JPD-360型旱地激光平地机的研究设计

姚东伟，刘存祥

(1.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225101；2.河南农业大学，郑州 450002)



JPD-360型旱地激光平地机的研究设计

姚东伟1，刘存祥2

(1.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225101；2.河南农业大学，郑州 450002)

针对我国土地集约化农业耕作现状，设计了具有农田耕作标准化、精细化平整特点的JPD-360型旱地激光平地机。通过性能测试和生产试验，该设计样机技术参数和作业指标符合要求，具有激光控制限深装置，自动完成高处刮土、拖土、集土和低洼处卸土等技术创新。试验数据和结果分析证明：该平地机在功能上有技术创新、性能稳定可靠、生产效率高，解决了适应性差和作业抖动造成信号中断失准等问题，具有较好的经济效益和推广价值。

激光平地机；刮土铲；发射器；接收器；控制器

0 引言

近年来，农村土地经营模式逐步改变，正朝着集中化、土地集约化的农场种植模式发展[1-2]。同时，农业装备有效地推动了农业耕作技术进步，农业劳作强度降低，生产效率明显提高，生产成本降低，促进农业增效和农民增收[3]。但是，由于责任承包制，分散化耕作，差异化种植、施肥和管理，导致土壤肥力不均、凸凹不平，甚至出现局部板结等物理性能变坏，从而出现抵抗病虫害和抗灾能力明显下降等，这些问题亟待解决[4-5]。

为了解决分户耕种的小块地合并后，田间存在的墒沟及伏脊给农田抗旱灌溉造成水电费用高、灌水量不均匀、浇灌后旱涝不均等问题，为确保粮食稳产、高产和维护农业现代化可持续发展，必须建设高标准农田，实施农田标准化、精细化平整[6]。为此，研究开发和推广应用旱地平地机械，解决农田标准化、精细化平整机械技术[7]。

国内科研单位开发了平地机械[8]，但实践证明平地机械投入应用后，出现了适应性差、人工调整费时、作业时激光接收器抗抖动性差造成信息中断和失准、很难保证平地质量等问题。经研究分析，存在主要问题是：未设置激光发射系统、激光接收系统和控制系统，作业时全凭操作人员根据地形手工调整拖土斗吃土深度和卸土位置，或设置了激光系统但性能不稳定等，很难保证平地质量，因此很难得到大面积推广应用[9]。为解决以上技术难题，研究开发一种带有激光发射系统、激光接收系统和控制系统的旱地激光平地机[10-14]。

1 结构与原理设计

1.1 结构设计

JPD-360型激光平地机由激光发射系统、激光接收系统、控制系统、液压控制系统和刮土铲总成组成，如图1所示。

1.1.1 平地机机械部分的组成

平地机机械部分主要包括铲刀主体、机架和液压系统，如图2所示。铲刀主体包括铲刃和两边的护板，利用铲刃切削土壤，卷动土壤进铲体，推移土壤，回填和平铺土壤，完成平地；机架起布置、安装和人工调整作用；液压系统根据指令完成铲刀高度的调整。

1.1.2 激光部分的组成

激光部分包括控制系统、激光接收系统及激光发射系统。激光发射装置可以选放在平整地块某一位置，用高度可以调整的三角架支撑，通过微调螺钉调整水平，其内设有自动旋转折射板，可在一个水平面内360°发射自动旋转的激光光线信号。激光接收系统安装在平地机机架上，与控制系统导接，接收激光信号并转换成电信号传输给控制装系统。控制系统安装在驾驶位置左前下方，有红、绿、黄指示灯：红灯亮提示无激光信号接收；绿灯亮表示正常接收；黄灯亮提示地面高低差太大，超出自动调整的范围。

1.控制系统 2.刮土铲总成 3.液压控制系统 4.激光接收系统 5.激光发射系统图1 激光平地机结构示意图Fig.1 Laser grader structure diagram

图2 平地机机械部分结构图Fig.2 Grader mechanical parts structure

1.2 工作原理

1.2.1 平地原理

平地原理如图3所示。

图3 平地原理Fig.3 Ground principle

其中，两个高度基准A与B，A是激光发射平面的高度，B是土地平整高度(即铲刃水平面)；A与B之间垂直高度差称为L。所以，激光发射系统安放好了，A就固定，调整好L，铲刃根据地面高低自动调整高度，确保B不变，就实现了平整。因此，作业前首先确定土地的平均高度(即平整高度B)，要保证刮土量和填土量基本一致[15-17]。

