楊玉婉，佟 金，馬云海，蔣嘯虎，李金光

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌712100；2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130025；3.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春130025）

0 引 言

旋耕機(jī)耕作功耗較大，約是其他翻整地機(jī)械能耗3～6 倍[1-2]。其中，旋耕刀作為旋耕機(jī)的主要觸土部件[3-6]，其幾何結(jié)構(gòu)對(duì)旋耕機(jī)工作質(zhì)量、功率消耗等具有重要的影響[7]。因而，通過(guò)優(yōu)化旋耕刀幾何結(jié)構(gòu)來(lái)降低旋耕機(jī)功耗是研究學(xué)者們的重要研究方向。例如，鋸齒型旋耕刀[8]具有較高的除草效率和較好的耕作性能；通過(guò)分析傳統(tǒng)型、半幅寬型和直型旋耕刀[9]在不同轉(zhuǎn)速下的耕作扭矩和功耗情況，得知直型旋耕刀的耕作扭矩和功耗最??；不同刃口的直型旋耕刀[10]可以形成不同的溝底結(jié)構(gòu)，特別是內(nèi)刃口旋耕刀切土?xí)r土壤回填率高、溝壁未被壓實(shí)、功耗較??；具有鼴鼠爪趾趾尖結(jié)構(gòu)特征的仿生型旋耕-碎茬刀[11]，土壤破碎率和秸稈破碎率均滿足國(guó)標(biāo)要求，且功耗要小于傳統(tǒng)刀片；此外，仿鼴鼠足趾排列的旋耕-秸稈粉碎鋸齒刀片[12]，在地表秸稈覆蓋率為0和100%時(shí)，其扭矩高于國(guó)標(biāo)旋耕刀，在地表秸稈覆蓋率為50%，其扭矩低于國(guó)標(biāo)旋耕刀等等。可以看出，目前的研究主要集中在優(yōu)化旋耕刀刃口結(jié)構(gòu)來(lái)減小其用于除草、破碎秸稈、壓實(shí)溝壁等的扭矩從而實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)功耗的降低，然而，旋耕機(jī)80%的功耗主要消耗在旋耕刀切土和拋土過(guò)程中[13]，那么，通過(guò)優(yōu)化旋耕刀幾何結(jié)構(gòu)來(lái)減小其切土扭矩從而達(dá)到旋耕機(jī)減阻降耗的目的是本文的研究目標(biāo)和意義。

仿生方法對(duì)解決農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中觸土部件阻力大、能耗高的問(wèn)題具有極大潛力[14-15]。李建橋等[16]學(xué)習(xí)蜣螂體表觸土部位結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了凸包型仿生犁，通過(guò)土槽試驗(yàn)得到減阻率為6.6% ～12.7%。Ren 等[17-18]根據(jù)臭蜣螂頭部唇基結(jié)構(gòu)特征和體電位，設(shè)計(jì)了凸包型和條紋型仿生滲電推土板，結(jié)果表明在通電12 V 的條件下，仿生推土板的推土阻力降低了15%～41%。鼴鼠是一種進(jìn)行嚴(yán)格地下生活的土壤洞穴動(dòng)物，僅用一個(gè)晚上就可以挖掘出91 m 長(zhǎng)的洞穴，其優(yōu)異的挖掘能力，被稱為“活的挖掘機(jī)”[19]。值得注意的是，鼴鼠的每個(gè)手掌都有5 個(gè)寬大而鋒利的爪趾。當(dāng)鼴鼠挖掘土壤時(shí)，5 個(gè)爪趾張開并處于同一平面協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)高效切土，這種結(jié)構(gòu)被稱為多趾組合結(jié)構(gòu)[20]。而且，五個(gè)爪趾趾尖輪廓曲線在切土過(guò)程中起到重要的滑切和刺入作用，增加了切土的高效性。這與若蟲時(shí)期蟬的前爪切土作用類似，爪趾的滑切行為有助于減小土壤摩擦力和刺入阻力[21]。由此可知，多趾組合結(jié)構(gòu)和趾尖輪廓曲線對(duì)鼴鼠的切土性能具有重要影響。

