CN106941853B - 一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业机械技术领域，具体为一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，解决了现有黄芪收获存在劳动强度大、挖掘成本高、根茎损伤率高、粘附严重且收获效率低的问题。一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，包括尾首依次连接的铲柄、铲体和铲尖；铲体是由上触土曲面和下触土曲面组成的犰狳爪趾状结构，铲尖包括主铲尖和位于其左右两侧的侧铲尖。本发明结构设计合理可靠，减小了挖掘过程中的土壤工作阻力，而且在保证挖掘深度的情况下，挖掘铲形成多点同时入土，进一步降低了挖掘铲的土壤刺入阻力，同时有利于挖掘铲减小土壤粘附，降低根茎损伤，提高了黄芪挖掘的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，具体为一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲。
背景技术
黄芪是多年生豆科植物，药用和食用价值集中于主根部分，属大宗根茎类中药材之一。黄芪根茎生长较深，根部深入土壤可达500-1000mm，收获存在着挖掘阻力大、根茎损伤率高、挖掘部件与土壤粘附严重等问题，目前主要依靠大量人工采刨主根，劳动强度大、挖掘成本高、收获效率低。选用现有的马铃薯、甘薯等块茎类收获机具采收黄芪等长根茎类作物时，存在着挖掘阻力大、土壤粘附量高的问题，无法达到基本使用要求。黄芪收获用工量占黄芪整个生产全过程的1/3以上，作业成本占总生产成本的50％以上。
研究发现，土壤动物犰狳经过长期的进化形成了特有的体表形态结构，形成了特有爪型结构，拥有了能够适应生活环境的本领。犰狳的四肢十分粗壮，趾上的爪尖锐而强硬，十分有力，能在坚硬的土地上掘洞生存。犰狳爪趾在挖掘土壤过程中爪趾不粘附土壤，挖掘阻力小，挖掘效率高。犰狳头部在爪趾挖掘土壤过程中拱土，配合掘洞行为，头部体表具有六边形的凸起结构，协助降低了土壤对爪趾的粘附，进一步降低了土壤挖掘阻力。
发明内容
本发明为了解决现有黄芪收获存在劳动强度大、挖掘成本高、根茎损伤率高、粘附严重且收获效率低的问题，提供了一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，包括尾首依次连接的铲柄、铲体和铲尖；铲体是由上触土曲面和下触土曲面组成的犰狳爪趾状结构，铲尖包括主铲尖和位于其左右两侧的侧铲尖。
作业过程中，黄芪挖掘铲固定于拖拉机悬挂机构上，随着拖拉机进行切土挖掘工作，挖掘铲的主铲尖位于最前端，率先刺入土壤，副铲尖随主铲尖刺入土壤，三个铲尖形成多点刺入状态，降低土壤刺入阻力，铲尖间隙构成侧刃，逐步切断黄芪根茎，减小黄芪挖掘铲对根茎的直接冲击，降低黄芪根茎的收获损伤，挖掘铲体切削土壤挖掘黄芪，上触土曲面具有仿生几何结构，减小土壤对铲体的粘附，降低挖掘铲的土壤粘附阻力；犰狳爪趾在坚硬的土质中进行破土、切土和拖土的过程中始终保持铲体形态不发生改变，其性能优异于其他类型的挖掘铲，很好的解决了其他类型挖掘铲不适合挖掘坚硬土质或挖掘深度较深的实际问题，保证在自动化收获过程中收获效率高、能量消耗少，挖掘部件不易损坏。克服了现有黄芪收获存在劳动强度大、挖掘成本高、根茎损伤率高、粘附严重且收获效率低的问题。
铲柄长为L1，L1的取值范围是80至90mm，宽为B1，B1的取值范围是180至200mm，厚度为B2，B2的取值范围是20至30mm，铲柄上设置有两个直径为d的安装孔，d的取值范围是12至15mm，上触土曲面的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y1＝a·xb+c，其中x的取值范围是7.3至350mm，a的取值范围是(0.031,0.064)，b的取值范围是(1.416,1.543)，c的取值范围是(13.89,18)，下触土曲面的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y2＝d·xe+f，其中x的取值范围是0至350mm，d的取值范围是(0.007,0.031)，e的取值范围是(1.489,1.601)，f的取值范围是(-0.191,5.504)。
上触土曲面上表面设置有若干正六边形凸起块，正六边形凸起块的边长取值范围为4至8mm，间距为1至3mm。
主铲尖的长度L2的取值范围为40至60mm，宽度B3的取值范围为50至75mm，主铲尖为“V”形结构，主铲尖的两铲刃夹角α1的取值范围为55°至75°；侧铲尖的长度L3的取值范围为20至35mm，宽度B4的取值范围为40至60mm，侧铲尖为“V”形结构，侧铲尖的两铲刃夹角α2的取值范围为65°至85°，且侧铲尖外侧铲刃长度为L4，L4的取值范围是5至10mm。
本发明结构设计合理可靠，减小了挖掘过程中的土壤工作阻力，而且在保证挖掘深度的情况下，挖掘铲形成多点同时入土，进一步降低了挖掘铲的土壤刺入阻力，同时有利于挖掘铲减小土壤粘附，降低根茎损伤，提高了黄芪挖掘的工作效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的主视示意图；
