤容重如表1所示。

适宜玉米生长的土壤容重为1.0～1.3g/cm3[13,21]。由表1可知:两种土壤干基含水率下,所有镇压辊对应的土壤容重均随着载荷的增大而增加,且3种仿生多面体型几何结构镇压辊和传统镇压辊一样,均能使土壤容重达到适宜玉米生长的状态。

图3 试验用镇压辊在3种载荷下的种子粒距变化率

表1 镇压后土壤容重

2.3 材料对仿生镇压辊作业效果的影响

通过上述试验结果可知,防壅土性能最好的镇压辊为正12面体仿生几何结构镇压辊,但却起不到减粘减阻的效果。为了解决这个问题,在优化后的正12面体仿生几何结构镇压辊固定UHMWPE板或喷涂搪瓷涂层,从而考察材料对仿生多面体型几何结构镇压辊粘附和阻力的影响。试验时,土壤干基含水率为20%,台车前进速度为0.9m/s,镇压辊的载荷为300N。

搪瓷仿生多面体型几何结构镇压辊表面的涂层厚度为0.8mm。UHMWPE仿生多面体型几何结构镇压辊是通过在表面上打出两个螺纹孔并用沉头螺钉将UHMWPE板固定。传统镇压辊及3种材料的仿生多面体型几何结构镇压辊实物图如图4所示。

图4 试验用镇压辊

2.3.1 粘附土壤量

试验用镇压辊作业后的粘附土壤量及粘附状态如图5和图6所示。

图5 镇压辊的粘附土壤量

由图5、图6可以发现:Q235仿生多面体型几何结构镇压辊的粘附土壤量与传统镇压辊相差不大。这说明,仅将镇压辊的柱面设计成正多面体结构只能起到一定防壅土效果,不能起到减轻粘附的效果;另外,结合使用疏水材料时的粘附土壤量明显低于传统镇压辊并采用UHMWPE时,其粘附土壤量最低,比传统镇压辊降低33.22%;表面喷涂搪瓷涂层时,其粘附土壤量比传统镇压辊降低25.07%。

传统镇压辊和UHMWPE仿生多面体型几何结构镇压辊作业后的地表状况如图7所示。

图7 作业后的地表状况

由图7 (a)的矩形框区域可以发现:传统镇压辊将地表土壤粘附起来,不利于土壤保持温度和水分,影响种子的发芽。

2.3.2 牵引阻力

传统镇压辊和3种仿生多面体型几何结构镇压辊的牵引阻力如图8所示。由图8可以发现:仿生多面体型几何结构镇压辊表面喷涂搪瓷涂层时阻力最低,相较于传统镇压辊降低了17.87%,采用UHMWPE时阻力降低了4.37%;而采用Q235钢时,阻力比传统镇压辊高出10.87%。综上分析,镇压辊采用仿生多面体型几何结构同时结合使用疏水材料(UHMWPE或搪瓷涂层),可以在保证适当的压实效果、防壅土效果好的前提下减轻粘附和阻力。

图8 镇压辊的牵引阻力

3 结论

1)针对传统镇压辊粘附土壤、阻力大和壅土问题,将镇压辊的表面由传统的柱面设计成正多面体结构,分别设计了正12面体、正15面体和正18面体3种仿生多面体型几何结构镇压辊,制造材料选用Q235钢。

2)土槽试验对比结果表明:两种土壤干基含水率下,所有镇压辊压后的土壤容重均能达到适宜玉米生长的状态,且3种仿生多面体型几何结构镇压辊的防壅土效果均比传统镇压辊好。其中,正12面体仿生几何结构镇压辊的防壅土效果最好,种子粒距变化率最低,比传统镇压辊降低了33.19%,但却没起到减粘降阻的效果。

3)将UHMWPE和搪瓷涂层这两种疏水材料分别用于优化得到的正12面体仿生几何结构镇压辊,试验结果表明:采用疏水材料的这两种仿生镇压辊的均能实现减粘降阻,镇压辊表面采用UHMWPE时粘附土壤量最少,与传统镇压辊相比降低了33.22%;镇压辊表面喷涂搪瓷涂层时阻力最低,与传统镇压辊相比降低了17.87%。