12PJY-3A型液控智能激光平地机设计与试验

李　腾，刁培松，程卫东，张　将

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博　255049)



12PJY-3A型液控智能激光平地机设计与试验

李腾，刁培松，程卫东，张将

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博255049)

摘要：为了研制一种工作稳定、操控方便的智能激光平地机，采用虚拟样机和实体样机相结合的技术路线，先利用UG10.0建立三维模型，再利用Adamns和Abaqus软件进行运动学仿真和有限元分析，发现问题时修改虚拟样机，正确无误后，再进行实体样机试制。最后，对样机进行了田间试验，并对试验数据进行了分析。试验结果表明：样机达到较高的土地平整精度，并实现了智能化控制。

关键词：激光平地机；液压系统；农机智能；仿真；有限元分析

0引言

实现高精度农田平整，不仅可明显改进地面灌溉系统的性能, 使灌溉效率和灌水均匀度提高25%以上, 作物增产20% 以上, 还可适度扩大耕田面积, 减少田( 渠) 埂占地面积1.5% ～3%[1], 具有非常显著的节水、增产、省工、提高土地利用率等效果, 可为实现精量播种、精量施肥、精确收割等一系列农业生产环节奠定了基础。

激光平地技术作为一种提高地面灌溉质量的重要措施，从20 世纪80 年代率先在美国应用, 随后在世界范围内得到推广, 被誉为改进地面灌溉的突破性技术。近年来, 国内对激光控制农田土地精细平整技术开展了系列研究，取得了很多的研究成果，但是激光平地技术的智能化水平同国外相比还有一定的差距。为了提升农机智能化水平,改善我国农机技术与农业装备落后的现状，本文设计了12PJY-3A型液控智能激光平地机，并在田间进行了平整作业试验。

1总体设计方案及工作原理

1.1　总体设计和结构组成

液压驱动式激光平地机通过三点悬挂，与拖拉机链接，主要包括机械部分、液压系统、电气控制系统和激光发射和接收装置，是将电子、光学、液压和机械部件组合成的机电液一体化的平地工作系统。

主要技术参数：配套动力≥80kW；工作幅宽3 000mm，液压系统工作压力(10±0.5)MPa；液压泵为CBN-F5系列齿轮油泵，最低转速为500 r/min，公称排量为63ML/r；动力输出轴转速为540r/min和1 000r/min,整机质量1 300～1 500kg；系统控制范围为600m米；铲刀提升范围270mm，最大入土深度为100mm,整机外形尺寸(长×宽×高)为3 150mm×3 000mm×3 850mm。

1.激光发射器高度调节架　2.激光发射器　3.桅杆液压缸

1.2　工作原理及工作过程

工作原理：激光发射器放置于作业场地中，工作时会发射出一束细的并能360°旋转的激光束，可以提供平整土地时的基准光平面。激光接收器位于平地机桅杆油缸的伸缩杆上，桅杆油缸与铲体刚性连接。

当操作者选择自动模式时，激光接收器将接受到激光信号转换为电信号传递给可编程控制器(PLC)，可编程控制器根据激光信号的高低自动控制铲体的升降；同时将升降信息传递给驾驶室内的触屏显示器，驾驶员可以清楚地看到信号的高低以及铲体的动作。

操作者选择手动模式时，可根据触屏显示器显示的信号高低设置铲体及桅杆的升降，设置的信号传递给可编程控制器，控制电磁多路换向阀的流量和方向，实现桅杆和铲体的升降。工作原理如图2所示。

图2　工作原理

2机械部分的设计

机械部分主要由牵引架、角度调整杆、横梁支架、平地铲、铲壁和地轮组成，如图3所示。

1.牵引架　2.角度调整杆　3.横梁支架

机械部分中，平地铲是重要的工作部件。首先在UG中建立平地铲的三维模型，再进行简化处理后转化为Parasolid文件，并导入Abaqus软件对其进行网格划分。铲体选用材料为Q235A，其密度为7.86 E+03 kg/m3,弹性模量为2.12 E+11Pa，泊松比为0.288，屈服强度为2.35 E+08 Pa。在Abaqus中的网格划分如图4所示。

图4　铲体网格划分

配套拖拉机为约翰迪尔1204，最大牵引力≥31kN,工作地区为北方，铲宽为3 m。根据铲体的受力分析及载荷计算，可分析得出铲体的受力变形图，如图5所示。由图5可知：变形量大的位置主要是牵引部位的机架，最大有5mm的变形量，需要加固。

图5 铲体受力变形图

进一步分析铲体的应力图，如图6所示。

图6　铲体应力图

由图6可知：应力较大的位置是牵引部位的机架和铲刀。进而重新划分网格，在应力集中位置增加网格数量，主要是提高计算精度，结果表明满足校核。

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3液压系统的设计

液压系统如图7所示。拖拉机的动力输出轴通过联轴器直接带动齿轮泵，齿轮泵进油口联通液压油箱，输出高压油路接多路换向阀的P口，多路阀有两对进出油口:A1和B1、A2和B2。A1和B1控制主升降液压缸工作，调节铲体的离地高度；A2和B2控制桅杆液压缸升降，从而调整激光接受器的高度。电磁多路换向阀的T口接通液压油箱，多路阀的通断由电气控制系统控制。

