松鏟仿生減阻耐磨結(jié)構(gòu)是受到自然界中某些生物具有減阻耐磨特征的身體結(jié)構(gòu)或器官的啟發(fā)，并基于仿生學(xué)原理而設(shè)計的，本書系統(tǒng)地介紹了深松鏟減阻耐磨仿生技術(shù)。其主要內(nèi)容包括：緒論、仿生減阻耐磨深松鏟設(shè)計制造、仿生棱紋形幾何結(jié)構(gòu)耐磨深松鏟刃磨料磨損試驗研究、深松鏟耕作阻力試驗研究、深松鏟田間耕作試驗研究、深松鏟土壤耕作過程離散元模擬分析、深松技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。本書是作者多年來研究工作的系統(tǒng)總結(jié)，書中的農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生學(xué)思想可以為解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際問題提供很好的借鑒和幫助，具有較高的學(xué)術(shù)參考價值和實踐應(yīng)用價值。
1）本書基于仿生學(xué)原理設(shè)計了深松鏟仿生減阻耐磨結(jié)構(gòu)。
2）將土壤洞穴動物小家鼠爪趾高效的土壤挖掘特性應(yīng)用于深松鏟減阻結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了降低深松耕作阻力的目標(biāo)，且減阻效果顯著。
3）將水生軟體動物櫛孔扇貝和土壤洞穴動物穿山甲體表鱗片表面的棱紋形幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深松鏟刃的耐磨設(shè)計，使深松鏟刃的耐磨性顯著提高，延長了使用壽命。
4）利用離散元法對深松鏟與土壤接觸的力學(xué)特性進(jìn)行了模擬分析，進(jìn)一步證明了結(jié)論的正確性。
5）本書是作者多年來研究工作的系統(tǒng)總結(jié)，書中的農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生學(xué)思想可以為解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際問題提供很好的借鑒和幫助，具有較高的學(xué)術(shù)參考價值和實踐應(yīng)用價值。
近年來，關(guān)于仿生學(xué)的研究內(nèi)容和成果十分豐富，而農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的研究成果相對較少。仿生學(xué)的研究成果很大一部分可以用來解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際問題。因此，關(guān)于農(nóng)業(yè)工程的仿生學(xué)應(yīng)用研究業(yè)已成為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的研究熱點。本書所著內(nèi)容是作者多年從事仿生學(xué)與農(nóng)業(yè)工程相結(jié)合研究的成果，主要針對典型農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件深松鏟在使用過程中存在的工作阻力大和磨損失效快這兩個核心問題開展研究工作。耕作阻力大必將使拖拉機(jī)的油耗升高，磨損失效快將導(dǎo)致部件使用壽命縮短。這兩個技術(shù)難題不解決，都將大大增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。本書作者及其團(tuán)隊突破傳統(tǒng)的設(shè)計理念，將仿生學(xué)原理應(yīng)用于深松鏟的減阻耐磨性結(jié)構(gòu)設(shè)計。作者的前期研究發(fā)現(xiàn)，自然界中某些生物(如土壤洞穴動物穿山甲、水生軟體動物貝類等）的體表組織或器官具有優(yōu)異的減阻耐磨特性，這些特殊的組織器官所表現(xiàn)出的良好減阻耐磨性能可以被用于深松鏟的減阻耐磨性結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)過多年努力探索，作者終于開發(fā)研制出一種帶有特殊結(jié)構(gòu)的仿生減阻耐磨深松鏟。與傳統(tǒng)深松鏟相比，在不額外增加制造成本的前提下，仿生減阻耐磨深松鏟的作業(yè)阻力大大降低，耐磨性顯著提高。這一研究成果不僅豐富了仿生學(xué)的研究內(nèi)容，同時也為解決農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的實際問題提供了新的思路和方向。