本文將基于鼴鼠多趾組合結(jié)構(gòu)和趾尖輪廓曲線，設(shè)計(jì)出具有仿生結(jié)構(gòu)特征的旋耕刀，并通過(guò)田間試驗(yàn)來(lái)研究仿生結(jié)構(gòu)特征對(duì)旋耕機(jī)田間耕作性能的影響。而且，將傳統(tǒng)型旋耕刀作為對(duì)照組，其田間耕作性能用于對(duì)比分析。

1 仿生旋耕刀設(shè)計(jì)

1.1 鼴鼠多趾組合結(jié)構(gòu)和趾尖輪廓曲線特征分析

根據(jù)文獻(xiàn)[22]可知，鼴鼠前肢手掌多趾結(jié)構(gòu)（圖1）是一種多窄齒組合結(jié)構(gòu)，且相鄰齒間間距可調(diào)整。其中，每個(gè)爪趾趾長(zhǎng)與趾寬的比值m 范圍為2.63 ～3.41，相鄰爪趾間間距與趾寬的比值n范圍為1.12 ～1.60。

圖1 鼴鼠前肢手掌五趾結(jié)構(gòu)[22]Fig.1 Five-claw combination structure of mole rats[22]

鼴鼠前肢手掌五趾趾尖的輪廓曲線對(duì)鼴鼠的切土性能具有重要影響。通過(guò)逆向工程方法獲得5 個(gè)爪趾的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后在逆性工程軟件Imageware 中提取出爪趾趾尖輪廓曲線的點(diǎn)云，并在AutoCAD 2014 軟件中得到輪廓曲線點(diǎn)的坐標(biāo)值，最后將坐標(biāo)值導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件Matlab 中進(jìn)行量化分析，如圖2 所示?；谧钚《朔〝M合5 個(gè)爪趾的趾尖輪廓曲線，擬合方程均為二次高斯方程。5個(gè)擬合方程的決定系數(shù)（R2）均大于0.95，誤差平方和均小于0.05，說(shuō)明擬合曲線接近于5 趾輪廓曲線，能夠精確描述5趾趾尖輪廓曲線特征。

圖2 鼴鼠5個(gè)爪趾趾尖輪廓擬合曲線和擬合方程Fig.2 Fitting curves and equations of five claws tips of mole rats

1.2 仿生旋耕刀設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)旋耕刀由刀柄、具有側(cè)切刃的側(cè)切面、過(guò)渡刃的過(guò)渡面和正切刃的正切面組成[23]，如圖3a 所示。旋耕刀側(cè)切面具有切開土垡、切斷、推開地面秸稈或雜草等功能，正切面橫向切開土壤，具有切土、碎土和翻土的功能，使得旋耕刀整刀功耗較大部分都消耗在正切面上。根據(jù)鼴鼠前足爪趾結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合旋耕刀結(jié)構(gòu)，將5趾組合結(jié)構(gòu)和趾尖輪廓特征曲線應(yīng)用于旋耕刀正切面上，第1和2趾、第3趾、第4和5趾依次排列于正切刃、刀軸回轉(zhuǎn)半徑、正切面末端邊緣，如圖3b 所示。本研究選用常用的旋耕刀參數(shù)，回轉(zhuǎn)半徑R為245 mm和工作幅寬b 為60 mm，材料選用60Si2Mn 鋼。根據(jù)旋耕刀尺寸范圍，設(shè)置5趾結(jié)構(gòu)總寬w（0圖3b）為60 mm，比值m 參照原型結(jié)構(gòu)的數(shù)值[22]，由于相鄰趾間距的可調(diào)整性[22]，n 值的改變將影響旋耕刀的工作性能，因而選擇比值n 為本試驗(yàn)的一個(gè)影響因素。5 趾結(jié)構(gòu)的傾斜角度θ（圖3b）對(duì)旋耕刀的滑切性能有重要影響，因而選擇傾角θ 為本試驗(yàn)的另一個(gè)影響因素。對(duì)于趾尖輪廓曲線，參考第1.1節(jié)的擬合曲線方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。旋耕刀耕作時(shí)不僅要受到土壤的侵蝕和磨損，還會(huì)受到石礫的沖擊、雜質(zhì)的纏繞等，會(huì)造成旋耕刀劇烈磨損和彎折，這就對(duì)旋耕刀的材質(zhì)、機(jī)械性能要求較高。本文在旋耕刀毛坯基礎(chǔ)上通過(guò)線切割加工工藝在旋耕刀正切面上加工出仿生結(jié)構(gòu)特征（加工精度為±0.1 mm，表面粗糙度為0.3～0.8 μm），再對(duì)加工表面進(jìn)行打磨處理，最后進(jìn)行淬火、回火等熱處理工藝。在前期的土槽試驗(yàn)中，n 取值為1.25、1.50 和1.75，θ 取值為50 °、60 °和70 °，經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)，得到優(yōu)化的仿生型旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)為：n=1.25和θ=60°。本文根據(jù)優(yōu)化結(jié)果加工仿生型旋耕刀，并和傳統(tǒng)型旋耕刀用于田間試驗(yàn)與分析。

