李　騰，刁培松，程衛(wèi)東，張　將

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博　255049)

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12PJY-3A型液控智能激光平地機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李騰，刁培松，程衛(wèi)東，張將

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博255049)

摘要：為了研制一種工作穩(wěn)定、操控方便的智能激光平地機(jī)，采用虛擬樣機(jī)和實(shí)體樣機(jī)相結(jié)合的技術(shù)路線，先利用UG10.0建立三維模型，再利用Adamns和Abaqus軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和有限元分析，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)修改虛擬樣機(jī)，正確無誤后，再進(jìn)行實(shí)體樣機(jī)試制。最后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)達(dá)到較高的土地平整精度，并實(shí)現(xiàn)了智能化控制。

關(guān)鍵詞：激光平地機(jī)；液壓系統(tǒng)；農(nóng)機(jī)智能；仿真；有限元分析

0引言

實(shí)現(xiàn)高精度農(nóng)田平整，不僅可明顯改進(jìn)地面灌溉系統(tǒng)的性能, 使灌溉效率和灌水均勻度提高25%以上, 作物增產(chǎn)20% 以上, 還可適度擴(kuò)大耕田面積, 減少田( 渠) 埂占地面積1.5% ～3%[1], 具有非常顯著的節(jié)水、增產(chǎn)、省工、提高土地利用率等效果, 可為實(shí)現(xiàn)精量播種、精量施肥、精確收割等一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)奠定了基礎(chǔ)。

激光平地技術(shù)作為一種提高地面灌溉質(zhì)量的重要措施，從20 世紀(jì)80 年代率先在美國應(yīng)用, 隨后在世界范圍內(nèi)得到推廣, 被譽(yù)為改進(jìn)地面灌溉的突破性技術(shù)。近年來, 國內(nèi)對(duì)激光控制農(nóng)田土地精細(xì)平整技術(shù)開展了系列研究，取得了很多的研究成果，但是激光平地技術(shù)的智能化水平同國外相比還有一定的差距。為了提升農(nóng)機(jī)智能化水平,改善我國農(nóng)機(jī)技術(shù)與農(nóng)業(yè)裝備落后的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了12PJY-3A型液控智能激光平地機(jī)，并在田間進(jìn)行了平整作業(yè)試驗(yàn)。

1總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1　總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組成

液壓驅(qū)動(dòng)式激光平地機(jī)通過三點(diǎn)懸掛，與拖拉機(jī)鏈接，主要包括機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和激光發(fā)射和接收裝置，是將電子、光學(xué)、液壓和機(jī)械部件組合成的機(jī)電液一體化的平地工作系統(tǒng)。

主要技術(shù)參數(shù)：配套動(dòng)力≥80kW；工作幅寬3 000mm，液壓系統(tǒng)工作壓力(10±0.5)MPa；液壓泵為CBN-F5系列齒輪油泵，最低轉(zhuǎn)速為500 r/min，公稱排量為63ML/r；動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min和1 000r/min,整機(jī)質(zhì)量1 300～1 500kg；系統(tǒng)控制范圍為600m米；鏟刀提升范圍270mm，最大入土深度為100mm,整機(jī)外形尺寸(長×寬×高)為3 150mm×3 000mm×3 850mm。

1.激光發(fā)射器高度調(diào)節(jié)架　2.激光發(fā)射器　3.桅桿液壓缸

1.2　工作原理及工作過程

工作原理：激光發(fā)射器放置于作業(yè)場地中，工作時(shí)會(huì)發(fā)射出一束細(xì)的并能360°旋轉(zhuǎn)的激光束，可以提供平整土地時(shí)的基準(zhǔn)光平面。激光接收器位于平地機(jī)桅桿油缸的伸縮桿上，桅桿油缸與鏟體剛性連接。

