阅读说明：本技术 一种具有柔性表面的马铃薯仿生挖掘铲 (Bionic potato digging shovel with flexible surface ) 是由 马云海 禹江涛 包健伦 刘炫廷 吴千 王硕 齐红岩 刘玉成 王慧鑫 吴思阳 王虎 于 2020-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有柔性表面的马铃薯仿生挖掘铲,属农业机械技术领域,是由入土段、升土段和安装段组成,每段之间光滑连接,入土段为对称的五边形平面结构；升土段为仿生曲面结构；安装段为矩形平面,该部分加工有四个螺栓沉头孔；入土段尾端、升土段全部、安装段前部的正面安装有弹性钢片；为充分发挥挖掘铲的工作性能,以安装段平面为基准,挖掘铲的安装角应处于26～31°范围内。本发明可有效降低马铃薯收获过程中挖掘铲工作阻力大、土壤黏附严重等不良影响,从而提高马铃薯收获机械的工作性能以及马铃薯的收获效果。(The invention discloses a bionic potato digging shovel with a flexible surface, which belongs to the technical field of agricultural machinery and consists of an earth entering section, an earth lifting section and an installation section, wherein all the sections are smoothly connected, and the earth entering section is of a symmetrical pentagonal plane structure; the soil lifting section is of a bionic curved surface structure; the mounting section is a rectangular plane, and four bolt countersunk holes are machined in the mounting section; elastic steel sheets are arranged on the tail end of the soil entering section, the whole soil lifting section and the front surface of the front part of the mounting section; in order to fully exert the working performance of the digging shovel, the installation angle of the digging shovel is in the range of 26-31 degrees by taking the plane of the installation section as a reference. The invention can effectively reduce the adverse effects of large working resistance, serious soil adhesion and the like of the digging shovel in the potato harvesting process, thereby improving the working performance of the potato harvesting machine and the potato harvesting effect.)

一种具有柔性表面的马铃薯仿生挖掘铲

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种具有柔性表面的马铃薯仿生挖掘铲。

背景技术

挖掘铲的主要作用是将薯土混合物挖起并传递至后续的输送分离装置，作为马铃薯收获机械的关键部件，其直接影响马铃薯的收获效果及马铃薯收获机的工作性能。相关数据表明，挖掘铲所消耗的功耗最高可以达到马铃薯收获机整机功耗的27％以上，现有的马铃薯挖掘铲以各式的平面铲为主，普遍存在挖掘阻力大、土壤黏附严重、易磨损等问题。因此，设计出挖掘阻力小、土壤黏附少、耐磨损的挖掘铲，对提高马铃薯收获机的工作性能、保证马铃薯的收获质量具有很高的必要性，在一定程度上也能降低马铃薯的生产成本。

近些年来，利用仿生学方法所研发的各式土壤耕作部件在减阻、减粘、耐磨等方面取得了非常优异的效果。山鼠生活于潮湿的林间，在潮湿土壤中具有优秀的钻土打洞能力，其门牙的切削能力极其优异；山鼠在土壤中穿梭时，其体表很少粘附土壤，这与其体表的结构、材料等因素有关，与其体表的柔性变形能力也有很大关系。上述结构和现象为马铃薯挖掘铲在减阻、减粘等方面的创新设计提供了灵感。

发明内容

本发明的目的在于解决现有马铃薯挖掘铲挖掘阻力大、土壤粘附严重、易磨损等问题，提出了一种基于山鼠牙齿及山鼠体表柔性变形能力的仿生挖掘铲，以降阻减耗，提高马铃薯挖掘铲的性能。

本发明中的挖掘铲分为入土段A、升土段B、安装段C三部分，且入土段A、升土段B和安装段C均为关于挖掘铲上中线ah的对称结构，其宽度W均为140～160mm，厚度H均为8～10mm。入土段A为关于中线ah对称的五边形，尖端a到入土段A与升土段B的第二分界线d之间的距离L1为90～100mm，两斜边之间的夹角α为100～120°,两斜边上切削刃的刃角β为20～25°,且切削刃底边与挖掘铲背面之间的厚度H1占挖掘铲总厚度H的1/5。

升土段B为仿生曲面结构，曲面准线G的方程式为：

y＝-0.00000053232·x⁴+0.00003184·x³+0.013472·x²-3.026·x

其中：10mm≤x≤60mm。

安装段C的长度L4为90-100mm，且该部分设有4个关于挖掘铲上ah中线对称布置的沉头孔g，其中沉头孔的横向间距L5为70～80mm、纵向间距L6为45～50mm，后方两个沉头孔与安装段C尾端的距离L7为22～26mm。

