發(fā)布時間：2020-02-18所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:針對傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附土壤、阻力大和壅土問題，基于穿山甲體表鱗片的多邊形幾何結(jié)構(gòu)，分別設計了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，制造材料選用Q235。以粘附土壤量、牽引阻力、種子粒距變化率、土壤容重為指標，在室內(nèi)土槽考
摘要:針對傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附土壤、阻力大和壅土問題，基于穿山甲體表鱗片的多邊形幾何結(jié)構(gòu)，分別設計了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，制造材料選用Q235。以粘附土壤量、牽引阻力、種子粒距變化率、土壤容重為指標，在室內(nèi)土槽考察了土壤干基含水率分別為20%和28%時3種仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥在載荷分別為300、500、700N下的鎮(zhèn)壓效果，并與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥對比。結(jié)果表明:正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的種子粒距變化率最低，比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低了33.19%，即防壅土效果最好，但它卻沒達到減粘降阻的效果。分別將超高分子量聚乙烯、搪瓷涂層這兩種疏水材料分別用于正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，通過與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的對比試驗證實，采用疏水材料的這兩種仿生鎮(zhèn)壓輥均能達到減粘降阻的效果，鎮(zhèn)壓輥表面采用超高分子量聚乙烯時粘附土壤量最少，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了33.22%;鎮(zhèn)壓輥表面噴涂搪瓷涂層時阻力最低，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了17.87%。該研究結(jié)果可為農(nóng)業(yè)機械觸土部件表面減粘降阻及防壅土的仿生設計提供參考。
關鍵詞:仿生鎮(zhèn)壓輥;多面體型幾何結(jié)構(gòu);粒距變化率;減粘降阻;土壤壓實
0引言
鎮(zhèn)壓輥主要用于壓實播種后的土壤[1]，研究表明[2-6]:合理的鎮(zhèn)壓可以提高作物產(chǎn)量。理想的鎮(zhèn)壓輥應在保證作物所需土壤容重的前提下，不滑移，粘土量和牽引阻力要低，鎮(zhèn)壓力可調(diào)，壓后粒距均勻[1]。但是，傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥多為光滑圓柱表面，在工作時極易將種床土壤粘連起來，使土壤失墑嚴重，而且還會將一部分土壤推到鎮(zhèn)壓輥前方，形成波浪狀凸起，即“拖堆壅土”現(xiàn)象[7-8]。這不僅起不到壓實土壤的效果，還要額外消耗功去推移隆起的土壤，使得株距分布不均，影響最后田間的植株密度[9]。因此，解決傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥作業(yè)過程中的粘附和壅土問題，具有重要的現(xiàn)實意義。
研究證實，與鋼鐵材料相比，農(nóng)機觸土部件采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和搪瓷涂層時可有效地降低土壤對觸土部件的粘附力和摩擦阻力[10-12]。佟金等[13]將UHMWPE材料制作的肋條結(jié)構(gòu)應用于鎮(zhèn)壓輥的減粘降阻上，通過正交試驗獲得了最佳的肋條結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明:肋條型仿生鎮(zhèn)壓輥的減粘率最高可達41.08%，降阻率最高可達39.4%。賈洪雷等[14]在仿形彈性鎮(zhèn)壓輥表面用UHMWPE材料制成的肋條結(jié)構(gòu)將橡膠凸起固定，試驗結(jié)果表明:優(yōu)化后的仿形彈性鎮(zhèn)壓輥的粘附和阻力比普通鎮(zhèn)壓輥降低了60.1%和54.3%。杜衛(wèi)剛[15]將UHMWPE制成波紋幾何結(jié)構(gòu)單元粘在開溝器表面，試驗表明，UHMWPE仿生開溝器粘土很少。Salokhe等[16-17]將9種涂層運用到籠式水田輪輪刺，結(jié)果表明:搪瓷涂層的減粘效果最佳，并考察了搪瓷涂層對阻力的影響，證明它可明顯降低阻力。左春檉等[18]在圓盤開溝器表面噴涂搪瓷后，其平均牽引阻力比普通圓盤開溝器降低了62.1%。由上述可知，改變鎮(zhèn)壓輥的表面結(jié)構(gòu)同時結(jié)合疏水材料能改善鎮(zhèn)壓輥由于粘附而產(chǎn)生的工作阻力增大的問題。同時，根據(jù)現(xiàn)有的相關研究，未發(fā)現(xiàn)有考察鎮(zhèn)壓輥作業(yè)過程中的壅土問題。本研究在前人工作的基礎上，結(jié)合工程仿生的技術手段，設計了新型的鎮(zhèn)壓輥，以減輕粘附和壅土問題。
穿山甲(ManisPentadactyla)生活在潮濕地帶，覓食時可通過靈敏的嗅覺挖到蟻群聚居處，且挖洞過程中身上鱗片粘土很少。其體表分布的單體覆瓦狀鱗片具有對稱的六邊形幾何結(jié)構(gòu)[19-20]，如圖1所示。為了解決傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附和壅土的問題，在深入研究穿山甲體表鱗片多邊形幾何結(jié)構(gòu)的不粘土特性后，將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設計成正多面體結(jié)構(gòu)，通過全面試驗獲得粒距變化率最低(即防壅土效果最佳)的仿生鎮(zhèn)壓輥。同時，將UHMWPE和搪瓷涂層應用到防壅土效果最佳的仿生鎮(zhèn)壓輥上，考察材料對仿生鎮(zhèn)壓輥減粘降阻效果的影響。
1仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的設計
基于穿山甲體表鱗片的多邊形幾何結(jié)構(gòu)，將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設計成正多面體結(jié)構(gòu)，分別設計了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，如圖2所示。
仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的制造材料均選用外徑為325mm、寬為200mm、厚為8mm的Q235無縫鋼管，3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的截面分別為內(nèi)接于直徑為325mm的圓的正12邊形、正15邊形和正18邊形。
2土槽試驗
2.1試驗方法
試驗在吉林大學室內(nèi)土槽進行，土槽的尺寸、土壤性質(zhì)、試驗前土壤容重情況詳見文獻[13]。選取土槽兩個長18m、寬1m的地塊作為試驗區(qū)，兩地塊的土壤干基含水率分別為20%和28%。土槽臺車的前進速度為0.9m/s。
以粘附土壤量、牽引阻力、種子粒距變化率、土壤容重為指標，進行全面試驗，考察了土壤干基含水率分別為20%和28%時3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥在載荷分別為300、500、700N下的鎮(zhèn)壓效果，并與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥進行對比。
粘附土壤量是通過每次試驗結(jié)束后，用硬毛刷將粘在輥子上的土刮下稱量測得[13]。
牽引阻力是依靠自制輪架與臺車上連接裝置之間的RSS03型拉壓傳感器測得。
2.2鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)對作業(yè)效果的影響
2.2.1減粘減阻效果
對比試驗證明，3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥沒有起到減輕粘附的效果，甚至阻力略高于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥。這表明，僅將傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的圓柱狀外形設計為多面體形狀對減粘沒有效果。
2.2.2防壅土效果
土壤干基含水率分別為20%和28%時，試驗用鎮(zhèn)壓輥在不同載荷下的種子粒距變化率如圖3所示。由圖3可知:所有鎮(zhèn)壓輥壓后的種子粒距變化率Rs均隨著載荷的增加而增大。
試驗表明:土壤干基含水率為20%、載荷為300N時，正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥分別降低33.19%、28.17%和27.29%;載荷為500N時，正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥分別降低21.03%、13.99%和9.86%;載荷為700N時，正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥分別降低31.37%、27.62%和12.38%。
試驗表明:土壤干基含水率為28%、載荷為300N時，正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs分別比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低32.89%、17.97%和11.37%;載荷為500N時，正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs分別比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低29.77%、13.13%和10.26%;載荷為700N時，正12面體、正15面體和正18面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓后的Rs分別比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低27.99%、17.37%和10.25%。
綜上所述，兩種土壤干基含水率條件下，正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的粒距變化率最低、防壅土性能最好。
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2.2.3土壤壓實效果
土壤干基含水率分別為20%和28%時，試驗用鎮(zhèn)壓輥作業(yè)后的土壤容重如表1所示。
適宜玉米生長的土壤容重為1.0～1.3g/cm3[13，21]。由表1可知:兩種土壤干基含水率下，所有鎮(zhèn)壓輥對應的土壤容重均隨著載荷的增大而增加，且3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥和傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥一樣，均能使土壤容重達到適宜玉米生長的狀態(tài)。
2.3材料對仿生鎮(zhèn)壓輥作業(yè)效果的影響