當(dāng)操作者選擇自動(dòng)模式時(shí)，激光接收器將接受到激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給可編程控制器(PLC)，可編程控制器根據(jù)激光信號(hào)的高低自動(dòng)控制鏟體的升降；同時(shí)將升降信息傳遞給駕駛室內(nèi)的觸屏顯示器，駕駛員可以清楚地看到信號(hào)的高低以及鏟體的動(dòng)作。

操作者選擇手動(dòng)模式時(shí)，可根據(jù)觸屏顯示器顯示的信號(hào)高低設(shè)置鏟體及桅桿的升降，設(shè)置的信號(hào)傳遞給可編程控制器，控制電磁多路換向閥的流量和方向，實(shí)現(xiàn)桅桿和鏟體的升降。工作原理如圖2所示。

圖2　工作原理

2機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

機(jī)械部分主要由牽引架、角度調(diào)整桿、橫梁支架、平地鏟、鏟壁和地輪組成，如圖3所示。

1.牽引架　2.角度調(diào)整桿　3.橫梁支架

機(jī)械部分中，平地鏟是重要的工作部件。首先在UG中建立平地鏟的三維模型，再進(jìn)行簡化處理后轉(zhuǎn)化為Parasolid文件，并導(dǎo)入Abaqus軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鏟體選用材料為Q235A，其密度為7.86 E+03 kg/m3,彈性模量為2.12 E+11Pa，泊松比為0.288，屈服強(qiáng)度為2.35 E+08 Pa。在Abaqus中的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4　鏟體網(wǎng)格劃分

配套拖拉機(jī)為約翰迪爾1204，最大牽引力≥31kN,工作地區(qū)為北方，鏟寬為3 m。根據(jù)鏟體的受力分析及載荷計(jì)算，可分析得出鏟體的受力變形圖，如圖5所示。由圖5可知：變形量大的位置主要是牽引部位的機(jī)架，最大有5mm的變形量，需要加固。

圖5 鏟體受力變形圖

進(jìn)一步分析鏟體的應(yīng)力圖，如圖6所示。

圖6　鏟體應(yīng)力圖

由圖6可知：應(yīng)力較大的位置是牽引部位的機(jī)架和鏟刀。進(jìn)而重新劃分網(wǎng)格，在應(yīng)力集中位置增加網(wǎng)格數(shù)量，主要是提高計(jì)算精度，結(jié)果表明滿足校核。

在初中信息技術(shù)教學(xué)中，教師要做的不僅是教給學(xué)生辦公軟件的應(yīng)用、網(wǎng)頁制造等方面的計(jì)算機(jī)知識(shí)，還要將更多的時(shí)間與精力放在學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)上來。我們當(dāng)前正處在一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，而對(duì)于中學(xué)生來說，網(wǎng)絡(luò)無疑是他們學(xué)習(xí)知識(shí)、認(rèn)識(shí)世界最有效、最便利的途徑。因此，教師要在日常教學(xué)之余教給學(xué)生一些正確的快速搜索信息、處理信息的方法，使學(xué)生能夠利用網(wǎng)絡(luò)這一途徑解決問題。這樣不僅能夠逐步改善信息技術(shù)教育的現(xiàn)狀，使其朝著正確的方向發(fā)展，還能逐步增強(qiáng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

3液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)如圖7所示。拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過聯(lián)軸器直接帶動(dòng)齒輪泵，齒輪泵進(jìn)油口聯(lián)通液壓油箱，輸出高壓油路接多路換向閥的P口，多路閥有兩對(duì)進(jìn)出油口:A1和B1、A2和B2。A1和B1控制主升降液壓缸工作，調(diào)節(jié)鏟體的離地高度；A2和B2控制桅桿液壓缸升降，從而調(diào)整激光接受器的高度。電磁多路換向閥的T口接通液壓油箱，多路閥的通斷由電氣控制系統(tǒng)控制。