從仿生生物原型的選定到深松鏟減阻耐磨結(jié)構(gòu)設(shè)計，再到最終完成產(chǎn)品的制造，本書對全過程進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。全書共7章，主要內(nèi)容包括：緒論、仿生減阻耐磨深松鏟設(shè)計制造、仿生棱紋形幾何結(jié)構(gòu)耐磨深松鏟刃磨料磨損試驗研究、深松鏟耕作阻力試驗研究、深松鏟田間耕作試驗研究、深松鏟土壤耕作過程離散元模擬分析、深松技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。本書既可作為從事仿生學(xué)和農(nóng)業(yè)工程研究的科技工作者的參考書，亦可作為高校相關(guān)課程的教學(xué)參考書。
在本書編寫過程中，作者得到了有關(guān)單位及教師的大力支持與幫助，并得到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者及同行的熱忱指導(dǎo)。參與本書資料收集與整理工作的有：梧州學(xué)院機(jī)械與資源工程學(xué)院鐘山教授、謝開泉教授、馬渝釗老師、許勝焱老師、林達(dá)濠老師、陳曉昀老師、段家現(xiàn)老師、馮靜老師、顏克春老師。吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院及佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的很多老師對本書的理論分析及試驗部分給予了大力支持。在此，作者一并表示衷心的感謝。
由于作者水平有限，書中的缺點和不足之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。
張金波2024年5月
金波，梧州學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士。主要研究方向：智能農(nóng)業(yè)裝備。主要學(xué)術(shù)兼職：黑龍江省仿生與生物制造學(xué)會理事、國際仿生工程學(xué)會創(chuàng)始會員、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會高級會員、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會會員、中國機(jī)械學(xué)會高級會員、中國動力工程學(xué)會會員。主持教育廳骨干人才支持計劃項目1項、科研面上項目2項，主持重點實驗室開放基金1項，參與各級各類科研項目20余項。主持省教育廳十三五教育規(guī)劃課題1項，主持廣西教育科學(xué)十四五規(guī)劃專項重點課題1項，主持省高教學(xué)會規(guī)劃課題1項。發(fā)表教改論文17篇，科研論文30余篇（SCI/EI收錄14篇）。出版專著1部、教材5部。獲得國家專利14項。
序
前言
第1章緒論1
1.1研究目的及意義1
1.2農(nóng)機(jī)觸土部件的磨損與耐磨性3
1.2.1磨料磨損3
1.2.2農(nóng)機(jī)觸土部件的耐磨性4
1.3深松鏟減阻技術(shù)5
1.4仿生學(xué)7
1.5農(nóng)業(yè)機(jī)械與仿生學(xué)8
1.5.1農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生減阻技術(shù)8
1.5.2農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生黏附技術(shù)14
1.5.3農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生耐磨技術(shù)16
1.6主要研究內(nèi)容20
參考文獻(xiàn)20
第2章仿生減阻耐磨深松鏟設(shè)計制造28
2.1生物耐磨結(jié)構(gòu)28
2.1.1凸包形耐磨幾何結(jié)構(gòu)28
2.1.2棱紋形耐磨幾何結(jié)構(gòu)39
2.1.3鱗片形耐磨幾何結(jié)構(gòu)40
2.1.4凹坑形耐磨幾何結(jié)構(gòu)41
2.1.5螺旋形耐磨幾何結(jié)構(gòu)41
2.2生物耐磨幾何結(jié)構(gòu)特征提取及數(shù)學(xué)模型建立43
2.2.1生物特征提取43
2.2.2數(shù)學(xué)模型建立45
2.3仿生棱紋形深松鏟刃設(shè)計制造46
2.3.1仿生棱紋形深松鏟刃的設(shè)計原則及步驟46
