仿生蚯蚓自润滑表面减阻特性试验研究

摘要

本文采用耦合仿生方法研究了波纹表面润滑减阻特性。为了测试蚯蚓的减阻特性，采用蚯蚓表面和润滑的方法制备了仿生试件。基于反求工程方法提取蚯蚓表面非光滑曲线，设计仿生波纹试样，并通过试验确定润滑孔位置。利用自行研制的试验装置，通过单因素试验，分析了仿生试件的润滑减阻性能、正压、正向速度和润滑流体流速对仿生试件的正向阻力的影响。通过三元二次回归检验，建立了正向阻力与三个因素之间的模型。结果表明,减阻效果明显,减阻率是22.65%到34.89%,而增加的向前前进阻力减小,速度,正常压力的增加而增加,减少,然后变成稳定的润滑液随着流量的增加。三个因素对正向阻力的影响依次为:正压>流量>正向速度。

1.介绍

土壤粘附性是地面运输、挖掘和农业机械领域的一个主要问题。土壤与与土接触的部件的粘连会严重影响地面机械的工作效率和质量，从而增加能耗[1- - - - - -4］.随着能源和环境危机的加剧，设计和生产高效、低消耗的土壤接触部件势在必行。蚯蚓是一种典型的土壤动物，在长期的进化过程中具有良好的减阻、移土功能。它也可以在粘性土壤中自由移动，没有粘土[5，6］.自20世纪90年代初以来，国内外学者逐渐开展了蚯蚓降低土壤附着力和冲刷土壤的仿生研究。李等人[7]进行了蚯蚓表面流体的提取，研究了蚯蚓表面自润滑的减粘机理。Sun等人[8]测定了蚯蚓的表面电位;Ren等[9，10]针对蚯蚓表面电渗透现象，提出了表面电渗透技术，并将其应用于接触土壤的部件。20世纪90年代末，Ren等人[11研究了蚯蚓的表面柔韧性及其抗粘特性。2004年以后，Sun等人[12，13和Li等人[14- - - - - -16]先后开展了蚯蚓非光滑表面减粘减阻的仿生研究。Shi et al. [17[进行了蚯蚓伸缩运动的仿生研究。祖燕[18，19]采用格子玻尔兹曼方法模拟蚯蚓的表面电渗透，进一步研究蚯蚓表面电渗透的减粘机理。这些研究主要集中在某一方面或某一因素的单元仿生上。

随着仿生学研究的深入，研究人员发现，生物上适应外界环境的功能不仅是单一因素或多因素简单相加的作用，而且是多种相互依赖、相互作用的协同作用结果。相互影响因素通过某种机制相互耦合[20.，21］.研究表明，蚯蚓具有优良的降粘减阻功能，这是体表结构、体表柔韧性、体表电渗透、体表润滑等多因素耦合作用的结果，其独特的运动方式[22- - - - - -25］.基于非光滑结构和蚯蚓表面的自润滑特性,论述了减阻特性的蚯蚓dual-coupling仿生方法,为了提供一个新的理论和方法的设计soil-engaging组件效率高和低功耗。

2.材料和方法

2．1．耦合仿生样品设计

蚯蚓是常见的动物，可以在土壤中自由移动;它能适应不同的土壤环境。蚯蚓的降粘能力主要取决于其柔性的非光滑体表、生物电渗透系统、表面润滑、波纹体表等因素[12］.在这篇文章中,Eisenia麻作为仿生原型，根据前人的研究，蚯蚓波纹体表面具有降粘降阻的特性[21］.身体的不同状态由大到小的黏度减阻效果分别为收缩状态、静止状态和拉伸状态，头部黏度减阻效果比身体更明显。因此，蚯蚓头部收缩状态具有最佳的黏度和减阻效果[14，15，如图所示1(一)．

