大型農(nóng)田激光測(cè)控精平機(jī)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

孔德剛，張國(guó)彬，弋景剛,齊彥龍

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001；2.河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司,石家莊　052160)

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大型農(nóng)田激光測(cè)控精平機(jī)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

孔德剛1，張國(guó)彬2，弋景剛1,齊彥龍2

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定071001；2.河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司,石家莊052160)

摘要：針對(duì)農(nóng)田集中連片的建設(shè)要求以及高精度土地平整的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種農(nóng)田激光測(cè)控精平機(jī)，該精平機(jī)采用雙彈性扭桿獨(dú)立調(diào)平系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)刀板兩端的獨(dú)立調(diào)整。地表平整精度的決定因素主要包括調(diào)平裝置的豎直調(diào)整量和調(diào)整速度，該精平機(jī)有效地降低了刀板調(diào)整量；同時(shí)建立了調(diào)平系統(tǒng)的動(dòng)作數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)速度分析，確定了滿(mǎn)足較高平整精度要求下的立缸調(diào)整速度。試驗(yàn)結(jié)果表明：該精平機(jī)能夠很好地完成大面積農(nóng)田高精度土地平整的農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田精平機(jī)；平整精度；彈性扭桿；獨(dú)立調(diào)平；反應(yīng)時(shí)間

0引言

“十二五”期間我國(guó)要建成4億畝高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，土地平整作為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的主要內(nèi)容對(duì)未來(lái)農(nóng)田建設(shè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)世界各國(guó)在土地平整方面的大量研究可知，激光平地技術(shù)可使平整后單位面積的農(nóng)田節(jié)水40%，平地成本降低40%，勞動(dòng)時(shí)間減少50%，肥料養(yǎng)分的利用率從原來(lái)的50%～60%提高到50%～70%[1-3]。因此，針對(duì)土地集中連片的建設(shè)要求，大型農(nóng)田精確平整設(shè)備的研發(fā)顯得尤為必要。

地表平整精度的決定因素主要包括調(diào)平裝置的豎直調(diào)整量和調(diào)整速度，精平機(jī)采用激光測(cè)控技術(shù)達(dá)到高精度平整土地的目的，由于電信號(hào)的處理和電磁閥動(dòng)作需要傳遞時(shí)間，當(dāng)激光接收器接收到高程信息后，刀板動(dòng)作需要一定的反應(yīng)時(shí)間，精平機(jī)有作業(yè)速度，導(dǎo)致刀板動(dòng)作時(shí)間相對(duì)檢測(cè)到的高程信息存在一定的滯后現(xiàn)象，這就會(huì)影響到地表的平整精度。降低調(diào)平裝置的調(diào)整量和選取恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整速度對(duì)于精平機(jī)的作業(yè)性能至關(guān)重要。因此，針對(duì)農(nóng)田平整的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了雙彈性扭桿獨(dú)立調(diào)平系統(tǒng)，并在調(diào)整量和調(diào)整速度上對(duì)調(diào)平系統(tǒng)的平整精度做了進(jìn)一步分析。

1激光測(cè)控精平機(jī)的調(diào)平要求

農(nóng)田精平機(jī)側(cè)重于土地的精確平整，與常規(guī)的工程平地機(jī)和農(nóng)田拖拉式存在一些區(qū)別。工程平地機(jī)作為土方機(jī)械適用于構(gòu)筑路基和路面、修筑邊坡、開(kāi)挖邊溝以及進(jìn)行土路和碎石路的養(yǎng)護(hù)工作，對(duì)刮刀的動(dòng)作要求多，成本非常高。農(nóng)田拖拉式平地機(jī)采用懸掛式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，耗用鋼材少，機(jī)動(dòng)靈活；但縱向跨度小，平地鏟與拖拉機(jī)后輪間的距離小，反仿形性能差，平整質(zhì)量較差，適用于小塊地作業(yè)。而農(nóng)田精平機(jī)不僅要滿(mǎn)足大面積農(nóng)田地表的精平要求，同時(shí)要降低生產(chǎn)成本。主要設(shè)計(jì)要求如下：

