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馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟。

背景技術(shù)：

馬鈴薯挖掘鏟的功用在于掘出薯塊,并將薯塊輸送給分離裝置。挖掘性能是評(píng)價(jià)馬鈴薯收獲機(jī)具性能的一個(gè)重要指標(biāo)，與收獲機(jī)具結(jié)構(gòu)、作業(yè)參數(shù)、關(guān)鍵部件材料等因素密切相關(guān)。我國(guó)幅員遼闊，薯類(lèi)產(chǎn)區(qū)的土壤質(zhì)地和種植農(nóng)藝條件不同，如我國(guó)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(guó)外設(shè)備不能適應(yīng)我國(guó)復(fù)雜的地域條件，難以在國(guó)內(nèi)大量推廣應(yīng)用。相比于國(guó)外的薯類(lèi)收獲機(jī)械，國(guó)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(wèn)題：一是可靠性差。薯類(lèi)收獲機(jī)械土壤環(huán)境復(fù)雜，單一類(lèi)型挖掘機(jī)構(gòu)效率較低，無(wú)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(lèi)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(wèn)題。三是動(dòng)力儲(chǔ)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(mǎn)足薯塊挖掘和分離的動(dòng)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(jiǎn)單,在挖掘薯塊時(shí)粘土現(xiàn)象嚴(yán)重，入土阻力大，破土、碎土能力差，傷薯斷薯率較高,在復(fù)雜的地況條件下,存在適應(yīng)性差，可靠性低等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能有效地掘起土壤和薯塊，入土性能好，破土、碎土能力強(qiáng)，脫土效果好和挖掘阻力小，能提高挖掘薯塊的作業(yè)效率及馬鈴薯收獲機(jī)整機(jī)性能的馬鈴薯收獲機(jī)仿生減阻挖掘鏟。

本發(fā)明由3個(gè)鏟齒1、觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、凸起面5、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8組成，其中觸土鏟面Ⅰ2和凸起面5位于挖掘鏟正面，凸起面5設(shè)于觸土鏟面Ⅰ2中部，凸起面5中縱截面輪廓線C的a點(diǎn)與鏟柄3底端f-g直線中點(diǎn)重合，凸起面5的橫截面輪廓線G為j-k曲線；觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8位于挖掘鏟反面，凹陷面8設(shè)于觸土鏟面Ⅱ7中部，觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7中弧形輪廓線E的e點(diǎn)與鏟齒1的外輪廓曲線D的e點(diǎn)重合；3個(gè)鏟齒1位于挖掘鏟前端；觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、3個(gè)沉頭螺釘孔4、凸起面5、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8關(guān)于縱軸線6對(duì)稱(chēng)設(shè)置；鏟齒1、觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8為一體結(jié)構(gòu)，凹陷面8與觸土鏟面Ⅱ7的邊緣輪廓線F為h-i曲線；鏟柄3頂端為長(zhǎng)方形，以圓弧過(guò)渡至底端，并與觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7的頂端固接；鏟柄3上設(shè)有呈三角形排列的3個(gè)沉頭螺釘孔4。

所述挖掘鏟鏟齒1的外輪廓曲線D(d-e)是通過(guò)蜣螂前足脛節(jié)中齒仿生反求得到,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y＝0.235x²-1.56x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-15,10]，經(jīng)檢驗(yàn)，鏟齒1的外輪廓曲線D的擬合精度R²為：R²＝0.9863。

所述挖掘鏟觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7沿B-B截面的基體弧形輪廓線E，即e-f曲線，呈弧形結(jié)構(gòu)，弧形結(jié)構(gòu)是基于蜣螂前足脛節(jié)端齒的外緣輪廓線仿生反求得到，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y＝0.000003x³-0.000002466x²-0.0000075484x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[50,350]。

所述挖掘鏟上的凸起面5的橫截面輪廓線G(j-k)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝0.00005x⁴-7×10^-8x³-0.028x²-0.0011x-48.948，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-17,17]；

所述挖掘鏟上的凸起面5沿縱軸線6方向的縱截面輪廓線C(a-b)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝5×10^-6x³-0.0023x²+0.0661x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-65,125]。

所述的仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，其特征在于所述鏟柄3上設(shè)置有3個(gè)沉頭螺釘孔。鏟柄的形狀特征在于其沿著鏟柄的縱軸線6向兩邊以圓弧過(guò)度至鏟面的頂端并與頂端面相切。

所述挖掘鏟的凹陷面8與觸土鏟面Ⅱ7的邊緣輪廓線F的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝227.54-6×10^-7x³+0.0013x²-0.2632x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-150,350]。

