激光平地作业

激光平地作业（共6篇）

激光平地作业 篇1

0 引言

激光平地技术是高科技激光控制技术与常规机械平地技术相结合的土地平整新技术,具有平地精度高、操作简便、提高农田土地利用率、增产增效、改进地面灌溉质量的功效。为了研究激光平地技术的作业效果,对辽阳液压系统研究所研制的JGP-2500型激光平地机进行了试验与分析。

1 平整精度的检测

1.1 激光控制平地原理与方法

传统的常规土地平整设备主要由推土机、铲运机和刮平机组成。土地平整状况一般取决于推土机和刮平机的施工精度,但是由于推土铲的液压装置为手工控制,平地作业过程中操作人员无法准确地控制推土铲的升降高度,刮平和修整田面的效果并不理想。因此,常规平地方法的精度受其机具设备和人工操平精度低等的制约,能够达到的平整精度有限。

激光平地技术是利用激光作为非视觉控制手段代替平地设备操作人员的目测判断能力,用以控制液压平地机具的升降高度。激光控制平地作业时,一旦铲运机具刀口的初始位置根据平地设计高程确定后,无论田面地形如何起伏,受激光发射—接收系统的影响,控制器始终经液压升降系统将铲运刀口与平地控制参照面间的距离保持在某一恒定值。平地中当铲运刀口处的地面高程高于设计高程时,接收器感应到此时刀口与控制参照面间的距离小于恒定值,控制器通过液压系统迫使铲运刀口下降直到水平激光面与刀口间距离恢复至上述恒定值,刀口下降后挖掘的土方将被铲运机具运载供填方之需;当刀口处地面高程低于设计高程时,铲运刀口与平地控制参照面间的距离会大于以上恒定值,这时控制器经液压系统令铲运刀口抬升,卸载土方填埋洼地。因此,只要根据初始位置点高程将激光接收器在铲运设备桅杆上的位置固定后,由拖拉机牵引的铲运机具即可在田块内按一定行进规律往复运动,逐步完成对整个地块的自动平整作业。

1.2 地表不平度的测试

在田块适当位置处安装激光发射器,确保激光束平面高于田内任何障碍物,以便安装在平地设备桅杆上的激光感应装置接收到来自发射器的光束。

激光平地机组自带的一个激光接收装置测量平地前、后地表的相对高程。此接收装置是将一个接收器安装在一个有刻度、可伸缩的标尺上。它可根据激光发射器所发出的激光平面距其中心点的位置不同,而产生不同的输出信号:当激光平面位于激光接收器中心点上方时,激光接收器产生较慢的嘀嘀响声,且屏幕显示上有向上的箭头,表明此点地势偏低;激光平面位于激光接收器中心点下方时,产生较快的响声,屏上的箭头指向下,表明此点的地势偏高。只有当激光平面位于激光接收器的中心点上时,接收器才发出稳定的响声,且屏幕上出现一条直线。此时,该点的标高值即为有刻度、可伸缩的标尺上的刻度。

试验地点选在辽阳灯塔东荒农场。

1.3 平整精度的评价与分析

通常采用田间地面相对高程的标准偏差值Sd评价土地平整的精度,标准偏差值反映了田间地面平整度的总体状况,有

undefined

其中,hi为田块内第i个测点的相对高程(cm);undefined为期望相对高程(cm),一般指田块内各测点的平均地面相对高程,即平地设计高程;n为田块内所有测点的数量。常规平地方法和激光平地技术能达到的田间地面最小Sd值,在美国分别为2～2.5 cm和1.2 cm,葡萄牙则是3～4 cm和1.7 cm。

表1和表2分别是采用常规平地和激光平地两种不同方法田块平整状况及改善程度。其中,绝对改善度是平地前后地块Sd的差值,用以衡量地面平整状况改善的绝对幅度;相对改善度则是绝对改善度与平地前地块Sd的比值,反映地面平整状况改善的相对程度。常规平地结束后,5个田块的Sd值从平整前的4.8～14.8cm下降到3.4～11.4cm,绝对改善度为0.9～4.5cm,相对改善度在13.8%～54.2%之间。其中,对A 3地块的改善力度最大。实施激光平地作业后,所有田块的Sd值又进一步下降到2.3～6.4cm,绝对改善度为1.0～5.0cm,相对改善度在25.7%～43.9%之间。

