CN110024545B - 一种木薯仿生收获机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木薯仿生收获机，属农业机械技术领域。包括机架、仿生铲机构、角度调节机构和抖动土薯分离机构；仿生铲齿上下面曲线分为仿生铲齿段和平缓升土铲齿段，其中，以任一水平面去切割铲齿段，其俩侧面所得曲线均按照土壤相对运动轨迹设计成仿生曲线结构。整个铲齿均设计成曲面，其中铲齿上沿和下沿的设计分别按照土壤动物的足趾上沿和下沿轮廓设计。角度调节机构通过调整铲柄上端螺栓长度完成角度调节。机架前后端皆设计有多孔位以适应土面凸凹状况。抖动土薯分离装置采用清洁能源电力驱动，通过传输链向后运动的同时以凸轮振动传输链向后实现抛土。经过仿生铲挖掘和抖动分离装置输送分离后便可完成木薯块根挖掘和土薯分离。

Description

一种木薯仿生收获机

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种收获机，具体涉及一种木薯仿生收获机。

背景技术

木薯收获机械化将是我国木薯方面的主要趋势之一，木薯收获机械化不但有利于提高木薯产业的生产效率，更可以推动我国木薯产业发展进程。挖掘铲作为木薯收获机的关键部件，如何改善挖掘铲工作时土壤粘附和阻力大的问题，使挖掘铲同时具有良好的入土性、脱土性和减阻性是优化挖掘铲设计的一大难点。

目前存在的挖掘铲排土功能不理想、土壤的附着越多所需牵引力越大的问题，不仅对木薯的收获有影响，而且会降低木薯挖掘机寿命，甚至损坏木薯挖掘装置。抖动装置作为木薯收获机的关键部件，其结构形态与几何参数将直接影响着木薯收获机的收获效率。同时，电能作为清洁能源，对农田作业有极其重要的意义，无污染植物是现代农业发展的目标之一。

基于工程仿生学理论，从土壤动物挖削土壤中获得启发，对木薯挖掘机挖掘铲触土部件进行仿生改形设计，进而提高其减阻性能，是一种新的研究途径。模仿田鼠爪趾弯曲轮廓形状设计的仿生弯曲型深松部件减阻效果明显。另外，犬是一种挖掘能力强的动物，作为主要触土部件，其爪趾在构形与形态方面处于最优化状态，可将切削土壤时的阻力减至最小。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有木薯收获机挖掘铲形式单一，结构复杂，在挖掘木薯块根时出现碎土、漏土能力有限，入土阻力较大，伤薯断薯漏薯率较高；污染严重等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种木薯仿生收获机，其中：包括机架、仿生铲机构、角度调节机构和抖动土薯分离机构；所述仿生铲机构由数段等距排列的仿生铲齿、铲梁和铲耳组成，铲梁的前端设置所述仿生铲齿，铲梁的末端设置所述铲耳，所述仿生铲齿的入土角度为30～50°，所述仿生铲机构与机架铰链连接；所述角度调节机构包括外表面均设置螺纹的铲耳轴和机架轴，铲耳轴上设置铲耳套筒和机架套筒，角度调节机构通过铲耳套筒与铲耳连接，通过机架轴与机架连接(该部分结构根据使用需求，可拆卸，不需要调角时可不采用)；所述抖动土薯分离机构包括驱动轮组、凸轮振动组和链式传输带，凸轮振动组设置在链式传输带的内侧；所述抖动土薯分离机构设置在仿生铲机构的末端。

进一步地，所述仿生铲齿设计为曲面结构，由仿生铲齿段和平缓升土铲齿段组成；其中，以任一水平面去切割铲齿段，其俩侧面所得曲线均按照土壤相对运动轨迹设计成仿生曲线结构；铲齿上沿和下沿的设计分别按照土壤动物的足趾上沿和下沿轮廓设计。挖掘入土时，入土角定义为平缓升土铲齿段下刃面与水平面的夹角，范围在30～50°内均可，工作时前进最优角度为铲尖下端面水平，铲上端面的棱设有圆角以防木薯铲出时被刮伤。