1)平地刀板上下調(diào)整：平整深度的調(diào)整與非工作狀態(tài)的抬起。

2)平地刀板兩端獨(dú)立調(diào)整：根據(jù)平地刮刀兩端的高程信息，對(duì)其兩端進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，使其兩端在作業(yè)過(guò)程中始終保持水平。由于應(yīng)用于精平作業(yè)，地表平整前的高程差應(yīng)小于400mm。

3)平地刀板水平回轉(zhuǎn)調(diào)整：根據(jù)平整深度，使其在工作過(guò)程中保持固定的回轉(zhuǎn)角，將多余土壤分流到刀體一側(cè)。

4)精平機(jī)作業(yè)速度能夠達(dá)到45m/min。

2調(diào)平系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

2.1調(diào)平系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型農(nóng)田激光測(cè)控精平機(jī)是一種集機(jī)械部分、液壓部分、激光部分和控制部分于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度自動(dòng)控制平整地表的平地機(jī)。采用控制器，借助激光系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的相互配合，能夠達(dá)到高精度平整土地的需求[4]。整機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.液壓站　2.上掛座組件　3.激光接收器　4.高度調(diào)整支架

如圖2所示，調(diào)平組件由彈性扭桿、扭桿前固定法蘭和扭桿后固定法蘭3部分組成。彈性扭桿前、后固定法蘭內(nèi)部裝有花鍵套與錐套，彈性扭桿兩端有花鍵齒。彈性扭桿抗拉強(qiáng)度很高，同時(shí)能夠扭轉(zhuǎn)彎曲變形，既能協(xié)助中梁起到刀板拉伸作用，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，又能通過(guò)自身變形達(dá)到刀板兩端獨(dú)立調(diào)平的目的，而且彈性扭桿具有自動(dòng)回位功能，大大節(jié)約了調(diào)平系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間。

1.扭桿前固定法蘭　2.彈性扭桿　3.扭桿后固定法蘭

2.2調(diào)平系統(tǒng)工作機(jī)理

左右雙位激光接收器分別檢測(cè)刀板兩端的高程信息，將檢測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給PLC，其位置誤差經(jīng)PLC計(jì)算處理后發(fā)出調(diào)整信號(hào)，使相應(yīng)電磁換向閥上電，進(jìn)而控制液壓回路的改變。對(duì)應(yīng)的左右立缸按要求執(zhí)行動(dòng)作，帶動(dòng)調(diào)平組件運(yùn)動(dòng)。通過(guò)彈性扭桿前端的轉(zhuǎn)動(dòng)副、立缸上端和下端的雙垂直轉(zhuǎn)動(dòng)副以及扭桿的復(fù)合變形，形成了調(diào)平組件兩端豎直方向的獨(dú)立調(diào)整，使其始終與激光平面保持平行。同時(shí)刀板與調(diào)平組件通過(guò)水平回轉(zhuǎn)組件聯(lián)系在一起，繼而實(shí)現(xiàn)刀板在工作過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)定作業(yè)平面進(jìn)行土地平整，達(dá)到精平土地的目的。

圖3　精平機(jī)工作裝置立體結(jié)構(gòu)圖

2.3調(diào)平系統(tǒng)調(diào)整量分析

平整精度是衡量精平機(jī)工作性能的主要標(biāo)志，受限于行走速度的影響，即使調(diào)整速度很快，但瞬間產(chǎn)生的高程差也會(huì)反映到平整后的地表上，適當(dāng)降低調(diào)整量是最有效的解決手段[5]。當(dāng)精平機(jī)處于平直路面時(shí)，前輪最低點(diǎn)、刮刀刀尖和后輪最低點(diǎn)處于同一直線(xiàn)上，此時(shí)彈性扭桿處于水平位置。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，地表有高低起伏，前輪會(huì)隨地表不斷地抬起或落下，這時(shí)獨(dú)立調(diào)平系統(tǒng)控制刀尖在作業(yè)面附近做上下運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，地表的高程差在±200mm內(nèi)，后輪在刮刀后方，處于平整后的地表。調(diào)平機(jī)構(gòu)面臨最大調(diào)整量H時(shí)前輪同時(shí)抬起200mm或降低200mm。當(dāng)兩前輪同時(shí)處于200mm凸起時(shí)，刀板抬起h，如圖4所示。根據(jù)相似三角形原理，h/H=0B/0B'=1 260/3 600?h=70mm。同理當(dāng)兩前輪同時(shí)處于-200mm凹坑時(shí)，對(duì)應(yīng)的刮刀刀尖下降70mm，成倍的降低了調(diào)平組件的調(diào)整量，節(jié)約了調(diào)平裝置的反應(yīng)時(shí)間。

