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犁铧钢表面减粘自洁的研究

作　者: 钱良存
导　师: 邵陆寿
学　校: 安徽农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 犁铧钢激光刻蚀图像处理表面粗糙度接触角
分类号: TG142.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文针对目前地面触土部件土壤粘附阻力较大,大量的能源因粘附而消耗的问题,根据人们对减粘自洁的大量试验和理论研究,归纳出各种减粘降阻的理论,提出了激光于犁铧钢表面仿生刻蚀及表面自洁、减粘的研究。从物理化学和仿生理论角度,提出分析地面触土部件的自洁、减粘降阻特性主要从两个方面,即激光仿生刻蚀犁铧钢表面粗糙度和其对纯水接触角变化的研究。从大量的减粘自洁植物叶片中,选择超疏水性植物荷叶叶片作为仿生模型。从荷叶减粘自洁的原理分析,得出荷叶的减粘自洁主要是由于其表面的微米/纳米结构与植物蜡的协同作用引起的。以荷叶减粘自洁的仿生模型依据,提取荷叶叶片的多尺寸扫描电镜图片,运用合适的图像边缘分割算子(Sobel算子),取不同的图像阈值对荷叶叶片微米/纳米信息进行采集,为激光刻蚀提供了源图像。犁铧钢是农机具耕作部件的主要材料,选择犁铧钢(亲水性材料)作为试验试材,运用机床对犁铧钢切割和表面磨光,增加了试验可靠性和对比性。通过激光刻蚀犁铧钢的正交试验,测试和分析了表面粗糙度。对八种主要参数:表面轮廓算术平均值Ra、表面微观不平度十点高度平均值Rz、表面最大轮廓高度Ry、轮廓支承长度率tp、轮廓最大高度Rp、轮廓的单峰平均间距S、轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓偏斜度Sk进行测定,得到其直方图。将其和未刻蚀犁铧钢粗糙度八种主要参数做了对比分析,分析了其改变的趋势和其改变的原因。运用L24 ( 61×41×23)混合正交试验寻找激光刻蚀犁铧钢的减粘自洁的最佳工艺,测定其和纯水的接触角,确定试验因素的最优组合水平。结果运用了DPS数据处理软件和正交试验原理公式分析了接触角测量结果,得出因子和水平的显著性和差异性,探索出最优组合:接触角降低最大的组合为x(1)因子为6水平、x(2)因子为2水平、x(3)因子为2水平、x(4)因子为1水平、x(5)因子为2水平;接触角降低最小的组合为x(1)因子为1水平、x(2)因子为4水平、x(3)因子为2水平、x(4)因子为1水平、x(5)因子为2水平。图像阈值对刻蚀后的接触角影响最大。(L16 45)正交试验中,运用三种多因素回归模型进行对比分析,得出最适合的回归模型,并得出其回归曲线和回归方程。模拟耕作时触土部件形成的水膜条件,测试了刻蚀的最优组合的犁铧钢表面的接触角。测试接触角最大为75.50°,接触角比对照最大接触角(64.75°)增加了10.25°,减粘降阻效果明显。做了激光刻蚀的犁铧钢表面清洗对比试验。两种清洗方法对接触角影响很大,说明犁铧钢表面的清洁程度直接影响其表面自由能,清洁剂是表面活性物质,它的引入和残留直接降低了犁铧钢的表面自由能。利用有机溶剂无水酒精加以浸泡被测件犁铧钢,测得其接触角都有所降低,前11组降低值在10左右,降低的最大值为19.75 ,后4组降低值较小在10以下。说明在犁铧钢表面涂覆某些涂层可以减粘降阻,有待进一步研究。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
1 绪论  12-17
  1.1 研究目的和意义  12
  1.2 国内外研究的现状  12-15
  1.3 存在的问题  15-16
  1.4 研究内容和方法  16-17
2 犁体表面减粘降阻的表面仿生理论  17-30
  2.1 表面材料减粘机理  17-21
    2.1.1 固-液-气接触型表面材料减粘机理  18-19
    2.1.2 仿生减粘  19-20
    2.1.3 固-液-气-固接触型减粘  20-21
  2.2 犁体材料表面减粘降阻  21-25
    2.2.1 材料表面能理论  21-23
    2.2.2 犁体材料表面减粘降阻  23-25
  2.3 表面粗糙度与仿生表面改形  25-30
    2.3.1 固体表面的粗糙度  25-26
    2.3.2 固体表面的粗糙度及其定量计算  26-28
    2.3.3 表面粗糙度的意义  28-29
    2.3.4 表面粗糙度与仿生表面改形  29-30
3 仿生生物原型的选择和微纳米信息采集  30-44
  3.1 表面张力系数和接触角测定  30-34
    3.1.1 表面张力系数测定  30
    3.1.2 接触角的测定方法  30-34
  3.2 原型的观察和选择  34-36
  3.3 微纳米信息采集  36-44
    3.3.1 荷叶图像的采集  36-37
    3.3.2 数字图像处理  37-44
4 犁铧表面仿生激光刻蚀正交试验设计及结果分析  44-64
  4.1 犁铧钢表面加工混合正交试验  44-54
    4.1.1 混合正交试验设计  44-47
    4.1.2 犁铧钢表面对纯水接触角  47-51
    4.1.3 表面粗糙度测定及分析  51-54
  4.2 犁体钢表面加工正交(L16 45) 对比试验  54-64
    4.2.1 犁体钢表面加工正交(L1645)各处理因子和水平间对比分析  56-58
    4.2.2 犁体钢表面加工正交试验(L16 45) 回归模型对比分析  58-61
    4.2.3 (L16 45)正交试验两种清洗方法结果对比分析  61-64
5 结论与展望  64-67
  5.1 本研究主要结论  64-65
  5.2 展望  65-67
参考文献  67-70
致谢  70-71
作者简介  71
攻读硕士学位期间发表的论文  71

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