圖3 旋耕刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Configurations of rotary tillage blades

2 田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

田間試驗(yàn)于2018 年10 月中旬在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，選擇的試驗(yàn)地塊，地表平整無(wú)坡度，土壤類型為黑壤土，前茬作物為玉米，耕作方式為平作。試驗(yàn)前，用摟草機(jī)清理地表過(guò)多的殘留物。根據(jù)GB/T 5668-2008[24]旋耕試驗(yàn)要求，測(cè)得耕前地表植被覆蓋量為0.36 kg/m2,耕前地表平整度為2.69 cm，滿足旋耕作業(yè)要求。對(duì)試驗(yàn)區(qū)0 ～50、50 ～100、100 ～150 和150～200 mm 的土層用SC-900 型堅(jiān)實(shí)度儀分層測(cè)量其土壤堅(jiān)實(shí)度，用TDR-300型水分儀分層測(cè)量其土壤含水量，用環(huán)刀法[25]分層測(cè)量其土壤容重，結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)Table 1 Soil physical properties in test plots

試驗(yàn)系統(tǒng)包括動(dòng)力輸出設(shè)備、旋耕機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)，如圖4a 所示。動(dòng)力輸出設(shè)備為久保田KUBOTA-M954 輪式拖拉機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率70.8 kW，可輸出2 種轉(zhuǎn)速分別為540 和720 r/min。旋耕機(jī)由天津拖拉機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的1GQN-230 框架式旋耕機(jī)，作業(yè)幅寬230 cm。測(cè)試系統(tǒng)包括扭矩測(cè)量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置和耕深測(cè)量裝置，其中扭矩測(cè)量系統(tǒng)是由扭矩傳感器（CYB-803S 型，量程0～±1000 Nm）和農(nóng)機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙感儀組成，扭矩傳感器與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸和萬(wàn)向聯(lián)軸器連接，農(nóng)機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙感儀包括電源、無(wú)線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器、天線和計(jì)算機(jī)組成，如圖4b～4c 所示。旋耕機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)SW6234C 激光轉(zhuǎn)速儀測(cè)定和確定；耕深測(cè)量裝置安裝在旋耕機(jī)后托板上，通過(guò)超聲波在空氣中傳播與反射的原理來(lái)控制耕深（圖4a），首先根據(jù)該行程的作業(yè)耕深得到刀軸軸線距未耕地表的間距d1，即為刀軸回轉(zhuǎn)半徑與耕深的差值；然后調(diào)節(jié)后托板與旋耕機(jī)刀軸軸線平行，通過(guò)拖拉機(jī)液壓升降裝置調(diào)節(jié)旋耕機(jī)緩慢上下移動(dòng)，直至耕深測(cè)量裝置的測(cè)得值在d1±1cm 范圍內(nèi)。農(nóng)機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙感儀的工作原理是扭矩傳感器受到外力的作用，將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并被傳輸?shù)綗o(wú)線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器中，然后將電信號(hào)發(fā)射出去，通過(guò)天線接收到電信號(hào)并轉(zhuǎn)換成力信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，最后顯示在數(shù)據(jù)處理軟件的界面中。

