仿生深耕挖掘犁刀的建模与仿真分析

刘建军

摘要：根据仿生学原理，对长根茎类中药材收获机械的关键部件挖掘犁刀进行了创新设计，同时建立了深耕挖掘犁刀的三维实体模型，运用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对其进行了仿真分析，确定了深耕挖掘犁刀在挖掘时的应变分布图。结果表明，深耕挖掘犁刀产生的最大整体变形量为９．６２0 4 ｍｍ，发生在深耕挖掘犁刀的刀头；最大主弹性应变强度为２．５０５ ７ ｅ－２，最大弹性应变强度为３．６４６ ３ ｅ－２，最大等效弹性应变强度为２．４４１ ８ ｅ－２，发生在深耕挖掘犁刀螺母1上。

关键词：仿生；挖掘犁刀；建模；仿真

中图分类号：Ｓ２２５．７文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）14－3084-04

Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｉｏｎｉｃｓ Ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ Ｃｏｌｔｅｒ

ＬＩＵ Ｊｉａｎ－ｊｕｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｎｇ， Ｓａｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓａｎｍｉｎｇ ３６５００４， Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｂｉｏｎｉｃｓ， ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｄｅｅｐ ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ ｃｏｌｔｅｒ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｏｆ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃｉｎａｌ ｈｅｒｂｓ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ ｒｏｏｔ ｏｒ ｓｔａｌｋ was designed． Ｔｈｅ ３Ｄ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ ｃｏｌｔｅｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ； ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ－ｒｅｌｅａｓｅ ｍａｐ ｏｆ ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ ｃｏｌｔｅｒ ｗｈｅｎ ｄｉｇｇｉｎｇ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｓｔ ｔｏｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ ｃｏｕｌｔｅｒ ｗａｓ ９．６２0 4 ｍｍ， ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ； ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｗａｓ ２．５０５ ７ｅ－２； ｍａｘｉｍｕｍ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓ ３．６４６ ３ｅ－２； ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｗａｓ ２．４４１ ８ｅ－２， ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｎｕｔ1．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｉｏｎｉｃｓ； ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ ｃｏｌｔｅｒ； ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ

中药材是中国几千年来治疗、保健的主要资源，目前中国中药资源物种数高达１３ １１２种。２０１１年中国药材种植面积已达２０７．６万ｈｍ２，中成药年产值为８２０多亿元，为促进农村经济发展、增加农民收入发挥了重要作用。但中药材收获却具有严格的时节性，如果不能及时、按时收获，将大大影响药材的品质。目前收获的方式主要是人工挖收或用简易挖掘机械挖掘，然后进行人工拣拾，此项作业存在劳动强度大、劳动效率低、收获损失高、药材的品质差等缺陷，严重影响经济效益，极大地限制了中药材种植业的发展。

以长根茎类中药材收获机的关键部件挖掘犁刀为研究对象，以仿生学的原理设计一种新型的减阻降耗犁刀，并对此进行相关的仿真分析。

１仿生深耕挖掘犁刀的设计

１．１仿生减阻机理研究

从生命科学的角度来看，生物体经过漫长的历史进化进程，大大优化了自身的结构，使其适应环境的能力大大提高，这样就得到了生存和繁衍。许多困扰人类的科技难题都把焦点聚集在了生物和自然身上，仿生学就是以生物与自然中的基本特征或形态为蓝本，借助于高科技的技术手段，对其进行“形”或“神”的模仿，实现特定的技术功能或目标［１，２］。这种仿生减阻技术为耕作部件的减阻技术研究提供了一种新的思路。

仿生减阻的研究大体分为两个步骤。第一步是对现有生物系统的结构、功能、过程或行为机理进行内涵研究，获取面向仿生应用的生物信息，这是仿生减阻研发的基础和前提［３］。第二步是基于生物结构、功能、过程或行为机理解决科学技术难题，研制具有类似于生物系统减阻功能的技术或装备。

