一种具有脱附减阻功能的树木移栽机锹铲

摘要

一种具有脱附减阻功能的树木移栽机锹铲，包括锹铲本体，锹铲本体的前端为具有两个凸型侧刃部的入土端，后端为具有两个凹型铲肩的顶翼端，内触土面由元线沿准线平行拉伸而成，元线是由直径比为1：1.033：1、圆心角比为1:0.897:1的第一圆弧线段、第二圆弧线段和第三圆弧线段依次连接而成；准线符合参数方程

说明书

技术领域

本发明涉及园林机械技术领域，具体的说是一种具有脱附减阻功能的树木移栽机锹铲。

背景技术

随着我国现代化城市建设的快速发展和城市绿色生态环境建设要求的不断提高，在我国园林绿化工程中，树木移栽机得到了越来越多的应用。生产实践中应用的树木移栽机，主要由机架、锹铲、导轨、液压缸和升降机构组成，其中，锹铲是树木移栽机进行移植作业的主要工作部件。生产中使用的树木移栽机铲刀数量一般有3~4把，铲刀个数由工作铲的形状、结构参数、总体设计、应用工况、工作环境等因素决定，相同工作条件下，工作铲个数越少，则单铲工作阻力相对较大，锹铲使用寿命缩短。

目前国内市场上的锹铲形状主要分为菱形锹铲和匙形锹铲，使用菱形铲的移栽机在挖掘结束时，铲组会在地面形成一个空心圆锥面，因此，每个菱形铲可以看做是圆锥面的一部分。匙形锹铲是一种球面铲、纵截平面与铲工作面的交线是曲线，横截平面与铲刀工作面的交线也是曲线。移栽机锹铲闭合时铲组呈空心椭圆球体。对于菱形锹铲而言，锹铲一般都配置在导轨的内部，在挖掘同一规格的土球时，由于菱形铲在直线导轨上所移动的直线距离相对曲线导轨会更长，因此这种移栽机构外形尺寸相对较大，工作阻力也较大，挖掘相同胸径的树木时需要更大的动力。实践表明菱形锹铲移栽机相对于匙形锹铲移栽机，普遍存在工作效率不高，能源利用率低，树木根系挖掘不完整的缺点；对于匙形锹铲而言，移栽机的外形尺寸相对较小，铲组所包容的土球体积相对菱形铲大，保留的树木根系多，对移栽后树木的生长有利，此种形式的锹铲机构多用于大树或株行距较小的苗木的移栽。但是实践表明匙形锹铲移栽机普遍存在土壤粘附严重、铲刀易变型的弱点。

树木移栽作为一项保护天然资源和快速提高城市居民生活质量的重要手段和技术措施，已越来越以其特有的绿化功效而得到广泛的重视和普遍采用，实践表明，铲刀的触土形状、结构参数对挖掘时的能量消耗、工作阻力、土壤粘附有极大的影响，如何设计出具有高效脱附减阻效果的树木移栽机锹铲，无疑具有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有脱附减阻功能的树木移栽机锹铲，基于几何学原理对锹铲的结构重新进行设计，使其工作阻力和土壤粘附情况大大降低。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种具有脱附减阻功能的树木移栽机锹铲，包括锹铲本体，锹铲本体的凹凸两面分别为结构相同的内触土面和外触土面，锹铲本体的前端为具有两个凸型侧刃部的入土端，后端为具有两个凹型铲肩的顶翼端，其中，两个凸型侧刃部的前端部相交，两个凸型侧刃部的后端部分别与两个凹型铲肩的前端部连接，两个凹型铲肩的后端部通过圆弧线段连接；锹铲本体的内触土面由元线沿准线平行拉伸而成，元线是由直径比为1：1.033：1、圆心角比为1:0.897:1的第一圆弧线段、第二圆弧线段和第三圆弧线段依次连接而成；准线符合参数方程                                               和，t取值范围为0~150。

