文摘

旋耕机是主要培养在许多国家机器。然而,它总是受到高操作扭矩和功率要求。为了解决这个问题,仿生旋耕刀片设计在这个研究对减少扭矩和能源需求基础上的几何特征(GC) 5前爪子的鼹鼠,包括等值线的五爪技巧(GC-1)和multiclaw组合的结构特点(GC-2)。,选择了最佳叶片通过考虑三个因素:(1)的比率( )爪宽度的横向间距,(2)倾斜角度( )multiclaw组合,和(3)的旋转速度( )通过土壤本测试。结果表明,扭矩的影响因素 , ,和 ;因素的最佳组合和最小转矩 , ,和 。此外,优化叶片的扭矩(BB-1)研究了与传统(CB)和最佳报道仿生叶片(BB-2)土壤中本在160 - 320转的转速。结果表明,BB-1和BB-2平均减少了转矩13.99%和3.74%与CB相比,分别。现场试验结果也显示soil-cutting性能良好的BB-1平均扭矩在很大程度上减少了17.00%,16.88%,和21.80%相比,CB在不同的旋转速度,前进速度,分别和耕作深度。发现的几何结构的五个爪子鼹鼠不仅可以增强的渗透和滑动切割性能的前沿BB-1也降低了土壤失败楔BB-1土壤剪切阻力最小化。因此,五前爪子的鼹鼠的GC可能激发有效的耕作或挖掘工具的发展减少了土壤阻力和能耗。

1。介绍

旋耕机是主要培养计算机在许多国家包括孟加拉国、印度、尼泊尔、泰国、日本、马来西亚、中华人民共和国的中国和韩国(1- - - - - -4]。它可以有效地完成操作的土壤混合,转动,磨粉,捣成糊状,平整作物生长,从而创造良好的温床。然而,旋耕机总是受到权力的巨大需求,因为它需要大约80%的能源供旋耕刀片和土壤之间的相互作用,如土壤切削和投掷(5]。研究表明,叶片形状是影响电力需求的一个重要因素6,7]。然后,一些几何优化提出了减少扭矩旋耕刀片的需求。例如,锯齿形角刀片旋耕机的设计和测试在现场8]。直叶片所需的最小转矩,平均功率、峰值功率,特定的能量,有效的特定能量在375 - 500转(9]。最优仿生叶片几何结构的基础上一只爪的鼹鼠所需扭矩低于传统的通用刀片在soil-rototilling和stubble-cutting操作(10]。事实上,减阻可以通过电子渗透、振动、磁化、仿生耕作组件的方法。然而,许多挑战仍然存在与旋耕刀片的几何参数。在这项研究中,小说旋耕刀片是为减少电力需求。

仿生方法基于生物学原理应用于工程系统和现代技术改进或创造新技术11,12]。成功的仿生设计的来源包括优秀的几何特征的动物,如分段的蚯蚓,蜣螂头部的非光滑形态,和强烈的鼹鼠和锋利的爪子。例如,仿生推土机以蚯蚓的身体波浪表面可以压碎土壤开垦耙地比传统光滑推土机(13]。基于几何仿生粗糙soil-cutting弯曲叶片粗糙结构soil-burrowing动物实验可以大大减少土壤粘附和摩擦,从而减少通风部队(14]。基于轮廓曲线的仿生圆盘的第二位摩尔前爪子在结构强度和切割效率表现的更好使用有限元分析[15]。

鼹鼠是天生的挖掘机,已经适应了一个严格的地下生活方式(16]。他们拥有优秀的挖掘性能在挖隧道91一夜。鼢鼠产生的最大力量肱骨旋转后的土壤在自己的长轴和重复这个过程(16,17)如图1(一)。claw-soil交互的原理类似于旋耕刀片和土壤之间,如图1 (b)。事实上,claw-soil交互soil-cutting性能密切相关的动物(18]。每个摩尔手有五个手指,每个拥有一个大型的、锋利的,强大的爪。霁et al。19)只有第二个爪的几何特征的鼹鼠。然而,当鼢鼠削减土壤、五前爪子总是与一个开放协同工作但共面配置,这是形容multiclaw组合,有效降低[20.]。此外,等值线的五爪技巧也显著影响soil-cutting鼹鼠的性能。