挖掘铲从入土段尾端第一分界线b处开始，包括升土段全部，至安装段前部第四分界线f处的正面开有凹槽，凹槽中央安装有1个第一盘头螺钉组j，安装上弹性钢片D后在大螺栓四周通过8个第二盘头螺钉组c进行紧固；其中，凹槽深度和弹性钢片厚度均为0.5mm，第一分界线b与第二分界线d之间的距离及第四分界线f与第三分界线e之间的距离均为10～12mm，第一盘头螺钉组j的螺纹规格为M10，第二盘头螺钉组c的螺纹规格为M5，而螺钉组包括螺钉、螺母、平垫圈和弹性垫圈。

以安装段平面为基准，挖掘铲在马铃薯收获机上的安装角γ为26～31°。

本发明的有益效果：

本发明的入土段两切削刃的100～120°夹角及切削刃的20～25°刃角是经分析竹鼠门牙中两颗下牙的结构后优化及试验检验得来，有利于降低挖掘铲对土壤的刺入和切削阻力；升土段具有的仿生曲面结构具有减阻降耗的作用；铲面上的弹性钢片及用于紧固弹性钢片的螺钉头部类似于生物的柔性体表和凸包等非光滑结构，有利于减少土壤粘附，从而降低挖掘阻力、提高薯土分离效果，也可降低土壤对铲面磨损的不利影响，延长挖掘铲的使用寿命。

附图说明

图1为马铃薯仿生挖掘铲的结构示意图。

图2为马铃薯仿生挖掘铲的俯视图。

图3为马铃薯仿生挖掘铲沿E-E方向的剖视图。

图4为图2中f所指的入土段切削刃的刃角示意图。

图5为沉头孔分布示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明所述的马铃薯挖掘铲，本发明中的挖掘铲分为入土段A、升土段B、安装段C三部分，且入土段A、升土段B和安装段C均为关于挖掘铲上中线ah的对称结构，其宽度W均为140～160mm，厚度H均为8～10mm。

如图2所示，入土段A为关于中线ah对称的五边形，尖端a到入土段A与升土段B的第二分界线d之间的距离L1为90～100mm，两斜边之间的夹角α为100～120°。如图4所示，两斜边上切削刃的刃角β为20～25°且切削刃底边与挖掘铲背面之间的厚度H1占挖掘铲总厚度H的1/5。两切削刃的120°夹角及切削刃的25-30°刃角是经分析竹鼠门牙中两颗下牙的结构后优化及试验检验得来，有利于降低挖掘铲对土壤的刺入和切削阻力。

如图1和图3所示，升土段B的曲面为仿生曲面，曲面准线G的方程式为：

y＝-0.00000053232·x⁴+0.00003184·x³+0.013472·x²-3.026·x

其中：10mm≤x≤60mm，该曲线方程是以山鼠四颗门牙中的下牙为仿生原型，通过逆向工程技术获得，拟合度为R²＝0.9994。

升土段具有的仿生曲面结构使挖掘铲正面具有连续变化的曲率具有减阻降耗的作用，可降低对土壤的挤压作用，有利于土壤的破碎，可以一定程度地提高薯土分离效果，从而减小马铃薯收获机械后续输送及分离装置的工作负担。

如图3和图5所示，安装段C的长度L4为90～100mm，且该部分设有4个关于挖掘铲上ah中线对称布置的沉头孔g，其中沉头孔的横向间距L5为70～80mm、纵向间距L6为45～50mm，后方两个沉头孔与安装段C尾端的距离L7为22～26mm。间距参数L5、L6、L7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。

如图图1、图2、图3所示，挖掘铲从入土段尾端第一分界线b处开始，包括升土段全部，至安装段前部第四分界线f处的正面开有凹槽，凹槽中央安装有一个第一盘头螺钉组j，安装上弹性钢片D后在大螺栓四周通过8个第二盘头螺钉组c进行紧固；其中，凹槽深度和弹性钢片厚度均为0.5mm，第一分界线b与第二分界线d之间的距离及第四分界线f与第三分界线e之间的距离均为10～12mm，第一盘头螺钉组j的螺纹规格为M10，第二盘头螺钉组c的螺纹规格为M5，而螺钉组包括螺钉、螺母、平垫圈和弹性垫圈。弹性钢片应选用65Mn等耐磨性较好的材质，而螺钉组也可用相同型号的钢质铆钉代替。安装弹性钢片时不应将弹性钢片拉得过紧而限制其弹性变形能力，从而影响其减粘脱附效果。

铲面上的弹性钢片及用于紧固弹性钢片的螺钉头部类似于生物的柔性体表和凸包等非光滑结构，有利于减少土壤粘附，从而降低挖掘阻力、提高薯土分离效果，也可降低土壤对铲面磨损的不利影响，延长挖掘铲的使用寿命。

如图3所示，为保证挖掘铲工作过程中阻力尽可能低，应以安装段为基准、尽量将安装角γ控制在26～31°的范围内。

本发明所述的马铃薯挖掘铲，可以先采用精密铸造、加工中心、线切割等装备或方法先加工出整体曲面形状，再采取适当工序加工出其他细节结构。