JPD-360型旱地激光平地機的研究設計

姚東偉，劉存祥

(1.揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225101；2.河南農業大學，鄭州 450002)

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JPD-360型旱地激光平地機的研究設計

姚東偉1，劉存祥2

(1.揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225101；2.河南農業大學，鄭州 450002)

針對我國土地集約化農業耕作現狀，設計了具有農田耕作標準化、精細化平整特點的JPD-360型旱地激光平地機。通過性能測試和生產試驗，該設計樣機技術參數和作業指標符合要求，具有激光控制限深裝置，自動完成高處刮土、拖土、集土和低洼處卸土等技術創新。試驗數據和結果分析證明：該平地機在功能上有技術創新、性能穩定可靠、生產效率高，解決了適應性差和作業抖動造成信號中斷失準等問題，具有較好的經濟效益和推廣價值。

激光平地機；刮土鏟；發射器；接收器；控制器

0 引言

近年來，農村土地經營模式逐步改變，正朝著集中化、土地集約化的農場種植模式發展[1-2]。同時，農業裝備有效地推動了農業耕作技術進步，農業勞作強度降低，生產效率明顯提高，生產成本降低，促進農業增效和農民增收[3]。但是，由于責任承包制，分散化耕作，差異化種植、施肥和管理，導致土壤肥力不均、凸凹不平，甚至出現局部板結等物理性能變壞，從而出現抵抗病蟲害和抗災能力明顯下降等，這些問題亟待解決[4-5]。

為了解決分戶耕種的小塊地合并后，田間存在的墑溝及伏脊給農田抗旱灌溉造成水電費用高、灌水量不均勻、澆灌后旱澇不均等問題，為確保糧食穩產、高產和維護農業現代化可持續發展，必須建設高標準農田，實施農田標準化、精細化平整[6]。為此，研究開發和推廣應用旱地平地機械，解決農田標準化、精細化平整機械技術[7]。

國內科研單位開發了平地機械[8]，但實踐證明平地機械投入應用后，出現了適應性差、人工調整費時、作業時激光接收器抗抖動性差造成信息中斷和失準、很難保證平地質量等問題。經研究分析，存在主要問題是：未設置激光發射系統、激光接收系統和控制系統，作業時全憑操作人員根據地形手工調整拖土斗吃土深度和卸土位置，或設置了激光系統但性能不穩定等，很難保證平地質量，因此很難得到大面積推廣應用[9]。為解決以上技術難題，研究開發一種帶有激光發射系統、激光接收系統和控制系統的旱地激光平地機[10-14]。

1 結構與原理設計

1.1 結構設計

JPD-360型激光平地機由激光發射系統、激光接收系統、控制系統、液壓控制系統和刮土鏟總成組成，如圖1所示。

1.1.1 平地機機械部分的組成

平地機機械部分主要包括鏟刀主體、機架和液壓系統，如圖2所示。鏟刀主體包括鏟刃和兩邊的護板，利用鏟刃切削土壤，卷動土壤進鏟體，推移土壤，回填和平鋪土壤，完成平地；機架起布置、安裝和人工調整作用；液壓系統根據指令完成鏟刀高度的調整。

1.1.2 激光部分的組成

激光部分包括控制系統、激光接收系統及激光發射系統。激光發射裝置可以選放在平整地塊某一位置，用高度可以調整的三角架支撐，通過微調螺釘調整水平，其內設有自動旋轉折射板，可在一個水平面內360°發射自動旋轉的激光光線信號。激光接收系統安裝在平地機機架上，與控制系統導接，接收激光信號并轉換成電信號傳輸給控制裝系統。控制系統安裝在駕駛位置左前下方，有紅、綠、黃指示燈：紅燈亮提示無激光信號接收；綠燈亮表示正常接收；黃燈亮提示地面高低差太大，超出自動調整的范圍。

1.控制系統 2.刮土鏟總成 3.液壓控制系統 4.激光接收系統 5.激光發射系統圖1 激光平地機結構示意圖Fig.1 Laser grader structure diagram

圖2 平地機機械部分結構圖Fig.2 Grader mechanical parts structure

1.2 工作原理

1.2.1 平地原理

平地原理如圖3所示。

圖3 平地原理Fig.3 Ground principle

其中，兩個高度基準A與B，A是激光發射平面的高度，B是土地平整高度(即鏟刃水平面)；A與B之間垂直高度差稱為L。所以，激光發射系統安放好了，A就固定，調整好L，鏟刃根據地面高低自動調整高度，確保B不變，就實現了平整。因此，作業前首先確定土地的平均高度(即平整高度B)，要保證刮土量和填土量基本一致[15-17]。

