马铃薯挖掘铲的设计现状与新型仿生设计研究

作者及机构
本文由沈阳农业大学的Ping Zhao、Lu Wang、Jizhe Zhao*（通讯作者）及Xuewei Bai共同完成，发表于2015年的*International Conference on Logistics Engineering, Management and Computer Science (LEMCS 2015)*会议论文集。

研究背景与目标
马铃薯是全球第四大粮食作物，中国自2006年起成为全球马铃薯种植面积和产量最大的国家。然而，马铃薯收获机械化水平不足20%，远低于国际70%的标准，其中挖掘铲作为直接与土壤和块茎接触的核心部件，其设计直接影响收获效率与能耗。当前国内外挖掘铲存在以下问题：
1. 进口设备适应性差：价格高，且与国内耕地条件和农艺要求不匹配；
2. 国产铲设计缺陷：平面或下倾弧形铲（如三角平铲、多片铲）导致土壤壅堵、阻力大、能耗高；
3. 理论支撑不足：设计多依赖经验，缺乏精确的力学分析与优化方法。

本研究旨在通过分析现有挖掘铲的结构类型与设计理论，提出一种基于野猪拱嘴仿生学的新型铲形设计，并结合离散元-有限元耦合动力学仿真方法，优化结构参数，为马铃薯收获机械的高效低耗设计提供新思路。

现有挖掘铲类型与问题
1. 传统铲型
- 固定式铲（如三角平铲、条状平铲）：结构简单但土壤壅堵严重；
- 凹面铲（如圆角凹铲、槽型铲）：入土性能好，但分离能力有限；
- 多片铲：效率高但土壤输送量大，加重后续分离负荷。
2. 新型改进铲
- 甘肃农业大学团队设计：
- 圆盘栅格铲（图2）：结合栅格分离装置，提升土薯分离能力；
- 阶梯振动铲（图3）：阶梯结构降低损伤率，但需额外振动机构，功耗高；
- 翼型铲（图5）：仿翅膀形状减少阻力，但缺乏理论优化依据。

新型设计方法
1. 仿生铲形设计
基于野猪拱嘴（arch mouth）的逆向工程：
- 通过三维扫描获取拱嘴表面点云数据，重构其曲面特征；
- 将拱嘴的“入土-碎土-分离”功能特性映射至铲面设计，减少土壤流动阻力。
2. 参数优化理论
提出“铲-土-薯-根”系统动力学仿真方法：
- 建模阶段：
- 基于分形理论（fractal theory）建立块根三维模型；
- 外层土壤采用有限元模型（FEM），内层土壤采用离散元模型（DEM），通过耦合算法模拟动态破裂与流动。
- 仿真验证：
- 通过数值工作站模拟挖掘过程，分析铲参数（倾角、曲率等）对阻力和分离效率的影响；
- 结合物理实验修正模型，最终输出优化参数。

研究意义与创新点
1. 科学价值
- 首次将仿生学与离散元-有限元耦合方法应用于挖掘铲设计，突破了传统经验设计的局限性；
- 建立的“铲-土-薯-根”动力学模型为根茎类作物收获的土壤力学分析提供了新范式。
2. 应用价值
- 新型铲可降低20%~40%的分离部件负荷，提升作业效率；
- 为中国马铃薯主粮化战略中的机械化收获瓶颈问题提供解决方案。
3. 创新性
- 方法创新：结合仿生学与多尺度数值仿真，实现参数精准优化；
- 工具创新：开发了基于分形理论的块根建模方法，提高了土壤-作物相互作用模拟的真实性。

现存问题与未来方向
1. 土壤结构的复杂性导致模型仍需进一步验证；
2. 需探索更多仿生原型（如鼹鼠前爪）以适配不同土壤类型；
3. 动态参数（如振动频率）的优化需纳入后续研究。

资助信息
本研究获中国高等教育博士点基金（20132103120016）和辽宁省沈阳市科技计划项目（F15-199-1-20）支持。

亮点总结
- 提出野猪拱嘴仿生设计，解决传统铲的壅堵问题；
- 建立“分形理论+DEM-FEM耦合”的动力学仿真框架，填补理论空白；
- 为马铃薯收获机械的轻量化、低耗设计提供直接指导。