接觸式堅實(shí)冰雪厚度檢測分析

莊騰飛 王俊發(fā) 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖 豆 賀

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接觸式堅實(shí)冰雪厚度檢測分析

莊騰飛 王俊發(fā) 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖 豆 賀

目前除雪機(jī)械均未設(shè)置冰雪厚度檢測裝置，作業(yè)深度不可自動調(diào)節(jié)，對薄厚不均的冰雪清除時效率低，單次清除殘留量大。文中針對堅實(shí)冰雪的特性，分析現(xiàn)有的檢測方法，設(shè)計出接觸式厚度檢測裝置。該裝置選用LVT526H型傾角傳感器，運(yùn)用單片機(jī)編程計算顯示出測得的傾角值和厚度值。用土胚代替堅實(shí)冰雪進(jìn)行室內(nèi)初步試驗，通過對檢測數(shù)據(jù)的分析得到檢測裝置的誤差均在4mm以內(nèi)，檢測精度高，反饋速度快，通過室內(nèi)試驗為后續(xù)的室外和整機(jī)檢測提供參考和依據(jù)。

路面冰雪的厚度變化是影響冰雪清除時除凈率的重要因素?，F(xiàn)有除雪機(jī)械均未設(shè)計安裝雪層厚度的檢測裝置，作業(yè)深度不能自主調(diào)節(jié)，對路面和機(jī)器的損害大，耗能多。壓實(shí)冰雪清除時如路太養(yǎng)路綜合除雪機(jī)；恒源環(huán)衛(wèi)HQC/ C-300推雪鏟；山友除雪凹盤等作業(yè)時只能清除固定深度冰雪，冰雪層厚度較薄時對路面損害大，除雪部件磨損快；冰雪層較厚時除凈率低，除雪效果不理想。堅實(shí)冰雪清除時如雪狼4號除雨冰機(jī)；雪獅清道夫8型除雪機(jī)等作業(yè)時由于冰雪深度未知，除堅實(shí)冰雪時作業(yè)部件轉(zhuǎn)速快、受力大，作業(yè)中刀具磨損更快，對路面損害嚴(yán)重。因此在冰雪清除時特別是對堅實(shí)冰雪清除時急需設(shè)計并安裝冰雪厚度檢測裝置。

通過對堅實(shí)冰雪特性分析，結(jié)合常用的檢測方法，設(shè)計出接觸式堅實(shí)冰雪厚度檢測裝置，通過初步試驗查驗了裝置的可行性和精度范圍。

堅實(shí)冰雪特性分析

堅實(shí)冰雪是由行人和車輛的反復(fù)碾壓伴隨在溫度的升降變化反復(fù)融凍后形成的表層冰膜，內(nèi)部含雜，硬度大、密度高、與路面粘附緊固的冰雪。堅實(shí)冰雪的物理特性如表1所示。

表1　堅實(shí)冰雪特性

檢測方法分析

常用的測量方法中，主要測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量，如圖1所示。目前對冰雪厚度檢測已有應(yīng)用的是降雪監(jiān)測站用激光檢測降雪厚度、利用電容測量冬季江河冰層厚度等，但對道路冰雪的厚度測量方法尚在研究階段，還未有成熟的技術(shù)和方法。

圖1　測量方法分類

由于堅實(shí)冰雪的特殊性，冰雪和瀝青路面均為非金屬，介電常數(shù)相近，冰雪內(nèi)部含雜，厚度檢測時所有檢測裝置必須在冰雪上側(cè)，且檢測精度不易受外界環(huán)境影響，又需實(shí)時動態(tài)測量。所以現(xiàn)已運(yùn)用的激光測量、電容電感測量、超聲波測量等在冰雪層厚度測量時均不再適用。經(jīng)過分析最終選用機(jī)械接觸式測量，具體方法如下。

假定路面平整、路面障礙為井蓋和車輛減速帶。通過在同一基準(zhǔn)面上測量路面的起伏狀況，然后在進(jìn)行相應(yīng)的計算，得出起伏的冰雪層厚度。檢測原理是在連接冰雪試驗臺的拖拉機(jī)上安裝伸出的厚度測量基準(zhǔn)桿。此基準(zhǔn)桿在拖拉機(jī)上固定，并和已除路面距離為h，且為已知值。厚度檢測時，利用傾角傳感器測量冰雪待除路面上隨行桿與基準(zhǔn)桿的角度θ值，通過公式（1）可計算出檢測的冰雪厚度。檢測原理圖如圖2所示。

