仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

　　摘要:針對(duì)傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附土壤、阻力大和壅土問(wèn)題，基于穿山甲體表鱗片的多邊形幾何結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，制造材料選用Q235。以粘附土壤量、牽引阻力、種子粒距變化率、土壤容重為指標(biāo)，在室內(nèi)土槽考察了土壤干基含水率分別為20%和28%時(shí)3種仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥在載荷分別為300、500、700N下的鎮(zhèn)壓效果，并與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥對(duì)比。結(jié)果表明:正12面體仿生鎮(zhèn)壓輥的種子粒距變化率最低，比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低了33．19%，即防壅土效果最好，但它卻沒達(dá)到減粘降阻的效果。分別將超高分子量聚乙烯、搪瓷涂層這兩種疏水材料分別用于正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，通過(guò)與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的對(duì)比試驗(yàn)證實(shí)，采用疏水材料的這兩種仿生鎮(zhèn)壓輥均能達(dá)到減粘降阻的效果，鎮(zhèn)壓輥表面采用超高分子量聚乙烯時(shí)粘附土壤量最少，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了33．22%;鎮(zhèn)壓輥表面噴涂搪瓷涂層時(shí)阻力最低，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了17．87%。該研究結(jié)果可為農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件表面減粘降阻及防壅土的仿生設(shè)計(jì)提供參考。

　　關(guān)鍵詞:仿生鎮(zhèn)壓輥;多面體型幾何結(jié)構(gòu);粒距變化率;減粘降阻;土壤壓實(shí)

　　0引言

　　鎮(zhèn)壓輥主要用于壓實(shí)播種后的土壤［1］，研究表明［2－6］:合理的鎮(zhèn)壓可以提高作物產(chǎn)量。理想的鎮(zhèn)壓輥應(yīng)在保證作物所需土壤容重的前提下，不滑移，粘土量和牽引阻力要低，鎮(zhèn)壓力可調(diào)，壓后粒距均勻［1］。但是，傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥多為光滑圓柱表面，在工作時(shí)極易將種床土壤粘連起來(lái)，使土壤失墑嚴(yán)重，而且還會(huì)將一部分土壤推到鎮(zhèn)壓輥前方，形成波浪狀凸起，即“拖堆壅土”現(xiàn)象［7－8］。這不僅起不到壓實(shí)土壤的效果，還要額外消耗功去推移隆起的土壤，使得株距分布不均，影響最后田間的植株密度［9］。因此，解決傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中的粘附和壅土問(wèn)題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　1仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的設(shè)計(jì)

　　基于穿山甲體表鱗片的多邊形幾何結(jié)構(gòu)，將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設(shè)計(jì)成正多面體結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，如圖2所示。

　　2土槽試驗(yàn)

　　2．1試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)在吉林大學(xué)室內(nèi)土槽進(jìn)行，土槽的尺寸、土壤性質(zhì)、試驗(yàn)前土壤容重情況詳見文獻(xiàn)［13］。選取土槽兩個(gè)長(zhǎng)18m、寬1m的地塊作為試驗(yàn)區(qū)，兩地塊的土壤干基含水率分別為20%和28%。土槽臺(tái)車的前進(jìn)速度為0．9m/s。以粘附土壤量、牽引阻力、種子粒距變化率、土壤容重為指標(biāo)，進(jìn)行全面試驗(yàn)，考察了土壤干基含水率分別為20%和28%時(shí)3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥在載荷分別為300、500、700N下的鎮(zhèn)壓效果，并與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行對(duì)比。粘附土壤量是通過(guò)每次試驗(yàn)結(jié)束后，用硬毛刷將粘在輥?zhàn)由系耐凉蜗路Q量測(cè)得［13］。牽引阻力是依靠自制輪架與臺(tái)車上連接裝置之間的ＲSS03型拉壓傳感器測(cè)得。

　　2．2鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)對(duì)作業(yè)效果的影響

　　2．2．1減粘減阻效果對(duì)比試驗(yàn)證明，3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥沒有起到減輕粘附的效果，甚至阻力略高于傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥。這表明，僅將傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥的圓柱狀外形設(shè)計(jì)為多面體形狀對(duì)減粘沒有效果。

　　2．2．2防壅土效果土壤干基含水率分別為20%和28%時(shí)，試驗(yàn)用鎮(zhèn)壓輥在不同載荷下的種子粒距變化率如圖3所示。由圖3可知:所有鎮(zhèn)壓輥壓后的種子粒距變化率Ｒs均隨著載荷的增加而增大。

　　3結(jié)論

　　1)針對(duì)傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥粘附土壤、阻力大和壅土問(wèn)題，將鎮(zhèn)壓輥的表面由傳統(tǒng)的柱面設(shè)計(jì)成正多面體結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了正12面體、正15面體和正18面體3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，制造材料選用Q235鋼。

　　2)土槽試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明:兩種土壤干基含水率下，所有鎮(zhèn)壓輥壓后的土壤容重均能達(dá)到適宜玉米生長(zhǎng)的狀態(tài)，且3種仿生多面體型幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的防壅土效果均比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥好。其中，正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥的防壅土效果最好，種子粒距變化率最低，比傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥降低了33．19%，但卻沒起到減粘降阻的效果。

　　3)將UHMWPE和搪瓷涂層這兩種疏水材料分別用于優(yōu)化得到的正12面體仿生幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥，試驗(yàn)結(jié)果表明:采用疏水材料的這兩種仿生鎮(zhèn)壓輥的均能實(shí)現(xiàn)減粘降阻，鎮(zhèn)壓輥表面采用UHMWPE時(shí)粘附土壤量最少，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了33．22%;鎮(zhèn)壓輥表面噴涂搪瓷涂層時(shí)阻力最低，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比降低了17．87%。

　　參考文獻(xiàn):

　　［1］中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):上冊(cè)［K］．北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007．

　?。?］張家勵(lì)，傅濰坊，馬虹．土壤壓實(shí)特性及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1995，11(2):17－20．

　?。?］MarisolTBerti，BurtonLJohnson，ＲobertA．Henson．Seedingdepthandsoilpackingaffectpureliveseedemergenceofcuphea［J］．IndustrialCropsandProducts，2008，27(3):272－278．

　?。?］ZuoQingsong，JieKuai，LiZhao，etal．Theeffectofsowingdepthandsoilcompactiononthegrowthandyieldofrapeseedinricestrawreturningfield［J］．FieldCropsＲesearch，2017，203:47－54．

　　［5］PeterBilsonObour，DorotheeKolberg，MathieuLamandé，etal．Compactionandsowingdatechangesoilphysicalpropertiesandcropyieldinaloamytemperatesoil［J］．SoilandTillageＲesearch，2018，184:153－163．

　?。?］ElhamShahrayini，MahboobehFallah，MahmoudShabanpour，etal．Investigationofsoilcompactiononyieldandagronomictraitsofwheatundersalineandnon－salinesoils［J］．ArchivesofAgronomyandSoilScience，2018，64(10):1329－1340．

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