1.齒輪泵　2.電磁多路換向閥

Fig.7Hydraulic system schematic diagram

3.1　齒輪泵的選用

液壓泵的動(dòng)力來自拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸，通過聯(lián)軸器相連，傳動(dòng)比為1：1，利用轉(zhuǎn)速表，實(shí)測約翰迪爾1204動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速為573.2 r/min。另外，根據(jù)粗略計(jì)算，本系統(tǒng)需要達(dá)到的油壓P>8MPa。綜合考慮后，選用CBN-F563型齒輪油泵。

3.2　聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)

聯(lián)軸器(如圖8)設(shè)計(jì)為GL型滾子鏈?zhǔn)铰?lián)軸器，雙排鏈連接兩個(gè)鏈輪，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸軸套和齒輪泵軸套與兩鏈輪焊接。選用滾子鏈?zhǔn)铰?lián)軸器優(yōu)點(diǎn):柔性連接保證同軸度，性價(jià)比高。

圖8　滾子鏈聯(lián)軸器

3.3　主升降液壓缸的設(shè)計(jì)

主升降液壓缸是液壓系統(tǒng)的主要工作部件，經(jīng)過一系列的計(jì)算得出：活塞桿的直徑為55mm,液壓缸缸筒外徑為102mm。根據(jù)技術(shù)要求，確定鏟體調(diào)節(jié)的范圍為±200mm；根據(jù)鏟體和液壓缸運(yùn)動(dòng)位置的幾何關(guān)系，得出液壓缸的行程為360mm，如圖9所示。

圖9　液壓缸運(yùn)動(dòng)的極限位置

在UG10.0中建立平地機(jī)的整機(jī)三維模型后，以Parasolid格式導(dǎo)入Adamns/View中(見圖10)，建立平地機(jī)的仿真系統(tǒng)后，打開Adams/View的自檢結(jié)果表，檢查所添加的約束關(guān)系和自由度。經(jīng)檢查，平地機(jī)模型具有一定的自由度。

圖10　虛擬樣機(jī)模型

平地機(jī)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，設(shè)置主升降液壓缸的運(yùn)行速度，上升速度為50mm/s，下降速度為70mm/s，進(jìn)而可得到鏟體的運(yùn)動(dòng)速度，如圖11所示。PART27所示曲線代表鏟體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，JOINT_20曲線代表鏟體的理論運(yùn)動(dòng)，PART17所示曲線代表主升降油缸的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。曲線所出現(xiàn)的震蕩是因?yàn)樵诮r(shí)，輪子與“地面”沒有接觸；仿真開始后，平地機(jī)在重力作用下與地面接觸。通過圖表得出以下結(jié)論：缸體的上升下降速度和鏟體的上升、下降速度基本保持一致。

圖11　運(yùn)動(dòng)曲線對(duì)比

4電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)如圖12所示。

圖12　電氣控制系統(tǒng)

其中，觸摸屏位于駕駛室內(nèi)，控制器放置在控制盒中，控制器根據(jù)接收器的信號(hào)判斷農(nóng)田的瞬時(shí)高程情況并輸出相應(yīng)控制信號(hào)。

控制器工作模式設(shè)有自動(dòng)/手動(dòng)選擇。當(dāng)操作者選擇自動(dòng)模式時(shí)，激光接收器將接受到激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給可編程控制器(PLC)，可編程控制器根據(jù)激光信號(hào)的高低自動(dòng)控制鏟體的升降；同時(shí)，將升降信息傳遞給駕駛室內(nèi)的觸屏顯示器，駕駛員可以清楚地看到信號(hào)的高低以及鏟體的動(dòng)作。當(dāng)操作者選擇手動(dòng)模式時(shí)，可根據(jù)觸屏顯示器顯示的信號(hào)高低設(shè)置鏟體及桅桿的升降；設(shè)置的信號(hào)傳遞給可編程控制器，控制電磁多路換向閥的流量和方向，實(shí)現(xiàn)桅桿機(jī)鏟體的升降。