2.2 試驗(yàn)方法

在田間耕作性能試驗(yàn)中，傳統(tǒng)IT245 型旋耕刀和仿生型旋耕刀各62把按雙螺旋線對(duì)稱排列方式安裝在2行旋耕機(jī)上，測(cè)量和觀察2 種旋耕刀在不同機(jī)組前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和耕深條件下的整機(jī)扭矩、功耗、土壤破碎率和溝底壓實(shí)現(xiàn)象。根據(jù)GB/T 5668-2008[24]旋耕作業(yè)參數(shù)要求，機(jī)組前進(jìn)速度設(shè)置為1、2、3、4和5 km/h，轉(zhuǎn)速設(shè)置為254和267 r/min，耕深設(shè)置為80、120 和160 mm。當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度變化時(shí)，轉(zhuǎn)速和耕深分別為254 r/min 和120 mm；當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，機(jī)組前進(jìn)速度和耕深分別為3 km/h 和120 mm；當(dāng)耕深變化時(shí)，機(jī)組前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速分別為3 km/h和254 r/min。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)50 m，兩端各留出取10 m 作為過(guò)渡區(qū)，中間30 m 為數(shù)據(jù)采集區(qū)。每一工況測(cè)試3個(gè)行程，最后取平均值用于結(jié)果分析。

圖4 試驗(yàn)裝備系統(tǒng)Fig.4 Test equipment system

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)

2.3.1 旋耕機(jī)功率

拖拉機(jī)需要提供足夠的功率來(lái)滿足旋耕機(jī)切土?xí)r的功率消耗。因此，旋耕機(jī)功耗應(yīng)低于拖拉機(jī)的額定功率。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中旋耕機(jī)功率的計(jì)算方法，可得到本文旋耕機(jī)的作業(yè)功率：

式中P為旋耕機(jī)耕作功率，kW；T為旋耕機(jī)耕作扭矩，N·m；n0為旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速，r/min，其中，旋耕機(jī)耕作扭矩通過(guò)扭矩測(cè)量系統(tǒng)獲得。

2.3.2 土壤破碎率

土壤破碎率是評(píng)價(jià)旋耕刀田間耕作性能的重要指標(biāo)。根據(jù)GB/T 5668-2008[24]的土壤破碎率測(cè)量方法，在已耕地上測(cè)定0.5 m×0.5 m 面積內(nèi)的全耕層土塊，土塊大小按其最長(zhǎng)邊分為小于4、4～8 cm 和大于8 cm 三級(jí)。并以小于4 cm 的土塊質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比為土壤破碎率，如式（2）所示。每個(gè)行程隨機(jī)測(cè)量5 點(diǎn)。

式中Sb為土壤破碎率，%；m總為測(cè)定區(qū)內(nèi)全耕層土塊總質(zhì)量，g；m4為測(cè)定區(qū)內(nèi)最長(zhǎng)邊大于4 cm的土塊質(zhì)量，g。

2.3.3 溝底壓實(shí)情況

旋耕刀在切土過(guò)程中有壓實(shí)溝底的現(xiàn)象[26-27]。壓實(shí)現(xiàn)象是刀片背面快速滑離土壤時(shí)，對(duì)溝底土壤表面施加應(yīng)力而形成的較薄一層壓實(shí)面，造成該層土壤結(jié)構(gòu)破壞和土壤空隙度降低等現(xiàn)象[10]。特別是，這樣的一層土壤壓實(shí)面會(huì)阻礙空氣和水分的移動(dòng)，也影響植物根系植入土內(nèi)，增加種苗的死亡率。同時(shí)，壓實(shí)過(guò)程會(huì)增加旋耕刀耕作功耗，降低耕作效率。因此，溝底壓實(shí)現(xiàn)象對(duì)于評(píng)價(jià)旋耕刀田間耕作性能的具有重要意義。在旋耕作業(yè)完成之后，用小鏟輕輕移出耕層土塊，露出溝底，且不破壞溝底狀況，并拍照觀察。

2.3.4 旋耕機(jī)其他田間耕作性能測(cè)試項(xiàng)目和方法

根據(jù)GB/T 5668-2008[24]中對(duì)旋耕機(jī)耕作質(zhì)量的規(guī)定和測(cè)量方法，本研究的旋耕機(jī)其他田間耕作性能測(cè)試項(xiàng)目和方法如下：

1）耕深穩(wěn)定性

用鋼尺測(cè)得，沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔2 m 左右兩側(cè)各測(cè)定一點(diǎn)，每個(gè)行程總測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于20 個(gè)，并計(jì)算行程的耕深平均值和工況的耕深平均值，以及行程的耕深穩(wěn)定性和工況的耕深穩(wěn)定性[24]，計(jì)算方式如下：

