一种仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲的制作方法

本发明属农业机械技术领域，具体涉及一种仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲。

背景技术：

马铃薯挖掘铲的功用在于掘出薯块,并将薯块输送给分离装置。挖掘性能是评价马铃薯收获机具性能的一个重要指标，与收获机具结构、作业参数、关键部件材料等因素密切相关。我国幅员辽阔，薯类产区的土壤质地和种植农艺条件不同，如我国东北地区土壤粘重、西北地区土壤多石以及南方地区土壤砂质，国外设备不能适应我国复杂的地域条件，难以在国内大量推广应用。相比于国外的薯类收获机械，国内机型还不能完全适应生产发展的需求，主要存在三方面问题：一是可靠性差。薯类收获机械土壤环境复杂，单一类型挖掘机构效率较低，无法达到使用基本要求。二是适应性差。在不同土壤条件以及不同植株条件下薯类收获机械挖掘部件不能有效解决挖掘阻力大、土壤粘附严重、砂石磨损铲面等问题。三是动力储备不足。在挖掘深度增加和土壤比阻大的地块作业，难以满足薯块挖掘和分离的动力需要。

现有马铃薯收获机挖掘铲形式单一,结构简单,在挖掘薯块时粘土现象严重，入土阻力大，破土、碎土能力差，伤薯断薯率较高,在复杂的地况条件下,存在适应性差，可靠性低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能有效地掘起土壤和薯块，入土性能好，破土、碎土能力强，脱土效果好和挖掘阻力小，能提高挖掘薯块的作业效率及马铃薯收获机整机性能的马铃薯收获机仿生减阻挖掘铲。

本发明由3个铲齿1、触土铲面Ⅰ2、铲柄3、凸起面5、触土铲面Ⅱ7和凹陷面8组成，其中触土铲面Ⅰ2和凸起面5位于挖掘铲正面，凸起面5设于触土铲面Ⅰ2中部，凸起面5中纵截面轮廓线C的a点与铲柄3底端f-g直线中点重合，凸起面5的横截面轮廓线G为j-k曲线；触土铲面Ⅱ7和凹陷面8位于挖掘铲反面，凹陷面8设于触土铲面Ⅱ7中部，触土铲面Ⅰ2和触土铲面Ⅱ7中弧形轮廓线E的e点与铲齿1的外轮廓曲线D的e点重合；3个铲齿1位于挖掘铲前端；触土铲面Ⅰ2、铲柄3、3个沉头螺钉孔4、凸起面5、触土铲面Ⅱ7和凹陷面8关于纵轴线6对称设置；铲齿1、触土铲面Ⅰ2、铲柄3、触土铲面Ⅱ7和凹陷面8为一体结构，凹陷面8与触土铲面Ⅱ7的边缘轮廓线F为h-i曲线；铲柄3顶端为长方形，以圆弧过渡至底端，并与触土铲面Ⅰ2和触土铲面Ⅱ7的顶端固接；铲柄3上设有呈三角形排列的3个沉头螺钉孔4。

所述挖掘铲铲齿1的外轮廓曲线D(d-e)是通过蜣螂前足胫节中齿仿生反求得到,其数学表达式为：y＝0.235x²-1.56x，式中x的边界取值范围为：x∈[-15,10]，经检验，铲齿1的外轮廓曲线D的拟合精度R²为：R²＝0.9863。

所述挖掘铲触土铲面Ⅰ2和触土铲面Ⅱ7沿B-B截面的基体弧形轮廓线E，即e-f曲线，呈弧形结构，弧形结构是基于蜣螂前足胫节端齿的外缘轮廓线仿生反求得到，其数学表达式为：y＝0.000003x³-0.000002466x²-0.0000075484x，式中x的边界取值范围为：x∈[50,350]。

所述挖掘铲上的凸起面5的横截面轮廓线G(j-k)曲线的数学表达式为：

y＝0.00005x⁴-7×10^-8x³-0.028x²-0.0011x-48.948，式中x的边界取值范围为：x∈[-17,17]；

所述挖掘铲上的凸起面5沿纵轴线6方向的纵截面轮廓线C(a-b)的数学表达式为：

y＝5×10^-6x³-0.0023x²+0.0661x，式中x的边界取值范围为：x∈[-65,125]。

所述的仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，其特征在于所述铲柄3上设置有3个沉头螺钉孔。铲柄的形状特征在于其沿着铲柄的纵轴线6向两边以圆弧过度至铲面的顶端并与顶端面相切。