图3为图1的左视示意图；
图4为图1的俯视示意图；
图5为图4中I的放大示意图。
图中：1-铲柄，1.1-安装孔，2-铲体，2.1-上触土曲面，2.2-下触土曲面，2.3-正六边形凸起块，3-铲尖，3.1-主铲尖，3.2-侧铲尖。
具体实施方式
实施例1
以垄作黄芪垄宽为560mm，挖掘深度为200mm作为实施条件：
一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，包括尾首依次连接的铲柄1、铲体2和铲尖3；铲体2是由上触土曲面2.1和下触土曲面2.2组成的犰狳爪趾状结构，铲尖3包括主铲尖3.1和位于其左右两侧的侧铲尖3.2。
铲柄1长为L1，L1的取值是80mm，宽为B1，B1的取值是180mm，厚度为B2，B2的取值是20mm，铲柄1上设置有两个直径为d的安装孔1.1，d的取值是12mm，上触土曲面2.1的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y1＝a·xb+c，其中x的取值是7.3至280mm，a的取值是0.031，b的取值是1.416，c的取值是13.89，下触土曲面2.2的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y2＝d·xe+f，其中x的取值范围是0至260mm，d的取值是0.007，e的取值是1.489，f的取值是-0.191；上触土曲面2.1上表面设置有若干正六边形凸起块2.3，正六边形凸起块2.3的边长取值为4mm，间距为1mm；主铲尖3.1的长度L2的取值为40mm，宽度B3的取值为50mm，主铲尖3.1为“V”形结构，主铲尖3.1的两铲刃夹角α1的取值为55°；侧铲尖3.2的长度L3的取值为20mm，宽度B4的取值为40mm，侧铲尖3.2为“V”形结构，侧铲尖3.2的两铲刃夹角α2的取值为65°，且侧铲尖3.2外侧铲刃长度为L4，L4的取值是5mm。
实施例2
以垄作黄芪垄宽为620mm，挖掘深度为1000mm作为实施条件：
一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，包括尾首依次连接的铲柄1、铲体2和铲尖3；铲体2是由上触土曲面2.1和下触土曲面2.2组成的犰狳爪趾状结构，铲尖3包括主铲尖3.1和位于其左右两侧的侧铲尖3.2。
铲柄1长为L1，L1的取值是90mm，宽为B1，B1的取值是200mm，厚度为B2，B2的取值是30mm，铲柄1上设置有两个直径为d的安装孔1.1，d的取值是15mm，上触土曲面2.1的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y1＝a·xb+c，其中x的取值是7.3至350mm，a的取值是0.064，b的取值是1.543，c的取值是18，下触土曲面2.2的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y2＝d·xe+f，其中x的取值是0至350mm，d的取值是0.031，e的取值是1.601，f的取值是5.504；上触土曲面2.1上表面设置有若干正六边形凸起块2.3，正六边形凸起块2.3的边长取值为8mm，间距为3mm；主铲尖3.1的长度L2的取值为60mm，宽度B3的取值为75mm，主铲尖3.1为“V”形结构，主铲尖3.1的两铲刃夹角α1的取值为75°；侧铲尖3.2的长度L3的取值为35mm，宽度B4的取值为60mm，侧铲尖3.2为“V”形结构，侧铲尖3.2的两铲刃夹角α2的取值为85°，且侧铲尖3.2外侧铲刃长度为L4，L4的取值是10mm。
实施例3
以垄作黄芪垄宽为600mm，挖掘深度为500mm作为实施条件：
一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，包括尾首依次连接的铲柄1、铲体2和铲尖3；铲体2是由上触土曲面2.1和下触土曲面2.2组成的犰狳爪趾状结构，铲尖3包括主铲尖3.1和位于其左右两侧的侧铲尖3.2。
铲柄1长为L1，L1的取值是83mm，宽为B1，B1的取值是211mm，厚度为B2，B2的取值范围是23mm，铲柄1上设置有两个直径为d的安装孔1.1，d的取值是13mm，上触土曲面2.1的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y1＝a·xb+c，其中x的取值范围是7.3至323mm，a的取值是0.048，b的取值是1.483，c的取值是16.89，下触土曲面2.2的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y2＝d·xe+f，其中x的取值范围是0至348mm，d的取值是0.027，e的取值是1.503，f的取值是3.483；上触土曲面2.1上表面设置有若干正六边形凸起块2.3，正六边形凸起块2.3的边长取值为7mm，间距为2mm；主铲尖3.1的长度L2的取值为47mm，宽度B3的取值为68mm，主铲尖3.1为“V”形结构，主铲尖3.1的两铲刃夹角α1的取值为67°；侧铲尖3.2的长度L3的取值为29mm，宽度B4的取值为47mm，侧铲尖3.2为“V”形结构，侧铲尖3.2的两铲刃夹角α2的取值为73°，且侧铲尖3.2外侧铲刃长度为L4，L4的取值是8mm。
