仿生非光滑表面脱附与减阻技术在工程上的应用

生活在自然界中的生物具有生物非光滑体表。根据大量的观察和试验,发现这种非光滑表面具有减粘降阻和脱附效应,这种仿生非光滑表面减阻脱附技术被应用到了空中、水中和土壤中,得到了很好的减粘降阻与脱附效果。但是目前,对生物的这种非光滑体表还只是被动的模仿阶段,对这种现象的机理没有形成系统的认识,针对这种情况,提出今后研究工作的重点与方向是：集中研究不同非光滑表面与不同介质之间脱附与吸附的机理和对非光滑表面的量化描述。     

几何非光滑典型生物体表防粘特性的研究

研究表明,几何非光滑体表是土壤动物减粘降阻的原因之一。通过对典型土壤动物蜣螂的大量观察、实验研究和表面分析,发现其体表不同部位具有不同的几何非光滑;将土壤力学与生态学相结合,还探讨了在粘湿环境中蜣螂非光滑体表与不同触土方式的关系及其对防粘特性的作用机理。     

PA~4_（1010）和EP~1复合涂层及其表面改性犁壁的减粘降阻性能

试验研究了地面机械触土部件表面仿生改性涂层ＰＡ４１０１０（尼龙１０１０－Ａｌ２Ｏ３复合涂层）和ＥＰ１（环氧－Ａｌ２Ｏ３复合涂层）的减粘降阻性能，探讨了土壤含水量和推土板切削速度对其减粘降阻性能的影响，并通过犁耕试验考察了其表面改性犁壁的降阻效果     

仿生非光滑水田犁壁的设计及田间应用试验

水田犁田间作业时土壤对犁壁的严重粘附,将导致犁耕阻力增加、油耗增大、耕作质量和生产效率降低。经过大量的试验研究,已发现典型土壤动物蜣螂体表的减粘降阻和脱附效应,并据此开发了仿生犁壁。在前期研究基础上,考察仿生非光滑水田犁壁面上几何非光滑结构单元的尺寸和分布对犁耕阻力的影响,进行了设计参数优化,研制出具有减粘降阻性能的仿生非光滑水田犁壁。田间对比测试表明:仿生非光滑水田犁壁与普通光滑水田犁壁相比,降低犁耕阻力15.9%~18.0%,减少油耗11.9%,提高生产率20.5%。该犁壁耕翻的碎垡率高,耕作质量良好,有较好的实际应用前景。     

基于减粘降阻特性的辣椒移栽仿生栽植器研究

针对移栽机械在黏重土壤条件下栽植辣椒作业时,栽植器表面粘土严重影响移栽机作业质量和效率的问题,基于凸包形非光滑表面减粘降阻机理,研发了一种适于黏重土壤条件的仿生栽植器。首先,通过EDEM软件完成栽植器打穴仿真分析,发现仿生栽植器在整个打穴过程中所受应力低于普通栽植器所受的应力,有一定的降阻作用;然后,将仿生栽植器与普通栽植器分别在含水率为18.34%、22.31%、29.55%,栽植频率为30、50、70株·min^-1条件下进行田间对比试验,结果表明:较普通栽植器而言,仿生栽植器减粘效果较好,减粘率最高达到57.71%,最低达21.89%,说明仿生栽植器基本可用于黏重土壤条件辣椒移栽作业。研究结果可为黏重土壤条件下仿生触土部件的减粘降阻设计提供参考。     

仿生钢布兜式铲斗的研究

依据土壤动物体表几何形态、运动方式和分泌体表液等利于减粘降阻的基本原理，设计了一种仿生钢布兜式铲斗，它主要由钢布兜内衬和钢外壳组成。铲掘作业过程中内衬产生的蠕动、变形、撕剥、碰撞、摩擦及非光滑效尖模仿了土壤动物体表的变形、非光滑特性以及与土壤的接触界面状态，而使得仿生铲半比普通铲具胡显著的脱土降阻性能。     

