《表3 2种刀片仿真开沟功耗对比》

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《鼹鼠趾仿生及表面热处理提高齿形开沟刀减阻耐磨性能》

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开沟过程仿真试验结果如表3所示。由表3可知，沟深为150、200、250、300和350 mm时，仿生开沟刀比齿形开沟刀的开沟功耗降低9.68%、10.44%、10.22%、10.70%和10.95%，平均降低10.398%，减阻效果明显。通过单个刀齿土壤挖掘仿真试验发现，仿生开沟刀优异的减阻性能与刀齿的结构密切相关。刀齿具有鼹鼠前爪第3趾的整体三维表面结构特征。刀齿为扁圆楔形，前部和两侧边缘较薄，刃部内凹，刃角较小，经测定仿生开沟刀片刀齿的刃角θ2=19°，而齿形开沟刀片刀齿的刃角θ1=21°。扁圆楔形和较小的刃角能够减少触土面积、减弱土壤压实，从而降低切削阻力，具有较强的入土能力和脱土效果。仿生开沟刀刀齿前端的圆心角ω2=176°，圆弧半径r2=4 mm，顶端特征线为过渡圆弧，刃厚半径ε2=0.47 mm，而齿形开沟刀刀齿前端的圆心角ω1=170°，圆弧半径r1=3.124 mm，顶端特征线为直线，刃厚ε1=1 mm，仿生开沟刀刀齿的圆心角和圆弧半径均较大，二者刃厚接近，但是圆弧特征会形成过渡圆角，因此仿生开沟刀刀齿前端的圆钝特征更加明显，圆钝结构能够改变土壤应力分布和压实形状，从而减弱应力集中，降低摩擦磨损和减少土壤粘附。如图3a和3b中接触土壤时颗粒粘结力分布所示。由于仿生刀齿表面为非光滑表面，具有凸棱、凸起、凹沟等细微结构，使刀齿与土壤接触面间存在间隙，减少了接触面积。开沟过程中细微凹凸结构使土壤颗粒产生震动、变形等作用，导致接触面水膜面积和厚度出现随机性波动进而水膜不能连续，从而降低了土壤对刀齿表面的粘附力。如图3a和3b中连续工作时颗粒粘结力分布所示。刀齿腹面前部的U型凸起和背面纵向前部曲率小后部曲率大、横向两侧曲率小中间曲率大的结构特征，有利于土壤颗粒向两侧分流。2条纵向对称分布的小凸台和纵向变曲率特征，使土壤中小颗粒沿切削方向运动时，随着曲率逐渐增大垂直刀面的速度分量也增大，逐渐脱离刀面，有利于脱土。如图3c和3d中的切入土壤时颗粒速度分布所示。后部2条纵向对称分布的大凸台和纵向变曲率特征，使土壤中大颗粒沿切削方向运动时，随着曲率逐渐增大垂直刀面的速度分量也增大，逐渐脱离刀面，有利于脱土。如图3c和3d中的连续工作时颗粒速度分布所示。