一种仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲的制作方法

本发明属农业机械技术领域，具体涉及一种仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲。

背景技术：

马铃薯挖掘铲的的主要任务是在于掘出薯块并在土垄推力下将薯块与附带的泥土运送至分离分级装置进行下一步处理。挖掘性能是评价马铃薯收获机具性能的一个重要指标，而挖掘铲是影响挖掘性能以及马铃薯收获机整机性能的主要因素。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，挖掘铲面形状大都为平铲(三角铲、条形铲)、凹面铲、槽形铲，这些传统的马铃薯挖掘铲的特征在于其横截面的形状是梯形或近梯形，这类横截面形状导致挖掘铲在挖掘薯块时由于土壤与铲面的实际接触面积大及粘土严重而导致挖掘入土阻力大，进而致使挖掘铲作业时阻力大，能耗高，破土、碎土能力差，伤薯率较高，在复杂的地况条件下,存在适应性差，可靠性低等问题。因此，本发明所要解决的技术问题是设计一种波浪形截面的仿生减阻马铃薯挖掘铲，来解决目前马铃薯收获机挖掘阻力大，能耗高，破土碎土能力差，脱土效果差等技术问题，提高马铃薯收获机整机作业性能与效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种马铃薯收获机波浪形截面的仿生减阻挖掘铲，能有效地掘起土壤和薯块，具有入土性能好，脱土效果好，破土、碎土能力强以及挖掘阻力小等特点,能提高挖掘薯块的作业效率及马铃薯收获机整机性能。为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明由铲面1和铲柄2组成，其特征在于：所述铲面1的入土前端三角区设有入土挖掘面铲刃5；铲柄2上设有2个沉孔4，铲柄2下端与铲面1上端圆滑过渡；铲柄2两端为过渡圆弧，过渡圆弧的圆心在纵向中轴线3上，过渡圆弧半径为：90-120mm；铲柄2为平面结构，铲面1的形状是关于纵向中轴线3左右对称分布；铲面1具有横截面轮廓曲线A和纵截面轮廓曲线C,铲面1的厚度h为4-6mm，铲面1入土前端挖掘面呈三角区，其夹角θ为：50-70⁰；铲刃5上端设有半径R为4mm的过渡圆角。

所述的横截面轮廓曲线A的数学表达式为：

式中：2.5表示铲面波形的波动幅值；0.3表示铲面波形的圆频率；t为铲面波形的弧度角；为所述表达式的初相，t的边界取值范围为-30π～30π，整个挖掘铲基体横截面轮廓呈现波浪形状，显著区别于现有马铃薯挖掘铲梯形横截面结构。

所述的仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲，其基体的纵向弧形结构轮廓线是基于蝼蛄前足爪趾外端轮廓线仿生反求设计而来，所述纵截面轮廓曲线C的数学表达式为：

y＝4×10^-6x³-0.0018x²+0.5186x

式中：x的边界取值范围为100-400mm。

经检验，基体的纵向的轮廓曲线的拟合度为R²＝0.9986。

所述挖掘铲入土挖掘面前端的铲刃5底部与水平面之间设有取值范围为：δ∈3～5°的间隙角δ。

本发明基体的纵截面弧形结构的轮廓线是基于东方蝼蛄前足外端爪趾的外轮廓线仿生反求设计而来。其中仿生基体弧形结构均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挖掘铲基体弧形结构外侧轮廓线的拟合方程。该仿生结构可以模仿东方蝼蛄前足掘土机制，有利于挖掘铲快速省力入土，从而减小入土阻力。

本发明的波浪形截面的挖掘铲铲面是基毛蚶外壳横截面轮廓线仿生反求设计的，其中仿生铲面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铲面横截面轮廓线的拟合方程。波浪形仿生截面模仿栉孔扇贝的外壳轮廓，可以提高铲面的耐磨性。由于铲面的波浪形截面结构，该仿生几何结构不仅能够改变土壤在与铲面的运动状态，还能改变土壤与铲面的接触角。例如上铲面的凸起结构有利于破土与碎土，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。同时，下触土铲面，有利于降低土壤颗粒与下触土铲面表面的实际接触面积，达到减小土壤与下触土铲面的粘附力与摩擦阻力，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基体的上下触土铲面表面的粘附力及阻力，使铲面整体呈现耐磨性高的优势。