本發(fā)明的挖掘鏟齒1是基于蜣螂前足脛節(jié)的中齒仿生曲線設(shè)計(jì)的,鏟齒1前端布置3個(gè)鏟齒，其中仿生鏟齒具有特定曲率的幾何形狀，通過(guò)三維掃描，再經(jīng)最小二乘法及二維直角坐標(biāo)系得到各齒輪廓線及外側(cè)輪廓線的擬合方程。該仿生結(jié)構(gòu)可以模仿蜣螂前足掘土機(jī)制，有利于挖掘鏟入土，減小入土阻力及粘土現(xiàn)象。

本發(fā)明的基體弧形結(jié)構(gòu)輪廓線E是基于蜣螂前足脛節(jié)端齒的外緣輪廓線仿生反求而來(lái)的，蜣螂在掘土前行時(shí)，前足脛節(jié)端齒的外輪廓面是最先入土的，具有入土省力的效果，基體的外輪廓特征曲線模仿蜣螂前足脛節(jié)端齒的外輪廓曲線，該仿生幾何結(jié)構(gòu)能夠改變土壤在與其接觸表面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到入土減阻效果，凸起面5有利于破土與碎土，同時(shí)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。觸土鏟面Ⅱ7上設(shè)有凹陷面8，當(dāng)挖掘鏟進(jìn)行作業(yè)時(shí)，凹陷面8有利于降低土壤顆粒與觸土鏟面Ⅱ7的實(shí)際接觸面積，達(dá)到減小土壤與觸土鏟面Ⅱ7的粘附力與摩擦阻力。同時(shí),基體的弧形結(jié)構(gòu)使土壤沿著挖掘鏟鏟面的運(yùn)動(dòng)形式由原來(lái)的滑動(dòng)接觸改變?yōu)闈L動(dòng)接觸，很大程度上降低土壤對(duì)鏟面的摩擦阻力。上述的原因都將減小土壤對(duì)整個(gè)挖掘鏟觸土鏟面的粘附力及阻力。

本發(fā)明將挖掘仿生鏟齒與弧形基體鏟面結(jié)合設(shè)計(jì),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、碎土能力差等問(wèn)題，具有入土性能好、破土、碎土能力強(qiáng)、脫土效果好和牽引阻力小的特點(diǎn),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)明適用性強(qiáng)，可顯著提高馬鈴薯挖掘鏟的入土能力和減阻脫附性能，比傳統(tǒng)的馬鈴薯挖掘鏟減阻性能提高30％以上。

附圖說(shuō)明

圖1為仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟的軸側(cè)圖

圖2為仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟的觸土鏟面Ⅰ平面展開(kāi)圖

圖3為仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟的觸土鏟面Ⅱ平面展開(kāi)圖

圖4為圖3中A-A截面視圖

圖5為圖3中B-B截面視圖

其中：1.鏟齒 2.觸土鏟面Ⅰ 3.鏟柄 4.沉頭螺釘孔 5.凸起面 6.縱軸線 7.觸土鏟面Ⅱ 8.凹陷面

具體實(shí)施方式

如圖1、圖2、圖3所示的仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，由3個(gè)鏟齒1、觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、凸起面5、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8組成，其中觸土鏟面Ⅰ2和凸起面5位于挖掘鏟正面，凸起面(5)設(shè)于觸土鏟面Ⅰ2中部，凸起面5中縱截面輪廓線C的a點(diǎn)與鏟柄3底端f-g直線中點(diǎn)重合，凸起面5的橫截面輪廓線G為j-k曲線；觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8位于挖掘鏟反面，凹陷面8設(shè)于觸土鏟面Ⅱ7中部，觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7中弧形輪廓線E的e點(diǎn)與鏟齒1的外輪廓曲線D的e點(diǎn)重合；3個(gè)鏟齒1位于挖掘鏟前端；觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、3個(gè)沉頭螺釘孔4、凸起面5、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8關(guān)于縱軸線6對(duì)稱(chēng)設(shè)置；鏟齒1、觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8為一體結(jié)構(gòu)，凹陷面8與觸土鏟面Ⅱ7的邊緣輪廓線F為h-i曲線；鏟柄3頂端為長(zhǎng)方形，以圓弧過(guò)渡至底端，并與觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7的頂端固接；鏟柄3上設(shè)有呈三角形排列的3個(gè)沉頭螺釘孔4，沉頭螺釘孔可在鉆床上加工而得。