基于刮削与振动原理的减粘降阻镇压装置研究

针对镇压作业时,土壤粘附严重、牵引阻力大等问题,借鉴地面机械触土部件减粘降阻法,设计了一种机械式减粘降阻镇压装置。进行镇压装置运动过程分析、镇压轮表面脱土机理分析和刮削板脱土机理分析,为确定镇压装置减粘降阻的能力提供了理论依据,并在此基础上对镇压装置的关键机构进行了设计。为研究机械式减粘降阻镇压装置的工作性能,以弹簧刚度、前进速度和刮削角为试验因素,以牵引阻力、土壤粘附量为试验指标,在室内土槽中进行L9(34)正交试验。试验结果表明:各因素对指标影响的主次顺序为弹簧刚度、刮削角、前进速度;最优水平组合为弹簧刚度40 N/mm、刮削角30°、前进速度7 km/h。以最优水平组合进行验证试验,得到牵引阻力39.6 N,土壤粘附量43.24 g。与传统镇压装置的对比试验表明,机械式减粘降阻镇压装置使牵引阻力降低17.8%,土壤粘附量降低34.8%。     

仿生非光滑技术在小型水田犁犁壁上的应用试验

水田犁壁田间作业时由于土壤对犁壁的粘附,导致犁耕阻力增加,降低生产效率.研究人员根据大量的观察和试验,发现自然界中的生物的非光滑体表具有优良的减粘降阻和脱附效应,并据此研究开发了仿生非光滑犁壁.通过田间测试,仿生非光滑犁壁与普通光滑犁壁相比,减阻率为7.88%～13.46%,翻垡好,碎土率高,有较好的推广前景.     

非光滑仿生曲面形推土铲推土阻力试验研究

设计了非光滑曲面推土板试件并进行推土铲工作时的阻力性能试验。试验结果表明，在相同的工况下，切削深度、切削角度和切削速度都会影响推土阻力，但与光滑曲面推土板相比，非光滑曲面试件由于改变了土壤沿曲面流动和破坏的状态，减少了有效接触面积，具有明显的降阻作用。     

仿生学在农机减阻中的应用

在农业机械化的推广过程中,阻力过大是制约其发展的重要因素,而仿生学提出了解决此问题的新思路。详细介绍非光滑表面脱附减阻、减粘降阻的机理,及其在农机减阻方面的应用现状,为仿生学在农机设计中的应用提供参考。     

波纹形非光滑推土板减粘降阻的简化力学模型

针对粘性土壤提出了一个简化力学模型,数值模拟了具有一定粘性的土壤与波纹型推土板之间的作用力。数值计算结果显示,在通常的力学条件下波纹板与土壤的接触面积小于相应的平板面积,可以达到减粘降阻的目的。计算了波纹板表面的压力分布,并指出在土壤与农机具粘附系统中波纹形表面摩擦力最大的位置。     

油菜混合物与仿生筛面基体间的粘附特性

运用图像处理中的超绿特征提取与分割技术,构建油菜粘附特性测试系统,以残留粘附面积r为测量指标,引入粘附率μ和减粘率τ为衡量指标,通过粘附试验,测取并分析了油菜混合物与仿生筛面基体之间的粘附特性。试验结果表明,仿生非光滑筛面的减粘率普遍超过30%,最高达到90%,减粘作用显著;仿生凸包的减粘作用优于仿生凹坑;普通筛面的粘附程度依赖于油菜混合物的成分,而仿生非光滑筛面的粘附程度基本不依赖于油菜混合物的成分及质量比例,能在不同的收获环境与条件下保持较为稳定的减粘作用。     

仿生非光滑表面滑动摩擦磨损试验研究

采用激光处理技术加工了几种具有非光滑特征的圆形45号钢试件，以正交试验方法设计耐磨性试验方案。在国产MM200型摩擦磨损试验机上研究具有不同非光滑表面特征的试件耐磨性规律。试验结果表明，在相同试验条件下，时间、负荷、速度、形态和分布对耐磨性均有影响，耐磨性按照凹坑、凸包、波纹、鳞片形态递减。     

基于离散元法的砖红壤斜柄折翼式深松铲设计与试验

针对深松整地装备应用于海南省热带农业区香蕉地时,存在作业阻力大、松土面积小及地表平整度差等问题,本文基于海南香蕉地砖红壤土的物理特性,设计一种可有效降低作业阻力的斜柄折翼式深松铲.运用离散元法建立3层土壤颗粒虚拟仿真土槽模型,使用Hertz-Mindlin with JKR接触模型进行了斜柄折翼式深松铲与直柄凿式深松铲...     

