玉米根茬采樣機挖掘鏟參數設計

班春華

（遼寧省農業機械化研究所，沈陽 110161）

玉米根茬采樣機作業時，挖掘鏟入土將玉米根茬及其周圍土壤提取出來，送至抖土機構和運送鏈機構中清理附著的土壤，然后由傳送帶機構的動態視覺采樣系統進行采樣分析。挖掘鏟結構設計直接關系機具的入土深度和入土阻力，會影響采樣結果。 為獲得更好的入土、破土和自我清潔性能，基于掘起物受力分析，設計優化挖掘鏟主要參數，為提高玉米根茬采樣機的適有性提供理論參考。

1 三角形刃挖掘鏟

玉米采樣機采用三角形平面挖掘鏟結構，如圖1所示。

圖1 挖掘鏟示意圖Figure 1 Schematic diagram of digging shovel

挖掘鏟主要工作參數包括作業參數和結構參數。作業參數包括鏟面傾角（入土角）α、挖掘鏟工作速度v0、挖掘寬度和深度等；結構參數主要有鏟面長度l、鏟刃斜角γ、鏟面寬度b 等，具體見圖2。

圖2 挖掘鏟主要參數Figure 2 Main parameters of digging shovel

2 主要參數設計

2.1 鏟面傾角（入土角）

鏟面傾角的選擇原則是：鏟面上升到一定高度時掘起物不下落，且能被順利運送到分離結構上。 鏟面上掘起物受力分析如圖3 所示。

圖3 掘起物受力分析Figure 3 Force analysis of excavation material

根據達朗貝爾原理， 鏟面傾角α 理論值的平衡方程式為：

式中：P 為掘起物所受的水平方向作用力，N；R為掘起物受到的垂直方向作用力，N；G 為掘起物所受重力，N；T 為掘起物與挖掘鏟面的摩擦力，T＝μR，N；μ 為摩擦系數，一般取 0.3。

由式（1）得

通常α 越大越利于土壤的破碎，但阻力也隨即相應增加。 當α=25 °時，中等堅實的土壤容易出現泥土堆積現象。 在確保碎土能力和鏟上掘起物達到所需高度的基礎上，為降低挖掘阻力，應盡量減小挖掘鏟的鏟面傾角 α 值。 經計算與試驗，確定 α 值在 14 °～22 °之間。

2.2 鏟面長度

當機組前進速度為v0時，掘起物的動能為：

式中：E 為掘起物動能，J；m 為掘起物質量，kg；v0為挖掘鏟工作速度，m/s。

當掘起物被運輸到挖掘鏟末端時，鏟尾段相對地面的速度會減小到零，即v=0，此時掘起物的總能量會隨勢能增加和摩擦力功率損耗而消耗殆盡。

摩擦功為 Wf=mglμcosα2；勢能為 Wg=mglsinα2。 根據能量守恒定律E=Wf+Wg，得到：

在保證工作阻力足夠小且能保證挖掘鏟強度的前提下， 使掘起物在脫離挖掘鏟時保持一定速度，所以應使鏟體的實際總長度小于理論計算數值。這樣不僅可以使掘起物恰好通過抖土機構并被順利輸送到運送鏈機構上方，從而避免泥土堆積堵塞，同時也使整機重心更加靠前。 最終確定挖掘鏟長度范圍為150～200 mm。

2.3 鏟刃斜角

挖掘鏟鏟刃斜角受力分析如圖4 所示。

圖4 挖掘鏟鏟刃斜角受力分析Figure 4 Force analysis of bevel angle of digging shovel

為確保鏟刃具有自潔能力，土壤在鏟刃上的滑切力 cosγ 必須大于鏟刃與土壤的摩擦力 T0，即 P0cosγ＞T0。

由摩擦定律得到：T0=Ntanφ，N= P0sinγ。

式中：φ 為土壤與鋼的摩擦角；N 為鏟面對土壤的垂直反力，N。

由公式可得 γ＜90 °-φ。 一般土壤對鋼的摩擦角為 26.5 °～35.0 °，刃口 γ 值越小，挖掘鏟就會越尖。 計算可知：γ 值大更容易加工制造， 且能在挖掘時減小阻力和降低破損率。經分析計算，確定鏟刃斜角為γ=60 °。

2.4 鏟寬

挖掘鏟刃寬度應根據不同作物來選擇，要求鏟刃更換拆卸方便，并保證玉米根茬視覺識別時的準確性和完整性。 清理根茬附著土壤時，在保證清理干凈的同時盡量避免對根茬根須造成破壞損傷?；谝陨显颍衩赘饕话氵x擇單片鏟刃寬度10～20 cm。