在这项研究中,几何特征(GC)的五个前爪子,包括等值线的五爪技巧(GC-1)和multiclaw组合的结构特点(GC-2)启发我们优化的仿生旋耕刀片高效工作。和仿生叶片的扭矩要求通过土壤本试验和田间试验研究了不同耕作条件。目的是达到一个最优的仿生叶片(BB-1)和揭示的几何特征的影响五前爪子soil-cutting性能。

2。五前爪子的鼹鼠的几何特征

2.1。五前爪子的鼹鼠

鼹鼠(Scaptochirus,鼹科)(图2(一)获得中国东北地区的最常见和居住的地方主要是地下。他们广泛而有力的手,由五个不同的爪子(见图2(b))是由三维激光扫描仪扫描(加拿大Creaform Handyscan700),点云的五爪(见图3)创建的逆向工程软件ImageWare(西门子PLM软件版本13日,德国)。经过一系列的程序,如平滑,减少,简化,五爪重建到表面,然后,它生成一个实体表面的SolidWorks软件。然后,五爪的轮廓曲线的特点技巧和multiclaw组合在下面描述。

2.2。五爪的轮廓曲线特征提示(GC-1)

爪的鼹鼠降低土壤渗透阻力,使挖掘更有效和快速。在这项研究中,曲线的五爪的鼹鼠的逆向工程软件提取ImageWare(西门子PLM软件版本13日,德国)。提取的点曲线的五爪建议调整和AutoCAD绘制2014软件获取数据信息。这些点数据信息导入OriginPro为定量分析(图9.1软件4)。五爪技巧的等值线安装在最小二乘法基础上,高斯函数方程的拟合轮廓曲线所示的同时得到方程(1)。确定系数的值( )都高于0.95显示拟合曲线接近等值线的五爪技巧。此外,错误(SSE)的平方和的都小于0.05,表明高斯函数方程能准确地描述五爪的轮廓曲线特征技巧。

在哪里 , , , , ,和拟合方程的系数和记录在表吗1。

2.3。Multiclaw组合的结构特点(GC-2)

五个爪子在结构特点不同。从图2(b),第三是大大超过1日,2日,4日和5日与五爪爪是非常小的。爪维度和横向间距区别两个相邻爪子是重要参数定义的结构特点multiclaw组合如图2(长度(b)。 )被定义为垂直扩展的爪。水平维度的变化沿着爪方向通常是非常小的,因此,宽度( )在中间的爪决定( )。两个相邻的爪子之间的横向间距是贴上 。所有的参数记录和展示在表2根据之前的文献[20.]。从研究戈德温(21,22),工作深度/宽度比和齿间距是重要的参数来确定类别的叶片,土壤失败模式,和土壤的力量。因此,澄清multiclaw组合的结构和工作特点,我们定义了比率的长度( )宽度( )每个爪在方程(2)和比的宽度( )横向间距( )在方程(3)。的值和计算根据方程(2)和(3),表中给出2。此外,开发了一个数学模型来描述multiclaw组合的结构特点见方程(4)。

在哪里爪的长度(毫米),爪的宽度(毫米),是相邻的爪子之间的横向间距(毫米)是长度的比值( )和宽度( ), 是宽度的比值( )和横向间距( ), 是multiclaw组合的总宽度(毫米)的长度吗 - - - - - -th爪(毫米)的宽度吗 - - - - - -th爪(毫米)是长度的比值( )和宽度( )的 - - - - - -爪,是宽度的比值( )和横向间距( )的 - - - - - -th爪和 - - - - - -th爪, , 。

的价值范围从2.63到3.41(表2),表明五个爪子属于狭窄的钉耙,和的值从1.12到1.60不等。显然,multiclaw组合也可以被视为一个multitine组合,以及两个相邻表面之间的横向空间是可调让鼹鼠适应更多的环境。

