耕作机具部件仿生设计与研究

生物经过长期与自然环境进行物质、能量及信息交换，造就了适应生态环境的物质系统和生存本领，许多科学技术难题对生物而言却算不上什么问题。现代测试技术和测试仪器的出现使得对生物结构、生物功能和生命过程的认识得到了惊人的进展，这为其它学科的研究及发展注入了新的活力，提供了全新的科学原理和技术方法。 系统的仿生脱土研究表明，土壤动物的脱土主要是基于以下几个方面的原因：一是土壤动物的体表几何非光滑；二是土壤动物的体表构成；三是土壤动物的体表柔性和生物电等。 仿生几何非光滑触土部件减粘降阻的试验研究结果表明，触土部件表面上的几何非光滑结构单元的形状类型、结构尺寸大小和参数组合、分布状况均对其减粘降阻的效果有程度不同的影响。但对于工作方式和受力状态都与其它触土部件有较大差异的圆盘犁，其仿生减粘效果如何，目前国内外尚无进行过仿生设计与试验研究。本文选择标准型圆盘犁作为试验研究对象，以圆盘犁刀为具体的仿生设计部件，运用触土部件减粘脱土理论，在仿生表面改性、改形研究以及传统圆盘犁刀结构基础上，首先对圆盘犁刀进行了若干种仿生非光滑结构不同组合设计，继而制作了两组试验用仿生圆盘犁刀，最后对设计加工的仿生圆盘犁刀，分别进行了正交试验设计和二次回归试验设计，在室内土槽中进行了研究条件下的耕作试验。通过试验优化设计技术，考察了圆盘犁刀上几何非光滑球冠结构单元的分布、球冠高度和球冠底圆半径大小对犁耕阻力的影响，确定了三种影响因素的主次关系和各个因素的最优水平，获得了研究条件下的结构设计最佳方案。采用二次回归试验设计的方法，建立了球冠高度和球冠底圆半径大小与牵引阻力间的回归方程，进行了优化计算，进一步考察了球冠高度和球冠底圆半径大小两个显著性因素对牵引阻力的影响规律。仿生圆盘犁刀的正交试验和二次回归试验结果分析表明，如果圆盘犁刀的仿生非光滑球冠结构单元的结构参数和分布组合搭配合理，仿生圆盘犁比普通圆盘犁可减少阻力约30％，因而本文对圆盘犁刀进行仿生设计与试验研究是非常有意义的。