对比例1
本发明实施例1中所述的黄芪挖掘铲与吉林大学研制的马铃薯挖掘铲在同工况条件下进行室内土槽挖掘阻力对比实验。设置土槽为20m长，其中中间15m为测试区，将黄芪挖掘铲和马铃薯挖掘铲通过三点悬挂装置固定连接在土槽试验车上，试验在相同的土壤状态下进行，设定挖掘深度为20cm、30cm、40cm，前进速度为3Km/h、3.5Km/h、4Km/h的条件下，通过八角环传感器分别测定两种类型挖掘铲的工作阻力。试验测试结果表明，本发明所述的黄芪挖掘铲在同工况条件下，工作阻力均低于吉林大学研制的马铃薯挖掘铲，如表1所示。
表1.挖掘铲工作阻力土槽试验测试结果
对比例2
本发明实施例3中所述的黄芪挖掘铲在触土过程中，铲体上侧触土曲面表面设置的模仿犰狳头部减阻脱附凸包可以有效减少土壤和铲体的接触面积，防止因土壤粘附在挖掘铲上而产生的工作阻力，并减少铲体的磨损；本发明所述的黄芪挖掘铲在保证挖掘深度的情况下，挖掘铲形成多点同时入土，进一步降低挖掘铲与土壤之间的粘附，减小了挖掘过程中的土壤刺入阻力；与吉林大学研制的马铃薯挖掘铲在同工况条件下挖掘阻力的实验结果表明，本发明所述的黄芪挖掘铲可以有效降低刺入阻力10％。
对比例3
本发明实施例2中所述的黄芪挖掘铲与吉林大学研制的马铃薯挖掘铲在同工况条件下损伤实验结果表明，本发明实施例2中所述的黄芪挖掘铲三个铲尖形成的铲尖间隙构成侧刃，逐步切断黄芪根茎，减小黄芪挖掘铲对根茎的直接冲击，可以有效降低黄芪根茎的收获损伤30％。
Claims (3)
1.一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，其特征在于：包括尾首依次连接的铲柄(1)、铲体(2)和铲尖(3)；铲体(2)是由上触土曲面(2.1)和下触土曲面(2.2)组成的犰狳爪趾状结构，铲尖(3)包括主铲尖(3.1)和位于其左右两侧的侧铲尖(3.2)；
铲柄(1)长为L1，L1的取值范围是80至90mm，宽为B1，B1的取值范围是180至200mm，厚度为B2，B2的取值范围是20至30mm，铲柄(1)上设置有两个直径为d的安装孔(1.1)，d的取值范围是12至15mm，上触土曲面(2.1)的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y1＝a·xb+c，其中x的取值范围是7.3至350mm，a的取值范围是(0.031,0.064)，b的取值范围是(1.416,1.543)，c的取值范围是(13.89,18)，下触土曲面(2.2)的首尾竖向截面轮廓曲线方程为y2＝d·xe+f，其中x的取值范围是0至350mm，d的取值范围是(0.007,0.031)，e的取值范围是(1.489,1.601)，f的取值范围是(-0.191,5.504)。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，其特征在于：上触土曲面(2.1)上表面设置有若干正六边形凸起块(2.3)，正六边形凸起块(2.3)的边长取值范围为4至8mm，间距为1至3mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有仿生曲面结构的黄芪挖掘铲，其特征在于：主铲尖(3.1)的长度L2的取值范围为40至60mm，宽度B3的取值范围为50至75mm，主铲尖(3.1)为“V”形结构，主铲尖(3.1)的两铲刃夹角α1的取值范围为55°至75°；侧铲尖(3.2)的长度L3的取值范围为20至35mm，宽度B4的取值范围为40至60mm，侧铲尖(3.2)为“V”形结构，侧铲尖(3.2)的两铲刃夹角α2的取值范围为65°至85°，且侧铲尖(3.2)外侧铲刃长度为L4，L4的取值范围是5至10mm。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20190111 Address after: 064009 Tiangezhuang, Wangguanying Town, Fengrun District, Tangshan City, Hebei Province Applicant after: TANGSHAN FENGRUN DISTRICT QIUSHI AGRICULTURAL DEVELOPMENT Co.,Ltd. Address before: 030024 College of Mechanical Engineering, 79 Yingjie Street, Taiyuan City, Shanxi Province Applicant before: Taiyuan University of Technology |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190219 |