3所示。仿生设计旋耕刀片

传统旋耕刀片组成的持有人,纵向表面,过渡表面,勺表面如图5(一个)。当耕作操作执行,刀片的纵向表面将首先接触土壤和土壤切开,切断,或推到一边地面秸秆和杂草;然后,独家报道叶片能减少土壤表面横向混合,又粉碎,把耕作的土壤23]。因此,更多的能量比纵向勺表面所需的表面在叶片的耕作操作(24]。根据上述five-claw组合的几何特征,五爪被安排在勺叶片减少土壤表面阻力。前两个爪子,第三,最后两个爪子位于前沿,在叶片的最大旋转半径,分别沿着叶片的结束。仿生旋耕机刀片的配置如图5 (b)。的等值线被放大以适应维度对应的爪。的值和指multiclaw组合的原型。和整个宽度( )仿生结构的设置为满足旋耕刀片的尺寸要求。

4所示。土壤本测试

4.1。测试准备

旋耕测试是在室内进行的土壤本(图6(一)在吉林大学,中国。土壤本(40米长,3米宽,0.8米深)被用来提供一个可重复的实验的土壤条件。用于实验的土壤(46%的沙子,33%的淤泥,粘土含量21%)是一个肥沃的土壤,这就是大部分农作物主产区的代表在中国东北。涉及的整地添加一个预先确定的水量达到目标含水量和第二天放松的旋耕机(1 gkn - 125由连云港苇弟机械有限公司大我有限公司),由刮刀平整,压实辊。最后,土壤床准备d.b平均土壤含水量为18.23%。体积密度的1957公斤米³0.68 MPa的土壤压实,适用于旋耕作业。

测试设备包括电源控制单元、数据采集单元、电力传输单元,旋耕刀片如图6(a),功率控制单元主要包括土壤本电车,这提供了叶片向前旋转的力量。数据采集单元包括一个扭矩传感器(中青文- 803,0 -±100牛米)和一台电脑。电力传输单元由一个万向节联轴器,齿轮箱(1:1传动比),同步带轮传动比(1:1),一个转轴,和两个刀片持有人和传播叶片(图的能力6(b))。在这项研究中,选择叶片(IT245)的工作半径( )245毫米的宽度( )60毫米,这是典型的扶轮分蘖。根据数学模型方程所示(3),整个宽度( )仿生结构的设置是60毫米。土壤本分为三个部分,以避免连续测试运行(图之间的相互作用7)。一节(0.8米宽,20米长)成立两个过渡部分两端和5米长过渡部分满足测试条件。10米长的稳定部分保持足够的实验数据的收集。两个旋耕刀片安装在180°的持有者的阶段。前进速度维持在3公里h¹和操作深度在80毫米以下的政府标准旋耕机在中国,同样的所有部分。

4.2。回归测试

回归设计可以有效地获得响应变量的充分和准确的信息通过选择回归变量的值(6]。Box-Behnken设计是一种常见的方式将不同因素发展目标和因素之间的数学关系,成本效益和更少的测试(25]。为了简化测试,确保精度同时,这些测试Box-Behnken设计用来选择因素值,进行测试安排在土壤本。由于适应性的横向间距相邻的爪子,多样,被视为一个有影响力的因素影响旋耕刀的工作性能。和倾斜角( )multiclaw组合的定义为五爪之间的角度和垂直线(图5 (b)),也影响了soil-cutting仿生旋耕刀片的性能,被选为一个影响因素。此外,转速( )也发挥了重要作用在旋耕机刀片的工作性能26),是另一个影响因素。在这里,比( )宽度的横向间距是0.25从1.25到1.75的区间,倾斜角度( )从50°- 70°的间隔10°,和转速( )范围从160到320 rpm的间隔80 rpm。总共9个仿生旋耕机刀片被设计用于这项研究。的实验中,所有的仿生叶片电极丝,锥形,磨实现仿生结构(图8)。

转矩的数学关系三个因素( )成立于设计专家软件(方程(5))。因子水平的编码表3。测试计划包括12个因子分和5 0点如表所示4。为了确定上述参数对扭矩的影响,二次数学回归方法用于建立每个因素之间的回归方程和转矩。每个测试重复了三次,转矩的平均值得到的数据采集单元用于结果分析。