1.2.2 作业过程

平地机由机械部分、激光部分和液压系统3部分组成，作业原理如图4所示。作业时，拖拉机牵引前进，机械部分的刮土铲自动调整高度，实现刮土和平铺。刮土铲的高度调整原理：激光发射系统发出激光信号，接收系统接受激光信号，并进行高度判断，给控制系统发送判断结果电信号；控制系统发出指令控制液压泵的供油阀门和回油阀门关闭或开启，控制液压系统油缸(油缸两端安装在后轮轴与平地铲之间)的伸缩，实现刮土铲升降。作业时，遇到地面凸处，油缸缩短降低刮土铲，铲刀切削土壤并推移前进；遇到地势凹处时，油缸伸长提升铲刀，从而铲刀在凸处推移的土壤铺卸该处，完成土地平整工作[18-19]。

图4 激光平地机作业原理图Fig.4 Laser grader work principle diagram

1.3 设计要求及指标

1.3.1 设计要求

平地机的研究设计要求：①机具型号及名称，JPD-360型旱地激光平地机；②配置激光发射系统、激光接收系统和激光控制系统，信号接受稳定；③JPD-360型旱地激光平地机分设作业限深轮和运输行走轮；④拖土斗采用矩型方管焊合主架, 上部、左端、右端及后部用钢板从内侧封闭；⑤机具作业时限深轮升降采用激光发射系统发出信号、接收系统接收、判断并发送电信号指令给控制系统，控制系统执行指令控制液压系统油缸伸缩，实现刮土铲升降；⑥采用液压缸调节激光接收器高低位置；⑦JPD-360型配套动力为88.2～117kW轮式拖拉机；⑧挂接方式采用后置拖拉式与拖拉机连接。

1.3.2 设计指标

①机具工作幅宽3.6m；②作业前进速度3～7km/h(Ⅱ档作业)；③拖土斗容积1.5～2.5m3；④激光发射器、激光接收器工作半径400m；⑤JPD-360型≤1200kg；⑥机具田间作业平整度≤5cm；⑦使用可靠性≥90%。

2 关键技术与创新研究设计

2.1 关键技术研究设计

2.1.1 机架设计

机架是基础部件，要求安装、定位和调整方便，外形美观，制造成本低。研究设计内容：材料抗拉伸、抗弯曲和扭曲高，机械焊接工艺好。实验对比后选取中碳优质方形管材。为了确保焊接时不产生热变形，制造工艺上采取以下措施：① 焊接工艺使用科学合理的工装模具和焊接设备；② 设计焊后工件校检装备，校正机架焊合时的热变形[20]。

2.1.2 拖土斗设计

拖土斗的功能：便于收集和储存凸处铲削土，并在低洼处顺利卸土，因此研究设计拖土斗的结构形状和集土量容积。设计方案：选用型钢焊接做骨架，上下、左右和后端用钢板封闭，前部为敞开式，外大内小，成“U”断面；刮土铲和拖土斗结合部位设置加强横梁，并用沉头螺丝安装固定，避免集土和卸土过程中粘结泥土。

2.1.3 刮土铲设计

刮土铲是该机具关键部件，要求较高的强度和刚性，耐磨性较好，并有较好的热处理工艺。材料选用65﹟Mn合金钢板制造[21]，为了防止热处理变形，采用将刮土铲多分节制；进行热处理工艺时，板材水平放置，减少变形；刮土铲铲刃倾斜角设计成35°～40°。

2.1.4 牵引架设计

作业时，该机具靠拖拉机牵引,牵引力全部集中在牵引架上,研究分析选抗弯抗扭方钢管材料，机械焊合制作。

2.1.5 液压限深装置设计

该设计关键：限深轮架的结构型式，限深轮选配，液压泵的配置，液压缸的位置安装。试验确定选用方钢管焊接成爬梯型限深轮架；选用6.50-16橡胶轮胎作限深轮；选用齿轮式液压泵，功率按适用功率的150%选用；液压缸上端固定安装在机架后端，下端与限深轮架中间横梁固定安装液压缸轴线，与限深轮架轴线成45°左右倾斜角。

2.1.6 激光发射器、激光接收器、控制器的设计

激光发射器、激光接收器和控制器的性能是该机性能质量的关键，应具备防水侵蚀，防风防日晒，抗摔抗震性能好的特点。因此，在激光发射器、激光接收器和控制器的制造方面严格控制配合间隙，装配设置了防震膜；激光接收器支撑杆(钢管)下部直径增加到60mm，上部直径增加到33mm，在3根稳定拉线的中部增设了调紧装置，解决了激光接收器抖动的问题；在上部钢管和下部钢管中间设置液压缸，利用液压缸将上部钢管向上抽推，完成了高激光接收器升高及降低的液压调整[22]。

