宋其福

湖南省岳陽(yáng)市屈原農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)局

(2005年中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)會(huì)論文)

摘要  激光控制平地技術(shù)是與大規(guī)模、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)的先進(jìn)平地技術(shù)。實(shí)踐證明，激光平地是一項(xiàng)節(jié)水、增產(chǎn)、增效的成熟技術(shù)措施。對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有十分重要的意義。但由于激光平地系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，不僅價(jià)格昂貴，而且維修、故障處理及零配件的更換不方便，不利于該技術(shù)的推廣。因此實(shí)現(xiàn)激光平地系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化已成為發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)急需解決的問(wèn)題。

屈原農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)局心系農(nóng)業(yè)發(fā)展大計(jì)，聯(lián)合岳陽(yáng)市農(nóng)機(jī)研究所，在消化吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己在應(yīng)用實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)，成功研制出IJP-200型激光平地機(jī)，實(shí)現(xiàn)了全套系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，降低了成本，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。整體技術(shù)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有及其廣闊的推廣前景。

關(guān)鍵詞  激光  平地系統(tǒng)  研制  應(yīng)用

0  引言

屈原農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)局于2001年引進(jìn)美國(guó)光譜精儀有限公司的L600型激光平地機(jī)組，在屈原農(nóng)場(chǎng)的四分場(chǎng)、二分場(chǎng)進(jìn)行了較大面積的水田平整。在作業(yè)中，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)完全達(dá)到甚至超過(guò)了預(yù)定的農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，收到了良好的效果，得到了全農(nóng)場(chǎng)干群的認(rèn)可。特別是在幾次大型農(nóng)機(jī)演示現(xiàn)場(chǎng)會(huì)上進(jìn)行激光平地技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)演示后，我國(guó)南方各省市的一些相關(guān)單位對(duì)激光平地技術(shù)評(píng)價(jià)很高，要求引進(jìn)激光平地設(shè)備和技術(shù)。但是目前國(guó)內(nèi)所使用的激光平地系統(tǒng)都是從國(guó)外進(jìn)口的，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，不僅價(jià)格高昂，而且在使用過(guò)程中的維修、故障處理及零配件的更換都不方便，不利于該項(xiàng)目的迅速推廣利用。因此，非常必要對(duì)激光平地系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制。

1  立項(xiàng)研制，確定方案

屈原農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)局在激光平地作業(yè)的過(guò)程中，通過(guò)三年的實(shí)踐，充分掌握了激光平地系統(tǒng)的原理性能、適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。于2003年確立了對(duì)激光平地系統(tǒng)進(jìn)行研制的課題，決定在消化吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全套設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。岳陽(yáng)市科技局于2004年將該項(xiàng)目納入了科研工作計(jì)劃，在上級(jí)科技部門(mén)的大力支持下，屈原農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)局聯(lián)合岳陽(yáng)市農(nóng)機(jī)化研究所和蘇州一光鐳射儀器有限公司成立了課題組，正式啟動(dòng)了該項(xiàng)目。啟動(dòng)后，立即確定方案，參照從美國(guó)引進(jìn)的激光平地系統(tǒng)，將該系統(tǒng)的組成分四部分：第一部分為激光發(fā)射接收；第二部分為電路控制；第三部分為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)；第四部分為刮土鏟。對(duì)上述四個(gè)部分能否實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，課題組的全體工作人員進(jìn)行了大量的調(diào)研、咨詢和可行性分析。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，**后確定具體方案如下：選用國(guó)產(chǎn)的JP300激光掃平儀進(jìn)行改進(jìn)，作為激光發(fā)射源，全方位激光探測(cè)儀采集光信號(hào)后并加以處理，然后以穩(wěn)定的信號(hào)方式輸出，也就是將平地設(shè)備的即時(shí)高度信息以電信號(hào)的方式輸入電控部件，電控部件將該信號(hào)加以處理后，控制液壓部件的工作，隨時(shí)調(diào)整平地設(shè)備的高低，使平地設(shè)備準(zhǔn)確地維持在比較精確的工作面內(nèi)，實(shí)施平地作業(yè)。

2  工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1  工作原理

IJP-200型激光平地系統(tǒng)主要由JP300激光發(fā)射器、JFP-20全方位激光接收器、控制箱和液壓閥組成。激光發(fā)射器僅發(fā)射一束極細(xì)的能旋轉(zhuǎn)360o的光線，為整個(gè)施工場(chǎng)地提供一個(gè)恒定的坡度基準(zhǔn)。全方位激光接收器安放在刮土鏟上方的伸縮桿上，從激光平面到鏟刃之間這段固定距離即為標(biāo)高測(cè)量基準(zhǔn)，全方位激光接收器接到激光信號(hào)后不停地給控制箱發(fā)送高度信息，如果激光掃射在接收器上部，說(shuō)明刮土鏟處于完成高度的下方，一個(gè)提高刮土鏟的修正信號(hào)發(fā)送給液壓閥。反之，一個(gè)降低刮土鏟的修正信號(hào)發(fā)送給液壓閥。液壓閥控制刮土鏟的油缸，其收到來(lái)自控制箱的修正信號(hào)后，提高或降低刮土鏟以維持正確的標(biāo)高。

