一种适用于粘重壤土的仿生减粘降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粘降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。东北地区是我国马铃薯种植主场之一，马铃薯收获机是实现马铃薯种植户增产增收的重要保障，然而东北多为粘重壤土，在收获过程中，马铃薯挖掘铲土壤粘附现象十分突出，严重影响了该地区马铃薯收获的效益。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，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，减粘防粘性能佳，脱土效果好，挖掘阻力小，能提高挖掘薯块的作业效率及降低马铃薯收获机挖掘能耗的仿生减粘降阻马铃薯收获机挖掘铲。

本发明由固定螺孔1、上触土铲面2、凸起面Ⅰ3、凹陷面Ⅰ4、铲柄5、下触土铲面7、凸起面Ⅱ8、凹陷面Ⅱ9组成，其中上触土铲面2上设有凸起面Ⅰ3、凹陷面Ⅰ4；下触土铲面7上设有凸起面Ⅱ8、凹陷面Ⅱ9；凸起面Ⅰ3和凸起面Ⅱ8的a-b曲线为轮廓线C，其中轮廓线C两端的连线(直线)与中轴线6的夹角α为24°。

上触土铲面2中横截面的i-j曲线为轮廓线G；上触土铲面2的侧面为d-k直线；上触土铲面2中入土前端侧面的d-c曲线为边缘轮廓线D；上触土铲面2中入土前端为c-g直线，其中d-c曲线的d点与d-k直线的d点重合，d-c曲线的c点与c-g直线的c点重合。

铲柄5与上触土铲面2相交于直线e-k，其中铲面的长度h-g为240-270mm，上触土铲面2的侧面长度d-k为140-160mm；铲面基底的厚度δ为6-9mm。

d-k直线、d-c曲线、c-g直线、凸起面Ⅰ3、凹陷面Ⅰ4、凸起面Ⅱ8和凹陷面Ⅱ9均关于中轴线6对称分布。

下触土铲面7的入土端后底部设有铲刃10；下触土铲面7的入土端设有楔形铲刃11。

所述边缘轮廓线D的数学表达式为：y＝-0.053x²+3.7768x，式中：x为：40～85mm。

所述轮廓线G的数学表达式为：y＝0.00283x²-1.2887x，式中：x为：135～320mm。

所述上触土铲面2为圆弧状的凸起面，下触土铲面7为圆弧状的凹陷面，圆弧端点i、j关于中心点O左右对称布置，圆弧端点i-j的间距为L₀，圆弧中心点与i-j直线的间距为H₀，且L₀:H₀＝11.47:1。

所述凸起面Ⅰ3与凹陷面Ⅰ4、凸起面Ⅱ8与凹陷面Ⅱ9均为圆弧连接，其中凸起面Ⅰ3与凸起面Ⅱ8上边线设有圆角r∈0.2～0.3mm，凸起面Ⅰ宽度B₁与凹陷面Ⅱ宽度B₂比为：B₁：B₂＝5：1；凸起面Ⅰ3和凸起面Ⅱ8的高度h₁为：h₁∈0.3～0.5mm；凹陷面Ⅰ4和凹陷面Ⅱ9为圆弧结构，其中圆弧半径r₁为：r₁∈0.20～0.35mm，凹陷面Ⅰ4与凹陷面Ⅱ9的最大深度h₂为：h₂∈0.1～0.3mm。

所述轮廓线C的数学表达式为：y＝-0.01106x²+1.9801x，式中：x为：-20～100mm。

所述轮廓线C按凸起面Ⅰ宽度B₁+凹陷面Ⅱ宽度B₂的距离平行分布于上触土铲面2和下触土铲面7上。

所述的铲刃10与水平面之间的间隙角φ为：φ∈3°～6°；所述楔形铲刃11的楔角θ为：θ∈20°～40°；楔形铲刃11的绝对长度W为：W∈30～50mm。

本发明的挖掘铲是基于白茅根外围的膜质叶鞘仿生设计的,通过电镜试验观测，确定白茅根外围膜质叶鞘的微观几何结构，再经同等比例设计仿生挖掘铲，部分曲线经最小二乘法及二维直角坐标系得到外侧轮廓线的拟合方程。该仿生结构可以模仿白茅根膜质叶鞘的减粘减阻机制，有利于挖掘铲入土，减小入土阻力及粘土现象。

本发明的基体横截面弧形结构轮廓线G是基于白茅根膜质叶鞘的很截面弧形结构仿生反求而来的，膜质叶鞘作为保护白茅根的重要部分，常年在土壤中直接与土壤接触而不粘土，克服土壤阻力以保证白茅根的顺利生长。膜质叶鞘的尖端是随白茅根生长的，具有破土省力的效果。基体的凸拱面是直接与土壤接触的，整体具有破土能力。其次，凸拱面表面附有规律的条形凸起面与凹陷面，顺着根部生长的方向排列，凸起面与凹陷面是并列排序相间而行，其中凸起面近似梯形结构，凹陷面为圆弧结构。本发明的仿生几何结构能够改变土壤在与其接触表面的运动状态，达到入土减阻防粘的效果。上触土铲面基于膜质叶鞘的凸拱面仿生设计，整体有利于破土与碎土，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。触土铲面的微观结构具有疏水效果，起到防粘作用。

