齊俊滕，刁培松，馬明建，李　滕

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博　255049)

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全電農(nóng)用激光平地機的設(shè)計

齊俊滕，刁培松，馬明建，李滕

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博255049)

摘要：針對現(xiàn)有農(nóng)用激光平地機對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力差、精平機當(dāng)作粗平機使用的問題，設(shè)計開發(fā)了全電農(nóng)用激光平地機。全電農(nóng)用激光平地機主要由機架、電動伺服缸、抬鏟省力機構(gòu)及斗門機構(gòu)構(gòu)成。其中，斗門機構(gòu)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械部分組成，可以完成土壤的搬運。田間試驗結(jié)果表明：在復(fù)雜地形下工作，該機構(gòu)對土地平整的平整精度較傳統(tǒng)機型有較大提高，作業(yè)質(zhì)量符合農(nóng)藝要求，機具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

關(guān)鍵詞：電動伺服缸；激光平地機；斗門

0引言

精細平地技術(shù)是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)的保證，高精度的土地平整是提高水資源利用率從而緩解我國的水資源短缺現(xiàn)象的途徑之一[1-3]。進行農(nóng)田的土地平整、改善農(nóng)田的表面情況，有利于改善農(nóng)田的灌溉情況[4]，提高化肥的利用率，減少病、蟲害，提高作物產(chǎn)量，是實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必要要求[5]。

傳統(tǒng)激光平地機結(jié)構(gòu)多是采用液壓執(zhí)行機構(gòu)控制抬鏟機構(gòu)和桅桿[6-7]。平地機在農(nóng)田工作時振幅較大，而桅桿都是焊接在機架上，通過液壓機構(gòu)來控制起落，機器震動時桅桿沒有減震裝置，在作業(yè)過程中桅桿經(jīng)常折斷，導(dǎo)致桅桿上安裝的激光接受器也會受到損害。抬鏟機構(gòu)的左右兩部分都安裝在一個軸筒上，液壓機構(gòu)只能控制機構(gòu)同起同落，在復(fù)雜地形下作業(yè)的平整精度較差，平整后的田地成鋸齒狀分布；液壓執(zhí)行機構(gòu)在長時間工作時會出現(xiàn)油溫過高的現(xiàn)象，而且液壓缸會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，對平地機的平整精度有較大影響。

現(xiàn)有激光平地機工作時，在地形較復(fù)雜的田地上首次作業(yè)的效率較低，通常先粗平后再進行精細平整[8]。全電農(nóng)用激光平地機采用電動控制代替液壓執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計了全新的電動桅桿和電動伺服缸；在電動桅桿下方增加了減震平臺來緩解機器工作振幅對電動桅桿的影響；改進了抬鏟機構(gòu)，使其成為省力機構(gòu)，在機器工作時能夠根據(jù)機器實時的水平度來分開調(diào)節(jié)。

全電農(nóng)用激光平地機對傳統(tǒng)激光平地機存在的問題進行了改進和創(chuàng)新，對提高農(nóng)田的平整精度和平整效率有重大意義。

1總體設(shè)計及工作原理

1.1總體設(shè)計

分析現(xiàn)有激光平地機工作原理及其優(yōu)缺點，確定新型的全電農(nóng)用激光平地機的總體設(shè)計方案。全電農(nóng)用激光平地機的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1　全電激光平地機的總體構(gòu)成

1)牽引機架通過與拖拉機牽引桿鉸接，由拖拉機拉動機器進行土地平整；牽引架上設(shè)計了調(diào)節(jié)螺桿與機架連接，調(diào)節(jié)螺桿控制牽引架與機架的角度，調(diào)整平地鏟的入土角。

2)機架部分用方管與側(cè)板和鏟壁焊合，鏟刀通過沉頭螺栓連接在固定板上，固定板焊接在鏟壁上并焊上槽鋼加強剛度；機架與牽引架的鉸接板加工3個通孔來調(diào)節(jié)牽引機架位置。

