班春華

（遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，沈陽 110161）

玉米根茬采樣機(jī)作業(yè)時(shí)，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(jī)構(gòu)和運(yùn)送鏈機(jī)構(gòu)中清理附著的土壤，然后由傳送帶機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)視覺采樣系統(tǒng)進(jìn)行采樣分析。挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系機(jī)具的入土深度和入土阻力，會(huì)影響采樣結(jié)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(shè)計(jì)優(yōu)化挖掘鏟主要參數(shù)，為提高玉米根茬采樣機(jī)的適有性提供理論參考。

1 三角形刃挖掘鏟

玉米采樣機(jī)采用三角形平面挖掘鏟結(jié)構(gòu)，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(shù)包括作業(yè)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。作業(yè)參數(shù)包括鏟面傾角（入土角）α、挖掘鏟工作速度v0、挖掘?qū)挾群蜕疃鹊?；結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)Figure 2 Main parameters of digging shovel

2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

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(shí)掘起物不下落，且能被順利運(yùn)送到分離結(jié)構(gòu)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(jù)達(dá)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(shù)，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(yīng)增加。 當(dāng)α=25 °時(shí)，中等堅(jiān)實(shí)的土壤容易出現(xiàn)泥土堆積現(xiàn)象。 在確保碎土能力和鏟上掘起物達(dá)到所需高度的基礎(chǔ)上，為降低挖掘阻力，應(yīng)盡量減小挖掘鏟的鏟面傾角 α 值。 經(jīng)計(jì)算與試驗(yàn)，確定 α 值在 14 °～22 °之間。

2.2 鏟面長度

當(dāng)機(jī)組前進(jìn)速度為v0時(shí)，掘起物的動(dòng)能為：

式中：E 為掘起物動(dòng)能，J；m 為掘起物質(zhì)量，kg；v0為挖掘鏟工作速度，m/s。

當(dāng)掘起物被運(yùn)輸?shù)酵诰蜱P末端時(shí)，鏟尾段相對地面的速度會(huì)減小到零，即v=0，此時(shí)掘起物的總能量會(huì)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(jù)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(qiáng)度的前提下， 使掘起物在脫離挖掘鏟時(shí)保持一定速度，所以應(yīng)使鏟體的實(shí)際總長度小于理論計(jì)算數(shù)值。這樣不僅可以使掘起物恰好通過抖土機(jī)構(gòu)并被順利輸送到運(yùn)送鏈機(jī)構(gòu)上方，從而避免泥土堆積堵塞，同時(shí)也使整機(jī)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(huì)越尖。 計(jì)算可知：γ 值大更容易加工制造， 且能在挖掘時(shí)減小阻力和降低破損率。經(jīng)分析計(jì)算，確定鏟刃斜角為γ=60 °。

2.4 鏟寬

挖掘鏟刃寬度應(yīng)根據(jù)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(shí)別時(shí)的準(zhǔn)確性和完整性。 清理根茬附著土壤時(shí)，在保證清理干凈的同時(shí)盡量避免對根茬根須造成破壞損傷。基于以上原因，玉米耕作一般選擇單片鏟刃寬度10～20 cm。