学术研究报告：黏重土壤条件下马铃薯仿生挖掘铲减阻机制分析

一、作者与发表信息

本研究的通讯作者为Xiangyu Li和Bin Hu，第一作者为Junwei Li，合作作者包括Tianlong Gu、Zhaojie Wang和Hailong Wang。研究团队来自石河子大学机械电气工程学院（College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University）、农业农村部西北农业装备重点实验室（Key Laboratory of Northwest Agricultural Equipment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs）及新疆生产建设兵团现代农业工程重点实验室（Xinjiang Production and Construction Corps Key Laboratory of Modern Agriculture Engineering）。研究成果发表于期刊《Computers and Electronics in Agriculture》2023年第214卷，文章编号108315，于2023年10月14日在线发表。

二、研究背景与目标

科学领域：本研究属于农业工程与仿生学交叉领域，聚焦土壤-机械相互作用中的减阻技术。
研究动机：传统马铃薯挖掘铲在黏重土壤（如中国东北黑土）中作业时，土壤黏附导致耕作阻力增加30%以上，能耗提升30–50%，生产率降低30%。为解决这一问题，研究团队从仿生学角度出发，借鉴蚯蚓体表波纹结构和扇贝肋状结构的减阻特性，设计了一种仿生纵波挖掘铲（Bionic Longitudinal Wave Shovel, B-L-W-S）。
研究目标：
1. 通过离散元分析（Discrete Element Method, DEM）验证B-L-W-S的减阻性能；
2. 分析仿生结构参数（振幅A、频率ω）在不同土壤含水量（10%、35%）下的减阻效果；
3. 结合动能守恒定律，从理论上阐释仿生结构的减阻机制；
4. 通过田间试验验证B-L-W-S的作业质量（马铃薯漏挖率、损伤率）。

三、研究流程与方法

1. 仿生挖掘铲设计

• 仿生原型：蚯蚓体表的波纹结构（减少接触面积）和扇贝肋状结构（引导土壤流动）。
  
• 数学模型：采用余弦函数（y = A·cos(ωx)）描述仿生波纹，振幅A（2.0–4.0 mm）和频率ω（0.4–0.6）为关键参数。
  
• 结构参数：铲长235 mm、宽168 mm、厚8 mm，材料为45号钢，通过线切割技术加工波纹结构。
  

2. 离散元模拟（DEM）

• 模型构建：基于Hertz-Mindlin接触模型，模拟黏重黑土（粒径4–6 mm）与铲面的相互作用，设定作业速度0.83 m/s（对应田间作业速度3 km/h）。
  
• 分析指标：铲面受力分布、土壤颗粒流速。结果显示，B-L-W-S的铲面受力集中于铲尖两侧，土壤颗粒流速更高且流动有序，而普通平铲（O-F-S）的土壤易停滞。
  

3. 土槽试验

• 条件设置：土壤含水量10%和35%，作业速度3.5 km/h，挖掘深度200 mm。
  
• 结果：在35%高含水量下，B-L-W-S（A=2.5, ω=0.5）减阻效果最优，土壤黏附量显著低于O-F-S（图9）。
  

4. 田间试验

• 测试指标：水平阻力、垂直阻力、马铃薯漏挖率（δ）和损伤率（γ）。
  
• 结果：
  
  • B-L-W-S水平阻力（10,570.13 N）比O-F-S（12,355.63 N）降低14.45%；
    
  • 漏挖率1.34%、损伤率0.736%，符合行业标准（NY/T 648–2002）。
    

5. 理论分析

通过动能守恒定律证明：B-L-W-S的波纹结构减少了土壤-铲面实际接触面积，降低黏附摩擦，同时增加土壤动能（vs1 > vp1），促进土壤快速流动（图12–15）。

四、主要结果与逻辑链条

1. DEM模拟：B-L-W-S的土壤颗粒动能高于O-F-S，验证了仿生结构的减阻潜力。
   
2. 土槽试验：高含水量下，A=2.5和ω=0.5的组合最优，减阻效果与土壤流动性直接相关。
   
3. 田间试验：减阻率14.45%源于仿生结构对土壤动能的提升和黏附力的降低。
   
4. 理论模型：动能守恒方程（式36–41）量化了土壤流速差异，支撑了仿生设计的科学性。
   

五、研究结论与价值

1. 科学价值：首次将蚯蚓和扇贝的仿生结构结合应用于挖掘铲，揭示了波纹结构通过动能传递减阻的机制。
   
2. 应用价值：B-L-W-S在黏重土壤中可显著降低能耗，提升马铃薯收获效率，尤其适用于中国东北黑土区。
   
3. 技术指标：漏挖率（%）、损伤率（%）达到商业化农机的技术要求。
   

六、研究亮点

1. 多方法验证：结合DEM模拟、土槽试验、田间测试与理论建模，形成完整证据链。
   
2. 仿生创新：波纹结构参数（A、ω）的优化填补了仿生农具设计的空白。
   
3. 低损伤设计：表面低能材料涂层进一步降低马铃薯碰撞损伤。
   

七、局限性与展望

1. 未深入探讨作业速度、深度对减阻的影响；
   
2. 未来可研究土壤紧实度与仿生结构的交互效应。
   

（注：文中所有术语首次出现时均标注英文原名，如Discrete Element Method (DEM)、Bionic Longitudinal Wave Shovel (B-L-W-S)等。）