所述挖掘铲的凹陷面8与触土铲面Ⅱ7的边缘轮廓线F的数学表达式为：

y＝227.54-6×10^-7x³+0.0013x²-0.2632x，式中x的边界取值范围为：x∈[-150,350]。

本发明的挖掘铲齿1是基于蜣螂前足胫节的中齿仿生曲线设计的,铲齿1前端布置3个铲齿，其中仿生铲齿具有特定曲率的几何形状，通过三维扫描，再经最小二乘法及二维直角坐标系得到各齿轮廓线及外侧轮廓线的拟合方程。该仿生结构可以模仿蜣螂前足掘土机制，有利于挖掘铲入土，减小入土阻力及粘土现象。

本发明的基体弧形结构轮廓线E是基于蜣螂前足胫节端齿的外缘轮廓线仿生反求而来的，蜣螂在掘土前行时，前足胫节端齿的外轮廓面是最先入土的，具有入土省力的效果，基体的外轮廓特征曲线模仿蜣螂前足胫节端齿的外轮廓曲线，该仿生几何结构能够改变土壤在与其接触表面的运动状态，达到入土减阻效果，凸起面5有利于破土与碎土，同时具备引导土块分流的作用，有利于土壤颗粒的输送与分离，减少土壤与铲面的粘附力与摩擦力，从而起到减阻效果。触土铲面Ⅱ7上设有凹陷面8，当挖掘铲进行作业时，凹陷面8有利于降低土壤颗粒与触土铲面Ⅱ7的实际接触面积，达到减小土壤与触土铲面Ⅱ7的粘附力与摩擦阻力。同时,基体的弧形结构使土壤沿着挖掘铲铲面的运动形式由原来的滑动接触改变为滚动接触，很大程度上降低土壤对铲面的摩擦阻力。上述的原因都将减小土壤对整个挖掘铲触土铲面的粘附力及阻力。

本发明将挖掘仿生铲齿与弧形基体铲面结合设计,能有效地快速省力入土并掘起土壤和薯块,解决了现有挖掘铲存在入土阻力大,铲面粘土现象严重，破土、碎土能力差等问题，具有入土性能好、破土、碎土能力强、脱土效果好和牵引阻力小的特点,能提高马铃薯挖掘效率及马铃薯收获机整机性能。

本发明适用性强，可显著提高马铃薯挖掘铲的入土能力和减阻脱附性能，比传统的马铃薯挖掘铲减阻性能提高30％以上。

附图说明

图1为仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲的轴侧图

图2为仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲的触土铲面Ⅰ平面展开图

图3为仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲的触土铲面Ⅱ平面展开图

图4为图3中A-A截面视图

图5为图3中B-B截面视图

其中：1.铲齿 2.触土铲面Ⅰ 3.铲柄 4.沉头螺钉孔 5.凸起面 6.纵轴线 7.触土铲面Ⅱ 8.凹陷面

具体实施方式

如图1、图2、图3所示的仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，由3个铲齿1、触土铲面Ⅰ2、铲柄3、凸起面5、触土铲面Ⅱ7和凹陷面8组成，其中触土铲面Ⅰ2和凸起面5位于挖掘铲正面，凸起面(5)设于触土铲面Ⅰ2中部，凸起面5中纵截面轮廓线C的a点与铲柄3底端f-g直线中点重合，凸起面5的横截面轮廓线G为j-k曲线；触土铲面Ⅱ7和凹陷面8位于挖掘铲反面，凹陷面8设于触土铲面Ⅱ7中部，触土铲面Ⅰ2和触土铲面Ⅱ7中弧形轮廓线E的e点与铲齿1的外轮廓曲线D的e点重合；3个铲齿1位于挖掘铲前端；触土铲面Ⅰ2、铲柄3、3个沉头螺钉孔4、凸起面5、触土铲面Ⅱ7和凹陷面8关于纵轴线6对称设置；铲齿1、触土铲面Ⅰ2、铲柄3、触土铲面Ⅱ7和凹陷面8为一体结构，凹陷面8与触土铲面Ⅱ7的边缘轮廓线F为h-i曲线；铲柄3顶端为长方形，以圆弧过渡至底端，并与触土铲面Ⅰ2和触土铲面Ⅱ7的顶端固接；铲柄3上设有呈三角形排列的3个沉头螺钉孔4，沉头螺钉孔可在钻床上加工而得。