2.2  主要結(jié)構(gòu)及其功能

2.2.1  激光發(fā)射器

激光發(fā)射器安在三角架上，一臺(tái)發(fā)射器能同時(shí)控制幾臺(tái)拖拉機(jī)或耕田船工作。激光發(fā)射器設(shè)有水平儀，能自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)平光束，使激光掃射面為一水平面，以作為土地平整作業(yè)的基準(zhǔn)參照面。旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為300～600r/min，有效光束半徑為200m（根據(jù)激光發(fā)射功率而定），是一個(gè)由電池驅(qū)動(dòng)的激光發(fā)射裝置。在激光發(fā)射器內(nèi)，有一只功率為4mw的氦氖激光管。激光管發(fā)射出一束極細(xì)的紅色光束，光束朝下，經(jīng)過(guò)兩個(gè)反光鏡，將光束變位朝上，又經(jīng)過(guò)一個(gè)透鏡變?yōu)槠叫泄馐?，然后再?jīng)棱鏡系統(tǒng)轉(zhuǎn)90o向外發(fā)射。棱鏡系統(tǒng)安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，因而能旋轉(zhuǎn)360o。

2.2.2  激光接收器

激光接收器由具有中心控制點(diǎn)的9排4列微感應(yīng)檢測(cè)器（光電傳感器）及電信號(hào)處理器構(gòu)成。用以吸收來(lái)自激光發(fā)射器旋轉(zhuǎn)發(fā)出的激光束，光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過(guò)連接線輸送給控制箱。

2.2.3  控制箱

控制箱從接收器中接收和處理信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，直接傳送到液壓控制閥的電磁鐵上，控制電磁換向動(dòng)作?？刂破髟O(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)功能，并設(shè)有自動(dòng)開(kāi)關(guān)、手動(dòng)開(kāi)關(guān)（手動(dòng)開(kāi)關(guān)允許操作手在控制箱上進(jìn)行電子升降刮土器）。

2.2.4  液壓控制閥

液壓閥收到來(lái)自控制箱上升和下降的信號(hào)，機(jī)油液壓系統(tǒng)就提供壓力控制油缸來(lái)提高或者降低刮土器以維持正常的標(biāo)高。

3  先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1  作業(yè)平整精度高

IJP-200型激光平地系統(tǒng)，是利用激光作為非視覺(jué)控制手段代替常規(guī)機(jī)械平地設(shè)備操作人員的目測(cè)判斷能力，用以控制液壓、平地機(jī)具的升降高度。在平地作業(yè)中，由于激光發(fā)射器發(fā)射的激光束在田面上方構(gòu)成水平激光面作為土地平整作業(yè)的參照基準(zhǔn)面，故不受田間平整活動(dòng)的影響和干擾。激光接收器在操作過(guò)程中，對(duì)來(lái)自激光發(fā)射器發(fā)出的光束信號(hào)感應(yīng)和傳遞迅速，電子控制箱自控靈敏，操作自動(dòng)化程度高，因此，平地精度可達(dá)1.4cm，是常規(guī)機(jī)械設(shè)備平地難以企及的。

3.2  電控部件和液壓部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)南方水田平整帶水作業(yè)。

將激光平地系統(tǒng)應(yīng)用于水田平整帶水作業(yè)，它的平地鏟相對(duì)旱地用的平地鏟要輕得多，平地鏟由于自重小無(wú)法使油缸活塞回位，因此進(jìn)口激光平地系統(tǒng)靠平地鏟自動(dòng)復(fù)位下挖的方式已經(jīng)不能適用。故將電控部件和液壓部件改為雙作用缸執(zhí)行作業(yè)方式，平地鏟升降完全由液壓驅(qū)動(dòng)，解決了平地鏟自重不夠難以復(fù)位的問(wèn)題。            

南方水田耕整季節(jié)溫度有時(shí)高達(dá)40℃，液壓系統(tǒng)溫升太高將使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。由于受結(jié)構(gòu)限制，系統(tǒng)不便于安裝冷卻系統(tǒng)，為了降低系統(tǒng)溫升，設(shè)計(jì)采用非工作時(shí)完全卸荷的方式，盡量降低壓力損耗，降低溫升，以適應(yīng)南方的高溫氣候。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)連續(xù)工作12小時(shí)升溫不大于30℃。

3.3  整個(gè)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，成本低，有利于推廣。

目前，能否降低整套設(shè)備價(jià)格是推廣應(yīng)用激光平地技術(shù)的關(guān)鍵因素，而降低整套設(shè)備的價(jià)格關(guān)鍵又在于能否實(shí)現(xiàn)全套設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。屈原農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)局于2001年從美國(guó)引進(jìn)的一套設(shè)備價(jià)格為13萬(wàn)元，加上配套的拖拉機(jī)9萬(wàn)元，全套設(shè)備22萬(wàn)元。IJP-200型激光平地系統(tǒng)（不包括拖拉機(jī)）的成本僅需4萬(wàn)余元，價(jià)格較美國(guó)引進(jìn)的平地系統(tǒng)可降低2倍左右，并且國(guó)產(chǎn)設(shè)備維修及更換零配件方便。

4  系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

4.1     電      源    DC12V

4.2     作業(yè)平整度    ≤2cm

4.3     **大工作半徑   200 m

4.4     **大工作負(fù)載   20KN

4.5     系統(tǒng)壓力       10mpa（可調(diào)）

4.6     工作壓力        7mpa（可調(diào)）

4.7     系統(tǒng)流量        20L/min（可調(diào)）

5  結(jié)束語(yǔ)

IJP-200型激光平地機(jī)2004年12月份經(jīng)湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了計(jì)劃書(shū)的任務(wù)要求。2005年元月份湖南省科學(xué)技術(shù)廳組織專家成立鑒定委員會(huì)，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了鑒定，鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為：該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了全套系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，整體技術(shù)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有廣闊的推廣前景，并建議加快該成果轉(zhuǎn)化，盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。