JPC—2型耕层断面测绘仪的研制

杨存志 吴泽全 陈蕾

摘要：为提高深松机和深松整地联合作业机的鉴定检测效率，研制基于WIFI无线测控和激光测距技术的JPC-2型耕层断面测绘仪。阐述耕层断面测绘仪的工作原理、设计思路及参数设定，介绍测试参数的设置及测定方法，为降低鉴定人员的劳动强度提供适用机具。

关键词：深松机；耕层断面；激光测距；WIFI无线测控

中图分类号：S220.39 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0036-04

深松机是一种与大功率拖拉机配套使用的耕作机械，主要用于行间或全方位深层土壤机械化翻整。深松机作业有利于改善土壤耕层结构，打破犁底层，提高土壤蓄水保墒能力。启动深松机时，深松铲靠自重逐渐进入土壤预定深度，作业过程中应保持作业深度，不允许进行各项调整。

深松机的设计与生产必须达到DG/T 026-2012《深松机推广鉴定大纲》关于土壤膨松度与土壤扰动系数的检测要求。采用手持式激光测距仪人工测量这2个参数时，常见的工作幅宽2.5 m的深松整地联合作业机，需沿水平尺在工作幅宽范围内每间隔30 mm连续等分标记测点，每个行程需测量耕前地表、耕后地表和实际深松沟底线至水平基准线的距离，且要分别测量3个行程，总测量次数不少于750次。此后，需要人工对数据进行计算，劳动强度大且测量精度低。为此，根据农机鉴定部门的实际要求，研制了基于WIFI无线测控和激光测距技术的JPC-2型耕层断面测绘仪。

1 JPC-2型耕层断面测绘仪测试方法

JPC-2型耕层断面测绘仪采用水平基准线法。深松作业前，垂直机具作业方向横跨工作幅宽距地表适当高度建立水平尺（水平基准线）并调水平（见图1），沿水平尺在整个工作幅宽范围间隔30 mm（或<30 mm）连续等分测点，在作业前、后，测定各等分测点耕前地表至水平基准线的距离H1、耕后地表至水平基准线的距离H2、实际深松沟底线至水平基准线的距离H3。H1，H2，H3为测量采集的3组基础数据，基此建立3组导出数据，分别为a（h-q）i=H1-H2，aqi=HL-H1，asi=H3-H1，记入记录表。按相关公式计算土壤膨松度和土壤扰动系数。每个行程测定1次，共测定3个行程，结果取平均值。

2 JPC-2型耕层断面测绘仪结构设计

JPC-2型耕层断面测绘仪有效行程4 m。为便于运输，由4段铝型材联接而成，工作幅宽小的深松机也可以3段联接，有效行程达3 m。

如图2所示，测绘前，将四段架体组装成完整的耕层断面测绘仪，架体之间的导轨与齿条接缝处对齐，无上下、左右错位现象。把2根铁钎牢固钉进土中，用夹箍调节测绘仪的高低和水平。4 m长的架体因为不是整根梁，会出现挠度。重复性试验数据表明，组装完成的测绘仪测量过程中的挠度几乎不变。

测绘时，水平测量装置在步进电机驱动下，齿轮与齿条啮合，沿直线导轨水平移动，测量速度为60 mm/s，回程速度为120 mm/s。

2.1 挠度计算

耕层断面测绘仪两端架在铁钎上使用，当行程达到4 m时，假设4段连接轨道刚度与整段轨道相似，轨道自重和水平测量装置质量会产生挠度。现对铝型材中心的处最大挠度进行计算，轨道受力如图2所示。

2.1.1 轨道自重下的最大挠度 如图3中的a，b所示，轨道截面为60 mm×60 mm ×3 mm的铝方管，q为单位距离下重力。根据材料力学得到平均载荷下最大挠度计算公式为：

Ymax1=5qL4/384EI （1）

式中：Ymax1为最大挠度，mm；q为重力，N/mm；L为轨道长度，mm（下同）；E为材料弹性模量，N/mm2（下同）；I为型材惯性矩，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。