基于反求工程方法，利用三维激光扫描仪对蚯蚓波纹体表面进行扫描，并利用Geomagic软件对点云数据进行处理。蚯蚓每次拉伸收缩运动约有10节左右，头部和身体是土壤粘附力和力的主要位置，尾巴较弱[14- - - - - -16]，所以在设计仿生样本时相当于一个圆柱体，由10个体结组成，尾部曲线设计为头部的对称曲线。通过CAXA中三点圆弧、切弧和曲线曲率扩展的命令，绘制出与蚯蚓波纹体表面轮廓曲线相近的光滑曲线，并提取光滑曲线的坐标点数据。然后，利用坐标点绘制头部形状的样条曲线。最后，根据工程需要将尺寸放大6倍，仿生样本被打印成3D。如图所示1 (b)，长度为207.18 mm，宽度为62.59 mm，厚度为31.28 mm，试样材料为光敏树脂，印刷精度为0.1 mm。为了进行对比分析，设计了相同尺寸的光滑试件，如图所示1 (c)．

蚯蚓表面润滑孔的位置直接影响润滑效果[26]，并通过测试方法确定波纹表面样品的孔位。根据以往的研究，正压是影响附着力最重要的因素。因此，选择土壤含水量为22.2%、前进速度为200 cm/min的长春市黄黏土，在5种不同的常压条件下进行试验，每组重复3次。如图所示2，在34 N的正常压力下粘附。

附着数据如表所示1．根据表1，头部和身体有较多的粘连，而尾部则没有粘连。

为了防止堵塞，根据粘连和模型特点，在头部和身体沟的顶部设计了仿生背侧孔，前后方向为。包括头前孔(HF)、头后孔(HB)、身体前孔(BF)和身体后孔(BB)，如图所示3.．

2．2．试验装置和方法

根据试验要求，设计了吸土部件润滑减阻性能试验台，如图所示4(一)．该钻机由支撑架、土仓、运动控制装置、数据采集装置和润滑调节装置组成。

所述土壤固定在支撑架上，运动控制装置直接固定在土仓上方，主要包括伺服电机、滑轮运动副、滑板，负责土仓内的泥土接触部件的双向运动。润滑调节装置固定在土仓左上方，主要包括蠕动泵、蠕动泵架、水箱等，可在接触土的部件运动时输送润滑流体。泵由外部软件编译，并与计算机连接。根据工况可以设定流量，也可以设定开泵数量和润滑位置，以便准确调整流量。数据采集装置固定在土仓顶部，包括计算机、对象板和角钢，负责数据采集和控制由软件编译的各设备。

设备连接完毕后，将仿生样品放入土仓，通过控制软件设定蠕动泵的移动速度、流量、数量和位置，然后启动电机。丝杠将仿生样本向前移动，数据采集由数据采集器实时传输到计算机。力传感器为Kistler 9027C型三轴力传感器，安装在牵引绳和移动板之间。测试图像和数据可通过软件获取。测试过程见图4 (b)．

3.测试及结果分析

3．1.单因素检验及结果分析

润滑液的前进速度、流量和常压是影响前进阻力的重要因素。在土壤含水量为22.2%的情况下，分别进行了润滑和非润滑单因素试验，并进行了3次重复试验以减小误差。测试计划如表所示2．

前进速度对前进阻力的影响如图所示5(一个)当正常压力为34 N，润滑液流量为0.06 ml/s时。从图5(一个)结果表明，无润滑时的正向阻力在26.32 N~33.14 N之间，有润滑时的正向阻力在18.11 N~23.46 N之间，减阻率为24.19% ~ 33.71%。此外，在润滑和非润滑条件下，正压阻力均随正压速度的增加而减小。在没有润滑的情况下，随着速度的增加，波纹体表面与土壤的接触时间变长，在运动过程中对土壤的扰动增加，波纹体表面与土壤的接触时间变长。在润滑情况下，500 cm/min的前进阻力大于400 cm/min，这是由于流体不能随着速度的增加充分穿透波纹表面与土壤的界面，导致润滑效果降低。

当正向速度为300 cm/min，润滑液流量为0.06ml/s时，法向压力对正向阻力的影响如图所示5 (b)．从图5 (b)结果表明:无润滑时正向阻力为18.01 N~70.08 N，有润滑时正向阻力为11.23 N~48.47 N，减阻率为36.27%~58.46%。与正常压力的增加,减少的效果越来越明显,和远期抵抗unlubricated和润滑条件的不断增加,由于波纹曲面之间的接触面积和土壤随正压力的增加,和波纹曲面和土壤之间的差距减少,使土压实，摩擦阻力增大。

