肖茂华 汪开鑫 杨 望 王伟臣 江 丰

(1.南京农业大学工学院， 南京 210031; 2.广西大学机械工程学院， 南宁 530004)

0 引言

旋耕刀是一种基于铣切原理加工的土壤耕作机械[1-2]。其中，旋耕弯刀是旋耕机的主要部件[3-5]，其性能直接影响整个旋耕机的作业质量和能耗水平。为了提高旋耕机工作效率，旋耕刀几何结构优化设计一直是国内外研究的重点。郝建军等[6]设计了一种楔形减阻旋耕刀，田间试验表明，在相同工况下，楔形减阻旋耕刀的平均扭矩较国标旋耕刀降低11.35%，平均功耗较国标旋耕刀降低9.29%，碎土率提高4%。GODWIN[7]在研究土壤耕具作业时，获得不同宽窄齿的耕具在土壤切削过程中所受的水平阻力变化规律。

近些年，随着仿生学在农业领域的应用，土壤耕具作业时阻力大、能耗高的问题得到了一定的缓解。杨玉婉等[8]研究了前肢手掌的多趾组合结构特征，设计了具有鼹鼠多趾结构特征的仿生旋耕刀，通过田间试验对比表明，在不同前进速度和弯刀转速情况下，旋耕机整机功耗平均降低了约20%左右。俞杰[9]以安哥拉兔爪趾为原型设计了仿生旋耕刀，通过试验得出，与传统旋耕刀相比其工作时降阻率达到了17.8%，最大扭矩也降低了44.9 N·m。东方蝼蛄俗称“土仙”，挖土能力极强，前足特化为钉耙状，能够在一夜之间挖掘出2 000～3 000 mm长的洞穴[10]。目前，已有研究学者将东方蝼蛄前爪趾应用于深松铲、触土试件以及挖掘机仿生斗齿的设计中[11-13]。本文基于东方蝼蛄前足爪趾轮廓曲线，设计具有仿生结构特征的旋耕刀，借助仿真软件进行离散元仿真分析，然后进行室内土槽试验验证，分析国标旋耕刀与仿生旋耕刀扭矩、三向阻力的变化规律，以期为旋耕刀的减阻降耗提供借鉴。……