进一步地，所述仿生铲齿前端最小直径不小于5mm，铲齿后端最大直径不大于40mm，铲齿后端底部相对铲齿前端的垂直高度调整范围为250～320mm，铲齿互相平行且轴心所在面与铲梁轴心垂直。铲梁上方两棱均采取倒圆形式，以便木薯的运输，其中心线比下方链式传输带靠后，使木薯滑落后确保稳稳向后运输。铲耳垂直高度应长于100mm，以减少角度调节装置的受力。两侧铲耳对称相同，高30mm。销孔周围最小壁厚应大于20mm。

进一步地，所述铲耳的数量为两个，分布于铲梁的两侧，铲耳上设有与角度调节机构连接的凹槽。

进一步地，所述仿生铲齿上下面及侧铲面水平方向仿生曲线为y＝0.4x²，其中，x代表下轮廓侧面水平方向的坐标，y代表下轮廓侧面垂直方向的坐标。仿生结构具有开土，减阻降耗的作用。

进一步地，所述铲齿间距≤整株木薯最小宽度，做到不漏薯；铲齿后端中心与铲梁中心线在同一水平面，铲梁上端面与铲齿上端面斜度相同，且位于同一平面。

进一步地，所述铲耳轴和机架轴上均设置起固定作用的螺母，铲耳套筒内径与铲耳上的孔直径匹配，以确保角度调节机构与铲连接的紧凑性。角度调节机构的4个螺母在满足装配要求的前提下尽可能宽，以保护螺纹在受力过程中保持长时间的可靠性。机架轴的外径和机架对应的孔直径相同，防止侧向力过大损害螺纹。机架上孔的位置及铲耳轴长度可根据实际受力环境做调整改变(该部分结构根据使用需求，可拆卸，不需要调角时可不采用)。

进一步地，所述机架上设置三点悬挂机构，机架尾部设置尾部支撑轮，所述三点悬挂机构上设计多个用于调节位置的孔位。

进一步地，所述抖动分离装置在链式传输带的上方设置压紧轮，目的是为了使前端接收木薯处保证平稳，使其顺利输送到凸轮振动带区域。

进一步地，所述凸轮振动组包括数个凸轮，各凸轮长轴相对于水平方向角度各异，使链条抖动效果明显；凸轮振动组的转动轴心处于同一水平线上。驱动轮、凸轮振动组、链式传输带均由电机驱动，电机放置于机架平台上。凸轮个数、间距、转速可以配合自动控制程序作相应调整，以达到最优振动效果。

进一步地，铲材料类型为结构钢，弹性模量E＝2.00N/m²，泊松比μ＝0.290，密度ρ＝785kg/m³。

进一步地，机架应在满足强度条件下,采用尽量轻的材料。

本发明木薯仿生收获机结构简单、使用方便、具有入土性能好、碎土能力强、松土效果好和牵引阻力小，不存在伤薯、断薯、漏薯等特点。

附图说明

图1为本发明木薯仿生收获机的结构示意图；

图2为图1中的角度调节机构的结构示意图；

图3为图1中的机架的结构示意图；

图4为图1中的仿生铲机构的结构示意图；

图5为图1中的抖动土薯分离机构的结构示意图；

图6为图1中的抖动土薯分离机构的侧面结构示意图；

图7为本发明中的机架、角度调节机构、仿生铲连接处剖视图(轴侧)；

图8为本发明中的仿生铲入土角度示意图。

图中：1仿生铲机构；1a、仿生铲齿；1b、铲梁；1c、铲耳；ab、仿生铲齿段；bc、平缓升土铲齿段；α、入土角；2、角度调节机构；3、机架；4、抖动土薯分离机构；5、铲耳轴上的铲耳套筒；5a、铲耳螺母；6、机架轴上的机架套筒；6a、机架螺母；7、三点悬挂机构；8、尾部支撑轮；9、压紧轮；10、驱动轮；11、凸轮振动组；12、链式传输带。