3)設(shè)計的減震平臺安裝在機架橫梁中間位置，平臺上固定梯形的桅桿支架；電器箱安裝在支架中，電動桅桿固定在支架上。

4)抬鏟機構(gòu)運用杠桿原理設(shè)計成省力機構(gòu)，兩個抬鏟機構(gòu)分別鉸接在機器兩側(cè)，上端和機架橫梁鉸接，下端鉸接在平地鏟鏟壁上；下端鉸接點翹板前端焊接三角鋼塊當(dāng)做翹板的翹點。

5)機架與牽引架處設(shè)計了斗門機構(gòu)，運用四桿機構(gòu)的運動原理，通過電動伺服缸伸縮控制其張開閉合。

1.2工作原理

平地機工作原理簡圖，如圖2所示。

圖2　全電農(nóng)用激光平地機測控拓撲

在田塊適當(dāng)?shù)奈恢蒙戏胖眉す獍l(fā)射器，保證激光束的平面高于地表的任何障礙物，以便安裝在電動桅桿上的激光接收器能夠接受到發(fā)射器發(fā)射的光束[9-10]。平地機工作前，在所要平整的田塊選擇多處采樣點，通過與平地機連接的超聲波測距儀器采集數(shù)據(jù)，計算出田塊的平均高程值；根據(jù)平均高程值，調(diào)節(jié)電動桅桿的高度，定位激光接受器的位置。

平地機工作時，控制系統(tǒng)借助激光平面來調(diào)節(jié)平地鏟的工作姿態(tài)[11]，進行土壤的推移運送，完成整個田塊的平整。平地機的工作原理實際就是對土方搬運及填充并改善田塊中的土壤的分布。拖拉機行進到較高地勢時，電動桅桿上的激光接受器接受的激光光束位于中心點下方，控制系統(tǒng)采集到信息，控制抬鏟機構(gòu)中的電動伺服缸收縮；電缸收縮帶動后輪抬起，平地鏟位置下降，斗門機構(gòu)中的電缸則伸長，斗門閉合。此時，平地鏟壁、斗門機構(gòu)與地表構(gòu)成鏟斗，土壤累積在其中，平地機對地勢高的地方高于平均高程的土方進行搬運；拖拉機進行到地勢低的地方時，激光接受器接受的激光光束位于中心點上方，控制系統(tǒng)控制抬鏟機構(gòu)電缸伸長，后輪落地，平地鏟位置升高，斗門機構(gòu)的電缸收縮使斗門張開，囤積在鏟斗中土壤隨著斗門的張開落下；整個過程中，地勢高的地方的土壤被帶到了地勢低的地方，完成了土壤的搬運及填充。

1.3斗門機構(gòu)的總體設(shè)計

斗門結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.電動伺服缸　2.上斗門焊接　3.機架　4.下斗門限制桿

作業(yè)時，激光接受器接受激光信號，平地鏟落下時，斗門機構(gòu)閉合，將該地多出的土方存放在斗門和鏟壁之間；平地鏟抬起時，斗門機構(gòu)就會打開，將存放的土方填充到地勢較低的地方。斗門機構(gòu)主要由3部分組成，分別是上斗門焊接，下斗門焊接和下斗門限制桿。3部分鉸接點均由銷軸鏈接，上斗門焊接與電動伺服缸鉸接，控制系統(tǒng)控制電缸的伸縮完成斗門機構(gòu)的張開與閉合運動。上斗門焊接一端和電缸連接一端鉸接在側(cè)板上，下端連接在下斗門焊接上，在工作時繞著側(cè)板上的鉸接點進行擺動。下斗門限制板一端鉸接在側(cè)板上，上端連接在上斗門焊接上，工作時限制下斗門的運動，保證斗門機構(gòu)和鏟壁的配合。其主要技術(shù)參數(shù)如下:

平地幅寬/mm：3 000

平地鏟的起落范圍/mm：-200～+200(理論)

下斗門端點與鏟刀下端點的距離范圍/mm：高度110～240(理論)，水平100～720(理論)

電源/kW·h-1：240

配套動力/kW·h-1：110kW以上的拖拉機

2斗門機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動器

2.1電動伺服缸的設(shè)計

2.1.1電動伺服缸的結(jié)構(gòu)

電動伺服缸是斗門機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電動伺服缸主要由前耳、直流電機、蝸輪蝸桿減速器、滾珠絲桿及后耳組成。