附图说明

图1为适用于粘重壤土的仿生减粘降阻马铃薯收获机挖掘铲的主视图一

图2为适用于粘重壤土的仿生减粘降阻马铃薯收获机挖掘铲的主视图二

图3为图1中A-A截面视图

图4为图3中S所指的放大图

图5为图4中E所指的放大图

图6为图1中B-B截面视图

其中：1.固定螺孔 2.上触土铲面 3.凸起面Ⅰ 4.凹陷面Ⅰ 5.铲柄 6.中轴线 7.下触土铲面 8.凸起面Ⅱ 9.凹陷面Ⅱ 10.铲刃 11.楔形铲刃

具体实施方式

如图1--图6所示，本发明为一体化基体结构，主要由固定螺孔1、上触土铲面2、凸起面Ⅰ3、凹陷面Ⅰ4、铲柄5、下触土铲面7、凸起面Ⅱ8、凹陷面Ⅱ9组成，其中上触土铲面2上设有凸起面Ⅰ3、凹陷面Ⅰ4；下触土铲面7上设有凸起面Ⅱ8、凹陷面Ⅱ9；呈凸拱状一面为挖掘铲上触土面2，呈内凹状一面为挖掘铲下触土铲面7。

所述的凸起面Ⅰ3和凸起面Ⅱ8的a-b曲线为轮廓线C，其中轮廓线C两端的连线(直线)与中轴线6的夹角α＝24°；

上触土铲面2中横截面的i-j曲线为轮廓线G；上触土铲面2的侧面为d-k直线；上触土铲面2中入土前端侧面的d-c曲线为边缘轮廓线D；上触土铲面2中入土前端为c-g直线，其中d-c曲线的d点与d-k直线的d点重合，d-c曲线的c点与c-g直线的c点重合，

铲柄5与上触土铲面2相交于直线e-k，其中铲面的长度h-g为240-270mm，上触土铲面2的侧面长度d-k为140-160mm；铲面基底的厚度δ为6-9mm；

d-k直线、d-c曲线、c-g直线、凸起面Ⅰ3、凹陷面Ⅰ4、凸起面Ⅱ8和凹陷面Ⅱ9均关于中轴线6对称分布；

下触土铲面7的入土端后底部设有铲刃10；下触土铲面7的入土端设有楔形铲刃11。

整个挖掘铲基体的结构可由线切割机床加工而得。凸起面Ⅰ3、凹陷面Ⅰ4、凸起面Ⅱ8、凹陷面Ⅱ9均可由数控机床或激光雕刻机加工而得。铲柄5位于铲面顶端，与铲面顶端固接。固定螺孔1可由钻床加工而得。

如图1所示，所述挖掘铲的入土端呈三角形区域是基于白茅根膜质叶鞘顶端的三角形区域仿生反求而得，所述挖掘铲入土端布置有有关于中轴线6左右对称的边缘轮廓线D，边缘轮廓线D为c-d曲线，其中c-d曲线与直线c-g在c点重合，轮廓线D的数学表达式为：

y＝-0.053x²+3.7768x，式中x为：40～85mm。

如图3所示，所述挖掘铲基体结构是基于白茅根膜质叶鞘仿生反求而得。其横截面轮廓线G(i-j曲线)是通过白茅根膜质叶鞘横截面弧形结构仿生反求得到,轮廓线G的数学表达式为：y＝0.00283x²-1.2887x，式中x为：135～320mm。

所述挖掘铲横截面的弧形结构的端点线性距离L₀(i-j处的)与弧线中心点到i-j直线之间的距离H₀比为L₀:H₀＝11.47:1。轮廓G的结构可由线切割加工而得。

如图1、图4、图5所示，所述的凸起面Ⅰ3、凸起面Ⅱ8的轮廓线C为a-b曲线，轮廓线C的数学表达式为：y＝-0.01106x²+1.9801x，式中x为：-20～100mm。

如图4、图5所示，所述凸起面Ⅰ3与凹陷面Ⅰ4圆弧过渡连接、凸起面Ⅱ8与凹陷面Ⅱ9为圆弧过渡连接，其中凸起面Ⅰ3与凸起面Ⅱ8结构为近似梯形结构，上边线的设有圆角r∈0.2～0.3mm，凸起面与凹陷面的宽度比为：B₁:B₂＝5:1；凸起面的高度h₁∈0.3～0.5mm；凹陷面为圆弧结构，其中圆弧半径为r₁∈0.20～0.35mm，凹陷面的最大深度h₂∈0.1～0.3mm。凸起结构与凹陷结构均可由精密数控机床加工模具成型而得或者激光雕刻而得。

如图1所示，所述凸起面Ⅰ3，凸起面Ⅱ8的轮廓线C关于中轴线6左右对称并按B₁+B₂等距离平行分布于上触土铲面2与下触土铲面7上。其中若以点g为二维坐标原点，则曲线a-b过原点g。

如图6所示，所述挖掘铲下触土铲面7入土端的后底部设有铲刃10，铲刃10与水平面之间的夹角为所述挖掘铲的间隙角φ，铲刃间隙角的取值范围为：φ∈3°～6°。间隙角φ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。

如图6所示，下触土铲面7的入土端设有楔形铲刃11，楔形铲刃结构的楔角为θ，θ的取值范围为：θ∈20°～40°，绝对长度为W，楔形铲刃的绝对长度为W∈30～50mm。楔形铲刃的结构有利于挖掘铲在作业时快速省力入土，进一步达到减阻的目前。楔形铲刃结构可由线切割加工而得。

本发明主要针对粘重壤土设计，思路是基于白茅根膜质叶鞘在土壤中生长时表现出的优异减阻防粘性能设计而得，其性能主要与白茅根膜质叶鞘的的微观凸起凹陷结构有关，所述仿生挖掘铲的诸多结构的综合作用使挖掘铲在作业时能有效地快速省力入土并掘起土壤和薯块，能有效解决铲面粘土现象严重的问题，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。