仿克氏原螯虾螯部几何结构粘附力测试研究
2020-04-26王晓阳
王晓阳
摘 要：根据触土部件作用土壤的受粘附力情况，证实仿生几何结构表面具有降低阻力的效果。对比了具有三种不同尺寸的凸包几何结构的表面和无仿生几何结构的表面，在脱附土壤过程中粘附力变化的情况，试验结果证明具有中凸包的2号铲尖表面脱附土壤过程中受到的土壤粘附力最小。
關键词：仿生;粘附力;凸包;脱附
中图分类号：Q954 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）11-0025-02
Abstract： According to the adhesion force of the soil affected by the soil contact parts， it is proved that the bionic geometric structure surface has the effect of reducing resistance. The changes of adhesion between the surfaces with three different sizes of convex hull geometry and those without bionic geometric structure were compared. The experimental results show that the soil adhesion is the least in the process of soil desorption on the No.2 shovel tip surface with middle convex hull.
Keywords： bionic; adhesion; convex hull; desorption
引言
土壤粘附力一直是困扰农业工程领域的难题，特别是在农机具触土部件的研究上，需要更进一步的降低土壤粘附力对于机具的影响。云南红壤土粘性强，对于降低红壤土粘附力的研究在云南地区具有深远的研究意义。仿生学的研究将新的设计思想、工作原理和系统构成应用于工程技术的研究和发展上[1]。本研究是基于对克氏原螯虾螯部凸包结构的微观分析，开发设计仿生表面粘附力测试平台，分析凸包几何结构对于土壤脱附的能力，获得土壤脱附能力较优的仿生凸包结构。
1 仿生几何结构的制备
仿生几何结构为从克氏原螯虾螯部表面提取的微观结构，采用 3D打印成型方式使产品加工的精度得到了保证。本研究采用聚乳酸（PLA）材料，较强的拉伸性能和冲击强度方面性能显著[2]。3D打印成型的工艺基本包括FDM
工艺和SLS工艺[3]，研究中使用FDM工艺，通过喷头加热后吐丝，在平面上堆积生成打印模型。本文采用南京威布三维科技有限公司研发设计的3D打印机。
2 试验研究及方法
2.1 粘附力测试样件和测试平台的搭建
2.1.1 粘附力测试样件的制备
试验样件以克氏原螯虾螯部[4]凸包几何结构作为仿生原型，使用常见触土机具深松铲铲尖，按照高径比[5]设置三种仿生凸包结构铲尖，打印完成的深松铲铲尖试样1号铲尖（表面具有底部直径为20mm，凸包高度为2mm），2号铲尖（表面具有底部直径为12mm，凸包高度为1.8mm），3号铲尖（表面具有底部直径为6mm，凸包高度为1.5mm），4号铲尖（无凸包）。
2.1.2 测试平台的搭建
本试验的测试平台在伺服万能机的基础上，通过与电脑相连接，在SuperTest试验机控制系统上观察粘附力的变化情况。本试验通过分析机具触土部件与土壤脱附过程中粘附力受力情况，判断得到粘附力主要集中在机具触土部件的表面。在设计试验夹具的过程中，在下端设置了放置了土槽的试验台，以及小土槽，土槽中的土壤可以更换，以满足对不同土壤条件下表面粘附力的测试研究。
2.2 试验土壤条件
试验土壤选用云南红壤土，该土壤具有粘附力强的特点，本试验收集的土壤为耕作后的试验田地表土壤。为保证土壤的一致性，用直径为1mm的筛子筛出颗粒小于等于1mm的土壤颗粒与水分的配比按照1：5的配比进行添加，加水后，放置24小时，待水分完全浸入土壤后，测量试样土壤的含水率。
本试验选用单一数值的含水率，测定含水率的方法为烘干法。首先是取得试验铝盒，称重记为W1，对于土壤取样，取样试样土壤的中段土壤，取样土壤20g，取样后将土壤快速放置到准备好的铝盒内，用天平称重铝盒与试验土壤的重量，记为W2，将样品带回实验室，将带有试验土壤的铝盒放置在恒温为105度的烘箱内，打开铝盒盖子，烘干6小时后盖上盖子，放置在干燥器内冷却30分钟后进行称重。然后，打开铝盒盖子，放置在烘箱内继续烘干，时间定为4小时，然后盖上盖子，放置在干燥器内30分钟后进行称重，前后两次烘干重量无明显变化记为W3。含水率的计算公式为：
