仿生非光滑筛面近筛层微观气流场研究

以入风口角度和筛面形态为试验因素,对仿生非光滑筛面近筛层微观气流场进行了数值模拟研究,并对仿生非光滑清选筛和普通光滑清选筛进行了田间对比验证。试验结果表明：入风口角度对清选筛面上近筛层内的微观气流场基本没有影响;仿生非光滑筛面形态将筛孔间近筛层内的单个小漩涡分解为2个小漩涡,致使漩涡流线不能完全地从筛面经过,使得细小油菜物料难以与仿生非光滑筛面充分接触,起到了减粘作用;仿生凸包的减粘作用较仿生凹坑明显。     

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.     

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。     

水稻收获机涂层改性清选筛面设计与试验

针对水稻收获机清选作业过程中湿黏水稻脱出物易粘附、堵塞清选筛的问题,利用聚四氟乙烯涂料对清选筛面进行喷涂改性处理,设计了具有抗粘减阻性能的清选筛面。涂层改性筛面往复摩擦特性试验结果表明,涂层改性筛面与水稻秸秆的平均摩擦因数降幅达32. 2%～32. 7%,与稻叶的平均摩擦因数降幅达39. 1%～40. 2%,涂层改性筛面表现出良好的减阻特性。涂层改性筛面润湿减粘特性试验结果表明,涂层改性筛面的接触角为110. 6°,接触角增幅为26. 8%,与水稻秸秆的界面粘附力降幅为62%～67%,与稻叶的界面粘附力降幅为63%～65%,减粘脱附特性显著增强。利用水稻收获机进行了涂层改性筛面田间清选作业减粘防堵性能试验,作业量为2. 0 hm~2时,与未改性筛面相比,涂层改性筛面粘附物质量降低67. 8%,聚四氟乙烯涂层能够有效地解决湿黏脱出物粘附、堵塞问题,具有良好的耐久性。     

仿生凸包起垄刀表面特征参数优化设计

起垄机在作业时发现起垄刀粘附严重,为了解决在黏性土壤环境下起垄刀粘附问题,以土壤动物蜣螂头部表面非光滑凸包结构为仿生对象,通过白光干涉仪获得凸包微观结构的特征参数完成仿生起垄刀设计。基于EDEM仿真分析仿生凸包起垄刀的减粘脱附效果,探索凸包减粘机理,通过田间试验验证仿真分析的有效性。试验结果表明：仿生凸包起垄刀减粘脱附效果由小到大依次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ,试验结果与EDEM仿真中得到的结果相一致,验证了仿真的可靠性。其中,仿生起垄刀Ⅱ的减粘性能最好,在18.73%、22.91%、26.87%含水率下的平均粘附量相对于原型刀具分别减少了12.45%、24.64%、6.19%。研究结果可为起垄机减粘脱附仿生设计提供可行的研究方法。     

仿生柔性非光滑表面减粘降阻的试验研究

对绒布,帆布、钢布,尼龙布,钢链等仿生柔性非光滑表面与田鼠毛皮、４５钢进行了法向粘附力和滑动阻力的对比试验。结果表明,在同样条件下,仿生柔性非光滑表面的粘附力是４５钢的１６％－４０％,滑动阻力是４５钢的３０％－５０％,具有十分明显的减粘附阻效果,为仿生柔性非光滑表面在工程技术上的应用开发创造了条件。     

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。     

肋条型仿生镇压辊减粘降阻试验

基于臭蜣螂腹侧面的几何结构,设计了9种肋条型仿生镇压辊。肋条结构采用具有良好疏水性的超高分子量聚乙烯材料。采用L9(34)正交表,考察了土壤干基含水率为20%时,肋条结构底面宽度W、高宽比R、镇压辊载荷F和面积比K对镇压辊粘附土壤量和牵引阻力的影响。结果表明:在试验条件下,与普通镇压辊相比,仿生镇压辊在保证适宜玉米生长容积密度前提下具有明显的减粘效果,减粘率最高可达41.08%;合理的肋条结构尺寸可使仿生镇压辊的减阻率达11.75%~39.40%。采用极差法对试验结果进行分析,得到了影响镇压辊粘附土壤量和牵引阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了各因素对镇压辊粘附土壤量和牵引阻力的影响。     

仿生非光滑推土板减粘降阻的试验研究

对模拟土壤动物典型几何非光滑表面的各种形状的仿生非光滑推土板在固，液，气三相组成的土壤中，进行了减粘降阻试验研究，试验土壤为砂土，湿砂土，松散黄粘土和结构性较好的黄粘土，研究非光滑表面改变切削深度，切削角度探讨了下减粘降阻效果及非光滑表面减粘降阻机理，结果表明，在切削成垡状粘性土壤时，非光滑表面可降低阻力２５％以上，且其脱土性能比光滑板好。     

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。     

蚯蚓运动特征仿生筛筛上玉米脱出物运动特性研究

为探究基于蚯蚓运动特征的仿生筛上玉米脱出物的运动特性,利用API实现了仿生筛在EDEM中的非简谐运动(两移动一转动),并采用CFD-DEM耦合方法对玉米脱出物在气流和仿生筛共同作用下的筛上运动进行了数值模拟。通过分析玉米脱出物的筛分过程,明晰了仿生筛对筛上玉米脱出物的运移机理。探究了玉米脱出物在仿生筛上不同区域的水平运移和竖直分层。数值模拟结果表明：玉米籽粒、芯和茎秆在仿生筛上的平均水平速度分别为0.63、1.60、2.51 m/s,有利于籽粒和杂余沿筛面水平分离和分散;玉米脱出物在筛体前部的平均水平速度最大,为1.71 m/s,表明仿生筛能够将筛体前部的玉米脱出物快速向后运移以减少进料端堆积;随着玉米脱出物由筛体中部运动到筛体尾部,玉米籽粒平均竖直位移降低20.61 mm,而芯和茎秆平均竖直位移却分别增大9.84 mm和5.70 mm,籽粒和杂余在竖直方向上的分层明显;通过高速摄像分析了玉米脱出物在仿生筛上的运动状态,并提取了玉米脱出物在筛体前、中部区域的平均水平速度,其变化规律与数值模拟结果基本一致,验证了仿生筛对筛上玉米脱出物的运移机理。当仿生筛清选装置入口气流速度为12.8 m...     

