JPC—2型耕層斷面測繪儀的研制

楊存志 吳澤全 陳蕾

摘要：為提高深松機和深松整地聯合作業機的鑒定檢測效率，研制基于WIFI無線測控和激光測距技術的JPC-2型耕層斷面測繪儀。闡述耕層斷面測繪儀的工作原理、設計思路及參數設定，介紹測試參數的設置及測定方法，為降低鑒定人員的勞動強度提供適用機具。

關鍵詞：深松機；耕層斷面；激光測距；WIFI無線測控

中圖分類號：S220.39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）07-0036-04

深松機是一種與大功率拖拉機配套使用的耕作機械，主要用于行間或全方位深層土壤機械化翻整。深松機作業有利于改善土壤耕層結構，打破犁底層，提高土壤蓄水保墑能力。啟動深松機時，深松鏟靠自重逐漸進入土壤預定深度，作業過程中應保持作業深度，不允許進行各項調整。

深松機的設計與生產必須達到DG/T 026-2012《深松機推廣鑒定大綱》關于土壤膨松度與土壤擾動系數的檢測要求。采用手持式激光測距儀人工測量這2個參數時，常見的工作幅寬2.5 m的深松整地聯合作業機，需沿水平尺在工作幅寬范圍內每間隔30 mm連續等分標記測點，每個行程需測量耕前地表、耕后地表和實際深松溝底線至水平基準線的距離，且要分別測量3個行程，總測量次數不少于750次。此后，需要人工對數據進行計算，勞動強度大且測量精度低。為此，根據農機鑒定部門的實際要求，研制了基于WIFI無線測控和激光測距技術的JPC-2型耕層斷面測繪儀。

1 JPC-2型耕層斷面測繪儀測試方法

JPC-2型耕層斷面測繪儀采用水平基準線法。深松作業前，垂直機具作業方向橫跨工作幅寬距地表適當高度建立水平尺（水平基準線）并調水平（見圖1），沿水平尺在整個工作幅寬范圍間隔30 mm（或<30 mm）連續等分測點，在作業前、后，測定各等分測點耕前地表至水平基準線的距離H1、耕后地表至水平基準線的距離H2、實際深松溝底線至水平基準線的距離H3。H1，H2，H3為測量采集的3組基礎數據，基此建立3組導出數據，分別為a（h-q）i=H1-H2，aqi=HL-H1，asi=H3-H1，記入記錄表。按相關公式計算土壤膨松度和土壤擾動系數。每個行程測定1次，共測定3個行程，結果取平均值。

2 JPC-2型耕層斷面測繪儀結構設計

JPC-2型耕層斷面測繪儀有效行程4 m。為便于運輸，由4段鋁型材聯接而成，工作幅寬小的深松機也可以3段聯接，有效行程達3 m。

如圖2所示，測繪前，將四段架體組裝成完整的耕層斷面測繪儀，架體之間的導軌與齒條接縫處對齊，無上下、左右錯位現象。把2根鐵釬牢固釘進土中，用夾箍調節測繪儀的高低和水平。4 m長的架體因為不是整根梁，會出現撓度。重復性試驗數據表明，組裝完成的測繪儀測量過程中的撓度幾乎不變。

測繪時，水平測量裝置在步進電機驅動下，齒輪與齒條嚙合，沿直線導軌水平移動，測量速度為60 mm/s，回程速度為120 mm/s。

2.1 撓度計算

耕層斷面測繪儀兩端架在鐵釬上使用，當行程達到4 m時，假設4段連接軌道剛度與整段軌道相似，軌道自重和水平測量裝置質量會產生撓度?，F對鋁型材中心的處最大撓度進行計算，軌道受力如圖2所示。

2.1.1 軌道自重下的最大撓度 如圖3中的a，b所示，軌道截面為60 mm×60 mm ×3 mm的鋁方管，q為單位距離下重力。根據材料力學得到平均載荷下最大撓度計算公式為：

Ymax1=5qL4/384EI （1）

式中：Ymax1為最大撓度，mm；q為重力，N/mm；L為軌道長度，mm（下同）；E為材料彈性模量，N/mm2（下同）；I為型材慣性矩，mm4（下同）。

其中：q=1.85×9.8×10-3=18.1×10-3（N/mm）；L=

4 000 mm；E=69 000 N/mm2。

根據圖3a的軌道截面尺寸得型材慣性矩：I=（BH3-bh3）/12=（60×603-54×543）/12=371 412（mm4）。

將上述數值代入式（1）得：Ymax1=（5×18.1×10-3×

40 004）/（384×69 000×371 412）=23.17×1012/9.84×

1 012=2.35（mm）。

2.1.2 集中力作用下的最大撓度 如圖3中的c所示，集中力F為水平測量裝置的重力，裝置質量為4 kg。根據材料力學得集中力載荷下最大撓度公式：

Ymax2=FL3/48EI （2）

其中F=mg=4×9.8=39.2（N）。將數據代入式（2）得：Ymax2=（4×9.8×4 0003）/（48×69 000×371 412）=25.08×1011/12.3×1011=2.03（mm）。