圖4　調(diào)整量分析示意圖

3調(diào)平系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度數(shù)學(xué)模型的建立

刀刃的豎直方向調(diào)整速度直接關(guān)系到地表的平整精度，取決于調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)整速度，決定著刀板的反應(yīng)時(shí)間。調(diào)平系統(tǒng)動(dòng)力源為立缸，立缸帶動(dòng)調(diào)平組件實(shí)現(xiàn)刀板的動(dòng)作調(diào)整，為了找到刀刃在豎直方向的速度規(guī)律，需找到立缸移動(dòng)速度與刀刃豎直方向調(diào)整速度對(duì)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。

由于立缸繞上轉(zhuǎn)動(dòng)副做空間運(yùn)動(dòng)，以立缸的伸縮量為基準(zhǔn)建立位置方程，從兩個(gè)平面出發(fā)，一個(gè)是兩立缸軸線(xiàn)所處平面(平面1)；另一個(gè)是扭桿軸線(xiàn)所處的豎直平面(平面2)，如圖5所示。以扭桿工作位置(即水平時(shí))為初始狀態(tài)，立缸以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)臂產(chǎn)生豎直方向位移，轉(zhuǎn)臂與刀刃通過(guò)刀板組件固定在一起。由于兩立缸獨(dú)立動(dòng)作，調(diào)整規(guī)律不定，因此考慮兩立缸同步動(dòng)作，同樣能反映立缸和刀刃間的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系。

(a)　平面1位置圖

(b)　平面2位置圖

平面1內(nèi)的方程為

立缸調(diào)整后平面1的尺寸圖，如圖6所示。其中：LΔ為立缸活塞移動(dòng)距離(mm)；L0為初始上下轉(zhuǎn)動(dòng)副中心距(1 027mm)；L1為移動(dòng)后上下轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心距(mm)；h0為初始上轉(zhuǎn)動(dòng)副到轉(zhuǎn)臂的距離(mm)；h1為移動(dòng)后上轉(zhuǎn)動(dòng)副到轉(zhuǎn)臂的距離(mm)；K為上轉(zhuǎn)動(dòng)副與下轉(zhuǎn)動(dòng)副的橫向距離(280mm)；v為立缸活塞移動(dòng)速度(m/s)；t為時(shí)間(s)。

圖6　立缸調(diào)整后平面1尺寸圖

投影到平面2的方程為

立缸調(diào)整后平面2的尺寸圖，如圖7所示。其中：R為轉(zhuǎn)臂繞轉(zhuǎn)軸座轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(1 244mm)；S為轉(zhuǎn)軸座與上轉(zhuǎn)動(dòng)副中心距在平面2上的投影(1 554m)；y為轉(zhuǎn)臂豎直方向的位移(mm)；α為初始R與S的夾角(°)；β為轉(zhuǎn)動(dòng)后R與S的夾角(°)。

圖7　立缸調(diào)整后平面2尺寸圖

4調(diào)平系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度分析

4.1獨(dú)立調(diào)平系統(tǒng)模型的運(yùn)動(dòng)分析

從兩組方程式中可以看到：v、t、y3個(gè)未知數(shù)，只有給定v值才能得出y與t的關(guān)系。假設(shè)立缸勻速運(yùn)動(dòng)，對(duì)立缸活塞的移動(dòng)速度(v=30、40、45、50、60mm/s)進(jìn)行賦值，并將位置參數(shù)代入組合方程式(1)、式(2),通過(guò)MatLab編程，得到刀刃在豎直方向位移圖，如圖8所示。通過(guò)位移-時(shí)間曲線(xiàn)可以明顯看出刀刃在豎直方向上做勻速運(yùn)動(dòng)。