本发明仿生弧形挖掘铲基体与波浪形截面铲面结合设计,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,伤薯率较高等问题,具有入土性能好、破土、碎土能力强、脱土效果好、耐磨及牵引阻力小的特点,能提高马铃薯挖掘效率及马铃薯收获机整机性能。

本发明专利的有益效果是:其一、本发明改善了现有马铃薯挖掘铲面的几何形状,将毛蚶外壳横截面的轮廓线的几何形状为仿生原型，设计了波浪形截面仿生挖掘铲，这样的结构有利于挖掘铲在掘土时能够顺利破土、碎土、达到耐磨的效果，而且有利于引导分流在铲面的土壤至后面的输送分离装置,从而提高脱土性能。整个铲面的横截面为波浪形，这样的结构可以减小土壤与触土铲面的接触面积，并且能够改善挖掘铲掘土时的土壤应力分布,改变被挖掘的土壤形状,减少土壤粘附与摩擦，从而降低挖掘阻力，提高耐磨性，经实验验证，比传统现有马铃薯挖掘铲减阻耐磨性提高15％以上。

其二、本发明的挖掘铲基体纵向弧形结构的设计基于东方蝼蛄前足爪趾外轮廓曲线仿生反求而得，利用东方蝼蛄前足爪趾优异的掘土性能，提高挖掘铲入土性能。

附图说明

图1为仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲的轴侧图

图2为仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲的展开平面图

图3为图1中B-B截面视图

图4为图3中D所指的放大图

其中：A.横截面轮廓线 C.纵截面轮廓线 1.铲面 2.铲柄 3.纵向中轴线 4.沉孔 5.入土挖掘面铲刃

具体实施方式

如图1、图3和图4所示，所述的一种仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲，由铲面1、铲柄2组成，所述铲面1的入土前端三角区设有入土挖掘面铲刃5；铲柄2上设有2个沉孔4，铲柄2下端与铲面1上端圆滑过渡；铲柄2两端为过渡圆弧，过渡圆弧的圆心在纵向中轴线3上，过渡圆弧半径为：90-120mm；铲柄2为平面结构，铲面1的形状是关于纵向中轴线3左右对称分布；铲面1具有横截面轮廓曲线A和纵截面轮廓曲线C,铲面1的厚度h为4-6mm，铲面1入土前端挖掘面呈三角区，其夹角θ为：50-70⁰。铲刃5上端设有半径R为4mm的过渡圆角。整个铲面的基材为65Mn的钢板，铲面结构可由线切割加工完成，或者冲压而得，铲柄沉孔直接在钻床上加工而得。

如图1、图2所示，所述的仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲，铲面1的横截面轮廓曲线A是基于毛蚶横截面轮廓仿生仿形设计而来，所述的横截面轮廓曲线A的数学表达式为：

式中：2.5表示铲面波形的波动幅值；0.3表示铲面波形的圆频率；t为铲面波形的弧度角；为所述表达式的初相，t的边界取值范围为-30π～30π。整个挖掘铲基体横截面轮廓呈现波浪形状，横截面结构可由线切割加工或者在板材的基础上冲压而得。整个挖掘铲显著区别于现有马铃薯挖掘铲梯形横截面结构。

如图1所示的波浪形截面铲面在入土作业时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，防止土壤粘附在铲面上，从而减少挖掘铲作业阻力；几何单体能降低土壤颗粒与铲面的接触面积，同时还可对铲面土壤进行分流引导，利于铲面脱土去粘，上述原因均使挖掘铲作业时阻力及土壤的摩擦力降低。同时，波浪形截面仿生结构还可以提高挖掘铲的耐磨性。

如图3所示，所述的仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲，其基体的纵向弧形结构轮廓线是基于蝼蛄前足爪趾外端轮廓线仿生反求设计而来，所述纵截面轮廓曲线C的数学表达式为：

y＝4×10^-6x³-0.0018x²+0.5186x

式中：x的边界取值范围为100-400mm。

经检验，基体的纵向的轮廓曲线的拟合度为R²＝0.9986。该仿生结构利用蝼蛄前足爪趾优异的掘土能力，利于挖掘土壤时能够尽量降低土壤阻力，最终达到省力的目的，从而降低挖掘入土阻力以及牵引阻力。

如图3、图4所示所述的仿生减阻耐磨马铃薯挖掘铲，所述挖掘铲入土挖掘面前端的铲刃5底部与水平面之间设有取值范围为：δ∈3～5°的间隙角δ。间隙角δ是引起铲刃对其下面和侧面土壤压实的主要因素，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。