2.1.3 系統最大撓度 系統最大撓度為：Ymax1+Ymax2=4.38（mm）。

2.2 測控系統

測控系統的工作原理見圖4。

如圖5所示，水平測量裝置集成步進電機、控制器、激光測距傳感器、嵌入式主板、WIFI發射接收模塊和行程開關。其顯著優點有：一是縮短激光測距傳感器采集數據的傳輸距離，保證數據信號不受干擾，提高準確度；二是采用WIFI無線方式與上位機通訊，減少繁多的數據線與電源線，與外界進行有線連接只需一根電源線。

3.3 主要技術參數

耕層斷面測繪儀的主要技術參數見表1。

3 檢測軟件應用

檢測軟件主界面見圖6。

3.1 無線連接

1） 確保上位機（筆記本電腦）無線Wifi處于開啟狀態，將其IP地址設置為自動獲取。

2） 水平測量裝置上電后，內置的無線AP打開，主機可搜索到名為“NJY-DATA01”的無線網絡連接；連接該無線AP。

3） 連接狀態顯示為 。

3.2 開始檢測

3.2.1 設定檢測對象 在主界面上點擊H1按鍵，設定當前檢測對象為：測定耕前地表至水平基準線距離H1；在主界面上點擊H2按鍵，設定當前檢測對象為：耕后地表至水平基準線距離H2；在主界面上點擊H3按鍵，設定當前檢測對象為：實際深松溝底線至水平基準線距離H3。

3.2.2 測量 在主界面上，點擊“開始測試”按鍵，步進電機首先執行復位行程，然后按選定速度從左向右行進，同時采集距離數據。當行至右端的行程開關處或者點擊“停止測試”按鍵，電機停止，一組數據采集結束。通過切換H1，H2，H3，完成耕前地表、耕后地表和實際深松溝底線的3組距離數據檢測。通過切換行程1、行程2、行程3，進行3個選定位置的測量。

3.3 測試結果分析

當H1，H2，H3等3組測試完成后，系統將自動根據采集到的數據計算統計深松性能指標。檢測結果分析表格見圖7。

點擊H1，H2，H3按鍵，顯示或隱藏對應的數據組曲線；點擊“設置H1，H2，H3”按鍵，可分別設置H1，H2，H3的起點與終點：點擊“等分點“或”始未點“，打開等分點和始末點設置窗口，設置適當的“水平基準線等分點間距”“測量的起始點和結束點”“深松鏟數量”“最深溝底偏差”。點擊“確定”按鍵后，軟件將以設定的數值重新生成對應的測試結果報告。計算參數設定界面見圖8。

軟件系統根據“深松鏟數量”和“最深溝底偏差”數值定位數據曲線中的深松溝底，并在數據曲線圖上顯示黑色的輔助線來標識溝底位置。其計算邏輯為：軟件系統首先遍歷H3數據組，計算出最深溝底，最深溝底與“最深溝底偏差”的差值即為橫向標識線位置，通過該橫向標識線與H3數據曲線的一系列交點來定位各個深松鏟的溝底。當“深松鏟數量”等于0時，測試結果報表中的深松鏟個數等于定位到的溝底個數，HL等于各個溝底的平均值；當“深松鏟數量”大于0時，測試結果報表中的深松鏟個數等于該“深松鏟數量”，HL等于該個數的溝底的平均值。

檢測結果分析表格中，土壤膨松度與土壤擾動系數的計算數據，可為鑒定部門判斷機具是否符合國家標準提供可靠依據。

檢測數據可以保存、重新導入、查看、設置檢測信息及報表打印輸出。

4 結論

JPC-2型耕層斷面測繪儀可以橫跨機具作業寬度，自動精確測量耕前地表、耕后地表和實際深松溝底線至水平基準線的距離，自動進行數據（土壤膨松度與土壤擾動系數）計算、保存、表格繪制，以及后期數據輸出與打印。

JPC-2型耕層斷面測繪儀的研制成功，為國內農機鑒定部門進行深松機鑒定提供了快速、準確的檢測方式，極大減輕了鑒定人員采集數據的勞動強度，提高了工作效率。

參考文獻

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