仿生耐磨减阻深松铲的研究现状

西南林业大学 陈红艳 陈文刚 代炳贵 李祖阳

前言

深松作业将土地深度松耕，使土壤撕裂、挤压和扰动，从而打破犁底层，改善土壤的结构，增强土壤蓄水保墒能力、抗旱防涝能力和土壤肥力，是在农业生产中广泛使用的保护性耕作技术。深松技术的实现主要依赖于深松机械的应用，但深松机械在作业过程中的耕作阻力过大、触土零部件磨损严重问题一直未能得到很好地解决。因此，深松机械配套使用的深松铲制造材料就必须要有较高的硬度、耐磨性和良好的冲击韧性，研究优化深松铲的抗磨减阻性能具有极其重要的意义。

很多与土壤长期接触的动物在千百年的进化过程中，其身体各部位结构及表面纹理结构具有较好的减阻抗磨特点，基于此，研究者在触土农业机具结构仿生优化减小阻力方面进行了大量的计算机仿真及试验研究工作。而在深松铲相关研究中有一些研究者也进行了一些有益的尝试。为了更好地促进此项技术的发展和广泛应用，本文对仿生深松铲的耐磨减阻性能研究进行分析和总结，并对仿生耐磨减阻深松铲今后的研究工作进行展望。

1 深松铲的生物仿生原型及仿生方法

在深松铲的仿生设计上，仿生原型包括蝼蛄、竹鼠、田鼠、家鼠、达乌尔黄鼠、鼹鼠、狗獾、棕熊、黑熊、穴兔、蚁狮幼虫、克氏原螯虾、砂鱼蜥、穿山甲、鲨鱼、蚯蚓、夏威夷贝、栉孔扇贝、蜣螂、金龟子、海豚等动物，将其爪趾形态、肢体运动方式和体表特殊的几何结构等应用于深松铲的设计中，优化深松铲的抗磨减阻、减粘脱附性能和作业效果。而仿生方法包括以生物爪趾形态特点仿生、生物体表面特殊几何结构特征仿生和复合仿生三种类型。

2 动物爪趾形态仿生深松铲

动物爪趾已经进化成适合于挖掘的特殊结构，其轮廓曲线具有优良的挖掘效果，具有挖掘时爪趾对土壤的粘附性小等优异特性，因此受到了广大研究者的青睐。

洪英[1]等以达乌尔黄鼠爪趾曲面轮廓形态为仿生原型，设计了仿生弯曲型深松部件，大大降低了工作阻力。王彬等[2]以家鼠爪趾轮廓形态为仿生原型，设计出北方玉米地仿生振动式深松机，减阻率达10%～17%。白景峰等[3-4]基于狗獾爪趾形态设计了一种铲柄刃口为多项式曲线，铲尖为圆弧形的新型深松铲和一种仿生振动减阻深松铲，减阻效果明显。姚克恒等[5]拟合穿山甲挖穴爪趾曲线设计深松铲铲体曲面，能有效实现深松机的减阻降耗。李博[6]将棕熊爪趾结构和入土角为30°时的黑熊爪趾曲线应用于深松铲的优化中，基于离散元法分别设计出了棕熊爪趾仿生深松铲和黑熊爪趾仿生深松铲，其中棕熊爪趾仿生深松铲的减阻效率为10.99%～26.81%，黑熊爪趾仿生深松铲的耕作性能是凯斯深松铲的9.5 倍。为解决深松机械耕作阻力大，深松铲磨损严重、适应性不强等问题，张金波等[7]模仿小家鼠爪趾高效的土壤挖掘性能设计了铲柄破土刃口为指数函数曲线型的减阻深松铲，田间试验结果表明，仿生减阻深松铲与传统深松铲相比耕作阻力降低了8.5%～39.5%。

