第一章 緒論

1.1 選題背景及意義
地面機(jī)械，無(wú)論是直接與土壤作用的農(nóng)業(yè)機(jī)械和挖掘機(jī)械，還是在地面行走的軍事車(chē)輛和工程機(jī)械，其觸土部件的粘附問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)注及研究的重要技術(shù)問(wèn)題。尤其是土壤、灘涂、濕地、沼澤、雪地、稀泥等對(duì)車(chē)輪、履帶和作業(yè)部件表面的粘附和阻力，嚴(yán)重影響機(jī)械的工作效率、使用壽命和作業(yè)質(zhì)量，造成大量能量浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)甚至使機(jī)械無(wú)法正常作業(yè)[1]。如圖1.1所示為鎮(zhèn)壓滾作業(yè)時(shí)粘附土壤情況。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，土壤粘附問(wèn)題造成了大量的能源浪費(fèi)，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)及工程領(lǐng)域的發(fā)展。在土方工程領(lǐng)域，土壤對(duì)挖掘機(jī)挖斗、裝載機(jī)鏟斗、自卸車(chē)車(chē)廂等工作部件的粘附積土量可達(dá)其斗(廂)額定容量的20%～50%[2]，降低生產(chǎn)率 30%[3, 4]；在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，土壤粘附使犁耕阻力增加30%以上[5, 6]，耕整機(jī)械能耗增加 30%～50%，使播種機(jī)械減小出苗率 5%～10%[2,7]；在能源工程領(lǐng)域，煤礦礦車(chē)和發(fā)電廠斗輪機(jī)輪斗平均粘煤量可達(dá)其額定容量的 40%，降低生產(chǎn)率 30%～47%[8, 9]。粘附問(wèn)題已經(jīng)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，減粘減阻問(wèn)題已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程理論與技術(shù)研究的重要內(nèi)容。
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1.2 固體與土壤粘附系統(tǒng)研究
對(duì)于土壤粘附問(wèn)題，人們很早就進(jìn)行了各種有益的嘗試，兩千多年前的山西陽(yáng)城疙瘩犁，是在犁面上鑄有凸起疙瘩的犁壁，這種犁的脫土性能特別好，而且在粘性土壤中不粘土。但是對(duì)于土壤粘附的理論研究還是始于20世紀(jì)20年代。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，，人們對(duì)于土壤粘附的研究通過(guò)不斷的積累已有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，并取得了一定的進(jìn)展。針對(duì)土壤粘附的研究主要集中在粘附機(jī)理、粘附規(guī)律和減粘脫土方法與技術(shù)三個(gè)方面，本工作主要從仿生學(xué)的角度出發(fā)研究粘附機(jī)理及規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)減粘脫附的方法及技術(shù)。土壤粘附系統(tǒng)一般有觸土部件、界面、土體三部分組成，是一個(gè)多相系統(tǒng)。土壤與觸土部件的粘附大多情況屬于動(dòng)態(tài)粘附，土壤粘附不僅與構(gòu)成粘附系統(tǒng)的土壤、固體材料表面性質(zhì)和界面狀態(tài)有關(guān)，也與系統(tǒng)的力學(xué)環(huán)境有關(guān)。土壤-固體粘附系統(tǒng)是個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。粘附系統(tǒng)界面狀態(tài)和作用環(huán)境是隨時(shí)間變化的。因此，可以說(shuō)，在任一瞬間，土壤的粘附特性是粘附系統(tǒng)各因素綜合作用的力學(xué)效應(yīng)，且這種力學(xué)效應(yīng)是隨時(shí)間變化的函數(shù)[30]。土壤粘附觸土部件能力的大小，通常用粘附力來(lái)度量。土壤粘附具有方向性，一般土壤粘附力分為法向粘附力、切向粘附力和剝離粘附力[31,32]。
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第二章 仙姑彈琴蛙體表形貌分析

