楊存志 吳澤全 陳蕾

摘要：為提高深松機(jī)和深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)的鑒定檢測(cè)效率，研制基于WIFI無(wú)線測(cè)控和激光測(cè)距技術(shù)的JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀。闡述耕層斷面測(cè)繪儀的工作原理、設(shè)計(jì)思路及參數(shù)設(shè)定，介紹測(cè)試參數(shù)的設(shè)置及測(cè)定方法，為降低鑒定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度提供適用機(jī)具。

關(guān)鍵詞：深松機(jī)；耕層斷面；激光測(cè)距；WIFI無(wú)線測(cè)控

中圖分類號(hào)：S220.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）07-0036-04

深松機(jī)是一種與大功率拖拉機(jī)配套使用的耕作機(jī)械，主要用于行間或全方位深層土壤機(jī)械化翻整。深松機(jī)作業(yè)有利于改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，打破犁底層，提高土壤蓄水保墑能力。啟動(dòng)深松機(jī)時(shí)，深松鏟靠自重逐漸進(jìn)入土壤預(yù)定深度，作業(yè)過(guò)程中應(yīng)保持作業(yè)深度，不允許進(jìn)行各項(xiàng)調(diào)整。

深松機(jī)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)必須達(dá)到DG/T 026-2012《深松機(jī)推廣鑒定大綱》關(guān)于土壤膨松度與土壤擾動(dòng)系數(shù)的檢測(cè)要求。采用手持式激光測(cè)距儀人工測(cè)量這2個(gè)參數(shù)時(shí)，常見的工作幅寬2.5 m的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)，需沿水平尺在工作幅寬范圍內(nèi)每間隔30 mm連續(xù)等分標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，每個(gè)行程需測(cè)量耕前地表、耕后地表和實(shí)際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線的距離，且要分別測(cè)量3個(gè)行程，總測(cè)量次數(shù)不少于750次。此后，需要人工對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，勞動(dòng)強(qiáng)度大且測(cè)量精度低。為此，根據(jù)農(nóng)機(jī)鑒定部門的實(shí)際要求，研制了基于WIFI無(wú)線測(cè)控和激光測(cè)距技術(shù)的JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀。

1 JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀測(cè)試方法

JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀采用水平基準(zhǔn)線法。深松作業(yè)前，垂直機(jī)具作業(yè)方向橫跨工作幅寬距地表適當(dāng)高度建立水平尺（水平基準(zhǔn)線）并調(diào)水平（見圖1），沿水平尺在整個(gè)工作幅寬范圍間隔30 mm（或<30 mm）連續(xù)等分測(cè)點(diǎn)，在作業(yè)前、后，測(cè)定各等分測(cè)點(diǎn)耕前地表至水平基準(zhǔn)線的距離H1、耕后地表至水平基準(zhǔn)線的距離H2、實(shí)際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線的距離H3。H1，H2，H3為測(cè)量采集的3組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基此建立3組導(dǎo)出數(shù)據(jù)，分別為a（h-q）i=H1-H2，aqi=HL-H1，asi=H3-H1，記入記錄表。按相關(guān)公式計(jì)算土壤膨松度和土壤擾動(dòng)系數(shù)。每個(gè)行程測(cè)定1次，共測(cè)定3個(gè)行程，結(jié)果取平均值。

2 JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀有效行程4 m。為便于運(yùn)輸，由4段鋁型材聯(lián)接而成，工作幅寬小的深松機(jī)也可以3段聯(lián)接，有效行程達(dá)3 m。

如圖2所示，測(cè)繪前，將四段架體組裝成完整的耕層斷面測(cè)繪儀，架體之間的導(dǎo)軌與齒條接縫處對(duì)齊，無(wú)上下、左右錯(cuò)位現(xiàn)象。把2根鐵釬牢固釘進(jìn)土中，用夾箍調(diào)節(jié)測(cè)繪儀的高低和水平。4 m長(zhǎng)的架體因?yàn)椴皇钦?，?huì)出現(xiàn)撓度。重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，組裝完成的測(cè)繪儀測(cè)量過(guò)程中的撓度幾乎不變。

測(cè)繪時(shí)，水平測(cè)量裝置在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，齒輪與齒條嚙合，沿直線導(dǎo)軌水平移動(dòng)，測(cè)量速度為60 mm/s，回程速度為120 mm/s。

2.1 撓度計(jì)算

耕層斷面測(cè)繪儀兩端架在鐵釬上使用，當(dāng)行程達(dá)到4 m時(shí)，假設(shè)4段連接軌道剛度與整段軌道相似，軌道自重和水平測(cè)量裝置質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生撓度。現(xiàn)對(duì)鋁型材中心的處最大撓度進(jìn)行計(jì)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(jù)材料力學(xué)得到平均載荷下最大撓度計(jì)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(zhǎng)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(jù)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(shù)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(cè)量裝置的重力，裝置質(zhì)量為4 kg。根據(jù)材料力學(xué)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(shù)據(jù)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(tǒng)最大撓度 系統(tǒng)最大撓度為：Ymax1+Ymax2=4.38（mm）。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)的工作原理見圖4。

