一種仿生減阻馬鈴薯收獲機挖掘鏟的制作方法
本發明屬農業機械技術領域，具體涉及一種仿生減阻馬鈴薯收獲機挖掘鏟。
背景技術：
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。挖掘性能是評價馬鈴薯收獲機具性能的一個重要指標，與收獲機具結構、作業參數、關鍵部件材料等因素密切相關。我國幅員遼闊，薯類產區的土壤質地和種植農藝條件不同，如我國東北地區土壤粘重、西北地區土壤多石以及南方地區土壤砂質，國外設備不能適應我國復雜的地域條件，難以在國內大量推廣應用。相比于國外的薯類收獲機械，國內機型還不能完全適應生產發展的需求，主要存在三方面問題：一是可靠性差。薯類收獲機械土壤環境復雜，單一類型挖掘機構效率較低，無法達到使用基本要求。二是適應性差。在不同土壤條件以及不同植株條件下薯類收獲機械挖掘部件不能有效解決挖掘阻力大、土壤粘附嚴重、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，難以滿足薯塊挖掘和分離的動力需要。
現有馬鈴薯收獲機挖掘鏟形式單一,結構簡單,在挖掘薯塊時粘土現象嚴重，入土阻力大，破土、碎土能力差，傷薯斷薯率較高,在復雜的地況條件下,存在適應性差，可靠性低等問題。
技術實現要素：
本發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，脫土效果好和挖掘阻力小，能提高挖掘薯塊的作業效率及馬鈴薯收獲機整機性能的馬鈴薯收獲機仿生減阻挖掘鏟。
本發明由3個鏟齒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設于觸土鏟面Ⅰ2中部，凸起面5中縱截面輪廓線C的a點與鏟柄3底端f-g直線中點重合，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點與鏟齒1的外輪廓曲線D的e點重合；3個鏟齒1位于挖掘鏟前端；觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、3個沉頭螺釘孔4、凸起面5、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8關于縱軸線6對稱設置；鏟齒1、觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8為一體結構，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頂端為長方形，以圓弧過渡至底端，并與觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7的頂端固接；鏟柄3上設有呈三角形排列的3個沉頭螺釘孔4。
所述挖掘鏟鏟齒1的外輪廓曲線D(d-e)是通過蜣螂前足脛節中齒仿生反求得到,其數學表達式為：y＝0.235x2-1.56x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-15,10]，經檢驗，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，呈弧形結構，弧形結構是基于蜣螂前足脛節端齒的外緣輪廓線仿生反求得到，其數學表達式為：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)曲線的數學表達式為：
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)的數學表達式為：
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挖掘鏟，其特征在于所述鏟柄3上設置有3個沉頭螺釘孔。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的數學表達式為：
y＝227.54-6×10-7x3+0.0013x2-0.2632x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-150,350]。
本發明的挖掘鏟齒1是基于蜣螂前足脛節的中齒仿生曲線設計的,鏟齒1前端布置3個鏟齒，其中仿生鏟齒具有特定曲率的幾何形狀，通過三維掃描，再經最小二乘法及二維直角坐標系得到各齒輪廓線及外側輪廓線的擬合方程。該仿生結構可以模仿蜣螂前足掘土機制，有利于挖掘鏟入土，減小入土阻力及粘土現象。
本發明的基體弧形結構輪廓線E是基于蜣螂前足脛節端齒的外緣輪廓線仿生反求而來的，蜣螂在掘土前行時，前足脛節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端齒的外輪廓曲線，該仿生幾何結構能夠改變土壤在與其接觸表面的運動狀態，達到入土減阻效果，凸起面5有利于破土與碎土，同時具備引導土塊分流的作用，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上設有凹陷面8，當挖掘鏟進行作業時，凹陷面8有利于降低土壤顆粒與觸土鏟面Ⅱ7的實際接觸面積，達到減小土壤與觸土鏟面Ⅱ7的粘附力與摩擦阻力。同時,基體的弧形結構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為滾動接觸，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觸土鏟面的粘附力及阻力。
