双翼式深松铲的仿生设计及其离散元分析
汲文峰;刘涛;张青松;黄小毛
【摘 要】深松铲是保护性耕作中进行深松的主要工具,其品质直接影响深松的效果.在对双翼式深松铲改型设计的基础上,应用仿生技术研究成果设计出仿生深松铲,并通过Pro/E软件对改型深松铲和仿生深松铲进行三维建模.而后应用离散元软件EDEM 对两种形式深松铲进行仿真分析,得出速度为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s时两种深松铲所受的耕作阻力.离散元分析结果表明,两种深松铲在触土过程中耕作阻力变化趋势相同.虽然仿生深松铲具有较好的土壤脱附和耐磨性能,但平均耕作阻力较之改型深松铲稍大.本研究方法为新型深松铲的优化设计提供了参考.
【期刊名称】《广东农业科学》
【年(卷),期】2013(040)013
【总页数】3页(P180-182)
【关键词】双翼式深松铲;仿生设计;离散元分析;耕作阻力
【作 者】汲文峰;刘涛;张青松;黄小毛
【作者单位】华中农业大学工学院,湖北武汉430070;华中农业大学工学院,湖北武汉430070;华中农业大学工学院,湖北武汉430070;华中农业大学工学院,湖北武汉430070
【正文语种】中 文
【中图分类】S222
随着保护性耕作的不断发展，深松技术得到了越来越多的应用。深松主要是通过对土壤的深度松动，打破犁底层，从而改变土壤结构，改善土壤肥力，提高农作物产量，进而实现土地的可持续使用[1]。深松铲是进行农田深松作业的主要工具，其品质直接影响深松的效果。虽然现在深松铲技术日益成熟，而且在实际耕作中新结构不断出现，铲形不断改进，但是深松铲仍有很多不足，有待改善。其中最主要的不足是土壤对深松铲产生的阻力较大，从而使生产效率下降，而且对深松铲造成较大磨损，从而明显降低了深松铲的使用寿命[2－3]。
土壤中的动物如蜣螂、蚯蚓等能够在土壤中自由穿梭，它们具有卓越的减少土壤粘附阻力
的能力，这给农机设计提供了新的设计思路。在对典型土壤动物研究的基础上，设计出的仿生部件具有良好的脱附减阻效果，同时降低了工作部件的磨损，提高了机具工作寿命，如仿生开沟器[4]、仿生推土板[5]、仿生犁壁[6]等。
本研究通过对深松铲进行改型设计，利用CAD软件Pro/E对改型深松铲和仿生深松铲分别进行三维建模，然后对两种深松铲进行离散元仿真分析，考察两种深松铲在不同前进速度情况下所受土壤作用。本研究利用离散元方法分析深松铲对土壤动态扰动行为，具有较高的分析精度，并极大的缩短了设计和试验周期，为新型深松铲的设计和试验优化提供了参考。
1 深松铲的改型设计
本研究以翼型深松铲为设计分析对象。深松铲主要由铲尖和铲柄构成，铲尖的主要尺寸有翼宽W、翼张角α、起土角β，翼宽的范围一般为100～200 mm，翼张角的范围为 30°～90°，起土角的范围为 10°～50°。 深松铲铲柄主要有侧面宽度、铲柄楔角和铲柄厚度3个参数，侧面宽度的范围一般小于300 mm，铲柄楔角的范围为50°～70°，铲柄厚度的范围为10～30 mm。
根据Pro/E对深松铲的铲尖和铲柄的参数化设计和Pro/Mechanica的灵敏度分析结果[7]，选取双翼式铲尖的三维建模设计尺寸（图1），W为200 mm，翼张角α为 60°，起土角β为30°；选取侧面宽度b为85 mm，铲柄楔角Φ为59°，铲柄厚度S为25 mm作为铲柄的三维建模设计尺寸（图 2）。