如何控制平地鏟的升降速度是控制器的技術(shù)難點(diǎn)，涉及土壤類型情況、負(fù)載力的大小、拖拉機(jī)的行進(jìn)速度及液壓系統(tǒng)的滯后性等多種因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此采用了模糊控制技術(shù)。本研究中，模糊控制器的輸入是接收器受光點(diǎn)與接收器中間點(diǎn)的位置偏差，即農(nóng)田高程與預(yù)設(shè)平面的偏差及偏差變化量，模糊控制器輸出是液壓調(diào)節(jié)器中電磁閥的開啟時(shí)間，這樣可大大提高系統(tǒng)的控制精度。

5田間試驗(yàn)

課題組與國豐機(jī)械有限公司合作，研制了液控平地機(jī)樣機(jī)，并在位于兗州市國豐公司的試驗(yàn)田進(jìn)行了實(shí)際測試，樣機(jī)現(xiàn)場作業(yè)如圖13所示。

圖13　作業(yè)現(xiàn)場

平地前和平地后的土地高度相對(duì)值如表1和表2所示。測量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是一些離散點(diǎn)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab中，利用Meshgrid函數(shù)處理離散點(diǎn)生成三維曲面，如圖14所示。試驗(yàn)表明：該機(jī)能夠達(dá)到±1.5cm的平地精度。

表1　平整前土地高度相對(duì)值

表2　平整后土地高度相對(duì)值

續(xù)表2

圖14　高度差的三維曲面

6結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的12PJY-3A型液控智能激光平地機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的土地平整精度，符合國家發(fā)展“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方針，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與精細(xì)農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的要求。課題成果有助于提高激光平地技術(shù)的自動(dòng)化和智能化水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬寶印,洪鷺.激光平地機(jī)的研制與技術(shù)應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化與電氣化, 2007(1):29-30.

[2]坎雜,田學(xué)艷.農(nóng)用激光平地機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001(5):126-127.

[3]楊紅帆,肖麗晶.1PJ-型激光平地機(jī)的設(shè)計(jì)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2002,14(1):47-50.

[4]韓豹.1PJY-3.0 型綜合激光平地機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(3):116-119.

[5]姜繼海,宋錦春,高常設(shè).液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6]李慶，王在滿，周志然,等.適用于水田的激光平地機(jī)具液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007(10):90-94.

[7]倪向東.激光平地技術(shù)應(yīng)用分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(5):63-64.

[8]汪懋華．關(guān)于精細(xì)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范與發(fā)展研究的思考[J]．農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2003(1)：1-8．

[9]侯明亮,毛恩榮，劉剛．激光控制平地系統(tǒng)控制技術(shù)的研究與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006(1):110-113.

Design and Experimental Research on 12PJY-3A Intelligent Laser Grader Controlled by Hydraulic

Li Teng， Diao Peisong, Cheng Weidong, Zhang Jiang

(School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China)

Abstract：In order to develop a kind of intelligent laser leveling machine with stable operation and easy operation, the technical route of the combination of the virtual prototype and the physical prototype is adopted in the paper. First, the three-dimensional model is built using UG10.0 software. Second kinematic simulation and finite element analysis using Abaqus and Adamns software until the no problem is found to need to modify the virtual prototype and the three-dimensional model is correct, and then the entity prototype is trial-produced. At last, the prototype is tested in fields. The experimental results show that the model achieves higher accuracy and the intelligent control is realized.

Key words：laser grader; hydraulic system; agricultural machinery of intelligent; simulation; finite element analysis

中圖分類號(hào)：S222.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0193-05

作者簡介：李騰(1990-),男，山東德州人，碩士研究生，(E-mail)litengsdlgdx@163.com。通訊作者：刁培松(1962-)，男，山東煙臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)dps2003@163.com。

基金項(xiàng)目：山東省自主創(chuàng)新項(xiàng)目(2013CXC90203)

收稿日期：2015-11-07