行程的耕深平均值：

式中aj為第j 個(gè)行程的耕深平均值，mm；aji為第j 個(gè)行程第i個(gè)點(diǎn)的耕深值，mm；nj為第j個(gè)行程的測(cè)定點(diǎn)數(shù)。

工況的耕深平均值：

式中a為工況的耕深平均值，mm；N為同一工況的行程數(shù)。

行程的耕深穩(wěn)定性：

式中Sj為第j個(gè)行程的耕深標(biāo)準(zhǔn)差，mm；Vj為第j個(gè)行程的耕深變異系數(shù)，%；Uj為第j個(gè)行程的耕深穩(wěn)定性系數(shù)，%。

工況的耕深穩(wěn)定性：

式中S為工況的耕深標(biāo)準(zhǔn)差，mm；V為工況的耕深變異系數(shù)，%；U為工況的耕深穩(wěn)定性系數(shù)，%。

2）耕寬穩(wěn)定性

用皮卷尺測(cè)得，沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔2 m 測(cè)定一次耕寬，每個(gè)行程總測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于20 個(gè)，并計(jì)算行程的耕寬平均值和工況的耕寬平均值，以及行程的耕寬穩(wěn)定性和工況的耕寬穩(wěn)定性，計(jì)算方式按照耕深相關(guān)數(shù)值的計(jì)算方法。

3）植被覆蓋率

在耕前，在測(cè)量區(qū)內(nèi)對(duì)角線上取5點(diǎn)，每點(diǎn)按1 m2面積緊貼地面剪下露出地表的植被，稱其質(zhì)量Wq，并計(jì)算出5 點(diǎn)的平均值（一般地，耕前地表植被覆蓋量應(yīng)不大于0.6 kg/m2）。按照該測(cè)量方法，在耕后，測(cè)得1 m2面積緊貼地面的植被，稱其質(zhì)量Wh，然后計(jì)算植被覆蓋率：

式中Fb為植被覆蓋率，%。

4）地表平整度

沿垂直于機(jī)組前進(jìn)方向，在地表最高點(diǎn)以上取一水平基準(zhǔn)線，在其適當(dāng)位置上取一定寬度（與樣機(jī)耕寬相當(dāng)），分成10等分，測(cè)定各等點(diǎn)至地表的距離h0，如圖5所示。然后，按照耕深相關(guān)數(shù)值的計(jì)算方法計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并以標(biāo)準(zhǔn)差的平均值來(lái)表示其平整度。

5）土壤蓬松度

根據(jù)地表平整度的測(cè)量方法，在耕前，測(cè)得水平基準(zhǔn)線各等點(diǎn)至地表的距離h1。然后按照如下方法計(jì)算出土壤蓬松度：

式中Pt為土壤蓬松度，%；h0為耕后水平基準(zhǔn)線至地表的距離，mm；h1為耕前水平基準(zhǔn)線至地表的距離，mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 旋耕機(jī)功率

圖5 為傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀在不同前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和耕深條件下的整機(jī)功率變化情況。由圖可知，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀在不同耕作條件下的整機(jī)功率變化趨勢(shì)相同，但是仿生型旋耕刀的整機(jī)功率總小于傳統(tǒng)型旋耕刀的整機(jī)功率。如圖5a所示，當(dāng)前進(jìn)速度從1 km/h 增加到2 km/h 時(shí)，整機(jī)功率迅速增大；前進(jìn)速度增加到3 km/h 時(shí)，整機(jī)功率較快減??；最后，前進(jìn)速度增加到5 km/h 時(shí)，整機(jī)功率緩慢增加。這與Ghosh[28]研究旋耕刀在不同前進(jìn)速度下耕作時(shí)，扭矩線性增加的結(jié)果類似。該過(guò)程中，仿生型旋耕刀的整機(jī)功率比傳統(tǒng)型旋耕刀的整機(jī)功率小8.80%～22.15%，平均減小16.88%。如圖5b所示，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的整機(jī)功率均隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，這與Matin[10]研究旋耕刀在轉(zhuǎn)速125～375 r/min下耕作時(shí)的變化規(guī)律類似，其中仿生型旋耕刀的整機(jī)功率比傳統(tǒng)型旋耕刀的整機(jī)功率小15.38%～18.61%，平均減小17.00%。如圖5c所示，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的整機(jī)功率均隨耕深的增加而增大，同樣地，Ghosh[28]在研究旋耕刀在不同耕深下耕作時(shí)，扭矩也有這樣的變化規(guī)律，其中仿生型旋耕刀的整機(jī)功率比傳統(tǒng)型旋耕刀的整機(jī)功率小10.83%～35.97%，平均減小21.80%。