本發明將挖掘仿生鏟齒與弧形基體鏟面結合設計,能有效地快速省力入土并掘起土壤和薯塊,解決了現有挖掘鏟存在入土阻力大,鏟面粘土現象嚴重，破土、碎土能力差等問題，具有入土性能好、破土、碎土能力強、脫土效果好和牽引阻力小的特點,能提高馬鈴薯挖掘效率及馬鈴薯收獲機整機性能。
本發明適用性強，可顯著提高馬鈴薯挖掘鏟的入土能力和減阻脫附性能，比傳統的馬鈴薯挖掘鏟減阻性能提高30％以上。
附圖說明
圖1為仿生減阻馬鈴薯收獲機挖掘鏟的軸側圖
圖2為仿生減阻馬鈴薯收獲機挖掘鏟的觸土鏟面Ⅰ平面展開圖
圖3為仿生減阻馬鈴薯收獲機挖掘鏟的觸土鏟面Ⅱ平面展開圖
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
具體實施方式
如圖1、圖2、圖3所示的仿生減阻馬鈴薯收獲機挖掘鏟，由3個鏟齒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)設于觸土鏟面Ⅰ2中部，凸起面5中縱截面輪廓線C的a點與鏟柄3底端f-g直線中點重合，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點與鏟齒1的外輪廓曲線D的e點重合；3個鏟齒1位于挖掘鏟前端；觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、3個沉頭螺釘孔4、凸起面5、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8關于縱軸線6對稱設置；鏟齒1、觸土鏟面Ⅰ2、鏟柄3、觸土鏟面Ⅱ7和凹陷面8為一體結構，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頂端為長方形，以圓弧過渡至底端，并與觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7的頂端固接；鏟柄3上設有呈三角形排列的3個沉頭螺釘孔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挖掘鏟，其觸土鏟面Ⅰ2和觸土鏟面Ⅱ7沿縱軸線6呈弧形結構，弧形結構是基于蜣螂前足脛節端齒的外緣輪廓線仿生反求而來的，弧形結構輪廓線E(e-f曲線)的數學表達式為：
y＝0.000003x3-0.000002466x2-0.0000075484x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[50,350]。弧形結構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挖掘鏟，其特征在于所述鏟齒1外輪廓曲線D是通過蜣螂前足脛節中齒仿生反求得到的，外輪廓曲線D的數學表達式為：y＝0.235x2-1.56x，式中x的邊界取值范圍為：x∈[-15,10]，經檢驗，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，中齒兩端各布置左右兩鏟齒。所述的三個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)的數學表達式為：
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)的數學表達式為：
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用線切割加工出來后，沿著縱軸線6對稱焊接在觸土鏟面Ⅰ2上。
如圖5所示，觸土鏟面弧形結構的外輪廓曲線是基于蜣螂前足脛節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程中前足端齒的優異入土性能，使整個挖掘鏟呈現楔形入土，其入土楔角α的范圍為：[20°,45°]。凸起面5結構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為滾動，而且還能進行破土碎土，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阻力，同時還可對鏟面土壤進行分流引導，利于鏟面脫土去粘，有利于挖掘鏟作業時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挖掘鏟，其鏟柄3上設置有3個沉頭螺釘孔。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)的數學表達式為：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挖掘鏟，其凹陷面8橫向跨度值是沿著縱軸線6方向是對稱分布，呈中間窄，兩端逐漸變寬的趨勢，凹陷面8結構的軌跡構造線為橢圓結構，加工時應依具體情況而定。凹陷面8結構有利于基體下觸土鏟面在挖掘作業時減少土壤與下觸土鏟面的實際接觸面積，從而減少了土壤的粘附力及相對鏟面的摩擦阻力，進一步達到挖掘鏟減阻效果。
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是引起鏟刃對其下面和側面土壤壓實的主要因素，本發明設計的鏟刃間隙角θ范圍為：[3°,6°]。此結構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，達到減阻的目的。
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