1.齿轮泵　2.电磁多路换向阀

Fig.7Hydraulic system schematic diagram

3.1　齿轮泵的选用

液压泵的动力来自拖拉机的动力输出轴，通过联轴器相连，传动比为1：1，利用转速表，实测约翰迪尔1204动力输出轴的转速为573.2 r/min。另外，根据粗略计算，本系统需要达到的油压P>8MPa。综合考虑后，选用CBN-F563型齿轮油泵。

3.2　联轴器的设计

联轴器(如图8)设计为GL型滚子链式联轴器，双排链连接两个链轮，拖拉机动力输出轴轴套和齿轮泵轴套与两链轮焊接。选用滚子链式联轴器优点:柔性连接保证同轴度，性价比高。

图8　滚子链联轴器

3.3　主升降液压缸的设计

主升降液压缸是液压系统的主要工作部件，经过一系列的计算得出：活塞杆的直径为55mm,液压缸缸筒外径为102mm。根据技术要求，确定铲体调节的范围为±200mm；根据铲体和液压缸运动位置的几何关系，得出液压缸的行程为360mm，如图9所示。

图9　液压缸运动的极限位置

在UG10.0中建立平地机的整机三维模型后，以Parasolid格式导入Adamns/View中(见图10)，建立平地机的仿真系统后，打开Adams/View的自检结果表，检查所添加的约束关系和自由度。经检查，平地机模型具有一定的自由度。

图10　虚拟样机模型

平地机虚拟样机系统运动过程中，设置主升降液压缸的运行速度，上升速度为50mm/s，下降速度为70mm/s，进而可得到铲体的运动速度，如图11所示。PART27所示曲线代表铲体的质心运动，JOINT_20曲线代表铲体的理论运动，PART17所示曲线代表主升降油缸的质心运动。曲线所出现的震荡是因为在建模时，轮子与“地面”没有接触；仿真开始后，平地机在重力作用下与地面接触。通过图表得出以下结论：缸体的上升下降速度和铲体的上升、下降速度基本保持一致。

图11　运动曲线对比

4电气控制系统的设计

电气系统如图12所示。

图12　电气控制系统

其中，触摸屏位于驾驶室内，控制器放置在控制盒中，控制器根据接收器的信号判断农田的瞬时高程情况并输出相应控制信号。

控制器工作模式设有自动/手动选择。当操作者选择自动模式时，激光接收器将接受到激光信号转换为电信号传递给可编程控制器(PLC)，可编程控制器根据激光信号的高低自动控制铲体的升降；同时，将升降信息传递给驾驶室内的触屏显示器，驾驶员可以清楚地看到信号的高低以及铲体的动作。当操作者选择手动模式时，可根据触屏显示器显示的信号高低设置铲体及桅杆的升降；设置的信号传递给可编程控制器，控制电磁多路换向阀的流量和方向，实现桅杆机铲体的升降。

如何控制平地铲的升降速度是控制器的技术难点，涉及土壤类型情况、负载力的大小、拖拉机的行进速度及液压系统的滞后性等多种因素，难以建立精确的数学模型，因此采用了模糊控制技术。本研究中，模糊控制器的输入是接收器受光点与接收器中间点的位置偏差，即农田高程与预设平面的偏差及偏差变化量，模糊控制器输出是液压调节器中电磁阀的开启时间，这样可大大提高系统的控制精度。

5田间试验

课题组与国丰机械有限公司合作，研制了液控平地机样机，并在位于兖州市国丰公司的试验田进行了实际测试，样机现场作业如图13所示。

图13　作业现场

平地前和平地后的土地高度相对值如表1和表2所示。测量得到的实验数据都是一些离散点，将数据导入MatLab中，利用Meshgrid函数处理离散点生成三维曲面，如图14所示。试验表明：该机能够达到±1.5cm的平地精度。

表1　平整前土地高度相对值

表2　平整后土地高度相对值

续表2

图14　高度差的三维曲面

6结论

本文设计的12PJY-3A型液控智能激光平地机，能够实现较高的土地平整精度，符合国家发展“高产、优质、低耗、高效”的现代农业方针，符合现代农业与精细农业对农业机械的要求。课题成果有助于提高激光平地技术的自动化和智能化水平。

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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

中图分类号：S222.5+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0193-05

作者简介：李腾(1990-),男，山东德州人，硕士研究生，(E-mail)litengsdlgdx@163.com。通讯作者：刁培松(1962-)，男，山东烟台人，教授，博士生导师，(E-mail)dps2003@163.com。

基金项目：山东省自主创新项目(2013CXC90203)

收稿日期：2015-11-07