青島市技師學(xué)院 孔令超

松軟地面機(jī)械仿生理論與技術(shù)

青島市技師學(xué)院 孔令超

生物長期存在于自然壞境中，知道怎樣才能適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，擁有人類難以企及的生存本領(lǐng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不斷借助科學(xué)工具，去認(rèn)識、探討生物的結(jié)構(gòu)和功能，這也為其他學(xué)科的發(fā)展提供了借鑒。工程仿生學(xué)的重要組成部分包括了生物科學(xué)、機(jī)械工程以及松軟地面力學(xué)等，進(jìn)行松軟地面機(jī)械仿生研究工作，離不開對這幾方面的研究。

松軟地面；機(jī)械仿生；理論技術(shù)

1 前言

科技是一把雙刃劍。一方面，科技的發(fā)展把我們帶入了現(xiàn)代文明，但另一方面也浪費了大量不可再生資源，破壞了生態(tài)平衡。因此，“綠色工程”越來越受到人們的關(guān)注，當(dāng)我們找到生物學(xué)、松軟地面力學(xué)以及機(jī)械工程學(xué)之間最佳的契合點之后，就產(chǎn)生了松軟地面機(jī)械仿生學(xué)。

2 施工面對的難題

2.1 土壤和地面機(jī)械的粘附性

粘附性產(chǎn)生的情況有兩種。一種是土壤和固體表面之間所形成的粘附力；第二種是在土壤粘附力作用下導(dǎo)致的土壤在機(jī)械觸及土壤的部件上產(chǎn)生粘附的現(xiàn)象。土壤粘附對施工的進(jìn)行造成了巨大的阻礙。它會降低地面機(jī)械的作業(yè)效率，造成高能耗，情況嚴(yán)重時會使機(jī)械停止作業(yè)。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，各種大中型機(jī)械化農(nóng)業(yè)裝備使用量逐年增加，這從側(cè)面要求有效的脫附減阻技術(shù)出現(xiàn)，以提高生產(chǎn)效率，避免產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 地面機(jī)械通過性差

地面機(jī)械在行走時產(chǎn)生的牽引力依靠于行走機(jī)構(gòu)和土壤之間的摩擦力。但是松軟土壤的承壓能力較弱，并且抗剪切強(qiáng)度也較低，這會造成機(jī)械的下陷、打滑，嚴(yán)重時會出現(xiàn)無法行駛的狀況。我國在二十世紀(jì)中葉開始研究拖拉機(jī)下水田，通過不懈的努力，研制出了機(jī)耕船等工具，為解決水田作業(yè)機(jī)械問題作出了巨大貢獻(xiàn)。國外學(xué)者通過改變輪胎尺寸、履帶的寬度等，使地面機(jī)械的通過性問題得到了較大的發(fā)展。

2.3 沙漠面積的利用

我國西北部沙漠廣布，運輸主要依靠于沙漠車輛。近年來，沙漠氣田的發(fā)現(xiàn)掀起了對沙漠車輛研究的熱潮。以塔克拉瑪干沙漠為例，這里的沙粒顆粒較小并且均勻，但因這一區(qū)域風(fēng)力較大，沙粒極易受到磨損，最后呈現(xiàn)出的是類似球形的地貌。沙粒堆積決定了松軟地面的物理形狀以及結(jié)構(gòu)，因為可壓性低，對地面機(jī)械壓力的承受能力也比較弱?；谶@一限制，目前沙漠中資源的利用率仍然很低。

3 生物脫附原理以及脫附防減阻仿生學(xué)

3.1 生物非光滑及仿生非光滑脫附減阻

非光滑效應(yīng)存在于系統(tǒng)中各種影響切向阻力的因素中，目前已有研究證明了生物非光滑表面的存在，并且，同一土壤生物體表各部位的非光滑狀態(tài)是不同的。在力學(xué)上，這種非光滑結(jié)構(gòu)單位的表現(xiàn)為剛性、彈性或者是柔性，以此為依據(jù)設(shè)計出來的仿生非光滑推土板、仿生犁壁都具備一定的脫附減阻性。

3.2 生物體表潤濕性及仿生脫附減阻材料

土壤動物的體表與水分子的引力可忽略不計，這是它們防粘性強(qiáng)的原因。動物體表的表面張力低，水分子不易被吸附。人類從中獲得啟發(fā)，將生物梯度結(jié)構(gòu)概念引入耐磨材料的設(shè)計中，取得了一定的脫附減阻成果。

3.3 生物電、生物潤滑、生物柔性及其仿生

土壤動物的體表一般都比較柔軟，柔軟性取決于其非光滑的結(jié)構(gòu)單元。因為具備柔性非光滑的雙重作用，土壤動物脫附減阻的功能十分強(qiáng)大。借鑒這一原理，將具有非光滑特性的仿生裝置制作成一些會經(jīng)常接觸到土壤的部件，可使其具備良好的脫附性能。

4 仿生步行輪及仿生步行輪式氣墊車

4.1 仿生步行輪

通過觀察，我們發(fā)現(xiàn)動物在松軟地面能夠快速、安全通過。以此為靈感提出了仿生步行輪設(shè)計理念。同樣，這一地面機(jī)械理論為其他的研究者提供了新思路，越來越多的仿生步行輪被制造出來，包括半步行輪、機(jī)械傳動式步行輪等等。它們的出現(xiàn)，大致上確定了之后的研究方案的方向。可以通過確定一些基本參數(shù)例如必行輪的腿數(shù)、腿長、以及連桿的長度、偏心距的比值還有輪轂的轉(zhuǎn)角度數(shù)等等，確定設(shè)計的原則和方法。

4.2 仿生步行輪式氣墊車

仿生步行輪式氣墊車是一種適合行駛于松軟地面的運輸車輛。這種氣墊車主要由車體、驅(qū)動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，主要參數(shù)包括車輛質(zhì)量、最大墊升力等，通過車底、圍裙、地面三者產(chǎn)生的壓力托起整個車輛，從而實現(xiàn)車輛的驅(qū)動以及轉(zhuǎn)向功能。

5 結(jié)束語

許多領(lǐng)域都會與生物科學(xué)產(chǎn)生交叉，要加強(qiáng)對仿生技術(shù)的研究，進(jìn)行創(chuàng)新，保持并發(fā)展好這一優(yōu)勢技術(shù)項目。在我國社會主義初級階段的國情之下，綠色仿生研究技術(shù)是一大熱點，它符合節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的基本國策，符合科學(xué)發(fā)展觀的要求，也符合廣大人民維持生態(tài)平衡的愿望。

[1]尚濤,王昕,李建橋.開發(fā)減粘降阻仿生鉆具的可行性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2015(03).

[2]秋實,楊印生,任露泉.地面機(jī)械系統(tǒng)的混沌學(xué)研究初探[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2015(05).

[3]楊有剛,劉迎春.仿生式開溝機(jī)設(shè)計理論的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2014(01).

[4]李因武.土壤/推土板界面粘附系統(tǒng)的數(shù)值模擬[D].吉林大學(xué),2015.

[5]孫璐.土壤粘附特性測試系統(tǒng)采樣頻率及控制參數(shù)的研究[D].吉林大學(xué),2016.

[6]錢志輝.仿生非光滑耐磨表面應(yīng)力——應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研究[D].吉林大學(xué),2016.

孔令超，男，1978年出生，本科，中級，一級實習(xí)指導(dǎo)教師，研究方向：機(jī)器人應(yīng)用。