开沟器仿生设计及其试验分析

开沟器是播种机、施肥机上的重要部件,在含水量较大的土壤中工作时,土壤粘附在工作表面,改变了表面形状,导致牵引阻力增大,开出的沟形不整齐,使种子在沟中的深度不一致,影响播种质量，严重时使出苗率降低10%，甚至使其无法作业。为了提高耕作部件的工作质量，解决土壤粘附在耕种中产生的一系列问题，本论文中的研究工作从工程仿生学的角度出发，在前人关于脱土减阻机理及其仿生研究的成果基础上，根据波纹非光滑表面形态的减粘脱土机理，设计了仿生波纹非光滑形态，并将其应用到开沟器触土表面上，使其达到减粘脱土的目的。本研究力图揭示生物非光滑形态应用于开沟器上的脱土减阻机理，扩大仿生技术在触土部件上的应用，提高其高效节能性能。 本论文研究内容主要包括开沟器触土面与土壤作用的计算机模拟、仿生开沟器设计及实型实验研究。 计算机模拟不仅能对试验方法无法直接测量的物理量进行探索，而且能方便地对研究对象的结构参数和运动参数等进行修改，对于缩短新产品的开发周期，降低开发成本具有重要的意义。计算机模拟主要分为三部分：建模，求解和结果分析。在本工作中，第一步，在已有芯铧式开沟器的基础上，采用逆向工程技术，获得其触土面点云数据，应用点云处理软件对点云进行三维重构，得到开沟器触土面的计算机模型.对触土面进行改形设计，根据土壤在开沟器触土面的运动规律，将非光滑形态设计在触土面上，得到波纹非光滑触土面模型，应用CAD软件建立开沟器触土面与土壤的作用模型框架图，将该模型以IGES格式导入ANSYS有限元软件中，将其实体化，从而完成开沟器与土壤相互作用的有限元模型的建立；第二步，定义模型的单元类型、材料、参数，划分网格，施加边界条件，设置求解参数，对开沟器与土壤的作用过程进行模拟；第三步，有限元模拟结束后，利用ANSYS强大的后处理功能，对模拟结果进行分析，得到开沟器触土面对土壤的三维宏观扰动云图、三维应力云图和沿路径节点的Z向应力云图。模拟结果表明，非光滑表面与土壤相互作用的应力呈波动状，而光滑表面则呈稳定状，此现象表明非光滑表面能够破坏土壤的连续性，有利于防止土壤在开沟器表面上的壅堵，起到脱土降阻的效果。 实型试验是科学研究的必要手段。对开沟器进行试验主要分为：设计非光 滑表面形态，制造仿生非光滑开沟器，土槽试验，试验结果分析。 本论文工作在已有研究基础上，对仿生波纹非光滑形态进行优化设计，得到仿生波纹非光滑形态的结构参数。由于超高分子量聚乙烯具有优异的抗粘附能力，本研究采用超高分子量聚乙烯作为制造波纹非光滑形态单元体材料，采用压模成型工艺压制非光滑结构单元。按照土壤在开沟器触土面上的运动规律，将波纹非光滑结构单元粘接在触土面上，制造出仿生非光滑开沟器。试验测试在室内土槽中进行，采用正交试验设计，测量指标为开沟阻力和土壤粘附状态，开沟器在不同开沟速度、不同土壤含水量情况下，按照正交试验方案，每种组合重复试验三次，取其平均值。对试验结果采取极差法分析，确定影响因素的主次和最优组合，并将试验过程中开沟器工作前后的土壤粘附情况拍摄下来，对不同的开沟器土壤粘附的状况进行比较，从宏观上分析仿生非光滑形态表面的减粘脱土性能。采用数据统计软件，对数据采集系统得到的开沟阻力数据进行处理，将土壤含水量和开沟阻力在开沟试验段上的变化曲线进行比较，结果表明：土壤含水量在一定范围内，仿生非光滑表面开沟器开沟阻力随含水量的增加而减小，证实了在粘湿土壤中仿生非光滑形态表面开沟器具有良好的脱土减阻性能。