仿生多面体型几何结构镇压辊的设计与试验

　　摘要:针对传统镇压辊粘附土壤、阻力大和壅土问题，基于穿山甲体表鳞片的多边形几何结构，分别设计了正12面体、正15面体和正18面体3种仿生多面体型几何结构镇压辊，制造材料选用Q235。以粘附土壤量、牵引阻力、种子粒距变化率、土壤容重为指标，在室内土槽考察了土壤干基含水率分别为20%和28%时3种仿生几何结构镇压辊在载荷分别为300、500、700N下的镇压效果，并与传统镇压辊对比。结果表明:正12面体仿生镇压辊的种子粒距变化率最低，比传统镇压辊降低了33．19%，即防壅土效果最好，但它却没达到减粘降阻的效果。分别将超高分子量聚乙烯、搪瓷涂层这两种疏水材料分别用于正12面体仿生几何结构镇压辊，通过与传统镇压辊的对比试验证实，采用疏水材料的这两种仿生镇压辊均能达到减粘降阻的效果，镇压辊表面采用超高分子量聚乙烯时粘附土壤量最少，与传统镇压辊相比降低了33．22%;镇压辊表面喷涂搪瓷涂层时阻力最低，与传统镇压辊相比降低了17．87%。该研究结果可为农业机械触土部件表面减粘降阻及防壅土的仿生设计提供参考。

　　关键词:仿生镇压辊;多面体型几何结构;粒距变化率;减粘降阻;土壤压实

　　0引言

　　镇压辊主要用于压实播种后的土壤［1］，研究表明［2－6］:合理的镇压可以提高作物产量。理想的镇压辊应在保证作物所需土壤容重的前提下，不滑移，粘土量和牵引阻力要低，镇压力可调，压后粒距均匀［1］。但是，传统镇压辊多为光滑圆柱表面，在工作时极易将种床土壤粘连起来，使土壤失墒严重，而且还会将一部分土壤推到镇压辊前方，形成波浪状凸起，即“拖堆壅土”现象［7－8］。这不仅起不到压实土壤的效果，还要额外消耗功去推移隆起的土壤，使得株距分布不均，影响最后田间的植株密度［9］。因此，解决传统镇压辊作业过程中的粘附和壅土问题，具有重要的现实意义。

　　1仿生多面体型几何结构镇压辊的设计

　　基于穿山甲体表鳞片的多边形几何结构，将镇压辊的表面由传统的柱面设计成正多面体结构，分别设计了正12面体、正15面体和正18面体3种仿生多面体型几何结构镇压辊，如图2所示。

　　2土槽试验

　　2．1试验方法

　　试验在吉林大学室内土槽进行，土槽的尺寸、土壤性质、试验前土壤容重情况详见文献［13］。选取土槽两个长18m、宽1m的地块作为试验区，两地块的土壤干基含水率分别为20%和28%。土槽台车的前进速度为0．9m/s。以粘附土壤量、牵引阻力、种子粒距变化率、土壤容重为指标，进行全面试验，考察了土壤干基含水率分别为20%和28%时3种仿生多面体型几何结构镇压辊在载荷分别为300、500、700N下的镇压效果，并与传统镇压辊进行对比。粘附土壤量是通过每次试验结束后，用硬毛刷将粘在辊子上的土刮下称量测得［13］。牵引阻力是依靠自制轮架与台车上连接装置之间的ＲSS03型拉压传感器测得。

　　2．2镇压辊结构对作业效果的影响

　　2．2．1减粘减阻效果对比试验证明，3种仿生多面体型几何结构镇压辊没有起到减轻粘附的效果，甚至阻力略高于传统镇压辊。这表明，仅将传统镇压辊的圆柱状外形设计为多面体形状对减粘没有效果。

　　2．2．2防壅土效果土壤干基含水率分别为20%和28%时，试验用镇压辊在不同载荷下的种子粒距变化率如图3所示。由图3可知:所有镇压辊压后的种子粒距变化率Ｒs均随着载荷的增加而增大。

　　3结论

　　1)针对传统镇压辊粘附土壤、阻力大和壅土问题，将镇压辊的表面由传统的柱面设计成正多面体结构，分别设计了正12面体、正15面体和正18面体3种仿生多面体型几何结构镇压辊，制造材料选用Q235钢。

　　2)土槽试验对比结果表明:两种土壤干基含水率下，所有镇压辊压后的土壤容重均能达到适宜玉米生长的状态，且3种仿生多面体型几何结构镇压辊的防壅土效果均比传统镇压辊好。其中，正12面体仿生几何结构镇压辊的防壅土效果最好，种子粒距变化率最低，比传统镇压辊降低了33．19%，但却没起到减粘降阻的效果。

　　3)将UHMWPE和搪瓷涂层这两种疏水材料分别用于优化得到的正12面体仿生几何结构镇压辊，试验结果表明:采用疏水材料的这两种仿生镇压辊的均能实现减粘降阻，镇压辊表面采用UHMWPE时粘附土壤量最少，与传统镇压辊相比降低了33．22%;镇压辊表面喷涂搪瓷涂层时阻力最低，与传统镇压辊相比降低了17．87%。

　　参考文献:

　　［1］中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册:上册［K］．北京:中国农业科学技术出版社，2007．

　　［2］张家励，傅潍坊，马虹．土壤压实特性及其在农业生产中的应用［J］．农业工程学报，1995，11(2):17－20．

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