本發(fā)明屬農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟。

背景技術(shù)：

馬鈴薯挖掘鏟的的主要任務(wù)是在于掘出薯塊并在土壟推力下將薯塊與附帶的泥土運送至分離分級裝置進(jìn)行下一步處理。挖掘性能是評價馬鈴薯收獲機(jī)具性能的一個重要指標(biāo)，而挖掘鏟是影響挖掘性能以及馬鈴薯收獲機(jī)整機(jī)性能的主要因素。我國幅員遼闊，薯類產(chǎn)區(qū)的土壤質(zhì)地和種植農(nóng)藝條件不同，如我國東北地區(qū)土壤粘重、西北地區(qū)土壤多石以及南方地區(qū)土壤砂質(zhì)，國外設(shè)備不能適應(yīng)我國復(fù)雜的地域條件，難以在國內(nèi)大量推廣應(yīng)用。相比于國外的薯類收獲機(jī)械，國內(nèi)機(jī)型還不能完全適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需求，主要存在三方面問題：一是可靠性差。薯類收獲機(jī)械土壤環(huán)境復(fù)雜，單一類型挖掘機(jī)構(gòu)效率較低，無法達(dá)到使用基本要求。二是適應(yīng)性差。在不同土壤條件以及不同植株條件下薯類收獲機(jī)械挖掘部件不能有效解決挖掘阻力大、土壤粘附嚴(yán)重、砂石磨損鏟面等問題。三是動力儲備不足。在挖掘深度增加和土壤比阻大的地塊作業(yè)，難以滿足薯塊挖掘和分離的動力需要。

現(xiàn)有馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟形式單一，結(jié)構(gòu)簡單，挖掘鏟面形狀大都為平鏟(三角鏟、條形鏟)、凹面鏟、槽形鏟，這些傳統(tǒng)的馬鈴薯挖掘鏟的特征在于其橫截面的形狀是梯形或近梯形，這類橫截面形狀導(dǎo)致挖掘鏟在挖掘薯塊時由于土壤與鏟面的實際接觸面積大及粘土嚴(yán)重而導(dǎo)致挖掘入土阻力大，進(jìn)而致使挖掘鏟作業(yè)時阻力大，能耗高，破土、碎土能力差，傷薯率較高，在復(fù)雜的地況條件下,存在適應(yīng)性差，可靠性低等問題。因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種波浪形截面的仿生減阻馬鈴薯挖掘鏟，來解決目前馬鈴薯收獲機(jī)挖掘阻力大，能耗高，破土碎土能力差，脫土效果差等技術(shù)問題，提高馬鈴薯收獲機(jī)整機(jī)作業(yè)性能與效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種馬鈴薯收獲機(jī)波浪形截面的仿生減阻挖掘鏟，能有效地掘起土壤和薯塊，具有入土性能好，脫土效果好，破土、碎土能力強(qiáng)以及挖掘阻力小等特點,能提高挖掘薯塊的作業(yè)效率及馬鈴薯收獲機(jī)整機(jī)性能。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

本發(fā)明由鏟面1和鏟柄2組成，其特征在于：所述鏟面1的入土前端三角區(qū)設(shè)有入土挖掘面鏟刃5；鏟柄2上設(shè)有2個沉孔4，鏟柄2下端與鏟面1上端圓滑過渡；鏟柄2兩端為過渡圓弧，過渡圓弧的圓心在縱向中軸線3上，過渡圓弧半徑為：90-120mm；鏟柄2為平面結(jié)構(gòu)，鏟面1的形狀是關(guān)于縱向中軸線3左右對稱分布；鏟面1具有橫截面輪廓曲線A和縱截面輪廓曲線C,鏟面1的厚度h為4-6mm，鏟面1入土前端挖掘面呈三角區(qū)，其夾角θ為：50-70⁰；鏟刃5上端設(shè)有半徑R為4mm的過渡圓角。

所述的橫截面輪廓曲線A的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：2.5表示鏟面波形的波動幅值；0.3表示鏟面波形的圓頻率；t為鏟面波形的弧度角；為所述表達(dá)式的初相，t的邊界取值范圍為-30π～30π，整個挖掘鏟基體橫截面輪廓呈現(xiàn)波浪形狀，顯著區(qū)別于現(xiàn)有馬鈴薯挖掘鏟梯形橫截面結(jié)構(gòu)。

