基于鼹鼠多趾结构特征的仿生切土刀片设计与试验

摘要

为降低土壤耕作阻力,分析了鼹鼠前肢手掌的多趾组合结构特征,得到鼹鼠多趾组合结构是一种多窄齿组合结构,且相邻齿间间距可调整,最终确定了多趾组合结构的数学模型.基于该模型,设计了具有仿生结构特征的切土刀片.通过土槽试验,采用四因素三水平的二次正交回归试验方法,分析仿生结构元素m和n、土壤含水率和切土倾角对水平阻力的影响,得到土壤含水率和切土倾角对水平阻力的影响更显著,最优仿生结构元素m为5、n为1.75.通过比较传统和仿生刀片在切土倾角10° ～90°和土壤含水率10％～30％下的水平阻力,得到仿生几何结构对刀片切土的临界倾角无显著影响,但土壤含水率对其有显著影响:当土壤含水率为10％和20％时,临界倾角均为30°左右;当土壤含水率为30％时,临界倾角均在40° ～50°之间.然而,仿生几何结构对刀片所受的水平阻力有显著影响,在相同的土壤含水率下,仿生刀片的水平阻力总小于传统刀片的水平阻力:当土壤含水率为10％、20％、30％时,仿生刀片的水平阻力分别减小11.48％ ～ 39.16％、17.81％ ～ 28.00％和11.19％ ～ 33.26％.此外,水平阻力的变化与土壤内聚力具有极大的相关性,研究表明土壤含水率为10％～20％时,仿生刀片具有更好的切土性能.