2.3.2仿生棱紋形幾何結(jié)構(gòu)深松鏟刃設(shè)計47
2.3.3仿生棱紋形幾何結(jié)構(gòu)深松鏟刃制備49
2.4生物防黏減阻特性51
2.4.1土壤洞穴動物減阻特性分析51
2.4.2仿生減阻幾何結(jié)構(gòu)信息提取及數(shù)學(xué)模型建立53
2.5仿生減阻深松鏟柄設(shè)計制造54
2.5.1仿生減阻深松鏟柄的設(shè)計原則54
2.5.2仿生減阻深松鏟柄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定55
2.5.3仿生減阻深松鏟柄設(shè)計56
2.5.4深松鏟柄加工制造57
2.6小結(jié)60
參考文獻(xiàn)61
第3章仿生棱紋形幾何結(jié)構(gòu)耐磨深松鏟刃磨料磨損試驗研究65
3.1試驗條件66
3.2試驗設(shè)備66
3.3磨料磨損試驗68
3.3.1試驗方案68
3.3.2磨損試驗流程69
3.4鏟刃樣件磨損試驗結(jié)果71
3.5磨損量結(jié)果分析72
3.5.165Mn深松鏟刃磨損結(jié)果分析72
3.5.2T10深松鏟刃磨損試驗結(jié)果分析74
3.5.3材料特性對鏟刃磨損量的影響分析75
3.6深松鏟刃磨損表面形貌分析77
3.6.1深松鏟刃磨損表面宏觀形貌分析77
3.6.2仿生棱紋形深松鏟刃耐磨機(jī)理分析80
3.6.3深松鏟刃磨損表面微觀形態(tài)分析82
3.7小結(jié)84
參考文獻(xiàn)85
第4章深松鏟耕作阻力試驗研究91
4.1試驗方案的制定91
4.2試驗條件92
4.3深松試驗儀器設(shè)備93
4.4深松耕作土槽試驗96
4.4.1試驗區(qū)整地及規(guī)劃96
4.4.2土壤堅實度測量96
4.4.3土壤容重測定98
4.4.4土壤含水量測定100
4.4.5試驗過程101
4.5試驗結(jié)果與分析102
4.5.1深松鏟深松耕作試驗阻力測試結(jié)果102
4.5.2仿生指數(shù)函數(shù)曲線型深松鏟試驗結(jié)果分析110
4.5.3深松鏟耕作阻力對比分析111
4.6仿生減阻深松鏟減阻機(jī)理分析114
4.7仿生鏟柄與仿生鏟刃協(xié)同減阻試驗116
4.7.1試驗方案116
4.7.2耕作阻力試驗結(jié)果118
4.7.3耕作阻力對比分析126
4.8小結(jié)128
參考文獻(xiàn)129
第5章深松鏟田間耕作試驗研究134
5.1試驗方案134
5.1.1前進(jìn)速度134
5.1.2耕深確定及調(diào)節(jié)135
5.1.3對比深松鏟類型選擇135
5.1.4數(shù)據(jù)采集方式135
5.2試驗儀器及設(shè)備138
5.3試驗場地及土壤參數(shù)測量139
5.3.1試驗區(qū)劃分及土壤物理性狀139
5.3.2試驗區(qū)土壤參數(shù)測量141
5.4田間深松試驗142
5.4.1試驗過程142
5.4.2耕作阻力試驗結(jié)果及分析143
5.5土壤擾動形貌分析146
5.6小結(jié)149
參考文獻(xiàn)149
第6章深松鏟土壤耕作過程離散元模擬分析157
6.1離散元法簡介157
6.2離散元法模擬的一般流程159
6.3土壤物理參數(shù)確定160
6.3.1土壤密度160
6.3.2土壤堅實度161
6.3.3土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角161
6.3.4土壤彈性模量168
6.4深松鏟-土壤接觸離散元模擬169
6.4.1接觸力學(xué)模型169
6.4.2土壤細(xì)觀參數(shù)171
6.4.3深松鏟-土壤接觸離散元模擬結(jié)果171
6.5小結(jié)174
參考文獻(xiàn)175
第7章深松技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢184
7.1深松技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀184
7.1.1國外深松技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀184
7.1.2我國深松技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀189
7.2深松技術(shù)裝備的未來發(fā)展趨勢195
參考文獻(xiàn)196
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