当法向压力为34 N，前进速度为300 cm/min时，润滑液流量对前进阻力的影响如图所示5 (c)．从图5 (c)，可以看出，随着润滑液流量的增加，正向阻力先减小后不变。当流速为0.08 ml/s时，正向电阻为21.32 N，当流速为0.1 ml/s时正向电阻接近20.09 N。这是因为随着润滑流体流量的增加，流体充分渗透到波纹表面与土壤的接触界面，形成界面润滑，使阻力减小。当它增大到一定条件时，界面水膜已饱和，正向阻力基本不变。

3．2.三元二次回归组合检验及结果分析

为进一步探究这三个因素的影响，建立正向阻力与各因素之间的方程，采用三因素二次回归组合检验[27]进行了重复试验 ， 被选中。因子水平和编码如表所示3.．

根据测试要求和二次回归正交设计原则，制定了实验方案，计算出各序列的回归系数和平方如表所示4．

通过检验回归系数，得到方程如下:

因此，回归平方和为

因为

所以

统计检验结果表明，方程的显著性水平为0.01，拟合良好，可视为最佳回归方程。将表中各因子的中心处理和编码公式代入式(1)，得到回归方程为:

通过检验公式(1)，发现各试验因素对正向阻力的影响顺序为:正压>润滑液流量>正向速度，且三个因素对正向阻力的影响均显著。

从公式(9)，我们可以看到正常压力 ，润滑液的流量 ，和前进速度对正向电阻有二次影响，但两者之间没有相互作用，如图6．

4.结论

我们可以得出以下结论:(1）基于反求工程方法提取蚯蚓波纹曲线;设计了与真实蚯蚓体表相匹配的仿生样本。采用3D打印技术打印仿生试样，通过实验方法确定润滑孔位置，实现波纹状自润滑仿生耦合（2）设计并研制了土壤接触元件的润滑减阻试验装置，该装置能准确控制润滑流体的流量，快速测量试样的正向阻力（3）单因素试验的结果表明,减阻仿生耦合的样本是显而易见的,减阻率是22.65% - -34.89%,远期阻力减少和前进速度的增加,正常压力成正比,而与此同时,当润滑液流量逐渐增大时，前进阻力先减小后趋于稳定（4）通过三元二次回归组合试验，得到了正向阻力与法向压力、润滑液流量和仿生耦合试样正向速度之间的回归方程。回归分析表明，三个因素对前进阻力的影响依次为正压>流量>前进速度，但三者之间不存在相互作用

数据可用性

我们已经提交了原稿所用的原始数据，其他补充日期见附件。其他研究人员可以获得支持该研究结论的数据。(1)数据的性质为论文图像的源数据;(2)数据可通过提交系统或通过电子邮件访问zoumeng@jlu.edu.cn；(3)查阅资料没有限制。