考虑到国情现状以及平地成本费用等因素,现阶段我国农田激光平地精度的评价指标,一般要求标准偏差值为2～3cm,绝对差值小于2cm的测点累积百分比接近80%[4]。由上述试验与分析可知,JGP型激光平地机的平地效果是显著的。采用激光平地后地形起伏显著趋向平缓,相对于平均设计高程差值-1～3cm之间变化。

2 作业效率的测试与分析

平整土地的作业效率被定义为单位时间内平整的公顷数量。图1显示出两种平地方法的作业效率与绝对改善度间的关系呈非线性状态,作业效率在很大程度上取决于地面平整状况的改善力度。绝对改善度愈大,意味着平地作业难度增大、田面施工量增多,作业效率会明显下降。在图1所示的绝对改善度范围内,激光平地作业效率Ep都明显地高于常规平地下的Er值。例如,当δ=1cm时,Ep高于Er约70%,而δ=5cm时,Ep是Er值的1.3倍。与常规平地技术相比,激光平地技术不仅能获得较高的土地平整精度,还具有平整作业效率高的突出特点。

绝对改善度δ/cm

利用该图1得到的经验关系,对某一待平地块,依据预期达到的土地平整精度,可粗估两种平地方法下的施工作业效率及平地耗时量。

3 结论

激光平地实现了常规土地平整无法达到的土地平整精度,平地标准偏差值达到1.1～2.0cm,相对改善度为52.5%～79%。其平地精度高,作业效率快,节水效果明显。

激光平地作业效率取决于地块平整改善的状况、平地设备的铲运容量以及操作人员的作业技巧等。当前者状况给定时,后两个因素对提高平地作业效率有着一定影响。根据作业效率与平地后绝对改善度间的关系,可粗估平地作业的工作效率和总耗时量

参考文献

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激光平地作业 篇2

而激光平地机最重要的特点是可节约灌溉水30%～50%,降低用水费用,改善农业灌溉的效果;土地整平后,施用的化肥被有效的保留在作物的根部,从而可以提高肥料的利用率20%以上,减少环境污染;利用激光技术对土地精密刮平较传统刮平技术提高产量20%～30%,较未刮平土地提高50%。

本文将为读者介绍来自天宝的激光平地系统。

平地原理

如图1所示,两个高度基准A与B,A是激光平面的高度,B是地面上某一点的高度,A与B之间的高差即激光接收器中心到铲刃的高度称为L;所以当激光平面高度A固定,L固定,B就是固定的,土地就被整平了。

平地前,需要测量以确定土地的平均高度,然后,土地被平整到该平均高度并使刮土量和填土量大致相等。

激光平地机由激光发射器、控制系统和能升降的刮土铲三部分组成。平地机是一个有后轮且能按照土地高低自动升降的刮土铲。油缸安装在后轮轴与平地铲之间,油缸伸缩带动平地铲升降。

在平地铲前进的过程中,走到高处时,油缸缩短带动铲刀降低,铲刀将切削并推移该处土壤前进;当前进到较低处时,油缸伸长带动铲刀升高,被铲刀推移的土壤被平铺到该处。

平地过程中,油缸不停的升降,但铲刀高度始终保持固定。高处的土壤被刮走摊平到低处,完成土地平整工作。

接收器固定在铲刀的桅杆上,通过激光信号测量接收器中心与发射器之间的高度偏差,这个偏差等于土地当前高度与目标高度的偏差,控制器始终趋于缩小偏差,即控制铲刀升降使土地接近目标高度。

如果激光扫在接收器的上半部,表明铲刀处于目标平面的下方,升阀动作,铲刀被提高;如果激光扫在接收器的下半部,表明铲刀处于目标平面的上方,降阀动作,铲刀被降低。

工作特点

(1)精度高,平整后的土地高差为±2cm。

(2)效率较高,粗平时1 h能够平地0.2～0.33hm2(3～5亩),细平时1h能够平地0.27～0.40hm2(4～6亩)。

(3)适宜于平整状况较好的土地。对于平整状况较差的土地,可先用常规方法完成粗平,然后再用激光平地机实施精平,比较合理。

系统组件介绍KF308激光发射器

KF308激光发射器安装在三脚架上,自动调平,工作直径800m,旋转的光束形成一光水平面。即使在最恶劣的环境下,该发射器也能为您提供可靠、高精度的性能。全面提供工作效率并节约成本,抗1m混凝土地面跌落,防水、防尘耐用,减少了停工期和维修费用。在工作场所,一台发射器能同时控制多台平地机工作。