如图2、图3所示，所述的仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，其触土铲面Ⅰ2和触土铲面Ⅱ7沿纵轴线6呈弧形结构，弧形结构是基于蜣螂前足胫节端齿的外缘轮廓线仿生反求而来的，弧形结构轮廓线E(e-f曲线)的数学表达式为：

y＝0.000003x³-0.000002466x²-0.0000075484x，式中x的边界取值范围为：x∈[50,350]。弧形结构轮廓可用线切割加工而得。

如图2、图3所示的仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，其特征在于所述铲齿1外轮廓曲线D是通过蜣螂前足胫节中齿仿生反求得到的，外轮廓曲线D的数学表达式为：y＝0.235x²-1.56x，式中x的边界取值范围为：x∈[-15,10]，经检验，各齿轮廓曲线的拟合精度R²为：R²＝0.9863。所述挖掘铲齿一组共3个，中齿两端各布置左右两铲齿。所述的三个仿生挖掘铲齿的夹角范围为：[30°，45°]。铲齿1可由线切割加工而得。

如图2所示的一种仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，所述触土铲面Ⅰ2上布置有凸起面5，凸起面5的横截面轮廓线G(j-k曲线)的数学表达式为：

y＝0.00005x⁴-7×10^-8x³-0.028x²-0.0011x-48.948，式中x的边界取值范围为：x∈[-17,17]。凸起面5沿纵轴线6方向的纵截面轮廓线C(a-b曲线)的数学表达式为：

y＝5×10^-6x³-0.0023x²+0.0661x，式中x的边界取值范围为：x∈[-65,125]。

凸起面5用线切割加工出来后，沿着纵轴线6对称焊接在触土铲面Ⅰ2上。

如图5所示，触土铲面弧形结构的外轮廓曲线是基于蜣螂前足胫节前端齿的外轮廓曲线仿生反求而得，弧形轮廓模仿蜣螂在掘土过程中前足端齿的优异入土性能，使整个挖掘铲呈现楔形入土，其入土楔角α的范围为：[20°,45°]。凸起面5结构不仅能改变土壤与铲面的接触角，使土壤在铲面的运动形式由滑动变为滚动，而且还能进行破土碎土，减少土壤与铲面的接触面积，防止土壤粘附在铲面上，从而减少挖掘铲作业阻力，同时还可对铲面土壤进行分流引导，利于铲面脱土去粘，有利于挖掘铲作业时阻力及土壤的摩擦力降低。

如图2、图3所示，所述的仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，其铲柄3上设置有3个沉头螺钉孔。铲柄3的形状沿着铲柄的纵轴线向两边以圆弧过度至挖掘铲触土铲面的顶端并与顶端面相切，铲柄与基体铲面顶端过渡圆弧的半径为r＝50mm。铲面顶端宽度范围为100mm＜B＜180mm，前端入土挖掘铲齿的宽度为100mm，铲面顶端处的宽度为180mm。

如图3所示，所述的仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，其特征在于所述凹陷面8与触土铲面Ⅱ7的边缘轮廓线F(h-i曲线)的数学表达式为：y＝227.54-6×10^-7x³+0.0013x²-0.2632x，式中：x的边界取值范围为：x∈[-150,350]。

所述的仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲，其凹陷面8横向跨度值是沿着纵轴线6方向是对称分布，呈中间窄，两端逐渐变宽的趋势，凹陷面8结构的轨迹构造线为椭圆结构，加工时应依具体情况而定。凹陷面8结构有利于基体下触土铲面在挖掘作业时减少土壤与下触土铲面的实际接触面积，从而减少了土壤的粘附力及相对铲面的摩擦阻力，进一步达到挖掘铲减阻效果。

如图5所示，所述的一种仿生减阻马铃薯收获机挖掘铲铲齿的入土端铲刃下前斜端面与水平面之间的夹角为铲齿间隙角θ，间隙角θ是引起铲刃对其下面和侧面土壤压实的主要因素，本发明设计的铲刃间隙角θ范围为：[3°,6°]。此结构不仅能保证挖掘铲的入土能力，而且在保证楔入力尽量大的条件下,挖掘铲入土端能够改变压实土壤的形状,减少土壤粘附，达到减阻的目的。