郭志军等［４］使用ＸＴＬ３０－ＣＴＶ体视显微镜分析了公鸡、家鼠、蝼蛄以及田鼠等几种动物爪趾的几何特征。对于每一个爪趾而言，其纵剖面上都具有２条轮廓线，位于触土面一侧的轮廓线称为内轮廓线，而把位于背部的轮廓线称作外轮廓线。内、外轮廓线的相对位置数据可以通过最小二乘法来分析与拟合，把每条轮廓线的四次拟合公式换入标准的曲率方程，可计算出每条曲线在不同位置坐标下的曲率。拟合结果表明，各爪趾的轮廓线特别是内轮廓线表现出明显的变曲率特征，以田鼠爪趾为例，图１给出了其中的一只田鼠左前爪中趾的体视放大照片，测量过程中保持爪趾轮廓线所在平面与镜头垂直，则四次多项式拟合方程为＝０．０００ ２ｘ４－０．００１ ４ｘ３＋０．００７ ５ｘ２－０．３４４ ２ｘ－１．６８９ ２，Ｒ２＝０．９９０ ６，图２给出了与图１所示爪趾内轮廓线相应的曲率变化趋势线，横坐标为测量过程中爪趾的相对位置，纵坐标为曲率，原点则表示爪趾与肢体相连接的位置。由图２可知，爪趾内轮廓线的曲率趋势线具有明显的波动变化的特征，其变化规律可看作两条抛物线的近似耦合。

深耕挖掘犁刀是长根茎类中药材收获机最重要的工作部件，主要由刀头和刀柄两部分组成，工作过程为：刀头切开并松动根茎底层土壤，刀柄刃切开并松动行间土壤，实现降低后续收获阻力和减少挖掘刀面磨损的功能。挖掘犁刀在工作时利用拖拉机的牵引力对土壤进行切削，挖掘犁刀与土壤之间的相互作用不仅与各自的材料特性有关，而且还与挖掘犁刀的结构参数和运动参数有关。

１．２挖掘刀头的设计

１．２．１刀头的受力分析刀面的受力模型见图３，工作时，机具以速度ｖｍ前进，与水平面成α角的斜面ＡＢ相当于一个单面楔。土壤对其作用力Ｎ垂直于ＡＢ面，近似作用于ＡＢ段的中点，行进中除阻力Ｎ外，尚有一个沿ＡＢ面指向后方的摩擦力Ｆ，Ｎ与Ｆ合成为阻力Ｒ。阻力Ｒ可分解成一个垂直分力Ｒｚ和一个水平分力Ｒｘ。垂直分力Ｒｚ和水平分力Ｒｘ为工作时必须要克服的牵引阻力［５］。

Ｒｘ＝Ｒｚ·ｃｏｔβ

而作用力Ｒｚ的大小随土壤的土质、含水量及前茬作物的种类不同而不同，在保证Ｒｚ一定的情况下，β角越大，牵引阻力Ｒｘ越小，且有关系式：

α＋β＋φ＝９０°

式中，α为起土角，β为合力作用角，φ为摩擦角。

１．２．２刀头的形式及参数确定深耕挖掘犁刀通常具有３种形式：凿形、箭形和双翼形，凿形有利于作物行间深松土壤，不翻转表层土，故设计选用凿形（图４）。深耕挖掘犁刀工作参数包括结构参数和作业参数，结构参数主要有刀面长度Ｌ、刀面宽度Ｂ、刀板厚度δ和刀板前角θ等，大小分别为１６５、４０、１０ ｍｍ和２０°；作业参数主要有挖掘犁刀工作速度ｖ０、起土角α、挖掘深度等。

深耕挖掘犁刀刀头的起土角α一般为２０°左右，此角过大将增大阻力。试验结果表明，起土角α从４５°左右减小到２０°时，牵引阻力随着α减小而降低；当α＞５０°时，刀头将粘结上由压实土壤构成的土楔，设计中实际采用的α＝２３°。挖掘深度按照中药材的成长深度选定为４００ ｍｍ。挖掘犁刀采用ＧＢ／Ｔ ７１１中规定的６５Ｍｎ钢制造，刃部应进行热处理。淬火区宽度为２０～３０ ｍｍ，硬度应为ＨＲＣ４８～５６。

