【摘要】：土壤粘附現(xiàn)象普遍存在于地面機(jī)械與土壤相互作用過程中,對(duì)地面機(jī)械的工作性能和質(zhì)量有著不容忽視的影響。土壤動(dòng)物如蚯蚓能夠在不同的土壤環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)而始終保持自身沒有土壤粘附,這是蚯蚓非光滑體表、動(dòng)態(tài)蠕動(dòng)、體表潤滑、電滲等耦合作用的結(jié)果。這為解決觸土部件的粘附提供了仿生思路。為了提高觸土部件的脫附減阻性能,運(yùn)用仿生學(xué)原理,以蚯蚓為仿生原型,對(duì)芯鏵式開溝器進(jìn)行了仿生優(yōu)化研究,以期為觸土部件減粘降阻提供參考和依據(jù)。以參環(huán)毛蚓(Pheretima aspergillum)作為生物原型,基于蚯蚓的非光滑波紋形態(tài)體表和生物潤滑功能,仿生設(shè)計(jì)了四種仿生開溝器。首先,提取蚯蚓頭部收縮態(tài)曲線,將曲線前部的入土部分用到芯鏵脊線上,設(shè)計(jì)仿生脊線開溝器;其次,將曲線中后部的波紋結(jié)構(gòu)應(yīng)用到芯鏵側(cè)線上,設(shè)計(jì)仿生波紋開溝器;最后,兩種開溝器特征結(jié)合,設(shè)計(jì)仿生復(fù)合開溝器。對(duì)仿生復(fù)合開溝器進(jìn)行潤滑設(shè)計(jì),完成自潤滑功能,命名為自潤滑仿生開溝器。利用離散元方法對(duì)開溝器減阻性能和觸土界面進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明:開溝阻力由大到小依次為傳統(tǒng)開溝器、仿生波紋開溝器、仿生脊線開溝器、仿生復(fù)合開溝器。三種仿生開溝器的減阻率隨開溝深度的增加而增大。仿生復(fù)合開溝器在深度60mm、速度100mm/s時(shí)達(dá)到了最大減阻率為9.08%。三種仿生開溝器的開溝寬度均小于傳統(tǒng)開溝器,對(duì)土壤擾動(dòng)小,回土效果均比傳統(tǒng)開溝器要好。仿生脊線開溝器由于入土角沿著脊線由小逐漸平緩增大,具有更好的入土性能。仿蚯蚓脊線的芯鏵面表面積較圓弧形脊線開溝器小,在整體尺寸相同的情況下,具有更少的顆粒接觸。波紋結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)顆粒向垂直方向運(yùn)行,提高開溝高度,減小開溝寬度,并使顆粒施加給芯鏵表面的力從芯鏵的尖端緩解到整個(gè)芯鏵面上,波紋芯鏵表面與顆粒之間產(chǎn)生間隙,減少了顆粒接觸個(gè)數(shù)和接觸面積。仿生復(fù)合開溝器的力場最小,芯鏵表面對(duì)土壤的擾動(dòng)小且沿芯鏵面均勻分布。對(duì)開溝阻力進(jìn)行單因素試驗(yàn)探究:開溝阻力隨著土壤含水量、土壤硬度、開溝深度以及開溝速度的增加均呈增加趨勢。對(duì)仿生復(fù)合開溝器的減阻率進(jìn)行多元正交多項(xiàng)式回歸試驗(yàn)探究,主次因素最優(yōu)水平依次為:土壤硬度3、開溝深度為60mm、開溝速度為500 cm/min、土壤含水量為20%時(shí),達(dá)到最大減阻率20.5%。建立了因素與減阻率的回歸方程,減阻率隨著土壤硬度和開溝深度的增加而增加,隨著開溝速度的增加先增加后減小。蚯蚓在前進(jìn)過程中分泌的體表粘液在土壤與蚯蚓體表之間形成一個(gè)弱剪切層。這一弱剪切層具有良好的流動(dòng)性,起到流體潤滑作用,從而降低了土壤粘附力和阻力。對(duì)潤滑試驗(yàn)的土壤含水量條件進(jìn)行探究,土壤含水量較小時(shí),開溝器潤滑會(huì)促進(jìn)土壤顆粒與水分子吸附,加大土壤粘附;土壤含水量較大時(shí),土壤顆粒呈整體塑性狀態(tài),潤滑會(huì)使水分子游離,土壤在水的潤滑下降低粘附和阻力。通過土壤含水量試驗(yàn)得到,土壤含水量為30%時(shí),潤滑減阻效果最好,減阻率均值為21.15%。對(duì)潤滑孔的最優(yōu)孔排布進(jìn)行試驗(yàn),得出下層孔與外側(cè)孔具有最小的開溝阻力。潤滑試驗(yàn)方案采用多元正交多項(xiàng)式回歸試驗(yàn),得到影響仿生開溝器減阻率的主次因素最優(yōu)水平依次為:潤滑液流速為0.1,土壤含水量為30%。建立了因素與仿生開溝器減阻率的回歸方程,并得出各單因素與減阻率的關(guān)系,減阻率隨著潤滑液流速的增加而增加,隨著土壤含水量的增加,減阻率先增加后減小。
【圖文】：

常見的幾種開溝器簡圖

c 螻蛄背板（剛毛形） d 穿山甲鱗片（鱗片形）圖 1.3 土壤動(dòng)物非光滑體表形態(tài)潤滑仿生：蚯蚓和泥鰍等動(dòng)物在土壤中行走時(shí)通過分泌體表液達(dá)到脫附用。體表液提供了一個(gè)弱剪切層，，在土壤與體表之間形成潤滑界面，降動(dòng)物體表的粘附。通過分析蚯蚓的體表自潤滑現(xiàn)象，設(shè)計(jì)仿生潤滑試樣
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S223.19

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本文編號(hào)：2705211