1.2.2 作業過程

平地機由機械部分、激光部分和液壓系統3部分組成，作業原理如圖4所示。作業時，拖拉機牽引前進，機械部分的刮土鏟自動調整高度，實現刮土和平鋪。刮土鏟的高度調整原理：激光發射系統發出激光信號，接收系統接受激光信號，并進行高度判斷，給控制系統發送判斷結果電信號；控制系統發出指令控制液壓泵的供油閥門和回油閥門關閉或開啟，控制液壓系統油缸(油缸兩端安裝在后輪軸與平地鏟之間)的伸縮，實現刮土鏟升降。作業時，遇到地面凸處，油缸縮短降低刮土鏟，鏟刀切削土壤并推移前進；遇到地勢凹處時，油缸伸長提升鏟刀，從而鏟刀在凸處推移的土壤鋪卸該處，完成土地平整工作[18-19]。

圖4 激光平地機作業原理圖Fig.4 Laser grader work principle diagram

1.3 設計要求及指標

1.3.1 設計要求

平地機的研究設計要求：①機具型號及名稱，JPD-360型旱地激光平地機；②配置激光發射系統、激光接收系統和激光控制系統，信號接受穩定；③JPD-360型旱地激光平地機分設作業限深輪和運輸行走輪；④拖土斗采用矩型方管焊合主架, 上部、左端、右端及后部用鋼板從內側封閉；⑤機具作業時限深輪升降采用激光發射系統發出信號、接收系統接收、判斷并發送電信號指令給控制系統，控制系統執行指令控制液壓系統油缸伸縮，實現刮土鏟升降；⑥采用液壓缸調節激光接收器高低位置；⑦JPD-360型配套動力為88.2～117kW輪式拖拉機；⑧掛接方式采用后置拖拉式與拖拉機連接。

1.3.2 設計指標

①機具工作幅寬3.6m；②作業前進速度3～7km/h(Ⅱ檔作業)；③拖土斗容積1.5～2.5m3；④激光發射器、激光接收器工作半徑400m；⑤JPD-360型≤1200kg；⑥機具田間作業平整度≤5cm；⑦使用可靠性≥90%。

2 關鍵技術與創新研究設計

2.1 關鍵技術研究設計

2.1.1 機架設計

機架是基礎部件，要求安裝、定位和調整方便，外形美觀，制造成本低。研究設計內容：材料抗拉伸、抗彎曲和扭曲高，機械焊接工藝好。實驗對比后選取中碳優質方形管材。為了確保焊接時不產生熱變形，制造工藝上采取以下措施：① 焊接工藝使用科學合理的工裝模具和焊接設備；② 設計焊后工件校檢裝備，校正機架焊合時的熱變形[20]。

2.1.2 拖土斗設計

拖土斗的功能：便于收集和儲存凸處鏟削土，并在低洼處順利卸土，因此研究設計拖土斗的結構形狀和集土量容積。設計方案：選用型鋼焊接做骨架，上下、左右和后端用鋼板封閉，前部為敞開式，外大內小，成“U”斷面；刮土鏟和拖土斗結合部位設置加強橫梁，并用沉頭螺絲安裝固定，避免集土和卸土過程中粘結泥土。

2.1.3 刮土鏟設計

刮土鏟是該機具關鍵部件，要求較高的強度和剛性，耐磨性較好，并有較好的熱處理工藝。材料選用65﹟Mn合金鋼板制造[21]，為了防止熱處理變形，采用將刮土鏟多分節制；進行熱處理工藝時，板材水平放置，減少變形；刮土鏟鏟刃傾斜角設計成35°～40°。

2.1.4 牽引架設計

作業時，該機具靠拖拉機牽引,牽引力全部集中在牽引架上,研究分析選抗彎抗扭方鋼管材料，機械焊合制作。

2.1.5 液壓限深裝置設計

該設計關鍵：限深輪架的結構型式，限深輪選配，液壓泵的配置，液壓缸的位置安裝。試驗確定選用方鋼管焊接成爬梯型限深輪架；選用6.50-16橡膠輪胎作限深輪；選用齒輪式液壓泵，功率按適用功率的150%選用；液壓缸上端固定安裝在機架后端，下端與限深輪架中間橫梁固定安裝液壓缸軸線，與限深輪架軸線成45°左右傾斜角。

2.1.6 激光發射器、激光接收器、控制器的設計

激光發射器、激光接收器和控制器的性能是該機性能質量的關鍵，應具備防水侵蝕，防風防日曬，抗摔抗震性能好的特點。因此，在激光發射器、激光接收器和控制器的制造方面嚴格控制配合間隙，裝配設置了防震膜；激光接收器支撐桿(鋼管)下部直徑增加到60mm，上部直徑增加到33mm，在3根穩定拉線的中部增設了調緊裝置，解決了激光接收器抖動的問題；在上部鋼管和下部鋼管中間設置液壓缸，利用液壓缸將上部鋼管向上抽推，完成了高激光接收器升高及降低的液壓調整[22]。