本发明中，锹铲本体的触土曲面由元线垂直准线方向，并使第二圆弧线段的中点处于准线上，由元线沿准线平行拉伸构成。

将现有已知的铁锹边缘结构用在本发明的铁锹本体上，由于本发明限定了锹铲本体的内触土面结构，根据限定的该触土面形状，对其上运动的土壤产生引导效应，亦能使铁锹达到脱土减阻的目的。优选的，铁锹本体的两个凸型侧刃部可以采用现有技术中的弧形结构，也可以采用渐开型曲线结构，即凸型侧刃部与锹铲本体的内触土面连接的轮廓线符合参数方程和，t取值范围为0~150；凸型侧刃部与锹铲本体的外触土面连接的轮廓线可以采用弧形结构，亦可以通过参数方程限定：和，t取值范围为0~150。通过轮廓线方程限定的凸型侧刃部结构，具有变曲率特征，能够改变土壤在与锹铲入土端部表面接触时的运动状态，使锹铲具有较强的入土能力和较好的脱土能力。

本发明中，凹型铲肩与锹铲本体的内触土面连接的轮廓线为圆弧线段，该圆弧线段与第一圆弧线段的直径比为1.403:1、圆心角比为4：3；连接两个凹型铲肩后端部的圆弧线段与第一圆弧线段的直径比为1.033：1、圆心角比为0.897：1。

本发明中，锹铲本体触土曲面的内侧壁上设有两个加强筋，其中一个加强筋沿各元线中第一圆弧线段和第二圆弧线段连接点延伸，另一加强筋沿各元线中第二圆弧线段和第三圆弧线段连接点延伸；锹铲本体触土曲面的内侧壁和外侧壁之间垂直间距H₁与加强筋沿锹铲本体触土曲面的内侧壁设置的高度H₂之间的比例为75%，加强筋可以增加锹铲的刚度，还在锹铲工作时起导向作用。

本发明中，锹铲由三个锹铲本体组成，各锹铲本体中凸型侧刃部前端部的交点位于同一圆周上，相邻两个锹铲本体中的凹型铲肩和凸型侧刃部的交点之间具有一定间隙；各锹铲本体中凸型侧刃部前端部的交点处于的圆周的直径为4mm，相邻两个锹铲本体中的凹型铲肩和凸型侧刃部的交点之间的直线距离为30mm。

本发明的有益效果：1、本发明通过元线沿准线平行拉伸形成锹铲触土曲面，元线由三段圆弧连接而成，准线具有变曲率特性，使元线沿准线连续运动而成的触土曲面，在锹铲工作时，能够改变土壤在与锹铲表面接触时的运动状态，具体表现为：对其上运动的土壤产生引导效应，使土壤颗粒产生滚动、波动效应，并减小接触面的土壤颗粒数量，与现有技术相比，由原来的滑动接触占优势改变为以滚动接触为主，具有变曲率触土曲面的锹铲，能够对运动的土壤产生平滑的切削效应，从而降低挖掘机的工作阻力，降低土壤颗粒与锹铲触土曲面的接触几率，避免土壤粘附在锹铲触土曲面。

2、本发明中，锹铲本体的凸型侧刃部和凹型铲肩分别由渐开型线段和圆弧型线段垂直切割而成，渐开型线段和准线的曲率形式呈现先增大后减小，再增大后减小的变化趋势，这种特殊的曲率形式能够改变锹铲凸型侧刃部与土壤接触部位的运动状态，在轴向推力作用下，锹铲靠两凸型侧刃部的作用切入土壤，当凸型侧刃部切开土壤时，锹铲使土体分离，由于凸型侧刃部的作用使刃口两侧面的土壤产生向下和水平两个方向的复合运动，对运动的土壤产生平滑的切削效应，从而降低锹铲入土时的工作阻力。

3、本发明的锹铲在工作时，具有变曲率特征的触土曲面和凸型侧刃部能够改变土壤在与锹铲表面接触时的运动状态，土壤的应力场表现为连续的波动性能，应力场的持续波动会导致土壤粘附锹铲的的几率大大降低，使锹铲具有较强的入土能力和较好的脱土效果；同时，在锹铲作业时，能够分散土壤压力，减小触土面积，改变土壤应力结构，从而减少土壤粘附，降低土壤阻力。

