一种马铃薯仿生挖掘铲的制作方法

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种马铃薯仿生挖掘铲。

背景技术：

马铃薯的挖掘是其收获的重要工序，挖掘铲的工作性能直接影响着马铃薯的收获效果，要求其具有较好的碎土能力和挖掘阻力，在扰动尽量少的土壤的情况下将马铃薯挖起，并尽可能的减少黏土和缠草，同时使薯土分离尽可能彻底以及最大限度地减少遗漏和伤薯。现有的马铃薯挖掘铲以平面铲、凹面铲、槽式铲、栅条铲为主，这些挖掘铲要么容易缠草和黏土，要么薯土分离效果不理想，使得机器能耗较高。而随着马铃薯种植规模的不断扩大，这些传统形式的挖掘铲已逐渐难以实现高强度的连续工作，因此，设计出碎土能力强、薯土分离效果好、伤薯率较低、不易缠草和黏土、挖掘阻力小的新型挖掘铲是很有必要的。

一些动物或植物的某些器官或结构，在挖掘和切割过程中表现出了优异的工作性能，这与挖掘铲的挖掘过程有一定的相似性：例如鼹鼠等土壤动物的爪趾呈铲形，与挖掘铲非常相像，长期挖掘后仍表现出良好的工作性能；穿山甲鳞片在横纵方向存在着凸起，使得穿山甲在土壤中活动后很少黏土；螳螂前足胫节外缘、茅草叶片外缘存在着锯齿结构，表现出良好的切割性能。上述这些结构对马铃薯挖掘铲的设计提供了良好的仿生依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有马铃薯挖掘铲工作阻力大、容易缠草和黏土、薯土分离效果不理想等问题，提出了一种基于鼹鼠爪趾、穿山甲鳞片、茅草叶缘结构的仿生挖掘铲，以降阻减耗，提高挖掘铲工作效率。

本发明挖掘铲的外轮廓由ab段直线、bc段曲线、cd段直线、df段直线、fg段直线、gh段曲线、ha段直线顺序首尾光滑连接而成，其中a、b、h、a点连接形成入土段a，b、c、g、h、b点连接形成升土段b，c、d、f、g、c点连接形成安装段c。

安装段c、升土段b和入土段a为关于挖掘铲上ae中线的对称结构。

升土段b的bc段曲线和gh段曲线为仿生曲线g。

入土段a为等腰三角形，三角形高l1为40-50mm，三角形的ab和ah两腰上加工出斜面8后对称设有锯齿7，斜面8与挖掘铲背面d的夹角β为30°，锯齿7为等边三角形，三角形边长l3为5mm，三角形铲尖处两侧设有2-3个锯齿的空白。

升土段b曲面为仿生曲面，升土段b正面上对称设有5个长凸棱2、2个中长凸棱4、2个短凸棱6和4个大漏土孔3、2个小漏土孔5。

安装段c、升土段b的宽度和入土段a三角形底边bh的长度w均为160-180mm；安装段c、升土段b和入土段a的厚度h均为6-8mm；安装段c的长度l2为90-100mm；安装段c上设有3个沉头孔1，3个沉头孔1关于挖掘铲上ae中线呈三角形对称布置，其中左右2个沉头孔的间距l6为80-100mm、与安装段c上端df直线的间距l5为25-35mm，中间的沉头孔与安装段c上端df直线的间距l4为55-65mm；挖掘铲的安装角α为25-30°。

所述升土段b的仿生曲线g的方程式为：

其中：102mm≤x≤240mm；

所述长凸棱2、中长凸棱4和短凸棱6的横截面外轮廓的方程式为:

y＝2sin0.6283x

其中：0mm<x≤5mm。

所述的5个长凸棱2、2个中长凸棱4、2个短凸棱6在升土段b的正面按扇形排列，两个相邻凸棱之间的夹角γ为7.5°，5个长凸棱2、2个中长凸棱4和2个短凸棱6均以升土段b和入土段a的分界线bh为起点，其中5个长凸棱2延伸至安装段c与升土段b的分界线cg，左边的1个中长凸棱4和1个短凸棱6延伸至曲线bc处，右边的1个中长凸棱4和1个短凸棱6延伸至曲线gh处。

所述的4个大漏土孔3和2个小漏土孔5均为扇形，扇形的原点均在半径r1为120mm的圆周上，扇形的圆心角φ均为7.5°。

4个大漏土孔3大小相等，其顶部圆弧在半径r3为225-230mm的圆周上，2个小漏土孔5大小相等，其顶部圆弧在半径r2为185-195mm的圆周上。

4个大漏土孔3间隔置于5个长凸棱2之间，左边的小漏土孔5置于左边的长凸棱2和中长凸棱4之间，右边的小漏土孔5置于右边的长凸棱2和中长凸棱4之间。

4个大漏土孔3和2个小漏土孔5与两侧凸棱的距离相等。

本发明中入土段两切削刃倒角后在铲尖形成三面楔结构，具有良好的入土能力，两切削刃上的锯齿结构可以提高马铃薯挖掘过程中对土壤的切削作用；升土段具有的仿生曲面结构具有减阻降耗的作用，曲面上的凸起可以对挖起的土壤起到二次切削的作用，从而减少土壤粘附；漏土孔在保证挖掘铲强度的前提下可以减少材料消耗，还可以一定程度上地提高薯土分离效果，从而减小马铃薯收获机械中后续输送及分离装置的工作负担。