如圖2、圖3所示，所述的仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，其觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7沿縱軸線6呈弧形結(jié)構(gòu)，弧形結(jié)構(gòu)是基于蜣螂前足脛節(jié)端齒的外緣輪廓線仿生反求而來(lái)的，弧形結(jié)構(gòu)輪廓線E(e-f曲線)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝0.000003x³-0.000002466x²-0.0000075484x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[50,350]?；⌒谓Y(jié)構(gòu)輪廓可用線切割加工而得。

如圖2、圖3所示的仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，其特征在于所述鏟齒1外輪廓曲線D是通過(guò)蜣螂前足脛節(jié)中齒仿生反求得到的，外輪廓曲線D的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y＝0.235x²-1.56x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-15,10]，經(jīng)檢驗(yàn)，各齒輪廓曲線的擬合精度R²為：R²＝0.9863。所述挖掘鏟齒一組共3個(gè)，中齒兩端各布置左右兩鏟齒。所述的三個(gè)仿生挖掘鏟齒的夾角范圍為：[30°，45°]。鏟齒1可由線切割加工而得。

如圖2所示的一種仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，所述觸土鏟面Ⅰ2上布置有凸起面5，凸起面5的橫截面輪廓線G(j-k曲線)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝0.00005x⁴-7×10^-8x³-0.028x²-0.0011x-48.948，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-17,17]。凸起面5沿縱軸線6方向的縱截面輪廓線C(a-b曲線)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

y＝5×10^-6x³-0.0023x²+0.0661x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-65,125]。

凸起面5用線切割加工出來(lái)后，沿著縱軸線6對(duì)稱(chēng)焊接在觸土鏟面Ⅰ2上。

如圖5所示，觸土鏟面弧形結(jié)構(gòu)的外輪廓曲線是基于蜣螂前足脛節(jié)前端齒的外輪廓曲線仿生反求而得，弧形輪廓模仿蜣螂在掘土過(guò)程中前足端齒的優(yōu)異入土性能，使整個(gè)挖掘鏟呈現(xiàn)楔形入土，其入土楔角α的范圍為：[20°,45°]。凸起面5結(jié)構(gòu)不僅能改變土壤與鏟面的接觸角，使土壤在鏟面的運(yùn)動(dòng)形式由滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)，而且還能進(jìn)行破土碎土，減少土壤與鏟面的接觸面積，防止土壤粘附在鏟面上，從而減少挖掘鏟作業(yè)阻力，同時(shí)還可對(duì)鏟面土壤進(jìn)行分流引導(dǎo)，利于鏟面脫土去粘，有利于挖掘鏟作業(yè)時(shí)阻力及土壤的摩擦力降低。

如圖2、圖3所示，所述的仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，其鏟柄3上設(shè)置有3個(gè)沉頭螺釘孔。鏟柄3的形狀沿著鏟柄的縱軸線向兩邊以圓弧過(guò)度至挖掘鏟觸土鏟面的頂端并與頂端面相切，鏟柄與基體鏟面頂端過(guò)渡圓弧的半徑為r＝50mm。鏟面頂端寬度范圍為100mm＜B＜180mm，前端入土挖掘鏟齒的寬度為100mm，鏟面頂端處的寬度為180mm。

如圖3所示，所述的仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，其特征在于所述凹陷面8與觸土鏟面Ⅱ7的邊緣輪廓線F(h-i曲線)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y＝227.54-6×10^-7x³+0.0013x²-0.2632x，式中：x的邊界取值范圍為：x∈[-150,350]。

所述的仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟，其凹陷面8橫向跨度值是沿著縱軸線6方向是對(duì)稱(chēng)分布，呈中間窄，兩端逐漸變寬的趨勢(shì)，凹陷面8結(jié)構(gòu)的軌跡構(gòu)造線為橢圓結(jié)構(gòu)，加工時(shí)應(yīng)依具體情況而定。凹陷面8結(jié)構(gòu)有利于基體下觸土鏟面在挖掘作業(yè)時(shí)減少土壤與下觸土鏟面的實(shí)際接觸面積，從而減少了土壤的粘附力及相對(duì)鏟面的摩擦阻力，進(jìn)一步達(dá)到挖掘鏟減阻效果。

如圖5所示，所述的一種仿生減阻馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟鏟齒的入土端鏟刃下前斜端面與水平面之間的夾角為鏟齒間隙角θ，間隙角θ是引起鏟刃對(duì)其下面和側(cè)面土壤壓實(shí)的主要因素，本發(fā)明設(shè)計(jì)的鏟刃間隙角θ范圍為：[3°,6°]。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(shí)土壤的形狀,減少土壤粘附，達(dá)到減阻的目的。