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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