根据图3a的轨道截面尺寸得型材惯性矩：I=（BH3-bh3）/12=（60×603-54×543）/12=371 412（mm4）。

将上述数值代入式（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挠度 如图3中的c所示，集中力F为水平测量装置的重力，装置质量为4 kg。根据材料力学得集中力载荷下最大挠度公式：

Ymax2=FL3/48EI （2）

其中F=mg=4×9.8=39.2（N）。将数据代入式（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 系统最大挠度 系统最大挠度为：Ymax1+Ymax2=4.38（mm）。

2.2 测控系统

测控系统的工作原理见图4。

如图5所示，水平测量装置集成步进电机、控制器、激光测距传感器、嵌入式主板、WIFI发射接收模块和行程开关。其显著优点有：一是缩短激光测距传感器采集数据的传输距离，保证数据信号不受干扰，提高准确度；二是采用WIFI无线方式与上位机通讯，减少繁多的数据线与电源线，与外界进行有线连接只需一根电源线。

3.3 主要技术参数

耕层断面测绘仪的主要技术参数见表1。

3 检测软件应用

检测软件主界面见图6。

3.1 无线连接

1） 确保上位机（笔记本电脑）无线Wifi处于开启状态，将其IP地址设置为自动获取。

2） 水平测量装置上电后，内置的无线AP打开，主机可搜索到名为“NJY-DATA01”的无线网络连接；连接该无线AP。

3） 连接状态显示为 。

3.2 开始检测

3.2.1 设定检测对象 在主界面上点击H1按键，设定当前检测对象为：测定耕前地表至水平基准线距离H1；在主界面上点击H2按键，设定当前检测对象为：耕后地表至水平基准线距离H2；在主界面上点击H3按键，设定当前检测对象为：实际深松沟底线至水平基准线距离H3。

3.2.2 测量 在主界面上，点击“开始测试”按键，步进电机首先执行复位行程，然后按选定速度从左向右行进，同时采集距离数据。当行至右端的行程开关处或者点击“停止测试”按键，电机停止，一组数据采集结束。通过切换H1，H2，H3，完成耕前地表、耕后地表和实际深松沟底线的3组距离数据检测。通过切换行程1、行程2、行程3，进行3个选定位置的测量。

3.3 测试结果分析

当H1，H2，H3等3组测试完成后，系统将自动根据采集到的数据计算统计深松性能指标。检测结果分析表格见图7。

点击H1，H2，H3按键，显示或隐藏对应的数据组曲线；点击“设置H1，H2，H3”按键，可分别设置H1，H2，H3的起点与终点：点击“等分点“或”始未点“，打开等分点和始末点设置窗口，设置适当的“水平基准线等分点间距”“测量的起始点和结束点”“深松铲数量”“最深沟底偏差”。点击“确定”按键后，软件将以设定的数值重新生成对应的测试结果报告。计算参数设定界面见图8。

软件系统根据“深松铲数量”和“最深沟底偏差”数值定位数据曲线中的深松沟底，并在数据曲线图上显示黑色的辅助线来标识沟底位置。其计算逻辑为：软件系统首先遍历H3数据组，计算出最深沟底，最深沟底与“最深沟底偏差”的差值即为横向标识线位置，通过该横向标识线与H3数据曲线的一系列交点来定位各个深松铲的沟底。当“深松铲数量”等于0时，测试结果报表中的深松铲个数等于定位到的沟底个数，HL等于各个沟底的平均值；当“深松铲数量”大于0时，测试结果报表中的深松铲个数等于该“深松铲数量”，HL等于该个数的沟底的平均值。

检测结果分析表格中，土壤膨松度与土壤扰动系数的计算数据，可为鉴定部门判断机具是否符合国家标准提供可靠依据。

检测数据可以保存、重新导入、查看、设置检测信息及报表打印输出。

4 结论

JPC-2型耕层断面测绘仪可以横跨机具作业宽度，自动精确测量耕前地表、耕后地表和实际深松沟底线至水平基准线的距离，自动进行数据（土壤膨松度与土壤扰动系数）计算、保存、表格绘制，以及后期数据输出与打印。

JPC-2型耕层断面测绘仪的研制成功，为国内农机鉴定部门进行深松机鉴定提供了快速、准确的检测方式，极大减轻了鉴定人员采集数据的劳动强度，提高了工作效率。

参考文献

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