具体实施方式

为了详细说明本发明木薯仿生收获机的技术内容、构造特征、以下结合实施方式并配合附图作进一步说明。

如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，本发明木薯仿生收获机，包括机架3、仿生铲机构1、角度调节机构2和抖动土薯分离机构4；机架3上三点悬挂机构7和尾部支撑轮8设计有多个孔位，同时前端下部设计为倒角形式，可根据实际需要调整位置，再配合角度调节机构，使机器处于合理机位，并防止前端积土。机架在满足强度条件下,采用尽量轻得材料。木薯种植方式为垄作，由于种植时的偏差和木薯生长的无序性，所以木薯茎秆会偏离种植中心线，块根也会偏离，考虑以上情况，仿生铲机构顶视图与主视图的整体外轮廓形状为矩形，无论块根是否偏离，都能挖到块根，将块根掘起。

仿生铲机构1由仿生铲齿1a、铲梁1b和铲耳1c组成；仿生铲齿1a上下面曲线分为仿生铲齿段ab和平缓升土铲齿段bc，其中，以任一水平面去切割铲齿段，其俩侧面所得曲线均按照土壤相对运动轨迹设计成仿生曲线结构。整个铲齿均设计成曲面，其中铲齿上沿和下沿的设计分别按照土壤动物的足趾上沿和下沿轮廓设计。仿生铲齿等距排列，入土角α定义为挖掘铲升土段下刃面与水平面的夹角，范围在30～50°内均可，如图8，工作时前进最优角度为铲尖下端面水平。铲上端面的棱设有圆角以防木薯铲出时被刮伤。铲齿前端最小直径不小于5mm，铲齿后端最大直径不大于40mm，铲齿后端底部相对铲齿前端的垂直高度调整范围为250～320mm，铲齿互相平行且轴心所在面与铲梁轴心垂直。铲材料类型为结构钢,弹性模量E＝2.00N/m²，泊松比μ＝0.290，密度ρ＝785kg/m³。

仿生铲齿，根据测量华南号木薯单株木薯薯块在土壤中的分布宽度为530～610mm，考虑到木薯品种不同，薯块的分布宽度也不同，因此一般薯块分布范围为600～800mm。研究表明：挖掘宽度为800mm时，薯块损失率仅为1.6％。由于考虑到植株莲秆中心线的偏离及不同驾驶员的操作熟练程度，所以整个铲的宽度L选择900mm左右。为了不漏薯，铲齿间距≤整株木薯最小宽度。同时，考虑到受力均匀减少伤薯率，设计仿生铲齿数量为偶数个，等距排列。

铲梁和铲耳两侧各有1对对称销孔，铲耳1c上设有凹槽，方便连接角度调节机构。铲梁上方两棱均采取倒角形式，以便木薯的运输。其中心线比下方传送链条带靠后，使木薯滑落后确保稳稳向后运输。铲耳垂直高度应长于100mm，以减少角度调节装置的受力。两侧铲耳对称相同，高30mm。销孔周围最小壁厚应大于20mm。

田园犬是一种挖掘能力强的动物，作为主要触土部件，其爪趾在构形与形态方面处于最优化状态，可将切削土壤时的阻力减至最小。因此，提取田园犬前爪趾的下轮廓侧面曲线信息，设计出木薯收获机的仿生挖掘铲。铲齿上下面及侧铲面水平方向仿生曲线为y＝0.4x²，仿生结构具有减阻降耗的作用。

仿生铲入土后，先经过仿生曲线段ab段，持续入土，并松动周围土壤。而后依靠机器的前进和土壤阻力作用使木薯连同疏松土壤一起运输至平缓升土段bc段。铲齿后端中心与铲梁中心线在同一水平面，铲梁上端面与铲齿上端面斜度相同，且位于同一平面。如此一来木薯顺利运送至铲梁处。再经铲梁后圆角滑落至链式传输带。

角度调节机构由2个带套筒的轴组成，且两轴有外螺纹(铲耳轴5和机架轴6)。铲耳轴5上设置两个铲耳螺母5a，机架轴6上设置两个机架螺母6a，起固定作用。角度调节机构的4个螺母在满足装配要求的前提下尽可能宽，以保护螺纹在受力过程中保持长时间的可靠性。

