一种减粘降阻马铃薯仿生挖掘铲的制作方法

本实用新型属于农业机械技术领域，具体涉及一种减粘降阻马铃薯仿生挖掘铲。

背景技术：

马铃薯主粮化战略实施以来，马铃薯生产规模不断扩大，对马铃薯收获机械也就提出了越来越高的要求。挖掘铲是马铃薯收获机械的关键部件，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可以占到马铃薯收获机整机功耗的20％以上，现有的马铃薯挖掘铲以各式的平面铲为主，虽也有其他形式的挖掘铲，但依然存在挖掘阻力大、土壤黏附严重等问题，不仅影响马铃薯收获机工作性能的发挥，也在一定程度上增加了马铃薯的生产成本。因此，设计出破土能力强、挖掘阻力小、土壤黏附少的挖掘铲是很有必要的。

利用仿生学方法，学习生物的结构、材料等特殊性能，将其应用于触土部件的减阻、减粘、耐磨等方面的研究和设计，已经取得了非常优异的效果。竹鼠具有优秀的钻土打洞能力，其爪趾及四颗门牙是主要的土壤挖掘工具，而在粘重土壤中其四颗门牙中的下牙起主要的切削作用；土壤在触土部件表面流动的过程中，若遇到某些凸起结构，则会在凸起前方形成具有一定稳定结构的土核，进而影响其他土壤颗粒的流动情况，对土壤在触土部件表面的粘附状况也有一定影响。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良好的思路和依据。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有马铃薯挖掘铲工作阻力大、土壤粘附严重等问题，提出了一种基于竹鼠牙齿、土壤堆积成核现象的仿生挖掘铲，以降阻减耗，提高挖掘铲的工作效率。

本实用新型由入土段a、升土段b、安装段c组成，其中入土段a为五边形平面结构，升土段b的正面设有棱条结构d，升土段b的纵截面为仿生曲线结构，安装段c为长方体结构；入土段a、升土段b和安装段c自下至上顺序排列并光滑连接，入土段a、升土段b和安装段c均为关于挖掘铲上中线ae的对称结构；入土段a、升土段b和安装段c的宽度w均为：140-180mm，厚度h均为8-10mm；工作状态下，安装段c与水平面的夹角γ为18-23°。

所述的入土段a为关于中线ae对称的五边形平面结构，入土段a的下端a点至入土段a上端的长度l1为：80-90mm，两斜边之间的夹角α为120°,两斜边上切削刃1的刃角β为：25-30°切削刃1前端的厚度h1为：1.6-2mm。

所述的升土段b的正面设有上下排列的棱条结构d，棱条结构d的横截面为呈连续排列的直角三角形，其中每个三角形中短边2的长度l3为：3-4mm，短边2与底边3的夹角λ1为90°，斜边4与底边3的夹角λ2为：25-27°，且夹角λ2朝下方；

升土段b的纵截面为仿生曲线结构，仿生曲线g的方程式为：

y＝0.000006422·x⁴-0.001103·x³+0.05246·x²+0.7617·x

其中：0mm≤x≤60mm。

所述的安装段c为矩形平面结构，其长度l2为90-100mm，且该部分设有4个关于挖掘铲上ae中线对称布置的沉头孔d，其中沉头孔的横向间距l4为70-90mm、纵向间距l5为45-55mm，后方两个沉头孔与安装段c尾端的距离l6为20-25mm。

本实用新型中入土段两切削刃的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得来，有利于挖掘铲对土壤的刺入和切削；升土段具有的仿生曲面结构具有减阻降耗的作用，曲面上的棱条结构一方面破坏了土壤在铲面上的连续水膜，从而降低了土壤对铲面的粘附作用；另一方面在更大程度上将土壤颗粒对铲面的滑动摩擦转变为滚动摩擦并储存一定的土壤和磨屑，从而提高了铲面的耐磨损能力。

附图说明

图1为减粘降阻马铃薯仿生挖掘铲的轴测图

图2为减粘降阻马铃薯仿生挖掘铲的俯视图

图3为减粘降阻马铃薯仿生挖掘铲的侧视图

图4为入土段a的俯视图

图5为图2中f所指的入土段切削刃的刃角β的剖视图

图6为升土段b的俯视图

图7为图3中g所指的升土段b的棱条结构d的剖视图

图8为安装段c的俯视图

其中：a.入土段b.升土段c.安装段d.棱条结构1.切削刃2.短边3.底边4.斜边

具体实施方式

如图1至图3所示，本实用新型由入土段a、升土段b、安装段c组成，其中入土段a为五边形平面结构，升土段b的正面设有棱条结构d，升土段b的纵截面为仿生曲线结构，安装段c为长方体结构；入土段a、升土段b和安装段c自下至上顺序排列并光滑连接，入土段a、升土段b和安装段c均为关于挖掘铲上中线ae的对称结构；入土段a、升土段b和安装段c的宽度w均为：140-180mm，厚度h均为8-10mm。

如图3所示，工作状态下，安装段c与水平面的夹角γ的范围为18-23°，该范围可保证挖掘铲工作过程中阻力尽可能低，同时该角度略小于马铃薯挖掘铲的普遍安装角度，可使马铃薯收获机械后续输送分离装置采取相对较小的倾角进而降低其工作强度。

如图2、图4和图5所示，所述的入土段a为关于中线ae对称的五边形平面结构，入土段a的下端a点至入土段a上端的长度l1为：80-90mm，两斜边之间的夹角α为120°,两斜边上切削刃1的刃角β为：25-30°切削刃1前端的厚度h1为：1.6-2mm。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得来，有利于降低挖掘铲刺入和切削土壤时的阻力。

如图3、图6和图7所示，所述的升土段b的正面设有上下排列的棱条结构d，棱条结构d的横截面为呈连续排列的直角三角形，其中每个三角形中短边2的长度l3为：3-4mm，短边2与底边3的夹角λ1为90°，斜边4与底边3的夹角λ2为：25-27°，且夹角λ2朝下方；

升土段b的纵截面为仿生曲线结构，仿生曲线g的方程式为：

y＝0.000006422·x⁴-0.001103·x³+0.05246·x²+0.7617·x

其中：0mm≤x≤60mm。

该曲线方程是以竹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＝0.9998。

升土段b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，同时使入土段a、升土段b和安装段c整体上呈现出阶梯结构，从而有利于土壤的破碎。曲面上的棱条结构一方面破坏了土壤在铲面上的连续水膜，从而降低了土壤对铲面的粘附作用，进而有利于降低挖掘阻力；另一方面，棱条结构在更大程度上将土壤颗粒对铲面的滑动摩擦转变为滚动摩擦并储存一定的土壤和磨屑，从而提高了铲面的耐磨损能力，也有利于土壤的破碎。这些作用也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1、图2和图8所示，所述的安装段c为矩形平面结构，其长度l2为90-100mm，且该部分设有4个关于挖掘铲上ae中线对称布置的沉头孔d，其中沉头孔的横向间距l4为70-90mm、纵向间距l5为45-55mm，后方两个沉头孔与安装段c尾端的距离l6为20-25mm。位置参数l4、l5、l6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。

本实用新型所述的减粘降阻马铃薯挖掘铲，可以先用板材按照尺寸加工出外部形状，再根据前文所述的曲线方程折弯后得到；也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。

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