圖5 不同耕作條件下的旋耕機(jī)功率Fig.5 Power of rotary cultivators at different tillage conditions

整體來(lái)看，仿生幾何結(jié)構(gòu)對(duì)旋耕刀的整機(jī)功率有顯著影響。鼴鼠前肢手掌多趾組合結(jié)構(gòu)和趾尖輪廓曲線對(duì)降低旋耕機(jī)功耗起著重要作用，這是由于當(dāng)仿生旋耕刀入土?xí)r，多趾結(jié)構(gòu)較容易刺入土壤，并且趾尖輪廓曲線具有較好的滑切性能，可減小摩擦阻力，從而使得仿生旋耕刀具有較好的入土性能，這類似于仿生切茬刀[11-12]的鋸齒狀結(jié)構(gòu)性能；隨著仿生旋耕刀入土深度的增加，多趾組合結(jié)構(gòu)將起著重要的切土作用，由于該結(jié)構(gòu)可以有效地減小土壤失效時(shí)的破裂半徑[29]，使得土壤失效楔塊變小，從而切削阻力明顯降低。因此，多趾組合結(jié)構(gòu)較低的土壤切削阻力和五趾趾尖的優(yōu)異入土性能和滑切效果，才使得仿生型旋耕刀耕作時(shí)具有減阻降耗性能。

3.2 土壤破碎率

如圖6a 所示，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的整機(jī)土壤破碎率隨著前進(jìn)速度從1 km/h 增加到5 km/h 均降低。如圖6b 所示，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的整機(jī)土壤破碎率隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?54 r/min 增加到267 r/min 均增加。如圖6c 所示，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的土壤破碎率隨著耕深從80 mm增加到160 mm 均稍微降低。由于旋耕機(jī)土壤破碎率大小與切土節(jié)距具有重要關(guān)系[30]，當(dāng)前進(jìn)速度增加時(shí)，旋耕刀每次切土量增加，切土節(jié)距增大，使得被切土塊較大，因而旋耕機(jī)的土壤破碎率降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，旋耕刀每次切土量減少，切土節(jié)距減小，使得被切土塊較小，因而旋耕刀的土壤破碎率增大；當(dāng)耕深增大時(shí)，雖然旋耕刀切土節(jié)距不變，但是切土體積增加，被切土塊較大，因而旋耕刀的土壤破碎率隨著降低。整體來(lái)看，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀在不同耕作條件下的整機(jī)土壤破碎率在數(shù)值上相差不大，均在95%以上，滿足旋耕機(jī)田間耕作要求[24]。

圖6 不同耕作條件下的旋耕機(jī)土壤破碎率Fig.6 Ratios of soil breakage of rotary cultivators at different tillage conditions

3.3 溝底壓實(shí)情況

圖7 為傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀對(duì)溝底的壓實(shí)情況。由于仿生型旋耕刀的正切面具有多趾組合結(jié)構(gòu)特征（圖3b），因而在切土?xí)r會(huì)在溝底產(chǎn)生很多劃痕，從而形成粗糙的溝底（圖7b），減弱了壓實(shí)現(xiàn)象。然而，傳統(tǒng)型旋耕刀，具有較鈍的正切面刃口，耕后的溝底光滑，有壓實(shí)現(xiàn)象（圖7a），從而阻礙秧苗根系的正常生長(zhǎng)。在切土過(guò)程中，傳統(tǒng)型旋耕刀正切刃背面快速滑切出溝底，較高的應(yīng)力作用于溝底表面，產(chǎn)生一層被壓實(shí)的表面，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在傳統(tǒng)型旋耕刀所有的耕作條件。而且，由圖7a可看出，傳統(tǒng)型旋耕刀耕后的溝脊高而寬，使得溝底平整度降低，耕作效果不佳。然而，仿生型旋耕刀可以顯著地降低耕后溝底被壓實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，降低刀背被壓入土現(xiàn)象，減小對(duì)未耕土壤的擾動(dòng)，形成平整溝底，從而進(jìn)一步減小耕作功耗。在Matin等[10]研究不同刃口的旋耕刀所形成的溝底結(jié)構(gòu)時(shí)，也對(duì)于壓實(shí)現(xiàn)象進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)內(nèi)刃口和鈍口刀型所形成的溝壁無(wú)壓實(shí)現(xiàn)象，也有助于進(jìn)一步降低功耗。

