【摘要】：農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件在粘重土壤中作業(yè)時,土壤粘附嚴(yán)重,直接導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低、油耗增加,此外,土壤對觸土部件的磨損使其使用壽命降低,增加經(jīng)濟(jì)成本�？耸显r(Procambarus clarkii)通過自身不斷的進(jìn)化,能夠在粘重的紅壤土中自由掘洞,這就要求克氏原螯蝦外骨骼在與濕粘土壤接觸過程中,不僅能夠減小粘附、降低阻力,而且具有耐磨功能,以更好地適應(yīng)惡劣的土壤內(nèi)部環(huán)境。研究克氏原螯蝦減粘降阻和耐磨機(jī)理,可以為新型農(nóng)機(jī)具觸土部件的設(shè)計提供仿生學(xué)依據(jù),進(jìn)而實現(xiàn)新型機(jī)具觸土部件在粘重土壤中作業(yè)時,具有減粘降阻和耐磨的功能的目的。本文以生物仿生學(xué)的研究方法為基礎(chǔ),選取生活于云南粘重土壤的克氏原螯蝦作為生物原型,對其能夠?qū)崿F(xiàn)減粘降阻和耐磨功能的生物耦合特性展開研究,并以此為基礎(chǔ),對仿生凸包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化耦合設(shè)計,設(shè)計仿生微刺-凸包結(jié)構(gòu),并進(jìn)行土槽試驗和摩擦磨損試驗,最后評估具有仿生微刺-凸包結(jié)構(gòu)的仿生深松鏟鏟尖的減阻性能、仿生微刺-凸包非光滑表面試樣的耐磨損性能。具體從以下幾個方面開展研究內(nèi)容:(1)為了對克氏原螯蝦外骨骼輪廓曲線進(jìn)行幾何量化分析,采用逆向工程技術(shù),使用白光三維掃描儀建立克氏原螯蝦螯部、頭胸部和腹部的三維模型,用Imageware軟件獲取三維模型輪廓截面曲線點(diǎn)云數(shù)據(jù),導(dǎo)入Matlab軟件建立數(shù)學(xué)方程,并計算曲線二階導(dǎo)數(shù)和曲率,分析曲線凹凸性及曲率變化規(guī)律。結(jié)果表明:頭胸部外骨骼表面有明顯溝槽結(jié)構(gòu),其橫截面輪廓曲線呈凹凸性變化,且曲線曲率變化較大,使外骨骼與土壤接觸面積減少,有利于減少土壤粘附與摩擦。頭胸部與土壤接觸面積大,承受土壤載荷較多,在減粘降阻和耐磨方面極具研究價值。(2)對克氏原螯蝦頭胸部外骨骼組成成分、微觀形態(tài)與納米力學(xué)性能進(jìn)行分析。利用X射線熒光光譜儀、X射線衍射儀、電子顯微鏡和透射電鏡,對克氏原螯蝦頭胸部外骨骼的組成成分及物相、表面微觀結(jié)構(gòu)和截面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析,利用原子力顯微鏡觀察其表面納米級形態(tài)特征;利用納米壓痕儀對其頭胸部外骨骼的納米力學(xué)性能進(jìn)行了測量。結(jié)果表明:頭胸部外骨骼堅硬,其中鈣含量為36.39%,大量非晶礦物質(zhì)存在;表面有微小凸包,凸包一側(cè)有剛毛,呈現(xiàn)非光滑表面,非光滑表面上分布納米級溝槽,構(gòu)成微-納米結(jié)構(gòu);克氏原螯蝦的頭胸部外骨骼分為上表皮、外表皮和內(nèi)表皮,其中上表皮外層附有極薄的臘質(zhì)層,靠近上表皮有密布孔道的鈣鹽沉積層,起到承受載荷的作用,外表皮和內(nèi)表皮是由螺旋夾板層構(gòu)成,螺旋夾板層呈蜂窩狀結(jié)構(gòu),起到緩沖和減震的作用;其頭胸部外骨骼納米硬度和彈性模量呈現(xiàn)非均勻性,平均納米硬度和彈性模量分別為0.503 Gpa和18.019 Gpa�？耸显r頭胸部外骨骼化學(xué)成分構(gòu)成、表面微觀形態(tài)及表皮特殊結(jié)構(gòu)耦合作用,使其頭胸部外骨骼具有減粘降阻和耐磨的功能。(3)對克氏原螯蝦頭胸部外骨骼進(jìn)行脫鈣和脫蛋白處理后,利用電子顯微鏡觀察其截面結(jié)構(gòu),利用摩擦磨損試驗機(jī)測量其頭胸部外骨骼的摩擦因數(shù)。分析結(jié)果表明:鈣鹽在螺旋夾板層中呈現(xiàn)針簇狀的梯度分布;摩擦行為剛開時摩擦因數(shù)最小,不足0.1,隨著摩擦行為的持續(xù),摩擦因數(shù)逐漸變大且呈現(xiàn)跳躍性變化。頭胸部外骨骼中,鈣鹽不均勻的梯度分布及其表皮特殊結(jié)構(gòu)共同作用,使頭胸部外骨骼在摩擦?xí)r,摩擦因數(shù)在一定區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)跳躍性變化。(4)根據(jù)克氏原螯蝦頭胸部外骨骼表面的凸包、剛毛復(fù)合結(jié)構(gòu),設(shè)計3種仿生微刺-凸包結(jié)構(gòu),并利用工程仿生方法應(yīng)用于深松鏟鏟尖,設(shè)計仿生單微刺-凸包深松鏟、仿生雙微刺-凸包深松鏟、仿生三微刺-凸包深松鏟,進(jìn)行土槽試驗驗證其減阻性能。試驗結(jié)果表明:在土壤含水率為20.62%時,仿生三微刺-凸包深松鏟鏟尖減阻效果優(yōu)于仿生凸包深松鏟鏟尖和普通深松鏟鏟尖,且減阻效果組好。(5)設(shè)計摩擦磨損試驗平臺,進(jìn)行摩擦磨損試驗,驗證3種仿生微刺-凸包結(jié)構(gòu)非光滑表面的耐磨性能。試驗結(jié)果表明:相同試驗條件下,仿生雙微刺-凸包非光滑表面的耐磨性能優(yōu)于仿生凸包非光滑表面和光滑表面,磨損量質(zhì)量最少。所得結(jié)論能夠為農(nóng)機(jī)具觸土部件的仿生設(shè)計提供依據(jù),使農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件在粘重土壤中作業(yè)時,能夠具有減粘降阻和耐磨的功能,以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對節(jié)能降耗的要求。
【圖文】：

按照仿生中模本的因素數(shù)量不同，可分為，在國際仿生領(lǐng)域，單元仿生占據(jù)主導(dǎo)地生學(xué)、構(gòu)形仿生學(xué)、結(jié)構(gòu)仿生學(xué)、材料仿學(xué)擬生物最直接、最形象、最具體的外在表對植物葉片表面的研究發(fā)現(xiàn)植物葉片表面，模擬水稻葉片表面的乳突形態(tài)，制備出使水滴沿著特定方向滾動[9]；模擬芋葉葉薄膜材料與水珠的靜態(tài)接觸角達(dá)到了 158觀或微觀的形態(tài)特征，，包括凸包形、波紋等。如圖 1.1 是植物水稻葉片表面的非光

仿生抓取Fig1.2Bioniccrawling
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S220.2;Q811

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2606745