仙姑彈琴蛙屬于脊椎動(dòng)物門(mén)兩棲綱無(wú)尾目動(dòng)物，分布在我國(guó)云南、四川等地區(qū)，多生長(zhǎng)在山區(qū)靜水的池塘旁邊，穴居在泥土中。仙姑彈琴蛙的軀體比較肥碩，頭部扁平，頭部成三角形且頭長(zhǎng)略大于頭寬。雌雄比較容易區(qū)分，雄蛙口角后上方各有一個(gè)紅褐色外聲囊；腹部體表非常光滑，背部和腿部有黑褐色的斑紋，背部有少許扁平疣；一般后肢長(zhǎng)于前肢，后肢比較發(fā)達(dá)，后肢用來(lái)跳躍和挖洞，后肢有股、脛、跗、跖、趾五部分組成，趾與趾之間有蹼；前肢由上臂、前臂、腕、掌、指五部分組成，指間無(wú)蹼，前肢一般用于交配時(shí)抱對(duì)。仙姑彈琴蛙成蛙的平均長(zhǎng)度為雄蛙45mm、雌蛙47mm，重量在8.5g～15.7g，一般生長(zhǎng)在海拔900m～1600m的山區(qū)的池塘里。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的雄性仙姑彈琴蛙為了吸引雌性都會(huì)自己筑泥窩（如圖1.2），與雌蛙在泥窩中交配產(chǎn)卵，卵在泥窩中孵化成蝌蚪。為了使蝌蚪很好的成長(zhǎng)，雄性仙姑彈琴蛙一般將泥窩建在水池旁邊，泥窩的洞口略高于水池的水面，洞底又低于水池的水面，這樣既保證洞內(nèi)在蝌蚪發(fā)育期間長(zhǎng)期有水，又避免水量過(guò)大淹沒(méi)泥窩。仙姑彈琴蛙的泥窩形狀建造的非常特別，洞口較小，可以用來(lái)防御天敵；中間部分較大，可以保證在交配過(guò)程有足夠的空間，又能滿足蝌蚪的生長(zhǎng)需求[29]。仙姑彈琴蛙在稀泥中打洞的能力是生物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，仙姑彈琴蛙能夠在泥洞中活動(dòng)自如，并且體表粘附極少，這一不粘泥的特征可能與仙姑彈琴蛙的體表幾何結(jié)構(gòu)和體表液有關(guān)。試驗(yàn)中的仙姑彈琴蛙成體采集于四川省峨眉山海拔1300m～1500m的七里坪的池塘附近。

2.1 仙姑彈琴蛙表面的微觀特征
土壤洞穴動(dòng)物體表普遍具有幾何結(jié)構(gòu)特征。利用這一特征進(jìn)行觸土部件的減粘減阻的仿生研究表明[62,63]，土壤洞穴動(dòng)物體表的結(jié)構(gòu)單元形狀、尺寸及分布對(duì)土壤減粘具有顯著的影響。因此，為了得到更多的體表結(jié)構(gòu)信息，對(duì)生物的體表形貌研究是必要的。本文工作主要利用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析仙姑彈琴蛙體表的結(jié)構(gòu)特征，旨在揭示仙姑彈琴蛙體表幾何結(jié)構(gòu)對(duì)土壤粘附的影響。
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2.2 仙姑彈琴蛙體表的潤(rùn)濕性
潤(rùn)濕是指液體與固體接觸過(guò)程中，液體沿固體表面擴(kuò)展的現(xiàn)象。通常是指液體將氣體擠壓出固體表面，有液-固界面替代氣-固界面的過(guò)程，屬于一種界面流體互換的現(xiàn)象。液體與固體潤(rùn)濕的程度一般用接觸角來(lái)度量，接觸角是指氣、液、固三相交界處，分別作氣-液和液-固界面的切線，兩條切線之間的夾角即為接觸角，通常用θ表示(如圖2.7所示)。0°＜θ＜90°時(shí)，液體在固體表面上有鋪展趨勢(shì)，此時(shí)液體對(duì)固體表面的附著力大于其內(nèi)聚力，稱(chēng)為液體潤(rùn)濕固體；θ=0°，稱(chēng)為完全潤(rùn)濕；90°＜θ＜180°時(shí)，液體在固體表面上有收縮成球形趨勢(shì)，此時(shí)液體對(duì)固體表面的附著力小于其內(nèi)聚力，稱(chēng)為液體不潤(rùn)濕固體；θ=180°時(shí)，稱(chēng)為完全不潤(rùn)濕。
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第三章 仙姑彈琴蛙的三維掃描及處理..... 19
3.1 仙姑彈琴蛙的逆向工程研究 ....... 19
3.2 仙姑彈琴蛙點(diǎn)云的采集 ..... 20
3.3 仙姑彈琴蛙點(diǎn)云處理 ....... 23
3.4 仙姑彈琴蛙三維模型重構(gòu) ......... 28
3.5 仙姑彈琴蛙特征曲線提取及分析 ......... 31
3.6 本章小結(jié) ..... 39
第四章 仙姑彈琴蛙的壓力特性分析....... 41
4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 ..... 41
4.2 試驗(yàn)條件的確定 ..... 42
4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 ..... 43
4.4 本章小結(jié) ..... 47
第五章 仙姑彈琴蛙體表與土壤的粘附..... 49
5.1 仙姑彈琴蛙粘附特性實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 ..... 49
5.2 仙姑彈琴蛙粘附特性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) ....... 52
5.3 本章小結(jié) ..... 62