KB508控制盒

KB508控制盒安装在驾驶室内,操作界面简单,机手很容易操作。用一组发光二极管显示铲刀的高度。

LED标高指示

接收器接收到激光信号时的五种状态:粗高、细高、平、细低、粗低。

LS508激光接收器

LS508接收器接收窗口大,可以360°接收激光信号,跟几乎所有类型的激光发射器搭配使用。该接收器构造坚固耐用,拥有专利的高级比例光电池技术能够保证最高的使用精度。

平地机

平地机包括机械部分和液压部分,液压部分安装在机械部分之上,控制机械部分。机械部分包括:铲刀主体、轮架、三角拉杆、丝杠及桅杆。液压部分包括:油箱、油管、油泵、阀组和油缸。

卫星平地相比激光平地的优势

1 参考信号传输距离远,不受天气影响

普通的激光发射器信号传输半径在400m左右,而卫星平地运用卫星信号作为参考信号,通过电台传输,信号可达5～10km。而且不受大风、大雾、灰尘的干扰。

2 平地作业过程,不受地势误差大而限制作业

传统的激光作业是靠激光发射器形成的平面作为参考,一旦地势误差大,超出激光接收器接收激光信号的范围,将无法正常作业。而卫星平地是运用卫星作为参考,不受水平面的接收影响,所以不受地势差的限制。而且卫星平地通过测量地势,在地图上可以直观看到地势的高差,知道哪里高,哪里低,都可以在显示器上看到,对提高作业效率也有一定的帮助。

3 简单、人性化的操作界面

卫星平地的所有数据和操作均可在显示器上读取和操作,相比激光平地复杂的操作,省去了很多的麻烦的步骤。

4 安装、服务、调试简单化

相比激光平地复杂的安装和调试,卫星平地只需1h即可完成。

5 设备后期维护成本低

所有部件质保1年,维修和售后均在国内进行,而且周期特别短,在非人为的情况下,一般是直接更换新件。

6 便于路间行走

卫星平地安装在拖拉机外面的,只有一个卫星接收天线,非常小巧,而且拆卸方便,露肩行走可以拆下来。而激光平地的大杆子非常笨重,在路间行走有时候会挂到电线之类的故障物,造成了不必要的麻烦和损失。

7 振动、波动频率小,长时间作业不会使拖拉机油温过高

由于卫星平地的工作模式和工作原理不同于激光作业,所以在作业过程中振动小,油缸和油泵活动的频率小,不会产生过多热量。

公司联系方式:

北京盛恒天宝科技有限公司

地址:北京市通州区光机电产业基地嘉创路5号新华联科技大厦519

水田激光耙浆平地机振动特性研究 篇3

近年来,水田耕整机正由单一型向复合型转变,由粗犷型作业向精细作业转变,由半自动向智能化转变。激光平地机以激光为测量信号来精确控制平地铲的高度和水平倾斜度,可实现自动化和精准化作业,在水田作业中的应用越来越广[1,2]。将耙浆埋茬机与激光平地机集成可实现水田耕整一次作业,减少拖拉机下地次数及机具对水田的破坏性,保护水田的生态环境; 同时可提高生产效率,降低作业能耗。

由于土壤厚度高低不同,耙浆埋茬机在作业时,会产生剧烈的抖动,再加上拖拉机发动机的振动,这些振动经连接接头传到平地机,造成液压系统和姿态调整机构的抖动,对平地铲的姿态调整带来误差。特别是激光接收器支撑杆的前后左右剧烈抖动,严重影响接收器正常工作,进而造成激光平地作业失败。为此,设计了专用隔振系统,提高了支撑杆的装配精度,并通过试验验证该系统的隔振效果。

1 整机振动性能分析

水田激光耙浆平地机由悬挂机构、耙浆埋茬机构、平地机构、液压控制系统、姿态调整机构和激光发射接收系统组成,如图1 所示。该机可一次性完成水田耙浆埋茬平地作业,以激光信号作为基准平面通过液压控制系统调整平地铲的姿态,耕整后的田面平整度低于3cm。与普通耙浆平地机相比作业效率可提高30% 左右,节省水肥投入20% 左右,有利于水田可持续性耕作。