3 生物体表面几何结构仿生深松铲

国内外在生物体表的非光滑结构仿生表面减摩及减阻特性有限元仿真及试验研究方面也有许多研究者进行了有益的探索。

邱兆美等[8-9]利用蚯蚓波纹表面的降阻机制设计深松铲波纹形触土表面，仿真分析结果表明仿生深松铲的耕作阻力明显低于原深松铲，且理论使用寿命高于原深松铲。夏威夷贝壳体表面受砂石的磨损形式与土壤对深松铲的作用形式比较相似，鲍洋清[10]以此为基础，应用夏威夷贝壳体外表面的棱纹结构设计了14 种不同形状的仿生密肋深松铲，其中肋角45°、肋宽30mm、肋数为6 的仿生深松铲减阻效果最佳。牛纪苹等[11]仿鲨鱼盾鳞微结构，分别设计并制造了两种具有连续和不连续微结构的仿生凿形深松铲。通过有限元模拟和试验分析表明，与传统的深松铲相比，具有不连续微结构表面的仿生深松铲，垂直方向阻力可降低24.8%、水平方向阻力可降低21.3%，能够有效降低耕作阻力和土壤粘附力。张智泓等[12]以砂鱼蜥头部的几何特征为仿生原型，设计了3 种仿生深松铲尖，所需牵引力要比凿型铲尖更低，其中B-S-2 型仿生铲尖和凿型铲尖相比减阻效果最好，减阻率达到8.34%～19.31%。罗晓峰[13]构建仿生表面结构结合控制工艺（设置冷铁）来设计结构/材料二元耦合仿生表面结构，并用砂型铸造制备球墨铸铁材料试样进行实验。结果表明，耦合仿生表面结构显微硬度值平均比芯部基体提高35.71%，磨料磨损实验磨损量最小，能兼顾部件的耐磨性和机械性能，有利于降低土壤粘附，具有一定的减阻效果，基于此设计的耦合仿生双翼型深松铲尖在一定程度上减小耕作阻力。张广凯[14]研究克氏原螯虾的减粘降阻和耐磨机理，设计了仿生单微刺- 凸包深松铲、仿生双微刺- 凸包深松铲、仿生三微刺- 凸包深松铲。土槽试验验证结果表明在土壤含水率为20.62%时，仿生三微刺- 凸包深松铲铲尖减阻效果优于仿生凸包深松铲铲尖和普通深松铲铲尖，减阻效果最好。摩擦磨损试验结果表明在相同试验条件下，仿生双微刺- 凸包非光滑表面的耐磨性能优于仿生凸包非光滑表面和光滑表面，磨损量最少。

4 复合仿生深松铲

为了实现全方位的仿生来达到减磨抗磨的作用，目前在结构及表面复合仿生方面也有研究者进行了研究工作。

赵永来等[15]应用海豚胸鳍外轮廓特征曲线设计了深松铲铲尖、应用海豚背鳍外轮廓特征曲线设计了深松铲铲柄，将海豚流线型鳍结构特征曲线运用于深松铲的整体设计，辅以加注气压，设计出了气压耦合仿生减阻深松铲。胡伟等[16]提取竹鼠爪趾曲线用于优化深松铲铲柄，提取蚁狮幼虫背部轮廓线用于优化深松铲铲尖，设计出3 种复合仿生偏柱式深松铲，可有效减小深松阻力，最大可减阻12.92%。王晓阳等[17]将克氏原螯虾头胸部外骨骼微刺- 凸包（如图1a）减阻几何结构和砂鱼蜥背部体表微刺- 鳞片（如图1b）几何耐磨表面进行耦合设计，获得具有优异减阻性能的仿生凸包、微刺-凸包、仿生鳞片、微刺- 鳞片和微刺- 凸包- 鳞片混合表面5 种仿生几何结构表面（如图2），并运用到深松铲铲尖的优化设计中，通过土槽试验表明，仿生铲尖具有较优的减阻能力。甘帅汇[18]综合应用砂鱼蜥头部正弦运动特征和头部特殊几何结构设计复合仿生深松铲，减阻率为9.31%。张金波[19]将栉孔扇贝壳体表面和穿山甲体表鳞片表面放射状的棱纹形几何结构应用于深松铲刃的耐磨设计中，将小家鼠的爪趾结构应用于深松铲柄破土刃口曲线结构设计中，设计出的仿生深松铲刃耐磨性能显著提高，仿生深松铲柄具有优良的减阻性能。龚皓晖等[20]模拟金龟子前足胫节结构和家鼠爪趾结构设计的仿生深松铲受到的牵引阻力比JB/T 9788-1999 更少，功耗降低了20.6%。朱凤武[21]结合金龟子前足胫节齿顶端外缘轮廓线和齿的外缘轮廓线形状的抛物线规律，优化设计了深松铲的形状参数。王立冬[22]对狗獾爪趾曲线和穿山甲鳞片表面结构特征进行分析，设计出了双耦合仿生减阻深松铲，运用离散元法仿真模拟和田间试验验证得出双耦合仿生减阻深松铲的减阻、防粘附性能较好。

图1

图2 a 为传统铲尖，b、c、d、e、f 为复合仿生铲尖

5 总结和展望

综上所述可得，以具有耐磨减阻特征的动物爪趾、生物表面特殊几何结构为仿生对象，研制的仿生深松铲和复合仿生深松铲减阻效果显著，能有效解决深松铲工作阻力大、磨损严重的问题，研究的理论成果为后续的仿生深松铲研究提供了良好的借鉴。

但是目前对仿生深松铲的研究，多是结合仿生原型的结构形状，对生物体的外形或轮廓进行结构仿生和表面仿生，只针对深松铲的结构进行优化，仿生的生物原型则是以水生动物和土壤动物为主，较为局限，而将仿生与表面改性技术、土壤电渗、振动脱附等方法结合的研究先例较少。实际上蚯蚓粘液、鸟类羽毛、臭蜣螂头部转动的力学特性以及植物的很多微观结构都是具备减粘脱附、减阻降磨作用的。因此，在未来的研究中，可以向生物力学特性仿生、功能特征仿生方面拓展。在仿生原型上，将鸟类、植物等的耐磨减阻特征作为新的仿生探索领域；在研究方法上，可以尝试将仿生设计与其他技术方法相结合，使仿生深松铲的抗磨减阻性能得到更好的优化改善，研制出更加适用于现代农业生产实际的仿生耐磨减阻深松铲。