灭茬仿生刀片研究

文立阁 李建桥 庞浩

摘  要：现代仿生学研究表明，许多生物经过长期与自然界进行物质、能量及信息交换，造就了适应生态环境的优良系统。典型土壤动物蝼蛄生存在土壤及作物根茬环境中，其爪趾经过亿万年的进化，逐步形成了优良的几何形状和生物力学功能，不但可有效挖掘切削，且具有优良的减粘脱土降阻功能。本文对蝼蛄开掘爪趾的排列几何形态和爪趾轮廓曲线分析，设计了5种仿生灭茬刀，为高性能旋耕灭茬刀具的几何形状及力学性能的优化提供了仿生研究的基础。

关键词：仿生;蝼蛄;灭茬刀;减阻

1开挖掘爪宏观形态分析

1.1 蝼蛄开掘爪趾形体分析

蝼蛄具有前、中、后三对爪，但具有挖掘功能的仅为前爪，其它爪趾则起到在挖掘过程中的支撑或挖掘后推拥土的作用。其前爪被称为开掘爪，其特点是各节粗短强壮，胫节扁平，端部有4个发达的爪趾，呈齿状，锯齿形排列。跗节有3节，极小，着生在胫节外侧。

1.2 蝼蛄开掘爪趾角度分析

通过图像分析测量了蝼蛄爪趾之间的角度，发现爪趾1和爪趾2之间的角度为 ，爪趾2和爪趾3之间的角度为 ，爪趾3和爪趾4之间的角度为 。若把爪趾视为锯齿，爪趾之间夹角即为锯齿齿尖角，齿尖角在 - 之间符合常用三角锯齿参数[1]。通过测量得到爪趾1的锥角度为 ，爪趾2的锥角度为 ，爪趾3的锥角度为 ，爪趾4的锥角度为 ，研究表明[2]，当楔入速度很低时，当楔角大于 时，楔前就会出现被压实的土核，而被压实的土壤易于聚集楔端部而粘附于楔面上，并作为楔的粘结部分随其运动，增大阻力。蝼蛄的挖掘爪趾较锐利，这与耕作部件楔角随阻力变化最小角度在 - 相符合，有利于开掘土壤。

2蝼蛄开掘爪趾轮廓分析

蝼蛄单个开掘爪趾顶端圆钝且两侧成凸曲线型，可以减少应力集中，增强生物材料与环境条件相适应的机械强度，提高对土壤磨损的耐磨性[4]。为考察爪趾顶端圆钝及其两侧曲线的确切状况，研究了经扫描电镜放大50倍的蝼蛄开掘爪的最大趾轮廓曲线，如图1a所示。

对图1b中的数据分析表明，该曲线接近于二次抛物线，图中也给出了二次抛物线相应的趋势线图线，表达式为式（2），二次多项式的拟合度为R2=0.944，虽没有四次多项式精确，但也可用来近似表达原曲线。因此，四次多项式能对蝼蛄爪趾顶端圆钝的俯视轮廓线给出较为精确的描述，在精度要求不高时，二次抛物线也可以用来近似表达蝼蛄爪趾轮廓形态。

3仿生灭茬刀的设计

3.1仿生设计分析

对蝼蛄开掘爪爪趾轮廓进行了曲线拟合，得出了其开掘爪的体征信息。对爪趾在爪上分布的结构进行几何分析，得到了锯齿形的仿生学几何特征参数。

常用的L型灭茬刀主要切割部位-正切刀刃与秸秆作用时存在着滑切，因此对其正切刃进行了仿生设计，引入了蝼蛄开掘爪趾在爪上的分布及爪趾形态。设计的仿生灭茬刀如图2所示。

3.2仿生灭茬刀锯齿设计

三角锯齿各参数概念[1]如图2a所示， 为齿距、 为齿高、 为齿尖角、 为齿喉角、 为齿背角，其中：齿尖角（ ）+齿背角（ ）+齿喉角（ ）=90°，齿距（ ）4-8mm，齿高（ ）与齿距（ ）的比为0.6-0.8之间。

本文设计并加工出了5种仿生灭茬刀，加上原型灭茬刀，共6把灭茬刀，如图2b所示。由上往下仿生灭茬刀的齿喉角 依次为0°、-15°、-22.5°、-35°、-50°。

结论

1）对土壤动物蝼蛄的开掘爪趾进行了摄像分析，并且进行了开掘爪趾的轮廓曲线拟合，得到4次曲线方程。

2）通过对爪趾的形态和爪趾在爪上分布几何特征分析，并借鉴了常用三角齿锯齿尺寸，共研制5种仿生灭茬刀，为以后试验提供了仿生灭茬刀片。

参考文献

[1]  周之江.木工修锯技术[M].北京：中国林业出版社，1981.

[2]  Gill，W.R. Vanden Berg，G.E. Soil dynamics in tillage and traction[M]. Agricuture Handbook No.316. United States Department of Agiculture，1967.

[3]  郭志軍.高性能仿生深松部件研究及切削部件与土壤相互作用的有限元分析[D].长春：吉林大学，2002

[4]  蒋金琳.玉米免耕播种机切茬挖茬装置研究[D].北京：中国农业大学，2004.

作者简介：文立阁，1967.05，男，汉，吉林省长春市，副教授，工学博士，研究方向：地面机械及机械CAD方向。