如圖5所示，水平測(cè)量裝置集成步進(jìn)電機(jī)、控制器、激光測(cè)距傳感器、嵌入式主板、WIFI發(fā)射接收模塊和行程開關(guān)。其顯著優(yōu)點(diǎn)有：一是縮短激光測(cè)距傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸距離，保證數(shù)據(jù)信號(hào)不受干擾，提高準(zhǔn)確度；二是采用WIFI無(wú)線方式與上位機(jī)通訊，減少繁多的數(shù)據(jù)線與電源線，與外界進(jìn)行有線連接只需一根電源線。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

耕層斷面測(cè)繪儀的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 檢測(cè)軟件應(yīng)用

檢測(cè)軟件主界面見圖6。

3.1 無(wú)線連接

1） 確保上位機(jī)（筆記本電腦）無(wú)線Wifi處于開啟狀態(tài)，將其IP地址設(shè)置為自動(dòng)獲取。

2） 水平測(cè)量裝置上電后，內(nèi)置的無(wú)線AP打開，主機(jī)可搜索到名為“NJY-DATA01”的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接；連接該無(wú)線AP。

3） 連接狀態(tài)顯示為 。

3.2 開始檢測(cè)

3.2.1 設(shè)定檢測(cè)對(duì)象 在主界面上點(diǎn)擊H1按鍵，設(shè)定當(dāng)前檢測(cè)對(duì)象為：測(cè)定耕前地表至水平基準(zhǔn)線距離H1；在主界面上點(diǎn)擊H2按鍵，設(shè)定當(dāng)前檢測(cè)對(duì)象為：耕后地表至水平基準(zhǔn)線距離H2；在主界面上點(diǎn)擊H3按鍵，設(shè)定當(dāng)前檢測(cè)對(duì)象為：實(shí)際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線距離H3。

3.2.2 測(cè)量 在主界面上，點(diǎn)擊“開始測(cè)試”按鍵，步進(jìn)電機(jī)首先執(zhí)行復(fù)位行程，然后按選定速度從左向右行進(jìn)，同時(shí)采集距離數(shù)據(jù)。當(dāng)行至右端的行程開關(guān)處或者點(diǎn)擊“停止測(cè)試”按鍵，電機(jī)停止，一組數(shù)據(jù)采集結(jié)束。通過(guò)切換H1，H2，H3，完成耕前地表、耕后地表和實(shí)際深松溝底線的3組距離數(shù)據(jù)檢測(cè)。通過(guò)切換行程1、行程2、行程3，進(jìn)行3個(gè)選定位置的測(cè)量。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

當(dāng)H1，H2，H3等3組測(cè)試完成后，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)深松性能指標(biāo)。檢測(cè)結(jié)果分析表格見圖7。

點(diǎn)擊H1，H2，H3按鍵，顯示或隱藏對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)組曲線；點(diǎn)擊“設(shè)置H1，H2，H3”按鍵，可分別設(shè)置H1，H2，H3的起點(diǎn)與終點(diǎn)：點(diǎn)擊“等分點(diǎn)“或”始未點(diǎn)“，打開等分點(diǎn)和始末點(diǎn)設(shè)置窗口，設(shè)置適當(dāng)?shù)摹八交鶞?zhǔn)線等分點(diǎn)間距”“測(cè)量的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)”“深松鏟數(shù)量”“最深溝底偏差”。點(diǎn)擊“確定”按鍵后，軟件將以設(shè)定的數(shù)值重新生成對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果報(bào)告。計(jì)算參數(shù)設(shè)定界面見圖8。

軟件系統(tǒng)根據(jù)“深松鏟數(shù)量”和“最深溝底偏差”數(shù)值定位數(shù)據(jù)曲線中的深松溝底，并在數(shù)據(jù)曲線圖上顯示黑色的輔助線來(lái)標(biāo)識(shí)溝底位置。其計(jì)算邏輯為：軟件系統(tǒng)首先遍歷H3數(shù)據(jù)組，計(jì)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(biāo)識(shí)線位置，通過(guò)該橫向標(biāo)識(shí)線與H3數(shù)據(jù)曲線的一系列交點(diǎn)來(lái)定位各個(gè)深松鏟的溝底。當(dāng)“深松鏟數(shù)量”等于0時(shí)，測(cè)試結(jié)果報(bào)表中的深松鏟個(gè)數(shù)等于定位到的溝底個(gè)數(shù)，HL等于各個(gè)溝底的平均值；當(dāng)“深松鏟數(shù)量”大于0時(shí)，測(cè)試結(jié)果報(bào)表中的深松鏟個(gè)數(shù)等于該“深松鏟數(shù)量”，HL等于該個(gè)數(shù)的溝底的平均值。

檢測(cè)結(jié)果分析表格中，土壤膨松度與土壤擾動(dòng)系數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)，可為鑒定部門判斷機(jī)具是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供可靠依據(jù)。

檢測(cè)數(shù)據(jù)可以保存、重新導(dǎo)入、查看、設(shè)置檢測(cè)信息及報(bào)表打印輸出。

4 結(jié)論

JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀可以橫跨機(jī)具作業(yè)寬度，自動(dòng)精確測(cè)量耕前地表、耕后地表和實(shí)際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線的距離，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)（土壤膨松度與土壤擾動(dòng)系數(shù)）計(jì)算、保存、表格繪制，以及后期數(shù)據(jù)輸出與打印。

JPC-2型耕層斷面測(cè)繪儀的研制成功，為國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)鑒定部門進(jìn)行深松機(jī)鑒定提供了快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)方式，極大減輕了鑒定人員采集數(shù)據(jù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

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