附图说明

图1为马铃薯仿生挖掘铲的结构示意图

图2为凸棱和漏土孔分布示意图

图3为马铃薯仿生挖掘铲的侧视图

图4为图2中i所指的锯齿形状放大图

图5为图2中j所指的入土段倒角剖视图

图6为沉头孔分布示意图

其中：a.入土段b.升土段c.安装段d.挖掘铲背面1.沉头孔2.长凸棱3.大漏土孔4.中长凸棱5.小漏土孔6.短凸棱7.锯齿8.斜面

h.挖掘铲厚度l1-入土段长度l2-安装段长度l3-等边三角形锯齿的边长l4-前安装孔与挖掘铲末端的距离l5-后安装孔与挖掘铲末端的距离l6-后安装孔之间距离α.挖掘铲安装角β.入土段三角形两腰倒角γ.两相邻仿生凸棱之间的夹角φ.扇形漏土孔的圆心角θ.锯齿顶角角度

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明所述的马铃薯挖掘铲，外轮廓由ab段直线、bc段曲线、cd段直线、df段直线、fg段直线、gh段曲线、ha段直线顺序首尾光滑连接而成，其中a、b、h、a点连接形成入土段a，b、c、g、h、b点连接形成升土段b，升土段b的bc段曲线和gh段曲线为仿生曲线g；c、d、f、g、c点连接形成安装段c；安装段c、升土段b和入土段a为关于挖掘铲上ae中线的对称结构；安装段c、升土段b的宽度和入土段a三角形底边bh的长度w均为160-180mm；安装段c、升土段b和入土段a的厚度h均为6-8mm；安装段c的长度l2为90-100mm。

入土段a为等腰三角形，三角形高l1为40-50mm，三角形的ab和ah两腰上加工出斜面8后对称设有锯齿7，斜面8与挖掘铲背面d的夹角β为30°，锯齿7为等边三角形，三角形边长l3为5mm，三角形铲尖处两侧设有2-3个锯齿的空白；

如图2、图4和图5所示，入土段a为等腰三角形，三角形高l1为40-50mm，三角形的ab和ah两腰上加工出斜面e后对称设有锯齿5，斜面e与挖掘铲背面d的夹角β为30°，锯齿1为等边三角形，三角形锯齿的边长l3为5mm，三角形铲尖处两侧各设有2-3个锯齿的空白以保证铲尖强度。入土段两切削刃加工出斜面e后在铲尖形成三面楔结构，具有良好的入土能力，两切削刃上的锯齿结构可以提高马铃薯挖掘过程中对土壤的切削作用和破碎作用。

如图2所示，升土段b的曲面为仿生曲面，bc段曲线和gh段曲线为仿生曲线g，其方程式为：

其中102mm≤x≤240mm，该曲线方程是以鼹鼠左前爪第3爪趾为原型通过仿生反求的方法获得，拟合度为升土段b正面上对称设有5个长凸棱2、2个中长凸棱4、2个短凸棱6和4个大漏土孔3、2个小漏土孔5，凸棱横截面外轮廓方程式为：

y＝2sin0.6283x

其中：0mm<x≤5mm，该曲线是以穿山甲鳞片为原型通过仿生反求的方法获得，拟合度为5个长凸棱2、2个中长凸棱4、2个短凸棱6在升土段b的正面等间距地按扇形排列，两个相邻凸棱之间的夹角γ为7.5°，9个凸棱均以升土段b和入土段a的分界线bh为起点，其中5个长凸棱2延伸至安装段c与升土段b的分界线cg，左边的1个中长凸棱4和1个短凸棱6延伸至曲线bc处，右边的1个中长凸棱4和1个短凸棱6延伸至曲线gh处；4个大漏土孔3、2个小漏土孔5均为扇形，且与两侧凸棱的距离相等，扇形的原点均在半径r1为120mm的圆周上，扇形的圆心角φ均为7.5°，其中，4个大漏土孔3大小相等，间隔置于5个长凸棱2之间，4个大漏土孔3的顶部圆弧在半径r3为225-230mm的圆周上，2个小漏土孔5大小相等，左边的小漏土孔置于左边的长凸棱和中长凸棱之间，右边的小漏土孔置于右边的长凸棱和中长凸棱之间，2个小漏土孔5的顶部圆弧在半径r2为185-195mm的圆周上；升土段具有的仿生曲面结构使得其正面具有连续变化的曲率(由小变大)，具有减阻降耗的作用；曲面上的凸棱可以对挖起的土壤起到二次切削的作用，还可以改变土壤在升土段正面上的运动状态，在凸棱之间形成涡旋，从而减少土壤粘附；漏土孔在保证挖掘铲强度的前提下可以减少材料消耗，还可以一定程度上地提高薯土分离效果，从而减小马铃薯收获机械中后续输送及分离装置的工作负担。

如图6所示，安装段c上设有3个沉头孔1，3个沉头孔1关于挖掘铲上ae中线呈三角形对称布置，其中左右2个沉头孔的间距l6为80-100mm、与安装段c上端df直线的间距l5为25-35mm，中间的沉头孔与安装段c上端df直线的间距l4为55-65mm，位置参数l5、l6、l4根据实际情况以保证挖掘铲与机器的连接强度为前提来确定。

如图3所示，为保证挖掘铲工作过程中阻力尽可能低，应尽量将安装角α控制在25-30°的范围内。

本发明所述的马铃薯挖掘铲，可以先用板材按照尺寸加工出外部形状，再根据前面所述的曲线方程折弯后得到。其中，仿生凸棱可以采用焊接的方式与母体连接，漏土孔可采用冲裁的方式加工得到。