多元铜基钎料成分优化试验

仿生非光滑表面减粘降阻研究的关键技术是非光滑单元体材料（合金白口铸件）与钢的连接。CuZn系钎料在白口铸铁表面的润湿性能和钎缝剪切强度低于在纲表面的润湿性能和钎缝剪切强度，白口铸伯向钎料过度溶解所造成的溶蚀，是钎料润湿性差的钎缝剪切强度低的主要原因。为提高钎料的综合性能，作者运用二次回归组合设计方法，研究了合金级元素间交互作用对润湿性能和力学性能的影响规律，建立了合金元素与润湿性能及力学性能的数学模型，从而为新型铜基钎料成分设计提供了理论指导。     

基于离散元法的三七仿生挖掘铲设计与试验

为减小三七收获过程中的挖掘阻力,以三七根茎及种植土壤为研究对象,测定本征物理参数,设置Bonding键参数建立三七根茎的离散元模型,分析根土粘结机理,利用Hertz-Mindlin with JKR建立三七根茎-种植土壤离散元复合模型;建立并分析挖掘铲的理论力学模型,确定仿生挖掘铲设计尺寸(长×宽×厚)为：360 mm×150 mm×8 mm、入土角30°、铲尖半角60°;采集野猪头三维模型的点云数据,确定仿生铲的结构曲线方程,建立仿生挖掘铲的三维模型;开展仿生挖掘铲与平面挖掘铲的仿真对比试验,追踪颗粒位移流向得平均位移以及平均挖掘阻力,分析颗粒的速度矢量明晰了挖掘铲面的减阻机理,得仿生挖掘铲的仿真试验减阻率为19.15%;利用高速摄影和阻力采集设备开展土槽试验,结果表明土壤颗粒流向与仿真趋势一致,仿生挖掘铲和平面挖掘铲的平均挖掘阻力为1 207.23、1 594.49 N,仿生挖掘铲减阻率为24.29%,与仿真试验减阻率十分接近,验证了离散元模型准确可靠、挖掘铲力学模型构建准确,仿生结构设计合理。     

仿生几何结构表面深松铲铲尖设计与试验

深松铲在西南红壤坡耕地作业过程中,由于土壤黏附性强且板结严重,造成土壤过度扰动和耕作阻力过大的问题.采用工程仿生的技术方法,将具有减阻优异特性的克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型,以深松铲铲尖为研究对象,设计仿生凸包、微刺—凸包、仿生鳞片、微刺—鳞片和微刺—凸包—鳞片混合表面5种仿生几何结构表面.通过室内土槽试验,考察...     

仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证

利用ABAQUS软件建立了传统镇压辊和仿生镇压辊与土壤相互作用的三维有限元模型。模拟结果中伪应变能约占内能的0.1%,传统镇压辊和仿生镇压辊的牵引阻力的模拟值和试验值相对误差分别为11.47%和2.38%,模拟值和试验值吻合较好,验证了模型的可靠性。从Mises应力云图、镇压辊与土壤接触面积和位移云图3方面对2种镇压辊的模拟结果进行了对比。结果表明:仿生镇压辊与土壤的接触应力显著大于传统镇压辊,更利于将土壤表层的土块压碎;仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊降低了79.05%,有利于降低土壤与仿生镇压辊表面的粘附力,且土槽试验结果得到仿生镇压辊的粘附土壤量比传统镇压辊降低52.78%;仿生镇压辊表面的肋条结构能在一定程度上约束土壤流动,避免了壅土现象的产生;2种镇压辊的下陷量相差很小,压实阻力基本相同,但仿生镇压辊更利于压实表层土壤;传统镇压辊造成土壤沿镇压辊宽度方向的位移扰动量大于仿生镇压辊,需要消耗更多的功。土槽试验结果表明:与传统镇压辊相比,仿生镇压辊的阻力降低了28.66%。     

油菜收获清选筛面物料匀散导流装置设计与试验

针对长江流域油菜主产区普遍使用的履带式油菜联合收获机进行高密高产油菜收获时清选筛面脱出物易堆积,影响油菜籽粒透筛,导致清选损失率高和作业效率低的问题,通过分析清选过程中物料抛散运动规律,设计了筛面物料匀散导流装置,确定了影响清选系统作业性能的装置关键结构与作业参数。构建了清选系统CFD-DEM耦合仿真分析模型,采用二次回归正交组合试验方法,探究了导流杆摆动频率、导流杆转速、驱动关节滑槽倾角对清选损失率、清选含杂率的影响,确定了最优参数组合。仿真试验结果表明,各因素对损失率和含杂率均具有显著影响,其中以导流杆摆动频率影响最显著,最优参数组合为导流杆摆动频率12.5Hz、导流杆转速120r/min、滑槽倾角20°。基于优化后的参数进行台架试验,结果表明,在相同的大喂入量条件下,增设筛面匀散导流装置后清选损失率为3.97%,含杂率3.71%,对比原清选系统损失率降低49.8%,含杂率降低34.7%,能够满足高密高产油菜的低损高效清选作业要求。