铲耳轴5的套筒内圆和铲耳上的孔直径相同，以确保角度调节机构与铲连接的紧凑性。机架轴6的外径和机架对应的孔直径相同，防止侧向力过大损害螺纹。机架上孔的位置及铲耳轴5长度可根据实际受力环境做调整改变。铲梁和机架轴6只能转动，通过螺母调节机架轴6的套筒在铲耳轴5上的位置，来调节机架套筒距离铲耳的相对位置，从而调节仿生铲的角度。

抖动土薯分离机构由驱动轮10，凸轮振动组11，链式传输带12组成，其均由电机驱动，电机放置于机架平台上。凸轮振动组11转动轴心处于同一水平线上。抖动土薯分离机构中压紧轮9，是为了使前端接收木薯处保证平稳，使其顺利输送到凸轮振动带区域。

凸轮振动组11设计上，凸轮数量若干，起始时，各凸轮长轴相对于水平方向角度各异，使链条抖动效果明显。凸轮个数、间距、转速，可以配合自动控制程序作相应调整，以达到最优振动效果。同时在保证材料强度条件下尽可能提高转速。电机可以和自动控制结合，在无污染的同时，可以导入科学的信号使凸轮及驱动轮的转速配合，起到更优效果。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种木薯仿生收获机，其特征在于：包括机架、仿生铲机构、角度调节机构和抖动土薯分离机构；所述仿生铲机构由数段等距排列的仿生铲齿、铲梁和铲耳组成，铲梁的前端设置所述仿生铲齿，铲梁的末端设置所述铲耳，所述仿生铲齿的入土角度为30～50°，所述仿生铲机构与机架铰链连接；所述仿生铲齿设计为曲面结构，由仿生铲齿段和平缓升土铲齿段组成；其中，以任一水平面去切割仿生铲齿段，其两侧面所得曲线均按照土壤相对运动轨迹设计成仿生曲线结构；仿生铲齿段上沿和下沿的设计分别按照田园犬的足趾上沿和下沿轮廓设计；提取田园犬前爪趾的下轮廓侧面曲线信息，设计出仿生铲齿段，所述仿生铲齿段上下面及侧铲面水平方向仿生曲线为y＝0.4x²；其中，x代表下轮廓侧面水平方向的坐标，y代表下轮廓侧面垂直方向的坐标；所述角度调节机构包括外表面均设置螺纹的铲耳轴和机架轴，铲耳轴上设置铲耳套筒和机架套筒，角度调节机构通过铲耳套筒与铲耳连接，通过机架轴与机架连接；所述抖动土薯分离机构包括驱动轮组、凸轮振动组和链式传输带，凸轮振动组设置在链式传输带的内侧；所述抖动土薯分离机构设置在仿生铲机构的末端；

所述仿生铲齿段前端最小直径不小于5mm，平缓升土铲齿段后端最大直径不大于40mm，平缓升土铲齿段后端底部相对仿生铲齿段前端的垂直高度调整范围为250～320mm，仿生铲齿互相平行且轴心所在面与铲梁轴心垂直；

所述仿生铲齿间距≤整株木薯最小宽度；平缓升土铲齿段后端中心与铲梁中心线在同一水平面，铲梁上端面与平缓升土铲齿段上端面斜度相同，且位于同一平面，铲梁后棱倒圆。

2.根据权利要求1所述的木薯仿生收获机，其特征在于：所述铲耳的数量为两个，分布于铲梁的两侧，铲耳上设有与角度调节机构连接的凹槽。

3.根据权利要求1所述的木薯仿生收获机，其特征在于：所述铲耳轴和机架轴上均设置螺母，铲耳套筒内径与铲耳上的孔直径匹配。

4.根据权利要求1所述的木薯仿生收获机，其特征在于：所述机架上设置三点悬挂机构，机架尾部设置尾部支撑轮，所述三点悬挂机构上设计多个用于调节位置的孔位。

5.根据权利要求1所述的木薯仿生收获机，其特征在于：所述抖动土薯分离机构在链式传输带的上方设置压紧轮。

6.根据权利要求1所述的木薯仿生收获机，其特征在于：所述凸轮振动组包括数个凸轮，各凸轮长轴相对于水平方向角度各异，凸轮振动组的转动轴心处于同一水平线上。

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