2.2 創新點

1)自動控制平整。機具作業靠激光發射系統、結收系統和控制系統控制液壓限深裝置，作業可自動完成凸高處鏟土刮土、拖土、集土和低洼處卸土。

2)激光部分可靠性高。激光發射系統、激光接收系統和控制系統具備防水侵蝕、防風刮日曬及抗摔抗震的性能。

3)激光接收系統抗抖動。增加激光接收系統支撐桿(鋼管)直徑，在三根穩定拉線的中部增設了調緊裝置，解決了激光接收系統抖動的問題。

4)液壓自動調整。在激光接收系統支撐桿中間設置液壓缸，利用液壓缸將上部鋼管向上抽推，完成了高激光接收系統升高及降低的液壓調整。

3 性能及生產測定

3.1 性能測試

根據設計技術要求，對樣機在最大生產效率的條件下進行參數測定，技術參數如表1所示，可靠性如表2所示，磨損如表3所示。由表1可知：樣機尺寸、質量、平地幅寬等設計參數都符合要求；表2顯示，樣機工作時發生可隨機解決的小故障，可靠性很高；表3顯示，關鍵磨損零部件刮土鏟長度磨損量是單位每小時每平方米磨損量千萬分之九，耐磨性很高。

表1 技術參數測定表

續表1

表2 可靠性測定結果

表3 磨損測定結果

3.2 生產查定和作業質量測定

生產查定和作業質量測定的結果包括[23]：生產查定匯總結果如表4所示，平整土地穩定性如表5所示，生產記錄如表6所示，經濟技術指標如表7所示。由表4、表6、表7可知：樣機調整和排除故障時間極少，生產穩定性達99.9%，使用可靠性達99%，純工作小時生產率0.71 hm2/h，作業小時生產率0.61 hm2/h，作業成本 204元/hm2，表明樣機性能穩定，生產效率高，經濟性好。平地穩定性表5顯示：平地高度誤差平均19mm，在允許的范圍內，平整度很高。

表4 生產查定匯總

續表4 生產查定匯總

表5 平整土地穩定性表

表6 生產實驗記錄表

表7 技術經濟指標測定結果

Table 7 The determination results of technical and economic indicators

匯總項目機具編號1300000713000008平均生產率/hm2·h-1純工作小時生產率0.700.710.705作業小時生產率0.570.560.565班次小時生產率0.570.550.560油料消耗/kg·hm-2主油料消耗率19.6419.8619.75副油料消耗率0.590.610.60使用可靠性/%1009899時間利用率班次時間利用率1009999.5總延續時間利用率586360.5作業成本/元·hm-2202.36204.77203.57作業質量機具在保證Ⅱ檔前進時,其作業質量能夠滿足農藝要求

4 測定結果分析

4.1 測定結果性能對比

對目前國內市場同類技術性能質量進行對比，結果如表8所示。

4.2 測定結果分析

經過測定，該機具技術參數符合研究設計要求和指標，偶發簡單故障，容易排除，工作可靠性達99%以上，主要機件磨損率0.25‰hm2,平地精度高度差不超過19mm，工作效率高，作業成本低，作業穩定性好，容易操作和調試。試驗證明：平整機械部分設計合理，制造工藝符合技術要求，外觀美觀，激光接收器抗抖動性好，激光信號接收穩定；經過該機具平整過的田地，節約澆灌水電費50%，促進糧食增產10%以上。

表8 測定結果性能對比

5 結論

1)設計的JPD-360型旱地激光平地機刮土鏟能夠實現自動鏟土、刮土、拖土、集土和卸土等功能。

2)激光系統可防水防腐蝕防風刮日曬，抗震抗摔，激光接收器能夠利用液壓系統自動調整高度，并在作業中抗抖動性好，激光信號接收360°無死角、無中斷。

3)該機平地半徑可超過400m，性能穩定達99%，平地有效度95%，高度差不超過19mm，經濟性好，作業質量符合農藝要求。

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JPD-360 Type Dry Laser Grader Research Design

Yao Dongwei1, Liu Cunxiang2

(1.Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou 225101，China; 2. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002,China)

According to current situation of our country land intensive farming, through comparison, research, design and test, the design has the characteristics of farmland cultivation standardization, fine smooth JPD - 360 type of dry laser grader. Through performance test and production test, the design prototype technology parameters and operation indexes meet the requirements, with laser control limit deep device, automatic scraper, drag finish high soil, soil and low-lying place unloading soil such as technology innovation. Test data and results analysis, also proved that the study design, technical innovation on the function, stable and reliable performance and high production efficiency, solved the adaptability and homework dithering signal interruption in phrase, has good economic benefits and popularizing value.

laser grader; scraper; the emitter; the receiver; the controller

2016-05-03

河南省科技攻關計劃項目(142102110055)

姚東偉(1973-),男，河南鄢陵人，教授，碩士，(E-mail) xcydw@126.com。

劉存祥(1958-)，男，河南滑縣人，教授，碩士生導師，(E-mail)liucunxiang@henau.edu.cn。

S222.5+1

A

1003-188X(2017)06-0085-06