3.4 田間耕作質(zhì)量對(duì)比

為了進(jìn)一步了解傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的田間耕作性能，根據(jù)GB/T 5668-2008[24]的試驗(yàn)方法對(duì)耕深穩(wěn)定性、耕寬穩(wěn)定性、耕后地表植被覆蓋率、耕后地表平整度和土壤蓬松度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如表2?？梢钥闯?，2 種類型旋耕刀在不同耕作條件下的耕深穩(wěn)定性（大于85%）、耕寬穩(wěn)定性（大于95%）、耕后地表植被覆蓋率（大于95%）、耕后地表平整度（小于5 cm）和土壤蓬松度（大于14%）在數(shù)值上相差不大，且均滿足國(guó)標(biāo)[24]的要求。而且，仿生型旋耕刀的耕作扭矩和功率均小于傳統(tǒng)型旋耕刀，土壤破碎率稍大于傳統(tǒng)型旋耕刀，特別是可以減少溝底壓實(shí)現(xiàn)象，溝底平整度，可提高耕作質(zhì)量。然而，在耕作過(guò)程中，仿生型旋耕刀的多齒結(jié)構(gòu)間有一些塞土和塞雜草的現(xiàn)象，當(dāng)填塞量較多時(shí)仿生結(jié)構(gòu)特征對(duì)旋耕機(jī)的減阻降耗效果不明顯。

圖7 傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀對(duì)溝底的壓實(shí)情況Fig.7 Smearing of furrow bottoms caused by conventional and bionic rotary tillage blades

表2 傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的田間耕作性能Table 2 Field tillage performance of conventional and bionic rotary tillage blades

續(xù)表2 傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的田間耕作性能Continued table 2 Field tillage performance of conventional and bionic rotary tillage blades

4 結(jié) 論

1）本文分析了鼴鼠前肢手掌多趾組合結(jié)構(gòu)和趾尖輪廓曲線特征，利用二次高斯方程擬合5個(gè)趾尖輪廓曲線，擬合度R2均大于0.95，擬合誤差平方和SSE均小于0.05。

2）根據(jù)鼴鼠多趾組合結(jié)構(gòu)特征和趾尖輪廓擬合曲線，設(shè)計(jì)了具有仿生結(jié)構(gòu)特征的旋耕刀，并將得到最優(yōu)仿生型旋耕刀（相鄰爪趾間間距與趾寬的比值n=1.25 和5趾結(jié)構(gòu)的傾角θ=60°）用于田間試驗(yàn)。

3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀的整機(jī)功率和土壤破碎率變化趨勢(shì)相同，其中仿生型旋耕刀的整機(jī)功率總是小于傳統(tǒng)型旋耕刀的整機(jī)功率，具體地，當(dāng)前進(jìn)速度從1 km/h 增加到5 km/h 時(shí)，仿生型旋耕刀的整機(jī)功耗平均減小16.88%；當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?54 r/min 增加到267 r/min 時(shí)，仿生型旋耕刀的整機(jī)功耗平均減小17.00%；當(dāng)耕深從80 mm 增加到160 mm 時(shí)，仿生型旋耕刀的整機(jī)功耗平均減小21.80%。

4）傳統(tǒng)型旋耕刀的正切面刃口較鈍，耕后溝底光滑，有明顯的壓實(shí)現(xiàn)象，將阻礙秧苗根系的正常生長(zhǎng)。然而，仿生型旋耕刀的正切面具有多趾組合結(jié)構(gòu)特征，耕后溝底有很多劃痕，從而減弱了壓實(shí)現(xiàn)象，具有較好的耕作效果。

5）傳統(tǒng)型和仿生型旋耕刀在不同耕作條件下的整機(jī)土壤破碎率、耕深穩(wěn)定性、耕寬穩(wěn)定性、耕后地表植被覆蓋率、耕后地表平整度和土壤蓬松度在數(shù)值上相差不大，且均滿足國(guó)標(biāo)要求。