第五章 仙姑彈琴蛙體表與土壤的粘附

5.1 仙姑彈琴蛙粘附特性實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
一般來(lái)說(shuō)，土壤洞穴動(dòng)物經(jīng)過(guò)自然選擇進(jìn)化，體表與土壤的粘附力較金屬的小。仙姑彈琴蛙是一種典型的稀泥環(huán)境動(dòng)物，本工作選擇以仙姑彈琴蛙為研究對(duì)象，由于仙姑彈琴蛙的體積較小，體表產(chǎn)生的粘附力很小，對(duì)其測(cè)量設(shè)備的精度要求較高。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的粘附力測(cè)試系統(tǒng)，而且一些單位設(shè)計(jì)的粘附力測(cè)試系統(tǒng)一般只能測(cè)量較大的粘附力，無(wú)法對(duì)彈琴蛙體表這樣的微小粘附力進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，本工作選擇高泰檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的QT-1186電子拉壓力測(cè)試系統(tǒng)。但是原有試驗(yàn)機(jī)的傳感器量程較大，精度較低，不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，因此在原有的測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將原來(lái)量程5kg的‘S’型拉壓傳感器換為量程為1kg的‘S’型拉壓傳感器，型號(hào)LDCZL-SD，測(cè)量精度達(dá)到0.02g，滿足實(shí)驗(yàn)精度要求。試驗(yàn)除采用QT-1186電子拉壓力測(cè)試系統(tǒng)等主要設(shè)備之外，還需要盛放土壤的土盒和用來(lái)固定土盒的卡具。此外，由于需要做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，需要加工相應(yīng)的對(duì)比試樣，對(duì)比試樣選用鋁試樣。

結(jié)論

(1) 利用體視顯微鏡觀察仙姑彈琴蛙的體表結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，仙姑彈琴蛙體表的不同部位具有尺寸和形狀不同的凸包和凹陷結(jié)構(gòu)，這些細(xì)、微觀結(jié)構(gòu)在一定程度上可以增加仙姑彈琴蛙的體表表面積而提高體表的呼吸能力，此外，一些腺體分布在這些凹陷之中，這些腺體在仙姑彈琴蛙受到周?chē)h(huán)境刺激時(shí)，會(huì)分泌體表液，這些體表液首先存儲(chǔ)在腺體鑲嵌的凹陷中，可以減少體表表面的水分蒸發(fā)速度，使體表始終處于比較濕潤(rùn)的狀態(tài)，進(jìn)而降低表皮對(duì)稀泥的粘附。此外，這些腺體可以分泌一些色素，仙姑彈琴蛙通過(guò)分泌的色素調(diào)節(jié)體表顏色變化，形成保護(hù)色，進(jìn)而適應(yīng)周?chē)h(huán)境的顏色。色素可以吸收太陽(yáng)輻射的某些光線，保證其生命活動(dòng)的健康進(jìn)行。仙姑彈琴蛙的前爪有四趾，指間無(wú)蹼。仙姑彈琴蛙雄蛙在生殖季節(jié)期間，雄蛙第一趾基部?jī)?nèi)側(cè)有一膨大突起，稱(chēng)為婚瘤，一般用于配對(duì)時(shí)抱對(duì)。
(2) 利用蔡司金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)一步觀察仙姑彈琴蛙不同部位的體表微觀形貌，發(fā)現(xiàn)不同部位的微觀形貌不同。仙姑彈琴蛙頭部體表密集分布著凸包，這些凸包大多數(shù)成圓形，其半徑為20μm—40μm。凸包與凸包之間的間隔較大，間隔距離為20μm—50μm。仙姑彈琴蛙背部體表呈現(xiàn)一些不規(guī)則的凸起，凸起與凸起之間形成了與凸起尺寸大小相當(dāng)?shù)陌枷荩@些凸起沒(méi)有固定的形狀，這些凸起的尺寸長(zhǎng)度為40μm—70μm，寬度為20μm—40μm，與頭部形態(tài)，背部凸起排列的凸包較疏松。仙姑彈琴蛙腹部體表的微觀單元一般成凸起的多邊形結(jié)構(gòu)，多邊形結(jié)構(gòu)分布明顯，多邊形尺寸為40μm—60μm之間，在某些多邊形的中間有凹陷，在凹陷內(nèi)鑲嵌著直徑為20μm—40μm的腺體結(jié)構(gòu)。仙姑彈琴蛙腿部體表分布著圓形凸包，凸包大小比較均勻，半徑尺寸在25μm左右，凸包與凸包之間的間隔較大，間隔距離為40μm—80μm。
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參考文獻(xiàn)(略)