在哪里是转矩(n - m); , ,和是代码;和的系数编码。

在这里,这个测试的目的是获得一组优化的仿生旋耕机刀片(BB-1)参数减少扭矩需求和分析每个因素的影响回归模型的响应值。进一步比较soil-cutting性能优化的仿生叶片(BB-1)与传统叶片(CB)和报道仿生旋耕刀片(10)(BB-2)进行土壤中。

4.3。比较测试

最优仿生叶片(BB-1)从回归测试是获得与土壤中的两个控件本相比,旨在调查扭矩需求是如何影响仿生的几何特征。控制是传统旋耕刀片(CB)和最优仿生旋耕刀片(BB-2)裁判。10),有三个凹弧齿同样安排在前面前沿的圆心角60°。图9显示了三种类型的比较测试中使用的刀片。在转速比较测试,由原来的160调整到320 rpm的间隔40 rpm,和每个测试重复了三次。

5。田间试验

5.1。实验地点和设备

的实验测试了吉林农业大学,中国。土壤是肥沃的土壤的容重1040公斤米³烘干法测量,测量使用20.82%的含水量tdr - 300式土壤水分计(RGB光谱设备、美国)探测器12厘米,和0.74 MPa的土壤压实测量使用sc - 900型土壤压实计(RGB光谱设备、美国)1/200直径锥尖。如图10(一)拖拉机(70.8 kw, KUBOTA-M954由日本久保田公司农业机械(苏州)有限公司,有限公司)与旋耕机(1 gqn - 230由天津拖拉机制造有限公司有限公司)推进减少土壤,和一个传感器测试系统在切削过程中记录的数据。旋耕机刀片安装的连接与拖拉机动力输出轴的叶片。扭矩传感器(中青文- 803 0 - 1000±N m)是放置在拖拉机动力输出轴(图10(b)),这样叶片的扭矩可以传输传感器。实验方法和过程的细节可以发现在我们以前的工作27]。

5.2。实验处理和数据处理

实验比较了转矩需求BB-1和CB (IT245)之间的操作在不同的旋转速度,前进速度、耕作深度。根据政府标准的旋耕机在中国,旋转速度,前进速度,和耕作深度,分别设置的范围150到350 rpm, h 1到5公里¹,80 - 200毫米。四因子随机完全区组设计有三个复制使用,如下:(我)因子2(叶片几何)治疗:CB和BB-1(2)因子B(转速)2治疗:254和267 rpm(根据拖拉机动力输出轴转速)(3)系数C(前行速度)5治疗:1,2,3,4,5公里h¹(iv)因子D(耕作深度)3治疗:80,120,160毫米

治疗因素是随机其次是随机分配的两个级别的因素B的前行速度3公里h¹随机和120毫米的耕作深度,紧随其后的是一个随机分配的五个层次的因素C 254转的转速和120毫米的耕作深度,随机紧随其后的是一个随机分配的三个层次的因素D转速为254 rpm的前行速度3公里h¹。为了消除拖拉机的加速度的影响,数据记录不断在拖拉机移动10米。在这段时间内的数据处理,转矩的平均值三个复制用于分析。

6。结果

6.1。土壤本测试的结果

但是。回归测试的结果分析

正交试验的土壤切削土壤中的仿生叶片进行本根据测试方案(表4)。扭矩波动从17.26到25.81 n - m的因素都不同,而表达的优化测试的重要性。获得的数据表4根据方程(处理5由最小二乘法),研制了二次回归模型如下:

回归模型的方差分析表所示5来分析和判断回归模型的可靠性。基于分布表的价值 是3.68,低于多少上述回归模型的价值。和这个模型的值小于0.05,表明这个回归模型是可靠的和重要的。所反映出的也小(3.25)和更大的价值值(0.1426)缺乏健康,表明缺乏适合不显著和相反的二次回归的拟合效果突出。此外,的因素 , , , , ,和是重要的方面影响模型由于其大价值观和小值,而其他的因素 , ,和由于他们的小是微不足道的方式价值观和大值。因此,每个因素的影响在转矩进行分析如下。

为了获得一个单因素模型,其他两个因素固定在0水平所以爪宽度比的子区间,倾斜角度和旋转速度

上述单因素模型公式来源于各自单一因素的边际每个因素在不同层次上的力矩方程:

子的回归曲线和相应的推导曲线的因素,如图11。当从1增加到1的变化有积极的影响(图11 (b));所以,的增加会增加所有的时间吗(图(11日))。当 ,的变化开始积极地影响 ;相反,当 ,的变化有一个负面影响(图11 (b));作为一个结果,将附近的最大或最小 (图(11日))。当 ,的变化有显著积极影响 ;相对的,当 ,的变化有重大的负面影响(图11 (b));因此,将附近的最大或最小 (图(11日))。是最受比和 ,时的影响略高于 。各级因素时,扭矩会不同程度的变化。因此,有必要优化叶片的几何图形操作在一个合适的条件满足扭矩要求较低。

6.1.2。优化

扭矩的交互影响爪宽度比横向间距( ),倾斜角度( ),和转速( )显示了响应面方法如图12。响应面图直观地反映了转矩的影响因素的变化趋势。转矩影响的趋势和相反的趋势影响了吗和和和 。扭矩的变化的影响和小(图12(一个));相比之下,与 ,价值变化的扭矩比较大(数字12 (b)和12 (c)),指示因子对扭矩的影响最重要的不是吗和 。在图12(一个),转矩变化更强烈的影响和 ,显示的效果略高于 。这些结果基于转矩的响应面图基本上类似于上面的结果图11。扭矩范围内的最小值 , ,和从图的比较12(一个)。因此,当以 (1.25,240年60°),扭矩达到最小值,这意味着优化参数的比例 ,倾斜的角度 ,和转速 。

6.1.3。比较测试结果

图13显示了比较测试结果的三旋耕刀片受转速的影响。三个叶片的扭矩与不同的旋转速度表现出类似的趋势。转矩下降随着转速的增加,从160年到240转,因为减少咬长度和体积较小的每一点土壤。然后,转速时的转矩增加从240增加到360 rpm由于土壤retillage和日益加速。因此,有一个最小转矩在每分钟240转的转速。这种变化趋势符合文学的结果(9]。在三个叶片,BB-1最低土壤耕作过程中扭矩的要求。平均而言,BB-1扭矩需求减少了13.99%的CB。的转矩要求BB-2 3.74%不到的CB是平行的文献的结果(10]。它表示的几何特征五前爪子的鼹鼠有显著影响旋耕刀片的扭矩要求。

6.2。田间试验的结果

比较之间的扭矩需求BB-1和CB进行田间试验在不同耕作条件如图14。它可以看到优化的仿生叶片的扭矩大小的变化趋势是相似的趋势传统叶片无论耕作条件。当转速从254增加到267 rpm,转矩显著降低由于咬的叶片长度的减少是前面研究中观察到的9]。随着h前进速度从1增加到2公里¹,扭矩也迅速扩大,由于土壤的增加retillage提到的文献[9),而土壤retillage减少进一步增加了速度从2到3公里h¹导致转矩下降;但是转矩增加再次前行速度时从3到5公里h¹由于叶片的咬长度的增加所显示Salokhe et al。28]。因此,3公里h的前进速度¹是一个更合适的操作条件旋耕机刀片需要较低的转矩。此外,耕作深度也是一位杰出的影响叶片的扭矩要求。扭矩增加所有的时间与不同耕作深度从80到150毫米由于土壤容积的增加每一点。总的来说,优化旋耕机刀片在这项研究中没有对扭矩的变化趋势与耕作的影响条件。

另一方面,优化仿生叶片总是远远超过了传统的叶片扭矩要求。这是发现的力矩优化仿生叶片平均17.00%,16.88%,和21.80%低于传统叶片在不同的旋转速度,前进速度,分别和耕作深度。可以得出结论,soil-cutting性能优化的仿生叶片是优于传统叶片由于减少扭矩要求。