W%=%
式中W指土壤含水率（%）;
W1指铝盒重量（g）;
W2指铝盒和新鲜土壤总重量（g）;
W3指铝盒和烘干土壤总重量（g）。
3 粘附力试验测试
本文选用的土壤含水率为18.11%。首先，将颗粒直径尺寸为1mm的土壤添加到小土槽中，深度为70mm，然后按照土壤与颗粒的配比添加水，添加过程中尽量保证土壤表面平整，如不平整用刮板刮平，用保鲜袋或者保鲜膜密封，放置24h后，作为试验土壤样本。
试验开始时将测试试验平台与电脑相连，在SuperTest控制系统中设置试验参数。设计两种试验方案，分别是铲尖下降试验方案和铲尖上升试验方案。铲尖下降试验方案中，铲尖厚度为5mm，在设置铲尖下降深度时，设置为5.5mm，以保证铲尖完全进入土壤中，材料形状选用板材，试验速度选用10mm/min，其他数据选用默认设置。在铲尖上升试验方案中，铲尖上升设置为6mm，保证了铲尖能够完全脱附土壤。
测试方案设计完成后，完成装夹，进行调零设置。对试验系统调零设置后，开始试验，试验选择四种表面铲尖，分别进行五次下降试验和五次上升试验。根据五次试验受力的平均值，分析在上升试验过程中铲尖脱附土壤的粘附力大小，从而判断仿生凸包几何结构对于铲尖粘附力的影响。
根据试验受力结果可知，铲尖下压过程中，受力变化呈正比例变化，上升过程中，土壤在不断脱附土壤的过程中受力逐渐增大，铲尖开始脱离土壤后受力达到峰值，当铲尖逐渐脱离土壤后，铲尖受到的粘附力逐渐降低，直到完全脱离土壤后会趋于稳定，因此铲尖受到的粘附力公式为：F=Fmax-f1
式中：F代表铲尖脱离土壤的粘附力;
Fmax代表铲尖受到的最大力;
f1代表铲尖完全脱离土壤后受力。
4 结果与分析
4.1 试验结果
通过试验方案设计的下降试样方案，进行了五组下降试验，记录五次下降试验过程中铲尖受到的最大力，对五次下降过程受到的最大力求平均值，记为F下降。通过试验方案中设计的上升试样方案，进行了五组上升试验，记录五次上升试验铲尖受到的最大力，对五次上升过程受到的最大力求平均值，记为F上升。在对四种不同表面的铲尖进行了五组上升试验中，根据上升过程脱附土壤稳定后受力f1的大小变化，通过粘附力的计算公式，计算五次上升试验铲尖受到的粘附力，对五次上升过程受到的粘附力求平均值，记为F平均。如表1所示。
对下降和上升过程中，铲尖受力进行单因素方差分析，分析不同铲尖下压过程中铲尖表面结构对于下压和上升过程中与土壤作用受力的影响。
当α=0.05时，F（3，16）=3.24，铲尖下降过程中，F=2.78
表1 粘附力试验中，铲尖受力变化
4.2 试验分析
根据铲尖脱附土壤后铲尖力值的变化，计算出铲尖所受到粘附力，通过表1根据受力分析粘附力变化，可以观察出铲尖在五次试验中所受到的粘附力平均值的变化情况，3号铲尖受到的粘附力的平均值最小，其次是2号铲尖，4号铲尖的粘附力大于1号铲尖，反映了仿生几何结构脱附土壤的能力在尺寸结构设计时，凸包结构尺寸较大，反而对铲尖脱附土壤的受力效果影响较小。可以初步分析，凸包结构尺寸越小，铲尖表面脱附土壤时受到的粘附力就越小。判断，在凸包尺寸为表面具有底部直径为12 mm，凸包高度为1.8 mm的中凸包时，铲尖脱附土壤时受到的粘附力最小。
5 结束语
本试验以特有仿生动物体表结构为研究对象，通过微观结构提取并进行机械结构设计，构建粘附力测试平台，通过试验验证了仿生凸包几何结构对于减粘效果的影响，为进一步优化设计红壤粘性土壤减粘几何结构的研究提供理论研究基础。
参考文献：
[1]Lu Y X. Significance and progress of bionics[J]. Journal of Bionics Engineering， 2004，1（1）： 1-3.
[2]苗剑飞，何雪涛，李飞，等.3D打印PLA/PCL复合材料的力学性能[J].工程塑料应用，2018，46（2）：12-15.
[3]楊瑾，贾仕奎，郭香，等.3D打印聚乳酸材料加工技术与应用进展[J].工程塑料应用，2018，46（2）：132-136.
[4]张智泓，张广凯，佟金，等.克氏原螯虾头胸部外骨骼的微观形态观察和力学性能分析[J].电子显微学报，2018，32（2）：171-177.
[5]冯猛.仿生起垄铲降阻特性研究[D].吉林大学，2013.
