新型挖掘鏟設計與耐磨性研究

摘" 要：針對農業生產過程中機械農具設備磨損較大的問題，以工作在土壤環境下的新型挖掘鏟為例，探索解決該問題的有效途徑。區別于常用的置于豎直方向固定的挖鏟，其采用多個齒輪和連桿的結構，將置于兩側沿著不同方向水平運動的挖掘鏟鏟面設計為棱紋間距不同的棱紋型幾何結構的表面。通過改變挖掘鏟挖掘過程的運動方式，以及挖掘鏟表面的幾何結構輪廓來減少在挖掘過程中的磨損。通過對與磨損面積有關的入土角、載荷、使用次數等主要參數的計算和分析，選用磨損面積最小同時最符合實際情況的相關參數。

關鍵詞：磨損；入土角；挖掘鏟；棱紋結構；載荷

中圖分類號：TH117" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0058-04

Abstract： Aiming at the problem of the wear and tear of mechanical tools and equipment in agricultural production， taking the new excavation shovel working in soil environment as an example， explore effective ways to solve this problem. Different from the commonly used excavating shovel which is fixed in vertical direction， it adopts the structure of multiple gears and connecting rods， which will be placed on both sides and move horizontally in different directions. The surface of the shovel is designed as the surface of the ribbed geometric structure with different spacing. The wear and tear during excavation is reduced by changing the movement of the excavating scoop and the geometric contours of the excavating scoop surface. Through the calculation and analysis of the main parameters such as soil angle， load and usage， the relevant parameters with the least wear area and the most reasonable to the actual situation are selected.

Keywords： wear; penetration angle; digging shovel; ribbed structure; load

農耕機械尤其是挖掘工具的破損通常是土壤與觸土部件之間的磨損失效所致，這種磨損已經占據磨損總量的60%以上。本文通過對新型專用挖掘鏟的設計研究以及相關實驗分析，在確保其工作效率的同時提升其抗磨能力，從而促進挖掘設備的整體技術水平提升。

1" 設計原理

在進行一次挖掘的過程中，挖爪與側面洞壁的接觸路徑呈現出明顯的延伸趨勢，為確保挖掘機能夠順暢地完成整個工作循環[1]。在挖掘過程中，起始和結束段的土壤挖掘軌跡應當與洞壁平行，而中間段的軌跡曲線則應當保持平滑，同時曲線的斜率變化應當盡可能地減小；挖土行程初始階段速度較大，之后逐漸減小。在進行回程時，挖爪靠近洞壁處的移動速度較快，而當距離較遠時，它們離開洞壁面的速度則較為緩慢。在進行挖掘和回程時，應將挖掘所產生的土壤遠離洞壁和軀體，以避免其被帶回并與身體發生碰撞；在進行土壤挖掘時，應確保行程速度平穩無波動，不超過回程速度；并加快回程速度，以有效縮短挖掘斗無效工作時間并提高挖掘效率[2]。挖爪部分為主要磨損部位，挖爪外形采用具有正弦函數特征的棱紋輪廓，幾何結構曲面棱紋輪廓方程為

棱紋高度與棱紋底寬之比約為1∶2.61。選取3種不同棱紋間距表面試樣，棱紋間距分別為15.36、12.44、9.31 mm，3種棱紋間距表面的磨損量和平板試樣的磨損量進行對比分析[3]。得出棱紋間距不同棱紋型幾何結構的表面試樣耐磨性能優于平板表面，當相對滑動速度為1.68 m/s時，棱紋型幾何結構的表面磨損量損失降低了29.64%～43.86%；當相對滑動速度達到2.35 m/s時，棱紋型幾何結構表面的磨損量損失減少了16.16%～21.79%，棱紋型幾何結構有效減小了土壤結構對挖爪在運動時的磨損。圖1為棱紋輪廓的挖爪形狀。

應用的棱紋結構能夠改變磨料在磨損表面流場的接觸和運動狀態，從而增加剪切層的厚度，降低剪切層內土壤的密度，改變土壤中物質的運動軌跡，使得耐磨性得到顯著提高。將這種結構施加到挖掘鏟上的挖爪部分，更利于減少操作時挖掘運動時的土壤物質和不同水分土壤中流動物質對工件的磨損[4]。

2" 基礎參數設定

以挖掘鏟三維模型為研究對象，根據實際挖土工作環境及要求選擇適宜土壤物理特性參數進行仿真實驗，并對磨損影響進行了分析。參照某地區土壤條件、土壤物理特性設定實驗的主要參數，其中有土壤含水量、土壤堅實度、土壤內聚力、土壤內摩擦角和土壤抗剪切強度等內容[5]，見表1。

3" 設計計算

3.1" 入土角設計計算

入土角是挖掘鏟的重要參數，是挖掘鏟是否能夠正常入土的關鍵因素。一般情況下，入土角α越大對土壤破碎越有利，但其阻力也就越大，磨損面積立即就會相應地增大，在保證碎土能力及鏟面掘起物滿足規定位移要求的前提下，為了減少挖掘阻力和減少磨損面積要盡可能地縮小挖掘鏟入土角α。位于鏟面上的土壤受力情況利用達朗伯原理，為使土壤能夠后移，應滿足

經理論計算與試驗統計，繪制曲線圖（圖2）。當入土角過小，鏟面大面積和土壤摩擦，但所挖掘的土壤量過小，難以達到挖掘土壤的效果，入土角過小磨損較大且工作效率較低。入土角選用的最小值為38°，則入土角的限定范圍為38°≤α≤85°，入土角和磨損面積呈正相關，分析曲線圖，則選取磨損面積較小的范圍，入土角的范圍為38°≤α≤43°。

3.2" 鏟面載荷設計計算

3.3" 使用次數設計計算

通過低周疲勞實驗探究挖掘次數對磨損的影響，低周疲勞的應變-壽命曲線（ε-Nf）通常用主應變半幅和循環失效的反復次數（2Nf）在雙對數坐標上表示。把總應變半幅分解為彈性應變幅和塑性應變幅時，兩者與循環反復次數的關系都可近似用直線表示為

4" 結論

對于傳統的挖掘方式，新型挖掘鏟頭通過設計，將沿圓弧軌跡水平運動方式充分應用，通過一定的角度進入土壤，鏟頭的多連桿機構的運動用挖爪將挖開、松動將種子放入土壤之中。棱紋輪廓結構應用于挖掘鏟頭可減少工作過程中土壤對工件的磨損。通過分析入土角、鏟面載荷、使用次數與挖掘鏟磨損的關系，進行合理的參數選擇，探究土壤對鏟面的磨損原因的同時證明了設計結構的可行性。新型挖掘鏟頭減少了不必要的挖掘面積和農業機械用具的磨損，保證種植質量的同時提高了工作效率。

參考文獻：

[1] 杜偉，海文博，劉春雨，等.基于貝殼棱紋結構的仿生除草輪設計與分析[J].農機化研究，2023，45（6）：94-99.

[2] 常香玲.華北平原不同土地利用方式下土壤飽和導水率特征及其影響因素分析[J].節水灌溉，2023（7）：28-33.

[3] 賈金龍，陳祥凱，郭小汝，等.摩擦材料從輕微磨損向嚴重磨損轉變的機理研究綜述[J].機電工程技術，2023，52（1）：53-58.

[4] 劉日奇，黃曉婷，趙塹，等.萬向鏟入土角調節螺桿座結構優化設計[J].工程機械與維修，2021（6）：36-37.

[5] 李敏通，馬甜，劉志杰，等.深松鏟工作載荷測試與載荷譜編制[J].中國農機化學報，2019，40（11）：1-8，19.