JPC—2型耕層斷面測繪儀的研制

楊存志 吳澤全 陳蕾

摘要：為提高深松機和深松整地聯(lián)合作業(yè)機的鑒定檢測效率，研制基于WIFI無線測控和激光測距技術(shù)的JPC-2型耕層斷面測繪儀。闡述耕層斷面測繪儀的工作原理、設(shè)計思路及參數(shù)設(shè)定，介紹測試參數(shù)的設(shè)置及測定方法，為降低鑒定人員的勞動強度提供適用機具。

關(guān)鍵詞：深松機；耕層斷面；激光測距；WIFI無線測控

中圖分類號：S220.39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）07-0036-04

深松機是一種與大功率拖拉機配套使用的耕作機械，主要用于行間或全方位深層土壤機械化翻整。深松機作業(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。啟動深松機時，深松鏟靠自重逐漸進入土壤預(yù)定深度，作業(yè)過程中應(yīng)保持作業(yè)深度，不允許進行各項調(diào)整。

深松機的設(shè)計與生產(chǎn)必須達(dá)到DG/T 026-2012《深松機推廣鑒定大綱》關(guān)于土壤膨松度與土壤擾動系數(shù)的檢測要求。采用手持式激光測距儀人工測量這2個參數(shù)時，常見的工作幅寬2.5 m的深松整地聯(lián)合作業(yè)機，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)記測點，每個行程需測量耕前地表、耕后地表和實際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線的距離，且要分別測量3個行程，總測量次數(shù)不少于750次。此后，需要人工對數(shù)據(jù)進行計算，勞動強度大且測量精度低。為此，根據(jù)農(nóng)機鑒定部門的實際要求，研制了基于WIFI無線測控和激光測距技術(shù)的JPC-2型耕層斷面測繪儀。

1 JPC-2型耕層斷面測繪儀測試方法

JPC-2型耕層斷面測繪儀采用水平基準(zhǔn)線法。深松作業(yè)前，垂直機具作業(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），沿水平尺在整個工作幅寬范圍間隔30 mm（或<30 mm）連續(xù)等分測點，在作業(yè)前、后，測定各等分測點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、實際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線的距離H3。H1，H2，H3為測量采集的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)公式計算土壤膨松度和土壤擾動系數(shù)。每個行程測定1次，共測定3個行程，結(jié)果取平均值。

2 JPC-2型耕層斷面測繪儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

JPC-2型耕層斷面測繪儀有效行程4 m。為便于運輸，由4段鋁型材聯(lián)接而成，工作幅寬小的深松機也可以3段聯(lián)接，有效行程達(dá)3 m。

如圖2所示，測繪前，將四段架體組裝成完整的耕層斷面測繪儀，架體之間的導(dǎo)軌與齒條接縫處對齊，無上下、左右錯位現(xiàn)象。把2根鐵釬牢固釘進土中，用夾箍調(diào)節(jié)測繪儀的高低和水平。4 m長的架體因為不是整根梁，會出現(xiàn)撓度。重復(fù)性試驗數(shù)據(jù)表明，組裝完成的測繪儀測量過程中的撓度幾乎不變。

測繪時，水平測量裝置在步進電機驅(qū)動下，齒輪與齒條嚙合，沿直線導(dǎo)軌水平移動，測量速度為60 mm/s，回程速度為120 mm/s。

2.1 撓度計算

耕層斷面測繪儀兩端架在鐵釬上使用，當(dāng)行程達(dá)到4 m時，假設(shè)4段連接軌道剛度與整段軌道相似，軌道自重和水平測量裝置質(zhì)量會產(chǎn)生撓度。現(xiàn)對鋁型材中心的處最大撓度進行計算，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 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)的工作原理見圖4。

如圖5所示，水平測量裝置集成步進電機、控制器、激光測距傳感器、嵌入式主板、WIFI發(fā)射接收模塊和行程開關(guān)。其顯著優(yōu)點有：一是縮短激光測距傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸距離，保證數(shù)據(jù)信號不受干擾，提高準(zhǔn)確度；二是采用WIFI無線方式與上位機通訊，減少繁多的數(shù)據(jù)線與電源線，與外界進行有線連接只需一根電源線。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