4、本发明的锹铲由三个锹铲本体组成，锹铲闭合时，相邻两个锹铲本体的铲肩和侧刃部的交点之间具有一定间隙，由于锹铲触土曲面和侧刃部的特殊曲线形式能够使与之接触的土壤周围产生波动性能，进而使相邻两个锹铲本体空隙之间的土壤，由于波动性会自动脱离土壤本体；同时，在含水量较大的环境中工作时，两个锹铲本体之间所留空隙，与各锹铲本体中侧刃部下端的空隙可释放多余的水分，进而减少能源损失；空隙的存在还可缩减锹铲的外形尺寸，在一定程度上减小单个锹铲的工作阻力。

附图说明

图1为本发明的准线方程的曲率变化图；

图2为本发明中元线沿准线拉伸的状态始图；

图3为元线沿准线拉伸后所成曲面的平面图；

图4为实施例1中切割线在图3中的位置视图；

图5为实施例1切割后形成的锹铲本体平面图；

图6为凸型侧刃部与锹铲本体触土面连接的轮廓线的曲率变化图；

图7为本发明中的锹铲立体图。

附图标记：1、元线，2、准线，3、锹铲本体，4、凹型铲肩，5、凸型侧刃部，6、加强筋。

具体实施方式

在具体实施时，如图7所示，本发明的工作锹铲由三个通过螺栓连接在固定导轨上的锹铲本体3组成，三个锹铲本体3表面有一定光滑度，经过淬火处理，有一定的硬度和韧性。锹铲本体3的凹凸两面具有的内触土面和外触土面形状相同，且内触土面上设有加强筋6，锹铲本体3的前端为具有两个凸型侧刃部5的入土端，后端为具有两个凹型铲肩4的顶翼端，其中，两个凸型侧刃部5的前端部相交，两个凸型侧刃部5的后端部分别与两个凹型铲肩4的前端部连接，两个凹型铲肩4的后端部通过圆弧线段连接。触土曲面由元线1沿准线2平行拉伸而成，所形成的曲面再经具有特定曲率的曲线垂直切割，最终形成具有良好脱附减阻效果的工作铲。

本发明所用的元线1是由直径比为1：1.033：1、圆心角比为1:0.897:1的第一圆弧线段、第二圆弧线段和第三圆弧线段依次连接而成，如图2所示：即AB段圆弧、BC段圆弧和CD段圆弧，在solidworks同一坐标系中，AB段圆弧圆心坐标(26.57，56.24，7.58)，半径为64.86，圆心角33°；BC段圆弧圆心坐标(28.63，60.60，0)，半径为67.00038，圆心角29.601°；CD段圆弧圆心(26.57，56.24，-7.58)，半径为64.-86，圆心角33°。

本发明所用准线2为复合摆线型曲线如图2所示，是由参数方程和在t取值范围为0~150得出的曲线段，准线2内蕴曲率变化形式如图1所示，曲线曲率变化趋势呈现先增大后减小，再增大又减小的特殊形式。

本发明元线1沿准线2曲面拉伸(如图2所示)，即可得到如图3所示曲面（平面视图），图3中曲面由L、M和N三部分组成，其中，L、M和N分别表示AB、BC和CD段圆弧沿准线2拉伸所成曲面。曲面L、M和N之间进行无缝焊接，在挖掘土壤一侧及触土曲面的内侧面上增加两个加强筋6，两个加强筋6分别沿L和M，M和N之间的焊接缝进行延伸，锹铲本体3触土曲面的内侧壁和外侧壁之间垂直间距H₁与加强筋6沿锹铲本体触土曲面的内侧壁设置的高度H₂之间的比例为75%，优选的，加强筋6的厚度为1cm，高度沿触土曲面变化趋势为2cm，锹铲本体3厚度设计为1.5cm。加强筋6的作用除了增加锹铲刚度外，还对锹铲工作时起导向作用。