１．２．３刀头最大横向影响范围土壤受到窄型工作部件挤压时，工件两侧的土壤破裂界面在水平投影面内呈扇形，深耕挖掘犁刀的最大横向影响范围计算公式为：

b≤d

式中，ｄ为深耕挖掘犁刀的最大横向宽度；ａ为深耕挖掘犁刀的作业深度；θ为土壤的前切滑移角，一般为５０°左右；φ为土壤的剪切滑移破裂面与法线方向的夹角，一般为土壤与金属的摩擦角，大约为２５°；α为深耕挖掘犁刀刀头的起土角。将上述数值带入公式得到挖掘刀头的最大横向影响范围为ｂ≤１１１．１ ｃｍ。由理论计算可以得出深耕挖掘犁刀横向影响范围比较宽，有利于行间土壤的松动，降低根茎收获时的阻力。

１．３挖掘刀柄的设计

１．３．１刀柄的受力分析刀柄的截面形状可看作双面楔，其受力模型如图５所示。

式中，Ｐ１为楔面上的正压力产生的阻力分力；Ｐ２为楔面上的剪力产生的阻力分力；Ｐ３为侧面上的剪力产生的阻力分力；μ为摩擦系数。

由于正压力是土壤抵抗变形产生的力，其大小难确定，令Ｎ＝Ｋ１Ｆ１，Ｎ１＝Ｋ２Ｆ２。式中，Ｋ１为土壤抵抗变形的单位阻力；Ｋ２为土壤对于楔子侧面的单位压力；Ｆ１为楔面面积；Ｆ２为楔子侧面面积；Ｎ为楔面上的正压力；Ｎ１为侧面上的剪力。Ｋ２与Ｋ１有所不同，其不同之处在于犁柄不运动时Ｋ１为零而Ｋ２不变。Ｋ２反映出土壤弹性恢复特性。所以：

１．３．２刀柄的参数确定依据中药材根茎的分布宽度、生长深度、土壤土质、根系的抓土程度来综合确定挖掘刀柄的参数。利用三面楔原理碎土，当土壤受到刀面的力大于土壤的内聚力时会产生剪切破坏［６］。如图６所示，刀柄的入土部分采用弧形最为省力，还可以减少杂草缠结。挖掘犁刀触土面导线形式为复合型，中部为圆弧，圆弧半径设计为３２０ ｍｍ，弧形角为２３°。为更好地减少阻力，刀柄与刀头连接处采用与水平面成２３°角的切线过度。为配合刀头入土４００ ｍｍ，刀柄上设计有６个Φ２５ ｍｍ等距孔，这和机架连接使用，同时还可以作为入土深度调整孔。考虑到刀尖处受到不平衡外力，应设计足够的抗弯、抗扭强度。因此，刀柄垂直部分上部截面为２５ ｍｍ×６０ ｍｍ，耕层内圆弧呈棱角形，棱角为６０°。刀柄采用不低于ＧＢ／Ｔ ７００规定的Ｑ２７５钢制造，且应保证其剩余变形量不超过３ ｍｍ。深耕挖掘犁刀和挖掘刀柄的其他技术条件应符合标准ＪＢ／Ｔ ９７８８—１９９９中的相应规定。

２仿生深耕挖掘犁刀的仿真分析

２．１仿生深耕挖掘犁刀的三维实体模型

基于Ｐｒｏ／Ｅ建立深耕挖掘犁刀的三维模型，如图７所示，仿生深耕挖掘犁刀主要由刀柄、刀头、沉头螺栓和螺母构成。犁刀材料为优质碳素结构钢６５Ｍｎ，其弹性模量为２．１×１０８ ｋＰａ，剪切模量为８．０１６×１０７ ｋＰａ，泊松比为０．３，密度为７ ８５０ ｋｇ／ｍ３。为了研究深耕挖掘犁刀的强度特性，计算工作载荷下的应变强度和变形量，把模型进行简化和抽象，忽略一些圆角。