2.2 创新点

1)自动控制平整。机具作业靠激光发射系统、结收系统和控制系统控制液压限深装置，作业可自动完成凸高处铲土刮土、拖土、集土和低洼处卸土。

2)激光部分可靠性高。激光发射系统、激光接收系统和控制系统具备防水侵蚀、防风刮日晒及抗摔抗震的性能。

3)激光接收系统抗抖动。增加激光接收系统支撑杆(钢管)直径，在三根稳定拉线的中部增设了调紧装置，解决了激光接收系统抖动的问题。

4)液压自动调整。在激光接收系统支撑杆中间设置液压缸，利用液压缸将上部钢管向上抽推，完成了高激光接收系统升高及降低的液压调整。

3 性能及生产测定

3.1 性能测试

根据设计技术要求，对样机在最大生产效率的条件下进行参数测定，技术参数如表1所示，可靠性如表2所示，磨损如表3所示。由表1可知：样机尺寸、质量、平地幅宽等设计参数都符合要求；表2显示，样机工作时发生可随机解决的小故障，可靠性很高；表3显示，关键磨损零部件刮土铲长度磨损量是单位每小时每平方米磨损量千万分之九，耐磨性很高。

表1 技术参数测定表

续表1

表2 可靠性测定结果

表3 磨损测定结果

3.2 生产查定和作业质量测定

生产查定和作业质量测定的结果包括[23]：生产查定汇总结果如表4所示，平整土地稳定性如表5所示，生产记录如表6所示，经济技术指标如表7所示。由表4、表6、表7可知：样机调整和排除故障时间极少，生产稳定性达99.9%，使用可靠性达99%，纯工作小时生产率0.71 hm2/h，作业小时生产率0.61 hm2/h，作业成本 204元/hm2，表明样机性能稳定，生产效率高，经济性好。平地稳定性表5显示：平地高度误差平均19mm，在允许的范围内，平整度很高。

表4 生产查定汇总

续表4 生产查定汇总

表5 平整土地稳定性表

表6 生产实验记录表

表7 技术经济指标测定结果

Table 7 The determination results of technical and economic indicators

汇总项目机具编号1300000713000008平均生产率/hm2·h-1纯工作小时生产率0.700.710.705作业小时生产率0.570.560.565班次小时生产率0.570.550.560油料消耗/kg·hm-2主油料消耗率19.6419.8619.75副油料消耗率0.590.610.60使用可靠性/%1009899时间利用率班次时间利用率1009999.5总延续时间利用率586360.5作业成本/元·hm-2202.36204.77203.57作业质量机具在保证Ⅱ档前进时,其作业质量能够满足农艺要求

4 测定结果分析

4.1 测定结果性能对比

对目前国内市场同类技术性能质量进行对比，结果如表8所示。

4.2 测定结果分析

经过测定，该机具技术参数符合研究设计要求和指标，偶发简单故障，容易排除，工作可靠性达99%以上，主要机件磨损率0.25‰hm2,平地精度高度差不超过19mm，工作效率高，作业成本低，作业稳定性好，容易操作和调试。试验证明：平整机械部分设计合理，制造工艺符合技术要求，外观美观，激光接收器抗抖动性好，激光信号接收稳定；经过该机具平整过的田地，节约浇灌水电费50%，促进粮食增产10%以上。

表8 测定结果性能对比

5 结论

1)设计的JPD-360型旱地激光平地机刮土铲能够实现自动铲土、刮土、拖土、集土和卸土等功能。

2)激光系统可防水防腐蚀防风刮日晒，抗震抗摔，激光接收器能够利用液压系统自动调整高度，并在作业中抗抖动性好，激光信号接收360°无死角、无中断。

3)该机平地半径可超过400m，性能稳定达99%，平地有效度95%，高度差不超过19mm，经济性好，作业质量符合农艺要求。

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JPD-360 Type Dry Laser Grader Research Design

Yao Dongwei1, Liu Cunxiang2

(1.Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou 225101，China; 2. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002,China)

According to current situation of our country land intensive farming, through comparison, research, design and test, the design has the characteristics of farmland cultivation standardization, fine smooth JPD - 360 type of dry laser grader. Through performance test and production test, the design prototype technology parameters and operation indexes meet the requirements, with laser control limit deep device, automatic scraper, drag finish high soil, soil and low-lying place unloading soil such as technology innovation. Test data and results analysis, also proved that the study design, technical innovation on the function, stable and reliable performance and high production efficiency, solved the adaptability and homework dithering signal interruption in phrase, has good economic benefits and popularizing value.

laser grader; scraper; the emitter; the receiver; the controller

2016-05-03

河南省科技攻关计划项目(142102110055)

姚东伟(1973-),男，河南鄢陵人，教授，硕士，(E-mail) xcydw@126.com。

刘存祥(1958-)，男，河南滑县人，教授，硕士生导师，(E-mail)liucunxiang@henau.edu.cn。

S222.5+1

A

1003-188X(2017)06-0085-06