蝼蛄前足爪趾三维几何构形的减阻机理

张 琰，乔超雄，王天琪，曹佳丰，王鹏飞，石 磊

·研究速报·

蝼蛄前足爪趾三维几何构形的减阻机理

张 琰1,2，乔超雄1,2，王天琪1,2，曹佳丰1,2，王鹏飞1,2，石 磊3

（1. 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 300222；2. 天津科技大学机械工程学院，天津 300222；3. 天津市利民调料有限公司，天津 300308）

触土部件的阻力直接影响耕作机械和工程机械的作业效率，该研究利用工程仿生设计方法，基于蝼蛄前足爪趾优异的地下掘进能力，提取前足爪趾的三维几何构形特征用于仿生试件设计，通过土槽切削阻力试验和有限元模拟，分析蝼蛄前足爪趾几何构形的减阻性能和机理。研究结果表明，前足爪趾的构形特征对切削阻力有显著影响（<0.05），仿生试件的切削阻力较楔状体试件最高可降低56.96%，三维仿生构形的减阻性能优于一维和二维构形。蝼蛄前足爪趾构形能使被切削土壤沿挖掘面顺畅移动，避免了土壤在仿生试件尖部的堆积和对中后部的挤压，实现切削阻力的减小。该基于蝼蛄前足爪趾的工程仿生研究可为耕作和工程机械触土部件的减阻设计提供理论基础。

农业机械；仿生；设计；优化；减阻；切削阻力试验；蝼蛄

0 引 言

在耕作机械和工程机械作业中，其主要触土部件（犁铧、深松铲、挖掘机斗齿等）的磨损、土壤黏附、触土阻力过大等问题直接影响整机的效率[1]。在农业机械向低排放、低污染、高能效、高效率方向发展的背景下，国内外研究者在触土部件的材料、表面形态、几何构形优化和物理辅助技术等方面进行了大量研究。在材料优化方面，Keles等[2]研究了钛添加量对钢制挖掘机斗齿的力学性能和耐磨性的影响，发现当钛的添加量为0.15%（质量百分比）时，斗齿有较好的耐磨性和力学性能；王少伟等[3]开展了齿形开沟刀的优化研究，利用表面热处理提高齿形开沟刀的耐磨性能。在表面形态优化方面，Li等[4]采集穿山甲鳞片的表面形貌并将其用于仿生减黏马铃薯挖土铲设计，与原型挖土铲相比，仿生挖土铲在田间测试时的减阻率为14.19%；……