２．２仿生深耕挖掘犁刀的有限元分析

采用理想弹塑性材料本构关系来模拟切削工具—土壤接触系统，不考虑切削速度对切削阻力的影响。土壤弹性模量为１ ２５０ ｋＰａ，剪切模量为５４３．４７８ ｋＰａ，泊松比为０．１５［７］。土壤模型的网格划分采用自动划分方式，单元大小采用默认值。整个土壤模型单元有２２ ９１９个，节点有２５ ８４４个［８］。挖掘犁刀模型网格也采用自动划分的方式，单元有２４９ ７７７个，节点有６１ ７５２个（图８）。在保证计算精度的前提下，为了降低计算量，将靠近接触区域部分的有限元网格划分得比较密集，而将远离接触区域的网格划分得比较稀疏。

根据深耕挖掘犁刀作业的实际测试和土槽试验的结果，在刀柄的上部垂直于挖掘刀面方向施加１７８ ＭＰａ的压强，接触部分用惩罚函数法进行计算。通过ＡＮＳＹＳ软件静态分析得到刀头整体的变形量如图９所示，分析结果见表１。

分析结果表明，在试验条件下深耕挖掘犁刀产生的最大整体变形量为９．６２０ ４ ｍｍ，发生在深耕挖掘犁刀的刀头；最大主弹性应变强度为２．５０５ ７ｅ－２，发生在深耕挖掘犁刀螺母1上。最大弹性应变强度为３．６４６ ３ｅ－２，最大等效弹性应变强度为２．４４１ ８ｅ－２，发生在深耕挖掘犁刀螺母1上。通过以上仿真分析可知最大应变值小于材料许用应变值，说明该结构在此静载荷作用下是安全的。

３结论

通过对仿生深耕挖掘犁刀的设计与仿真分析，可以得出如下结论。

１）利用仿生学原理，模拟生态环境中逐步形成的具有特定曲率的土壤动物爪趾，以刀头、刀柄的受力分析为基础，确定了挖掘犁刀的各项基本参数，设计了新型的仿生深耕挖掘犁刀，该部件挖掘过程中所受切削阻力较小，降低了磨损。

２）建立了仿生深耕挖掘犁刀的三维实体模型，并进行了有限元的仿真分析。结果表明深耕挖掘犁刀产生的最大整体变形量为９．６２０ ４ ｍｍ，发生在深耕挖掘犁刀的刀头；最大主弹性应变强度为２．５０５ ７ ｅ－２，发生在深耕挖掘犁刀螺母1上。最大弹性应变强度为３．６４６ ３ ｅ－２，最大等效弹性应变强度为２．４４１ ８ ｅ－２，发生在深耕挖掘犁刀螺母1上。仿真结果表明得到的最大应变值小于材料许用应变值，说明该结构在此静载荷作用下是合理并且安全的。

３）新型的深耕挖掘犁刀设计以仿生学为基础，可以显著减少挖掘阻力，降低能源消耗，为中药材收获机的研制提供了科学的理论依据，具有较大的工程实用意义。

参考文献：

［１］ 李守仁，林金天． 驱动型土壤耕作机械的理论与计算［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９７．

［２］ 朱凤武，佟金． 土壤深松技术及高效节能仿生研究的发展［Ｊ］．吉林大学学报（工学版），２００３，３３（２）：９５－９９．

［３］ 郭志军，周志立，任露泉． 达乌尔黄鼠爪趾几何特征分析［Ｊ］．河南科技大学学报（自然科学版），２００３，２４（１）：１－４．

［４］ 郭志军，周志立，佟金，等．抛物线型削面刀具切削性能二维有限元分析［Ｊ］．河南科技大学学报（自然科学版），２００２，２３（４）：１－４．

［５］ 郭志军，周志立，徐东，等．高效节能仿生深松部件的试验［Ｊ］． 河南科技大学学报（自然科学版），２００３，２４（３）：１－３．

［６］ 郭志军，邓志强，陈海燕． 仿生挖掘斗－土壤接触二维有限元分析［Ｊ］．建筑机械：上半月，２００７（3）：７４－７７．

［７］ 陆怀民． 切土部件与土壤相互作用的粘弹塑性有限元分析［Ｊ］．土木工程学报，２００２，３５（６）：７９－８１．

［８］ 郭志军，佟金，周志立，等． 耕作部件－土壤接触问题研究方法分析［Ｊ］． 农业机械学报，２００１，３２（４）：１０２－１０４．