圖8　不同速度下刀刃豎直方向的位移-時(shí)間關(guān)系

4.2立缸調(diào)整速度對(duì)平整精度的影響

激光接收器接收激光束，經(jīng)控制器到電磁換向閥的電磁鐵上電需要大約10ms，而電磁鐵采用的直流電磁鐵動(dòng)作時(shí)間為0.05～0.08s，切換頻率高。從閥芯動(dòng)作完畢后到液壓缸達(dá)到穩(wěn)定的移動(dòng)速度大約需要0.6～0.8s的時(shí)間，3個(gè)時(shí)間總和不足1s[8]。刀刃豎直位移最大調(diào)整量為70mm，精平機(jī)工作行駛速度設(shè)計(jì)要求為45m/min。在立缸活塞的移動(dòng)速度在40～50mm/s時(shí)，調(diào)整豎直最大位移精平機(jī)的移動(dòng)距離在1.51～1.75m，進(jìn)一步提高調(diào)整速度，精平機(jī)行走距離變化不大。如果調(diào)整速度過(guò)快，立缸移動(dòng)的慣性就會(huì)大大增加，出現(xiàn)調(diào)過(guò)現(xiàn)象，反而影響平整效果。設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)立缸的調(diào)速范圍在45mm/s左右時(shí)就能滿(mǎn)足高的平整要求，不同立缸活塞移動(dòng)速度下精度控制參數(shù)如表1所示。表1反映的是最大調(diào)整量下精平機(jī)的行走距離，是調(diào)整的極限境況，而在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，地表的變化是一個(gè)漸變過(guò)程，調(diào)平系統(tǒng)調(diào)整量也是緩變的，不會(huì)出現(xiàn)瞬間的大幅度調(diào)整。因此，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中調(diào)平裝置能夠達(dá)到較高的平整精度。

表1　不同立缸活塞移動(dòng)速度下精度控制參數(shù)

5結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了雙彈性扭桿獨(dú)立調(diào)平系統(tǒng)，提高了平地系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)彈性扭桿的變形達(dá)到刀板兩端獨(dú)立調(diào)平的目的，且具有自動(dòng)回位功能，大大節(jié)約了調(diào)平系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間，且成本較低。

2)該調(diào)平系統(tǒng)能夠成倍降低調(diào)整量。通過(guò)調(diào)平系統(tǒng)的動(dòng)作數(shù)學(xué)模型，結(jié)合精平機(jī)作業(yè)速度，確定了立缸活塞移動(dòng)速度范圍在45mm/s左右。

3)試驗(yàn)表明：采用雙彈性扭桿獨(dú)立調(diào)平系統(tǒng)的精平機(jī)能夠很好地完成大面積農(nóng)田高精度平整的農(nóng)藝要求，在工作半徑100m范圍內(nèi)，排除奇異點(diǎn)后地表的高程差控制在±15mm以?xún)?nèi)。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0098-EA

Design and Motion Analysis of Leveling System for Large Farmland Laser Measurement and Control Leveling Machine

Kong Degang1，Zhang Guobin2，Yi Jinggang1，Qi Yanlong2

(1.Mechanic and Electronics College, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001，China；2.Hebei Sino-Agri BOYO Agricultural Equipment Ltd, Shijiazhuang 052160,China)

Abstract：Focus on contiguous farmland for construction requirements and characteristics of high land leveling precision,a farmland laser measurement and control leveling machine is designed. To achieve the ends of the blades adjusted independently, the leveling machine employs independent leveling system of double elastic torsion bar.The determinants of leveling precision for surface flatness include vertical adjustment amount and speed of adjustment about leveling device. The blades adjustment is reduced by style of leveling machine,while establishing a leveling system moves mathematical model to analyze its movement speed.The vertical cylinder speed adjustment is determined to satisfy the requirement of high leveling precision.The results showed that the leveling machine can well complete the sooth operation of the whole farmland leveling for agronomic requirements.

Key words：farmland leveling machine; leveling precision; elastic torsion bar; independent leveling; reaction time

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0098-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：孔德剛(1986-)，男，河北任丘人，助教，碩士研究生，(E-mail)kdg198615@163.com。通訊作者：弋景剛(1961-)，男，河北滄州人，教授，(E-mail)yjg@hebau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)(15047204Z)；河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(11212106D)

收稿日期：2015-04-09