前耳通過螺紋連接在推桿上，由推桿上的自鎖螺母定位。推桿和滾珠絲杠連接，滾珠絲杠兩側(cè)裝有防轉(zhuǎn)桿，推桿上固定了小型軸承，防轉(zhuǎn)桿中心開有導(dǎo)槽，軸承與導(dǎo)槽滾動連接。直流電機與蝸輪蝸桿減速器用法蘭盤固定在電缸外殼。后耳通過內(nèi)六角螺栓連接在電缸外殼上。

1.前耳 2.推桿　3.滾珠絲桿　4.直流電機

2.1.2電動伺服缸的工作原理

接通直流電源，直流電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器的減速，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動；滾珠絲杠作用于推桿上，推桿兩側(cè)的軸承在防轉(zhuǎn)桿導(dǎo)槽中滑動，推桿穩(wěn)定伸長，推桿同樣推動前耳向前伸長。在絲杠運動到極限位置時，推桿上的磁鐵靠近安裝絲杠螺母和放轉(zhuǎn)桿左側(cè)的磁性開關(guān)，常開狀態(tài)的磁性開關(guān)閉合，電機停止轉(zhuǎn)動，滾珠絲杠也停止運動，對電缸的兩個極限位置進行保護。

2.1.3電機的選擇

一般土壤的密度多在2.6～2.8g/cm3范圍內(nèi)。機器工作時，滿載的土壤按土壤密度為2.8g/cm3計算大約是12 000N，斗門機構(gòu)的質(zhì)量大約是2 300N,總體就是14 300N。斗門機構(gòu)斗門機構(gòu)由電動伺服缸驅(qū)動，電動伺服缸采用蝸輪蝸桿直流減速電機。

所選擇蝸輪蝸桿減速電機的型號:

額定功率為100W，空載轉(zhuǎn)速為33r/min，額定電壓為DC24V，輸出扭矩為220kg·cm，額定電流為6.5A，質(zhì)量為3.6kg，減速箱減速比為1∶30。

電動伺服缸工作時用電機帶動滾珠絲杠，施加扭矩時產(chǎn)生推力，計算公式為

式中Fa—產(chǎn)生的推力(N)；

η—進給螺桿的正效率；

T—驅(qū)動扭矩 (N·mm)；

ι—進給螺桿的導(dǎo)程(mm)。

電動伺服缸的驅(qū)動扭矩為T=21 560N·mm進給螺桿的正效率為η=0.96，進給螺桿的導(dǎo)程為ι=10mm。

產(chǎn)生的扭矩為

電動伺服缸所能產(chǎn)生的推力是12 998N，斗門機構(gòu)的由兩個電缸驅(qū)動，而滿載的土壤和斗門的質(zhì)量一共約14 300N，兩個電缸推力近26 000N，驅(qū)動斗門的運動留有很大的余量。

2.1.4電缸的進給速度

電動伺服缸的滾珠絲杠選用導(dǎo)程為10mm的型號。電機的轉(zhuǎn)速為33r/min，滾珠絲杠螺母每分鐘前進的距離330mm，電缸的進給速度即為5.5mm/s。

2.2斗門機構(gòu)的驅(qū)動原理

平地機在工作過程中拖拉機會一直前進，而在地勢高的地方閉合斗門、地勢低的地方張開斗門需要控制系統(tǒng)及時響應(yīng)，短時間內(nèi)完成機構(gòu)一個工作行程，要求電動伺服缸能在短時間內(nèi)響應(yīng)，來完成電機的正反轉(zhuǎn)和速度的調(diào)節(jié)。

斗門機構(gòu)選用直流電機驅(qū)動器來控制電動伺服的運動。直流電機驅(qū)動器可完美地控制電機啟動、制動、換向過程和堵轉(zhuǎn)保護；電機響應(yīng)時間短，且反沖力??；輸出電流實時監(jiān)控防止過流，有效保護電機和驅(qū)動器；可通過撥碼開關(guān)或串口配置電機額定電流，使電機啟動、制動、堵轉(zhuǎn)電流均限定在電機額定電流范圍以內(nèi)，高效而安全。