地面力学参数综合测试系统设计与试验

为了改进贝氏仪不依赖大型设备时测试范围的局限性和地面力学参数测试手段的分散多样性,设计了一种室内外两用的地面力学参数综合测试系统。测试系统贯入、扭转过程互不干涉,实现测试及数据处理的独立性。可选择电动机驱动或手动驱动。借助丝杠升降机传动,仪器具有较高的运行控制精度和测试量程。系统借助拉线位移传感器和力、扭矩传感器可实时同步获取纵深行进动态信息、土壤承压力和土壤抗剪切力等信息,可实现计算机远程控制和数据采集记录及处理自动化。实验室压实制备湿润砂土,通过剪切盘剪切试验得砂土内聚力为3.14 kPa,内摩擦角为38.2°;通过压板试验得砂土变形指数为0.963,粘聚变形模量为178.73 kN/m~(n+1),摩擦变形模量为11 908.40 kN/m~(n+2)。试验表明,该仪器具有较高的可靠性和实用性。     

仿形弹性镇压辊减粘防滑结构设计与试验

针对仿形弹性镇压辊粘附土壤和滑移率较大的问题,基于典型土壤动物蚯蚓的体表柔性几何特征,设计了一种适用于仿形弹性镇压辊的减粘防滑结构,其主体是橡胶凸起,同时采用肋条结构对其进行固定。这种结构具有粘附土壤少、滑移率低、镇压力分布均匀、碎土效果好等优点。通过理论计算和运动学分析对减粘防滑结构的运动过程进行研究,得出橡胶凸起的特征方程,以及凸起高度和肋条高度的取值范围。通过三因素三水平正交组合试验得出影响镇压辊粘附土壤量因素的显著性顺序依次为:凸起高度、肋条高度、载荷;影响镇压辊滑移率因素的显著性顺序依次为:肋条高度、凸起高度、载荷;得到减粘防滑结构的最佳参数组合为:载荷450.0 N、凸起高度13.9 mm、肋条高度15.1 mm,并找到各因素对粘附土壤质量和滑移率的影响。田间验证试验和对比试验得到镇压辊的粘附土壤质量为39.2 g,滑移率为3.89%,分别比没有减粘防滑结构的镇压辊降低60.1%和54.3%。     

不同改良剂对滨海盐碱化土壤水盐运移特性的影响

为了探究表层(0~20 cm)掺加不同改良剂对盐碱化土壤改良的效果,以黄河三角洲地区中度盐碱化土壤为研究对象,利用室内一维垂直积水入渗试验,表层掺加2种改良物质,即河沙、生物炭,设置7个处理分别为CK,S1,S2,S3,C1,C2,C3,以研究其改良效果.结果表明:在不同河沙、生物炭用量下,改良措施均能提高土壤水分入渗性能,其中生物炭改良措施显著提高了掺加层含水量,河沙改良措施显著提高了土壤掺沙层以下土壤含水率;不同改良处理下,河沙改良措施相较于生物炭改良措施更有利于盐碱化土壤脱盐,处理S3的平均脱盐率比掺生物炭处理提高14.5%~27.7%,脱盐区深度、达标脱盐区深度均超过了0~50 cm作物根系密度较大的土层.根据河沙和生物炭在室内一维垂直积水入渗试验结果,土壤表层掺沙可有效改良黄河三角洲地区盐碱化土壤的水盐分布,为作物生长提供良好的环境.     

土壤-金属界面水膜粘附规律的试验研究

依据土壤粘附机理及界面水膜理论,利用由土壤粘附力测试仪,界面水膜测量仪等设备组成的多功能试验台采用化学的测试方法,对界面水膜的平均面积及厚度进行了定量测量,并对界面粘附规律进行了定量研究建立了界面水膜粘附规律的数学模型。