耕層斷面測繪儀的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 檢測軟件應(yīng)用

檢測軟件主界面見圖6。

3.1 無線連接

1） 確保上位機（筆記本電腦）無線Wifi處于開啟狀態(tài)，將其IP地址設(shè)置為自動獲取。

2） 水平測量裝置上電后，內(nèi)置的無線AP打開，主機可搜索到名為“NJY-DATA01”的無線網(wǎng)絡(luò)連接；連接該無線AP。

3） 連接狀態(tài)顯示為 。

3.2 開始檢測

3.2.1 設(shè)定檢測對象 在主界面上點擊H1按鍵，設(shè)定當(dāng)前檢測對象為：測定耕前地表至水平基準(zhǔn)線距離H1；在主界面上點擊H2按鍵，設(shè)定當(dāng)前檢測對象為：耕后地表至水平基準(zhǔn)線距離H2；在主界面上點擊H3按鍵，設(shè)定當(dāng)前檢測對象為：實際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線距離H3。

3.2.2 測量 在主界面上，點擊“開始測試”按鍵，步進電機首先執(zhí)行復(fù)位行程，然后按選定速度從左向右行進，同時采集距離數(shù)據(jù)。當(dāng)行至右端的行程開關(guān)處或者點擊“停止測試”按鍵，電機停止，一組數(shù)據(jù)采集結(jié)束。通過切換H1，H2，H3，完成耕前地表、耕后地表和實際深松溝底線的3組距離數(shù)據(jù)檢測。通過切換行程1、行程2、行程3，進行3個選定位置的測量。

3.3 測試結(jié)果分析

當(dāng)H1，H2，H3等3組測試完成后，系統(tǒng)將自動根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計深松性能指標(biāo)。檢測結(jié)果分析表格見圖7。

點擊H1，H2，H3按鍵，顯示或隱藏對應(yīng)的數(shù)據(jù)組曲線；點擊“設(shè)置H1，H2，H3”按鍵，可分別設(shè)置H1，H2，H3的起點與終點：點擊“等分點“或”始未點“，打開等分點和始末點設(shè)置窗口，設(shè)置適當(dāng)?shù)摹八交鶞?zhǔn)線等分點間距”“測量的起始點和結(jié)束點”“深松鏟數(shù)量”“最深溝底偏差”。點擊“確定”按鍵后，軟件將以設(shè)定的數(shù)值重新生成對應(yīng)的測試結(jié)果報告。計算參數(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標(biāo)識溝底位置。其計算邏輯為：軟件系統(tǒng)首先遍歷H3數(shù)據(jù)組，計算出最深溝底，最深溝底與“最深溝底偏差”的差值即為橫向標(biāo)識線位置，通過該橫向標(biāo)識線與H3數(shù)據(jù)曲線的一系列交點來定位各個深松鏟的溝底。當(dāng)“深松鏟數(shù)量”等于0時，測試結(jié)果報表中的深松鏟個數(shù)等于定位到的溝底個數(shù)，HL等于各個溝底的平均值；當(dāng)“深松鏟數(shù)量”大于0時，測試結(jié)果報表中的深松鏟個數(shù)等于該“深松鏟數(shù)量”，HL等于該個數(shù)的溝底的平均值。

檢測結(jié)果分析表格中，土壤膨松度與土壤擾動系數(shù)的計算數(shù)據(jù)，可為鑒定部門判斷機具是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)提供可靠依據(jù)。

檢測數(shù)據(jù)可以保存、重新導(dǎo)入、查看、設(shè)置檢測信息及報表打印輸出。

4 結(jié)論

JPC-2型耕層斷面測繪儀可以橫跨機具作業(yè)寬度，自動精確測量耕前地表、耕后地表和實際深松溝底線至水平基準(zhǔn)線的距離，自動進行數(shù)據(jù)（土壤膨松度與土壤擾動系數(shù)）計算、保存、表格繪制，以及后期數(shù)據(jù)輸出與打印。

JPC-2型耕層斷面測繪儀的研制成功，為國內(nèi)農(nóng)機鑒定部門進行深松機鑒定提供了快速、準(zhǔn)確的檢測方式，極大減輕了鑒定人員采集數(shù)據(jù)的勞動強度，提高了工作效率。

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