選用的直流電機驅(qū)動器的型號的參數(shù)：

額定電壓/V： 24

最大輸出功率/W：240

外形尺寸/cm：13.6×8.2×4.5

拖拉機自帶的蓄電池是整機的動力，一般拖拉機電池為12V,直流電機驅(qū)動器的額定電壓是24V，需要直流升壓器升壓保證驅(qū)動器的正常工作。驅(qū)動器安裝在電器箱內(nèi)，電器箱位于電動桅桿支架下端，驅(qū)動器由駕駛室內(nèi)的平板電腦控制。

3調(diào)平裝置

傳統(tǒng)的激光平地機抬鏟的車輪部分一般都是兩車輪安裝在一個公共的軸筒上。機器工作時，液壓執(zhí)行機構(gòu)作用在軸筒上，而這種方式在平地機出現(xiàn)側(cè)偏時，機構(gòu)不及時調(diào)節(jié)平地鏟的水平，在這種狀態(tài)下平地機整地后地表會出現(xiàn)鋸齒狀，對作業(yè)精度有很大的影響。

本機的抬鏟機構(gòu)是兩個相對獨立的機構(gòu)，可以由電動伺服缸分別控制，在機架橫梁上安裝了小型的慣性導(dǎo)航模塊，能夠感應(yīng)到機器的水平度和俯仰角，將采集的信息通過線路傳遞給平板電腦在由其分別控制兩個抬鏟機構(gòu)對平地鏟進行調(diào)整，保證機器的水平度。

4結(jié)論

1)全電的農(nóng)用激光平地機能夠滿足傳統(tǒng)液壓驅(qū)動的激光平地機的工作需求。

2)設(shè)計的農(nóng)用激光平地機首次將液壓驅(qū)動改成電驅(qū)，對農(nóng)田的平整精度比液壓驅(qū)動的激光平地機有較大的提升，平地效率也有較大的提高。

3)斗門機構(gòu)的設(shè)計改善了傳統(tǒng)平地機對土方的搬運填充能力，對更復(fù)雜的地形有了更強的適應(yīng)能力，延長了機器的使用壽命，實現(xiàn)了農(nóng)田的高精度平整。

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Design of the Scraper Mechanism of All-electric Farm Laser Landscraper

Qi Junteng, Diao Peisong ,Ma Mingjian, Li Teng

(College of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technolog, Zibo 255049,China)

Abstract：Farmland grade is a kind of high speed, high precision and multi-purpose machinery,and is the key equipment infarmland improvement construction,it shows special advanced technology in farmland leveling.For the problem of the existing farm laser grader's poor adaptability to the complex terraing and using the fine-machine as coarse-machine, this article designed an all-electric farm laser landscraper.The existing laser landscraper's work efficiency for the first time in the field of complicated topography is low.The large amplitude in the work process usually makes the mast be easily broken.The oil temperature in the hydraulic actuator will be too high while the landscraper working in a long time , and the hydraulic cylinder will appear an overshoot phenomenon. These phenomenons have a great influence on the grader leveling precision. The all-electric farm laser landscraper improved and innovated for the traditional landscraper .This has great significance for the improvement of the grader leveling precision.The all-electric farm laser landscraper is mainly composed of frame, electric servo-cylinder , the laborsaving agency of lifting the shovel,the scraper mechanism.The scraper mechanism of laser landscraper is mainly composed of driving system, control system and mechanical parts.The scraper mechanism can be using to move the soi.Field experiment results showed that this agency can improve the leveling precision compare with traditional models when it works in the complex terrains.The operation quality meet the need of the agronomic requirements.The agency is designed reasonable.

Key words：electric servo-cylinder; laser landscraper; scraper mechanism

文章編號：1003-188X(2016)05-0148-04

中圖分類號：S222.5+1

文獻標識碼：A

作者簡介：齊俊滕(1990-),男，山東濟寧人，碩士研究生，(E-mail)489500518@qq.com。通訊作者：刁培松(1962-)，男，山東淄博人，教授， (E-mail)dps2003@163.com。

基金項目：山東省自主創(chuàng)新項目專項子課題(2013CXC90203)

收稿日期：2015-04-08