由元线1沿准线2平行拉伸而成的锹铲本体3的触土曲面，再经一定的切割线垂直切割，使锹铲本体3上部具有两个凹型铲肩4，下部具有两个凸型侧刃部5，两个凸型侧刃部5下端相交，凸型侧刃部5上端与凹型铲肩4下端相交。其中，锹铲本体3的触土曲面由元线1垂直准线2方向，并使第二圆弧线段的中点处于准线2上，由元线1沿准线2平行拉伸构成。

凸型侧刃部5与锹铲本体3的内触土面连接的轮廓线符合参数方程和，t取值范围为0~150；凸型侧刃部5与锹铲本体3的外触土面连接的轮廓线符合参数方程和，t取值范围为0~150。凹型铲肩4与锹铲本体3的内触土面连接的轮廓线为圆弧线段，该圆弧线段与第一圆弧线段的直径比为1.403:1、圆心角比为4：3；连接两个凹型铲肩4后端部的圆弧线段与第一圆弧线段的直径比为1.033：1、圆心角比为0.897：1。

实施例1：如图4所示，元线1沿准线2拉伸后所成曲面，被相对于准线2在铅垂面上的投影直线对称设置的第一切割线和第二切割线切割而成，其中，第一切割线由RS圆弧型切割线和ST渐开型切割线连接构成，第二切割线由EF圆弧型切割线和FT渐开型切割线连接构成，其中，两个圆弧切割线RS、EF对图3所示曲面进行垂直切割，形成两个凹型铲肩4；两个渐开型曲切割线ST、TF对图3所示曲面进行垂直切割，形成两个凸型侧刃部5，实际投产过程中要经过缩放变形。切割完成后可根据需要对锹铲进行圆角、剖光、开刃等一些列后期处理，并最终形成如图5中所示锹铲本体。

图4中所示切割圆弧RS对应圆心为(163，108)，半径为91，对应圆心角为44°；切割圆弧EF对应圆心为(163，-108)，半径为91，对应圆心角为44°；渐开型切割曲线ST对应曲线方程为和，t取值范围0~150；渐开型切割曲线TF对应曲线方程为和，t取值范围0~150。

图4中渐开型切割曲线ST、TF对应曲率变化形势如图6所示，曲率形式呈现先增大后减小，再增大又减小的变化趋势。这种特殊的曲率形式能够改变凸型侧刃部5与土壤接触部位的运动状态，在轴向推力作用下，锹铲靠两侧刃的作用切入土壤。当凸型侧刃部5的刃面切开土壤时，锹铲使土体分离，由于刃面的作用使凸型侧刃部5两侧面的土壤产生向下和水平两个方向的复合运动。凸型侧刃部5的结构形式能够对运动的土壤产生平滑的切削效应，从而降低锹铲入土时的工作阻力；同时，此种结构的应力场表现为连续的波动性能，应力场的持续波动会导致土壤粘附刀面的的几率大大降低，使锹铲具有较强的入土能力和较好的脱土效果。同时在作业时能够分散土壤压力，减小触土面积，改变土壤结构，从而减少土壤粘附，降低土壤阻力。

本发明中，如图7所示，锹铲由三个锹铲本体3组成，各锹铲本体中凸型侧刃部前端部的交点位于同一圆周上，相邻两个锹铲本体中的凹型铲肩和凸型侧刃部的交点之间具有一定间隙。工作状态下，三个锹铲本体闭合时，两两三个锹铲本体之间与底部留有适当空隙，各锹铲本体中凸型侧刃部前端部的交点处于的圆周的直径为4mm，相邻两个锹铲本体中的凹型铲肩和凸型侧刃部的交点之间的直线距离为30mm。之所以留有空隙是因为锹铲切削刃的特殊曲线形式能够使与之接触的土壤周围产生波动性能，进而两锹铲空隙之间土壤由于波动性会自动脱离土壤本体；同时在含水量较大的环境中工作时两锹铲之间所留空隙与底部空隙可释放多余的水分，进而减少能源损失；空隙的存在还可缩减锹铲的外形尺寸，这在一定程度上可减小单铲的工作阻力。