利用Pro/E软件进行深松铲铲尖和铲柄的建模。为方便调节固定深松铲的作业深度，在铲柄主体的直线部分有1列不通孔。深松铲铲尖和铲柄的联接选用螺栓。将铲柄、铲尖、螺栓、螺母等进行装配，得到了深松铲的三维模型（图3）。改型设计的深松铲与传统深松铲相比，主要区别在于两铲翼面的交界处以圆弧面过渡，这样有利于制造时减小应力集中，加强铲面的强度，从而提高使用寿命。
图1 深松铲尖参数
图2 深松铲柄参数
图3 改型后的双翼式深松铲
2 仿生深松铲的设计
图4 仿生深松铲尖
3 深松铲尖与土壤作用的离散元分析
3.1 离散元模型的建立
土壤由众多细小颗粒构成，不能假设土壤性质为连续模型，因连续体假设不符合土壤实际情况，同时也不利于模拟土壤复杂的动态变化[9-10]。相较于有限元，离散单元法更符合土壤实际情况，能很好地模拟土壤不连续形状，可形象描述土壤颗粒间的相互作用和外力对土壤的剪切行为，为具有典型触土部件对离散结构土壤的复杂动态扰动行为分析提供了全新的解决途径。
本研究将Pro/E中建好的模型导入离散元分析软件EDEM，建立深松铲尖与土壤离散元分析模型（图5），采用线性粘弹性接触力学模型计算土壤颗粒之间及深松铲与土壤间的接触作用力。离散元仿真分析时，所取的深松铲和土壤性能参数见表1[11-12]。
图5 深松铲-土壤离散元分析模型
我国著名仿生专家任露泉教授等对凸起型的仿生非光滑表面进行了理论和实践研究，研究结果表明，表面凸起极大地降低了部件和土壤的接触面积，而且凸起的圆球的直径尺寸对减粘降阻效果有直接影响，基于该研究成果设计的仿生犁壁与传统犁壁相比，耐磨性提高32%，减附率达89%[8]。
本研究设计的改型仿生深松铲即是基于凸起型仿生非光滑表面设计而成。深松铲作业时，主要是铲尖与土壤接触，因此主要对铲尖进行仿生设计。仿生深松铲的设计方法如下：在铲尖两侧平面上按一定规律布置球状凸起，球形凸起的底圆直径为16 mm，高2 mm，排列时相邻3个凸起圆球的球心两两相隔24.5 mm，将凸起的分布按相互交错的方式布置，均匀布满整个铲翼平面，得到改型后的新铲面。在深松铲两翼面连接处的过渡圆弧表面上不分布凸起，以防止制造时加工难度较大（图4）。
表1 深松铲和土壤性能参数深松铲(45号钢)土壤参 数泊松比剪切模量(Pa)密度(kg/m3)泊松比剪切模量(Pa)密度(kg/m3)土-土恢复系数土-土静摩擦系数土-土动摩擦系数土-钢恢复系数土-钢静摩擦系数土-钢动摩擦系数土壤颗粒半径(mm)土壤颗粒数目数值0.30 7.00×1010 7.80×103 0.50 1.00×105 2.00×103 0.12 0.25 0.04 0.10 0.20 0.02 2 614814
3.2 离散元分析结果
本研究固定深松铲耕深为300 mm，对比分析了0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s等5种前进速度情况下普通改型和仿生改型的深松铲所受到的土壤阻力。图6为前进速度为1.0 m/s时，自深松铲逐渐接触土壤模型直至完全穿出土壤过程中两种深松铲所受到的土壤阻力。由图6可知，在深松铲与土壤的接触过程中共历时0.78 s，随着与土壤接触面积的增大，深松铲所受土壤阻力均由零逐渐增长到最大值，而后减小，直至深松铲与土壤完全脱离。速度为1.0 m/s时，两种深松铲在与土壤接触过程中所受土壤阻力的变化趋势相同，其他4种前进速度情况下亦呈现此变化趋势。在深松铲与土壤接触前半阶段中，即0～0.47 s时，所受土壤阻力相近，但在接触过程后半阶段，仿生深松铲的数值较普通改型深松铲大。
