仿生犁壁的减粘机理及其仿生设计

作为教育部科学技术研究重点项目（项目批准号：02089）和国家重大基础研究前期研究专项（项目号：2002CCA01200）资助的工作，本文研究的核心内容是土壤与犁壁表面的粘附问题和非光滑仿生机耕犁壁的设计、制造和应用问题。 通过分析，本文将迄今的土壤—犁壁界面粘附的研究成果归纳为界面水膜理论和界面吸附理论。前者的主要观点为：介质水是形成界面土壤粘附的主要因素；而后者则认为界面的物理、化学吸附力是引发界面粘附的主要原因。 本文在研究土壤—犁壁界面粘附机理的过程中，通过分析土壤拉脱离力试验和五层界面模型，设计了与拉脱力试验类似的界面拉伸试验，并通过该试验发现：在界面有法向位移时，粘附力主要由界面介质在拉伸过程中形成空穴和空穴负压所产生。界面形成空穴和空穴负压的条件是：介质与固体表面的粘附力大于介质分子自身的结合力。并按此观点解释了水接触角大的材料具有减粘降阻效果的原因。 剪断毛细管的试验将空穴和空穴负压现象与土壤粘附联系起来。将产生毛细现象后的毛细管从中剪断，发现毛细管中的毛细水呈悬着状态，带来管中毛细水的重力如何平衡的问题。分析发现，若剪断毛细管后其管壁与剪切表面贴和紧密，则毛细水上弯月面可以产生吸附力。将这一现象与耕地是犁铧剪切土壤的过程和土壤含有大量毛细管的事实相结合，毛细水如何产生界面土壤粘附的情况得到描述。文中分析了毛细负压吸力对土壤运动的作用过程，并解释了犁壁翻土部位粘附严重及犁壁表面大面积粘附现象的产生原因。 土壤在犁壁表面运动所受的切向阻力来自于摩擦和粘附两个分量。摩擦和粘附是产生机理不同的共生界面行为。本文建立了土壤—犁壁界面的力学模型，将土壤—犁壁界面的接触状态，按土壤颗粒的含水量分成四个阶段进行讨论，得出土壤运动的切向阻力由摩擦分量和粘附分量两部分合成的结论，其中，粘附分量主要由毛细负压吸力和物理、化学吸附力组成。通过讨论摩擦分量和粘附分量在不同含水量下的变化趋势，得出这两个分量变化趋势基本相反的结论。最后给出土壤运动的切向阻力表达式。该式与以前用综合系数进行的描述不同，强调切向阻力是由摩擦分量和粘附分量合成的概念。 文中同时对切向粘附力的产生和相对运动时切向粘附力的变化进行了讨论。关于切向粘附力及空穴和空穴负压的讨论，对于平面的切向运动、滑振问题和平面的法向位移 问题的研究有一定的帮助。 非光滑理论是对土壤动物体表进行仿生研究的重要成果。用空穴和空穴负压假说和毛细负压吸力产生界面粘附的观点，可以解释非光滑表面的减粘降阻机理：由于非光滑表面使土壤—犁壁界面无法形成土壤与犁壁表面的紧密接触，毛细负压吸力不能直接作用于犁壁表面；同时，使土壤与犁壁的接触面积减少，减小了土壤颗粒的物理、化学吸附力。 虽然土壤动物非光滑体表具有减小土壤粘附的作用已经得到充分的研究，但在如何运用非光滑表面于具体机械装置上还需要进一步的工作。针对土壤动物不同的身体部位具有不同的非光滑体表和土壤动物的触土行为与犁壁的触土行为存在差异的特点，本文将非光滑表面与其行为特点联系起来。从受力和运动特点相近的角度，本文认为，作为仿生犁壁设计模拟对象的土壤动物非光滑体表的部位应在行为特点上与土壤在犁壁表面的运动相近。土壤动物具有该特点的部位是进行挖掘动作的身体部位。通过分析步甲大颚的掘土过程和表面非光滑的分布，以及土壤在各种不同分布的非光滑表面运动时的受力状况，本文提出正压力大的部位不宜布置大尺寸的非光滑突起、非光滑布置应有良好的过渡面和非光滑突起的包络面应光滑等基本观点，最后，给出了仿生犁壁的非光滑分布和模拟设计的局部和整体原则。文中还讨论了土壤运动速度对非光滑表面减粘降阻效果的影响，土壤颗粒尺寸与非光滑突起尺寸的关系，非光滑突起的形状与土壤在犁壁表面的运动轨迹的关系，非光滑突起的包络面与原光滑犁体曲面的位置关系，以及突起的尺寸与碎土效果的关系等。文中的讨论主要针对球冠型和穿山甲鳞片型非光滑突起进行。 仿生犁壁的模拟设计和成型工艺对于将非光滑理论应用于犁壁，并使之成为有社会效益和实用价值的产品意义重大。通过分析，本文对突起型仿生犁壁进行了工程意义上的定义，为仿生犁壁的非光滑表面设计建立了设计平台；并提出了仿生犁壁多重非光滑布置的概念。结合以前的研究成果，本文分别设计了针对有结构土壤的稀疏型大尺寸非光滑单元布置、针对松散粘性土壤的密集型小尺寸非光滑单元布置和结合两者特点具有广适应性特点的两重非光滑布置的仿生犁壁；提出了非光滑仿生犁壁的开式模热锻压成型工艺，为非光滑仿生犁壁实现工业化生产建立了工艺基础。该成型工艺和稀疏大尺寸单层非光滑突起型仿生犁壁已试制成功并得到推广，目前已在榆树华裕机械厂正式生产。 非光滑仿生犁壁具有减粘降阻效果已经被证实。本文针对用开式模热锻压成型工艺制造的稀疏大尺寸单层非光滑突起型仿生犁壁进行的土槽和田间试验，也证实了该结论。