信息披露

研究结果最初在ICBE2019上发表。

的利益冲突

作者没有报告潜在的利益冲突。

致谢

国家自然科学基金青年科学基金(批准号:5140051354)资助。该项目还获得国家留学基金委第一作者奖学金。

参考文献

1. 任立强，陈德贤，“土壤附着力研究综述”，农业工程学报，第6卷，第2期1，页1 - 7,1990。视图:谷歌学术搜索
2. 任丽琴，佟建强，李建强，“柔性地形的机械仿生，”农业机械学报第31卷第1期1，页5-9,2000。视图:谷歌学术搜索
3. 任立强，“降低土壤附着力的地形机械仿生研究进展”，中国科学E辑:技术科学，第38卷，第1353-1364页，2008。视图:谷歌学术搜索
4. 任立强，佟建军，李建强，陈碧春，“土壤黏附与土壤接触组分的仿生研究进展，”农业工程研究，第79卷，第5期。3，页239-263,2001。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. T.雪莱，“润滑蠕虫显示了有效移动的方式，汤姆雪莱报告了一种动物启发的方法来提高农业设备的效率，”Eureka-Innovative工程设计，第24卷，第2期1，页28-29,2004。视图:谷歌学术搜索
6. 卢勇，“仿生学的意义与进展”，仿生工程学报， vol. 1, no. 11，页1 - 3,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 李爱琴，任丽琴，陈伯成，崔晓霞，“蚯蚓减少体表液对土壤粘附作用的机理分析”，农业工程学报，第6卷，第2期3，第8-14页，1990。视图:谷歌学术搜索
8. 孙建荣，孙伯南，魏建辉等，“与运动相关的蚯蚓皮肤电位的测量与测定”，吉林工业大学学报第21卷第2期第4页，18-24页，1991。视图:谷歌学术搜索
9. 任立强，丛庆，吴立科，陈德贤，“非光滑表面电渗透降低土壤粘附力和阻力的研究”，农业工程学报，第11卷，第5期。3，第24-28页，1995。视图:谷歌学术搜索
10. 丛琦，吴立科，任立群，陈博，“非光滑表面电渗透降低土壤粘附力和冲刷土壤的原理试验”，农业工程学报，第11卷，第5期。3，第19-23页，1995。视图:谷歌学术搜索
11. 任丽秋，王玉平，李建强，孙树生，“典型动物非光滑柔性表面的仿生研究”，农业工程学报，第12卷，第2期4，第31-36页，1996。视图:谷歌学术搜索
12. z . j .赵降低蚯蚓附着解吸机理的仿生研究北京大学，北京，2004。
13. 孙俊荣、戴志东，“非光滑表面仿生(II)”，《自然科学进展》杂志第18卷第2期7，第727-733页，2008。视图:谷歌学术搜索
14. 刘国明，李建强，田晓明，邹敏，李勇，“蚯蚓非光滑表面土壤黏附力和抗滑性能的降低试验”，农业机械学报第39卷第3期9，页138-143,2008。视图:谷歌学术搜索
15. 李建强，刘国明，范伟，刘林，“蚯蚓润滑功能的仿生耦合减阻研究”，中国科技科学，第53卷，第53期11, pp. 2989-2995, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 石炜平，任丽琴，颜永元，“蚯蚓体非光滑波浪表面的爬行机理”，力学与工程学报第27卷第2期3，页73- 74,2005。视图:谷歌学术搜索
17. 祖玉青，颜永元，“蚯蚓表面电渗流的数值模拟，”仿生工程学报，第3卷，第2期。4，页179-186,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 任立强，李建强，“蚯蚓表面微细液层电渗透流动的数值模拟——一种仿生方法”，机械工程师学会学报，C部分:机械工程科学学报，第221卷，第1201-1209页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 张颖，周春华，任立青，“鼢鼠接触土壤组分的生物学耦合特性”，仿生工程学报， vol. 5, supp1, pp. 164 - 171,2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 任立强、梁永华，“生物耦合的分类与特征规则”，《生物工程学报》，中国科学E辑:技术科学，第40卷，第5期。1，页5-13,2010。视图:谷歌学术搜索
21. L. H. Shu, K. Ueda, I. Chiu，《生物灵感设计》，CIRP年鉴-制造技术，第60卷，第673-693页，2011。视图:谷歌学术搜索
22. 李国栋，孙建军，李国栋，“蚯蚓表皮黏液的流变特性及其在土壤中的减阻特性”，《中国环境科学》，2018年第4期，第1期。土壤与耕作研究， 2016年1月1日。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 顾永强，范天祥，牟建国，“基于蚯蚓能力分析的仿生减阻技术综述”，《中国生物工程学报》，2017年第1期。非洲工程研究国际期刊，第19卷，第103-111页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 通用汽车,蚯蚓表面附着与减阻耦合仿生研究，吉林大学，长春，2009。
25. 顾永强，牟建国，戴德胜等，“基于蚯蚓后孔射流的仿生射流表面减阻特性研究”，《物理学报》号，第64卷。2, pp. 306-315, 2015。视图:谷歌学术搜索
26. 顾勇，穆建军，郑胜，“射流孔布置对射流表面减阻特性的影响”，力学与工程学报，2017,35(4):457 - 461。农业机械学报第45卷第5期10, pp. 340-346, 2014。视图:谷歌学术搜索
27. l .问:任实验优化设计与分析任磊主编，高等教育出版社，北京，2003。

版权

版权所有©2019刘国民等人。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。