所述的仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟，其基體的縱向弧形結(jié)構(gòu)輪廓線是基于螻蛄前足爪趾外端輪廓線仿生反求設(shè)計而來，所述縱截面輪廓曲線C的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝4×10^-6x³-0.0018x²+0.5186x

式中：x的邊界取值范圍為100-400mm。

經(jīng)檢驗，基體的縱向的輪廓曲線的擬合度為R²＝0.9986。

所述挖掘鏟入土挖掘面前端的鏟刃5底部與水平面之間設(shè)有取值范圍為：δ∈3～5°的間隙角δ。

本發(fā)明基體的縱截面弧形結(jié)構(gòu)的輪廓線是基于東方螻蛄前足外端爪趾的外輪廓線仿生反求設(shè)計而來。其中仿生基體弧形結(jié)構(gòu)均具有特定曲率的幾何形狀，通過三維掃描，再經(jīng)最小二乘法及二維直角坐標(biāo)系得到挖掘鏟基體弧形結(jié)構(gòu)外側(cè)輪廓線的擬合方程。該仿生結(jié)構(gòu)可以模仿東方螻蛄前足掘土機(jī)制，有利于挖掘鏟快速省力入土，從而減小入土阻力。

本發(fā)明的波浪形截面的挖掘鏟鏟面是基毛蚶外殼橫截面輪廓線仿生反求設(shè)計的，其中仿生鏟面具有特定曲率的幾何形狀，通過三維掃描，再經(jīng)最小二乘法及二維直角坐標(biāo)系得到鏟面橫截面輪廓線的擬合方程。波浪形仿生截面模仿櫛孔扇貝的外殼輪廓，可以提高鏟面的耐磨性。由于鏟面的波浪形截面結(jié)構(gòu)，該仿生幾何結(jié)構(gòu)不僅能夠改變土壤在與鏟面的運動狀態(tài)，還能改變土壤與鏟面的接觸角。例如上鏟面的凸起結(jié)構(gòu)有利于破土與碎土，同時具備引導(dǎo)土塊分流的作用，有利于土壤顆粒的輸送與分離，減少土壤與鏟面的粘附力與摩擦力，從而起到減阻效果。同時，下觸土鏟面，有利于降低土壤顆粒與下觸土鏟面表面的實際接觸面積，達(dá)到減小土壤與下觸土鏟面的粘附力與摩擦阻力，使土壤沿著挖掘鏟鏟面的運動形式由原來的滑動接觸改變?yōu)闈L動接觸，很大程度上降低土壤對鏟面的摩擦阻力。上述的原因都將減小土壤對整個挖掘鏟基體的上下觸土鏟面表面的粘附力及阻力，使鏟面整體呈現(xiàn)耐磨性高的優(yōu)勢。

本發(fā)明仿生弧形挖掘鏟基體與波浪形截面鏟面結(jié)合設(shè)計,能有效地快速省力入土并掘起土壤和薯塊，解決了現(xiàn)有挖掘鏟存在入土阻力大,鏟面粘土現(xiàn)象嚴(yán)重，破土、碎土能力差,傷薯率較高等問題,具有入土性能好、破土、碎土能力強(qiáng)、脫土效果好、耐磨及牽引阻力小的特點,能提高馬鈴薯挖掘效率及馬鈴薯收獲機(jī)整機(jī)性能。

本發(fā)明專利的有益效果是:其一、本發(fā)明改善了現(xiàn)有馬鈴薯挖掘鏟面的幾何形狀,將毛蚶外殼橫截面的輪廓線的幾何形狀為仿生原型，設(shè)計了波浪形截面仿生挖掘鏟，這樣的結(jié)構(gòu)有利于挖掘鏟在掘土?xí)r能夠順利破土、碎土、達(dá)到耐磨的效果，而且有利于引導(dǎo)分流在鏟面的土壤至后面的輸送分離裝置,從而提高脫土性能。整個鏟面的橫截面為波浪形，這樣的結(jié)構(gòu)可以減小土壤與觸土鏟面的接觸面積，并且能夠改善挖掘鏟掘土?xí)r的土壤應(yīng)力分布,改變被挖掘的土壤形狀,減少土壤粘附與摩擦，從而降低挖掘阻力，提高耐磨性，經(jīng)實驗驗證，比傳統(tǒng)現(xiàn)有馬鈴薯挖掘鏟減阻耐磨性提高15％以上。