圖2　厚度檢測原理圖

圖3　厚度檢測系統(tǒng)示意圖

式中：

h—為隨行桿離地面的距離；

h2—測量得冰雪厚度值。

試驗原理及過程

結(jié)合試驗原理利用傾角傳感器來檢測隨行桿與測量基準(zhǔn)桿的實(shí)時夾角，由于室外冰雪檢測時的溫度低、環(huán)境差，選用普通的商用傳感器不能滿足溫度和試驗要求，通過綜合對比，最終選擇LVT526H型傾角傳感器，如圖4所示，LVT526H型傾角傳感器的參數(shù)指標(biāo)如表2所示。51單片機(jī)如圖5所示，LED12864顯示屏如圖6所示。

基于夯實(shí)土胚的堅實(shí)度可控，且形成過程和物理特性與堅實(shí)冰雪相近。運(yùn)用土胚代替堅實(shí)冰雪檢測結(jié)果具有可參考性。經(jīng)過分析在初步室內(nèi)檢測試驗中用特定堅實(shí)度范圍的夯實(shí)土胚和土槽軌道分別代替堅實(shí)冰雪和道路路面。試驗中簡化相關(guān)試驗參數(shù)。厚度檢測系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

根據(jù)試驗原理搭建的試驗臺如圖7所示。試驗中土胚參數(shù)分別設(shè)置為長度1m，厚度分別按正弦起伏、先增后減、遞增、遞減、先減后增五種典型的形狀設(shè)置。模擬可能出現(xiàn)的路面冰雪形狀。驗證不同路面下檢測裝置的測量精度。

試驗前通過土壤堅實(shí)度測量儀檢測各段土胚的堅實(shí)度，檢測結(jié)果如表3所示，從測量結(jié)果可以看出試驗土胚的堅實(shí)度均在堅實(shí)冰雪的堅實(shí)度范圍內(nèi)，試驗土胚性質(zhì)接近堅實(shí)冰雪的性質(zhì)。試驗過程圖片如圖7～10所示。

表2　LVT526H型傾角傳感器的參數(shù)指標(biāo)

表3　制作土胚的堅實(shí)度

圖4　LVT526H傾角傳感器

圖5　51單片機(jī)

圖6　LED12864顯示屏

圖7　檢測試驗圖

圖8　厚度檢測調(diào)零復(fù)位

圖9　檢測試驗圖

圖10　試驗過程實(shí)時厚度檢測值

試驗結(jié)果分析

通過檢測試驗，試驗測得的厚度和試驗前人工測得的結(jié)果分別如圖11～15所示。通過結(jié)果圖形可知試驗路段中圖12中先增后減路段檢測精度最高，誤差均在0.8mm以內(nèi)；圖13中遞增段中土胚厚度持續(xù)增加時檢測精度較高，誤差在0.9mm以內(nèi)，末端起伏階段誤差稍大，最大為1.7mm；圖14遞減路面與之類似，遞減段厚度最大誤差達(dá)到2.5mm。圖15先減后增段最大誤差為2.6mm；圖11正弦起伏路段起伏頻繁，測量誤差最大，誤差最大處主要發(fā)生在路段的最高點(diǎn)和最低處，最大誤差為第二個波谷處，數(shù)值為3.7mm。綜合分析試驗中檢測誤差在可允許的4mm范圍之內(nèi)，最大誤差出現(xiàn)在正弦起伏段為3.7mm，其余路段誤差均在3mm以內(nèi)。試驗裝置反饋速度快，精度滿足要求。

圖11　正弦起伏段

圖12　先增后減段

圖13　遞增試驗段

圖14　遞減試驗段

圖15　先減后增試驗段

結(jié)語

（1）介紹了堅實(shí)冰雪的物理特性，分析了目前常用的檢測方法，結(jié)合冰雪特性選取接觸式檢測方法，首次利用機(jī)械接觸式方法對堅實(shí)冰雪厚度進(jìn)行檢測。針對冰雪厚度檢測原理，選用LVT526H傾角傳感器通過編程計算顯示出待測的冰雪厚度。

（2）通過參數(shù)簡化，利用土胚代替堅實(shí)冰雪進(jìn)行室內(nèi)土槽初步試驗，依據(jù)堅實(shí)冰雪的堅實(shí)度設(shè)置不同參數(shù)的夯實(shí)土胚。試驗得出對不同參數(shù)土胚檢測中先增后減路段測量精度最高，誤差在0.8mm以內(nèi)，正弦起伏段精度最低，最大誤差發(fā)生在波谷處為3.7mm，總體誤差均在4mm以內(nèi)，反饋速度快，檢測精度滿足要求。檢測試驗驗證了裝置的可行性，為下一步的室外試驗和整機(jī)調(diào)試提供了參考和依據(jù)。

莊騰飛 王俊發(fā) 李亞芹 邱新

偉 王 銳 龐秀巖 豆 賀

佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

莊騰飛（1987－）男，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備：通訊作者：李亞芹（1978－）女，博士，副教授，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.005

國家自然科學(xué)基金項目（51175226）；黑龍江省自然科學(xué)基金項目（E201465）；佳木斯大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項目（LZZ2014_009）