基于穿山甲前足的三七仿生挖掘铲设计与试验

针对三七收获作业时挖掘铲存在挖掘阻力大和能耗高等问题,以穿山甲前足爪趾为仿生原型,设计了一款高效减阻仿生挖掘铲。以三七根茎及种植土壤为研究对象,计算得本征物理参数,设置 Bonding 键参数建立三七根茎离散元模型,分析根土黏结机理,利用Hertz-Mindlin with JKR 建立三七根茎-种植土壤离散元复合模型;通过三维扫描获取穿山甲爪趾点云模型,并运用Solidworks建立仿生挖掘铲三维模型,根据爪趾三维模型设计仿生挖掘铲外形结构;对挖掘铲铲尖与铲柄进行力学分析,确定影响作业质量的设计参数;基于EDEM离散元法建立部件-土壤-作物多元仿真模型,以土壤颗粒速度矢量、土壤扰动率及挖掘阻力为评价指标进行仿真试验,得到不同指标的影响规律;通过台架试验验证仿生挖掘铲作业性能,获取仿生挖掘铲和平面挖掘铲平均挖掘阻力分别为1 171.69、1 442.36 N,平均减阻率为18.81%,台架与仿真试验结果基本一致。试验结果表明仿生挖掘铲具有良好减阻降耗特性,仿生结构设计合理,能满足酸性红土条件下三七收获挖掘作业。