通過上述試驗結(jié)果可知，防壅土性能最好的鎮(zhèn)壓輥為正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，但卻起不到減粘減阻的效果。為了解決這個問題，在優(yōu)化后的正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥固定UHMWPE板或噴涂搪瓷涂層，從而考察材料對仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥粘附和阻力的影響。試驗時，土壤干基含水率為20%，臺車前進速度為0.9m/s，鎮(zhèn)壓輥的載荷為300N。
搪瓷仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥表面的涂層厚度為0.8mm。UHMWPE仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥是通過在表面上打出兩個螺紋孔并用沉頭螺釘將UHMWPE板固定。傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥及3種材料的仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥實物圖如圖4所示。
2.3.1粘附土壤量
試驗用鎮(zhèn)壓輥作業(yè)后的粘附土壤量及粘附狀態(tài)如圖5和圖6所示。
由圖5、圖6可以發(fā)現(xiàn):Q235仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的粘附土壤量與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相差不大。這說明，僅將鎮(zhèn)壓輥的柱面設計成正多面體結(jié)構(gòu)只能起到一定防壅土效果，不能起到減輕粘附的效果;另外，結(jié)合使用疏水材料時的粘附土壤量明顯低于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥并采用UHMWPE時，其粘附土壤量最低，比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低33.22%;表面噴涂搪瓷涂層時，其粘附土壤量比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低25.07%。
傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥和UHMWPE仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥作業(yè)后的地表狀況如圖7所示。
由圖7(a)的矩形框區(qū)域可以發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥將地表土壤粘附起來，不利于土壤保持溫度和水分，影響種子的發(fā)芽。
2.3.2牽引阻力
傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥和3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的牽引阻力如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn):仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥表面噴涂搪瓷涂層時阻力最低，相較于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低了17.87%，采用UHMWPE時阻力降低了4.37%;而采用Q235鋼時，阻力比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥高出10.87%。綜上分析，鎮(zhèn)壓輥采用仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)同時結(jié)合使用疏水材料(UHMWPE或搪瓷涂層)，可以在保證適當?shù)膲簩嵭Ч⒎累胀列Ч玫那疤嵯聹p輕粘附和阻力。
3結(jié)論
1)針對傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附土壤、阻力大和壅土問題，將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設計成正多面體結(jié)構(gòu)，分別設計了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，制造材料選用Q235鋼。
2)土槽試驗對比結(jié)果表明:兩種土壤干基含水率下，所有鎮(zhèn)壓輥壓后的土壤容重均能達到適宜玉米生長的狀態(tài)，且3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的防壅土效果均比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥好。其中，正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的防壅土效果最好，種子粒距變化率最低，比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低了33.19%，但卻沒起到減粘降阻的效果。
3)將UHMWPE和搪瓷涂層這兩種疏水材料分別用于優(yōu)化得到的正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，試驗結(jié)果表明:采用疏水材料的這兩種仿生鎮(zhèn)壓輥的均能實現(xiàn)減粘降阻，鎮(zhèn)壓輥表面采用UHMWPE時粘附土壤量最少，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了33.22%;鎮(zhèn)壓輥表面噴涂搪瓷涂層時阻力最低，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了17.87%。