其二、本發(fā)明的挖掘鏟基體縱向弧形結(jié)構(gòu)的設(shè)計基于東方螻蛄前足爪趾外輪廓曲線仿生反求而得，利用東方螻蛄前足爪趾優(yōu)異的掘土性能，提高挖掘鏟入土性能。

附圖說明

圖1為仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟的軸側(cè)圖

圖2為仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟的展開平面圖

圖3為圖1中B-B截面視圖

圖4為圖3中D所指的放大圖

其中：A.橫截面輪廓線 C.縱截面輪廓線 1.鏟面 2.鏟柄 3.縱向中軸線 4.沉孔 5.入土挖掘面鏟刃

具體實施方式

如圖1、圖3和圖4所示，所述的一種仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟，由鏟面1、鏟柄2組成，所述鏟面1的入土前端三角區(qū)設(shè)有入土挖掘面鏟刃5；鏟柄2上設(shè)有2個沉孔4，鏟柄2下端與鏟面1上端圓滑過渡；鏟柄2兩端為過渡圓弧，過渡圓弧的圓心在縱向中軸線3上，過渡圓弧半徑為：90-120mm；鏟柄2為平面結(jié)構(gòu)，鏟面1的形狀是關(guān)于縱向中軸線3左右對稱分布；鏟面1具有橫截面輪廓曲線A和縱截面輪廓曲線C,鏟面1的厚度h為4-6mm，鏟面1入土前端挖掘面呈三角區(qū)，其夾角θ為：50-70⁰。鏟刃5上端設(shè)有半徑R為4mm的過渡圓角。整個鏟面的基材為65Mn的鋼板，鏟面結(jié)構(gòu)可由線切割加工完成，或者沖壓而得，鏟柄沉孔直接在鉆床上加工而得。

如圖1、圖2所示，所述的仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟，鏟面1的橫截面輪廓曲線A是基于毛蚶橫截面輪廓仿生仿形設(shè)計而來，所述的橫截面輪廓曲線A的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：2.5表示鏟面波形的波動幅值；0.3表示鏟面波形的圓頻率；t為鏟面波形的弧度角；為所述表達(dá)式的初相，t的邊界取值范圍為-30π～30π。整個挖掘鏟基體橫截面輪廓呈現(xiàn)波浪形狀，橫截面結(jié)構(gòu)可由線切割加工或者在板材的基礎(chǔ)上沖壓而得。整個挖掘鏟顯著區(qū)別于現(xiàn)有馬鈴薯挖掘鏟梯形橫截面結(jié)構(gòu)。

如圖1所示的波浪形截面鏟面在入土作業(yè)時不僅能改變土壤與鏟面的接觸角，使土壤在鏟面的運動形式由滑動變?yōu)闈L動，而且還能進(jìn)行破土碎土，防止土壤粘附在鏟面上，從而減少挖掘鏟作業(yè)阻力；幾何單體能降低土壤顆粒與鏟面的接觸面積，同時還可對鏟面土壤進(jìn)行分流引導(dǎo)，利于鏟面脫土去粘，上述原因均使挖掘鏟作業(yè)時阻力及土壤的摩擦力降低。同時，波浪形截面仿生結(jié)構(gòu)還可以提高挖掘鏟的耐磨性。

如圖3所示，所述的仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟，其基體的縱向弧形結(jié)構(gòu)輪廓線是基于螻蛄前足爪趾外端輪廓線仿生反求設(shè)計而來，所述縱截面輪廓曲線C的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝4×10^-6x³-0.0018x²+0.5186x

式中：x的邊界取值范圍為100-400mm。

經(jīng)檢驗，基體的縱向的輪廓曲線的擬合度為R²＝0.9986。該仿生結(jié)構(gòu)利用螻蛄前足爪趾優(yōu)異的掘土能力，利于挖掘土壤時能夠盡量降低土壤阻力，最終達(dá)到省力的目的，從而降低挖掘入土阻力以及牽引阻力。

如圖3、圖4所示所述的仿生減阻耐磨馬鈴薯挖掘鏟，所述挖掘鏟入土挖掘面前端的鏟刃5底部與水平面之間設(shè)有取值范圍為：δ∈3～5°的間隙角δ。間隙角δ是引起鏟刃對其下面和側(cè)面土壤壓實的主要因素，此結(jié)構(gòu)不僅能保證挖掘鏟的入土能力，而且在保證楔入力盡量大的條件下,挖掘鏟入土端能夠改變壓實土壤的形狀,減少土壤粘附，達(dá)到減阻的目的。