总之,这些结果进一步证实,旋耕刀的勺表面发挥了重要作用的扭矩要求整个叶片,所以有必要优化其几何图形来实现降低能源消耗。

7所示。讨论

一般来说,当旋耕刀片削减土壤,纵向表面,过渡表面,勺表面先后接触土壤。因此,滑动切割前沿的性能发挥了重要作用在土壤切削(29日]。叶片的入口土壤,土壤逐渐破碎成小土块在符合莫尔-库仑破坏准则30.,31日]。在每个圆的破碎过程中,一个土楔32]成立于叶片如图的前面(15日)事发之后,所需的剪切力库仑公式。

7.1。轮廓曲线的影响特点的五爪技巧(GC-1)转矩的BB-1 Soil-Cutting过程

报告BB-2扭矩需求减少了3.91%,因为三个凹弧可以改善渗透性能(10]。同样,BB-1也比CB更好的渗透性能,由于尖端能减少与土壤的接触面积时叶片接触土壤。此外,等值线的五爪技巧有一个滑动切割性能好。曲率计算如图五爪技巧16。1日的曲率爪提示显示3.5毫米的一个高峰¹在 ,然后迅速下降 ,并继续以更低的利率下降 1.2毫米,表明第一爪提示遭受了如此严重的土壤穿更好的滑动切割性能。其他四个爪的曲率技巧都有两个高峰和小每个提示的两座山峰之间,表明两座山峰之间的中间部分为每个技巧主要是减少土壤,特别是对于第二爪小费。的三爪,两座山峰之间的狭窄的中间部分导致了更好的渗透性能。有趣的是,曲率的峰值下降从1日到3日爪,然后增加到五爪。小峰的曲率三爪技巧可以避免快速穿时土壤渗透到土壤里去的。总的来说,五爪的等值线技巧有一个更好的渗透和滑动切割性能。结果,滑动切割行动是执行一个小倾角减少摩擦力,保证从土壤中出现,这是类似于幻灯片前爪的切削性能Cryptotympana atrata仙女(33]。同时,五爪的技巧可以穿透土壤小力BB-1要求。

7.2。效应的结构特点Multiclaw组合(GC-2)转矩的BB-1 Soil-Cutting过程

旋耕刀片开始打破土壤全身后叶片进入土壤,然后,土楔形成前的刀片如图15。基于之前的研究(20.),土壤破裂five-claw组合的距离比小于19.6%的预测价值简单的叶片。失败表明,土楔BB-1明显减少,这样一个较低的土壤剪切所需的力。图15 (c)说明土壤的差异分别楔形由CB和BB-1失败。通过土壤楔形失败的比较,证实了五爪结构可以改变土壤旋耕机刀片的失效模式,形成一个较小的土壤楔形失败最小化扭矩需求很大程度上。

总之,BB-1首先增强渗透和滑动切割前沿的性能基于GC-1五爪技巧和第二减少土壤失败楔的soil-cutting过程基于GC-2 multiclaw组合,从而在很大程度上减少BB-1的扭矩。较小的转矩要求BB-1更有效率。因此,五前爪子的GC鼹鼠更适用于旋耕刀片的几何优化。

8。结论

仿生旋耕刀片设计,减少转矩要求根据几何特征(GC)的五个爪子的鼹鼠,包括等值线的五爪技巧(GC-1)和multiclaw组合的结构特点(GC-2)。土壤本测试和现场实验结果显示如下:(1)对扭矩的影响如下:转速( ),爪宽间隔的比率( ),和倾斜角( ),所有这些通过进一步分析造成明显的影响和相应的推导曲线的回归曲线的子因素。此外,为了减少旋耕机刀片的扭矩要求,设定的最优工作结合响应面方法: , ,和 (2)新的优化仿生叶片(BB-1)在这项研究和报道最优仿生(BB-2)的文献[10)平均转矩需求减少了13.99%和3.74%,分别比常规刀片(CB)(3)现场对比实验还表明,扭矩BB-1平均17.00%,16.88%,和21.80%低于CB在不同旋转速度,前进速度,分别和耕作深度

总的来说,鼹鼠的五个爪子的几何结构可能发挥重要作用在减少旋耕刀片的扭矩和能量要求。这项研究还提供了一种新的方法来设计其他soil-engaging工具实现最低土壤阻力和能耗。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51475204),中央大学的基础研究基金(批准号2452019205),和中国博士后科学基金(批准号2020 m683577)。