玉米根茬采样机挖掘铲参数设计

班春华

（辽宁省农业机械化研究所，沈阳 110161）

玉米根茬采样机作业时，挖掘铲入土将玉米根茬及其周围土壤提取出来，送至抖土机构和运送链机构中清理附着的土壤，然后由传送带机构的动态视觉采样系统进行采样分析。挖掘铲结构设计直接关系机具的入土深度和入土阻力，会影响采样结果。 为获得更好的入土、破土和自我清洁性能，基于掘起物受力分析，设计优化挖掘铲主要参数，为提高玉米根茬采样机的适有性提供理论参考。

1 三角形刃挖掘铲

玉米采样机采用三角形平面挖掘铲结构，如图1所示。

图1 挖掘铲示意图Figure 1 Schematic diagram of digging shovel

挖掘铲主要工作参数包括作业参数和结构参数。作业参数包括铲面倾角（入土角）α、挖掘铲工作速度v0、挖掘宽度和深度等；结构参数主要有铲面长度l、铲刃斜角γ、铲面宽度b 等，具体见图2。

图2 挖掘铲主要参数Figure 2 Main parameters of digging shovel

2 主要参数设计

2.1 铲面倾角（入土角）

铲面倾角的选择原则是：铲面上升到一定高度时掘起物不下落，且能被顺利运送到分离结构上。 铲面上掘起物受力分析如图3 所示。

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

根据达朗贝尔原理， 铲面倾角α 理论值的平衡方程式为：

式中：P 为掘起物所受的水平方向作用力，N；R为掘起物受到的垂直方向作用力，N；G 为掘起物所受重力，N；T 为掘起物与挖掘铲面的摩擦力，T＝μR，N；μ 为摩擦系数，一般取 0.3。

由式（1）得

通常α 越大越利于土壤的破碎，但阻力也随即相应增加。 当α=25 °时，中等坚实的土壤容易出现泥土堆积现象。 在确保碎土能力和铲上掘起物达到所需高度的基础上，为降低挖掘阻力，应尽量减小挖掘铲的铲面倾角 α 值。 经计算与试验，确定 α 值在 14 °～22 °之间。

2.2 铲面长度

当机组前进速度为v0时，掘起物的动能为：

式中：E 为掘起物动能，J；m 为掘起物质量，kg；v0为挖掘铲工作速度，m/s。

当掘起物被运输到挖掘铲末端时，铲尾段相对地面的速度会减小到零，即v=0，此时掘起物的总能量会随势能增加和摩擦力功率损耗而消耗殆尽。

摩擦功为 Wf=mglμcosα2；势能为 Wg=mglsinα2。 根据能量守恒定律E=Wf+Wg，得到：

在保证工作阻力足够小且能保证挖掘铲强度的前提下， 使掘起物在脱离挖掘铲时保持一定速度，所以应使铲体的实际总长度小于理论计算数值。这样不仅可以使掘起物恰好通过抖土机构并被顺利输送到运送链机构上方，从而避免泥土堆积堵塞，同时也使整机重心更加靠前。 最终确定挖掘铲长度范围为150～200 mm。

2.3 铲刃斜角

挖掘铲铲刃斜角受力分析如图4 所示。

图4 挖掘铲铲刃斜角受力分析Figure 4 Force analysis of bevel angle of digging shovel

为确保铲刃具有自洁能力，土壤在铲刃上的滑切力 cosγ 必须大于铲刃与土壤的摩擦力 T0，即 P0cosγ＞T0。

由摩擦定律得到：T0=Ntanφ，N= P0sinγ。

式中：φ 为土壤与钢的摩擦角；N 为铲面对土壤的垂直反力，N。

由公式可得 γ＜90 °-φ。 一般土壤对钢的摩擦角为 26.5 °～35.0 °，刃口 γ 值越小，挖掘铲就会越尖。 计算可知：γ 值大更容易加工制造， 且能在挖掘时减小阻力和降低破损率。经分析计算，确定铲刃斜角为γ=60 °。

2.4 铲宽

挖掘铲刃宽度应根据不同作物来选择，要求铲刃更换拆卸方便，并保证玉米根茬视觉识别时的准确性和完整性。 清理根茬附着土壤时，在保证清理干净的同时尽量避免对根茬根须造成破坏损伤。基于以上原因，玉米耕作一般选择单片铲刃宽度10～20 cm。