1.耙浆埋茬机构2.三点悬挂机构3.传动机构4.变速器5.姿态调整机构6.油箱7.液压电磁阀8.液压泵9.液压缸10.支撑杆11.激光接收器12.连接座13.平地铲

农业机械的作业环境非常恶劣,振源和振动类型非常复杂,本文从对信号接收精度主要影响因素出发对激光耙浆平地机的振动特性进行分析。

1. 1 振源分析

激光耙浆平地机振源主要来自拖拉机行走及其发动机产生的振动、耙浆埋茬机作业产生的振动及平地铲自身产生的振动3 个方面。柴油发动机可产生高频周期性振动,对耕整机会带来直线颠簸和空间耦合摆动[3]。耕耙机的振动较复杂,既是受迫振动又是自激振动。邱白晶[4]对整机的随机振动进行了响应分析,提出对传动系统和旋耕刀轴系统进行优化,减小整机尺寸提高关键零部件的强度和刚度,可有效降低整机的振动。平地铲本身没有运动传递,其振动是由地面的高低不平和耕耙机振动引起,主要是受迫振动。通过对缓冲系统及运动特性优化,液压系统可吸收部分振动。但受以上振动影响最严重的是激光接收装置,由于支撑杆细长的结构和装配连接方式,这些振动会被进一步放大。

1. 2 振动类型分析

通过分析激光接收装置产生振动的原因,支撑杆所受振动可分为自由振动、受迫振动,这些都是随机振动。按照振动方向,分为纵向振动、横向振动。

本文以自制样机作为大田试验对象,在激光接收器位置安装倾角和位移传感器,并借助频率测量仪,测得整机作业时的接收器与支撑杆的各项振动性能参数如表1 所示。针对不同的作业要求将试验分为8组进行。

从表1 可得出: 牵引机前进速度、耕深和刀轴转速越大,支撑杆摆角和振幅越大。这说明外部激励对接收器和支撑杆有强烈的振动激励作用,必须采取措施进行隔振消振。但三因素对振动频率影响不大,其原因可能是支撑杆存在自由振动。支撑杆摆角和振幅之间也不满足几何关系,这也进一步证明支撑杆所受振动包括自由振动和受迫振动。

2 振动性能对作业精度的影响

正常情况下,支撑杆处于竖直状态固定在平地铲上,其长度在2m左右,直径0. 03 ~ 0. 05m,在平地铲的带动下做垂直上下运动。当平地铲处于高位时( 如图2 中B点所示) ,接收器接收不到激光信号,控制系统开始启动液压系统带动平地铲下降直到接收到信号为止。由于支撑杆的左右抖动,造成接收器在信号平面附近不停的晃动( 如C点所示) 。这样控制系统就会不停地计算当前位置,然后给液压系统发出动作指令,并反馈调整结果,系统始终处于运算状态,造成整个系统运算量大,动态响应速度慢。因此,消除激光接收器的振动是提高耙浆平地机作业精度的关键因素之一。

设支撑杆振动过程中摆角为 α,则

水田作业时激光接收器竖直高度要超过牵引机高度,为防止激光信号被遮挡,所以支撑杆的长度L一般为2m左右。根据表1 试验数值,支撑杆最大摆角α可达25°,将这两个数据代入式( 1) 可得△h3= 18. 7cm,接收器振幅达到85cm。以美国天宝( Trimblr ) 激光平地机为例,其激光接收器检测精度为 ± 0. 6cm,△h3数值远远超出接收器检测接收范围。这样控制系统会驱动液压系统升高,调整平地铲位置不停地寻找激光信号,系统一直处于修正状态,此时拖拉机已带动作业机具来到下一个位置D点,最终造成平地作业失败。

1.水田地表2.支撑杆3.接收器4.基准平面

3 隔振系统设计

3. 1 隔振系统建模

支撑杆通过连接座与平地铲装配在一起,支撑杆底部和四周都可传递振动激励。因此,支撑杆与连接座之间的隔振既要考虑底部纵向减振,又要阻断横向激振。整个隔振系统设计为双层隔振,系统模型如图3 所示。图3 中,m1表示支撑杆和激光接收器,两者通过隔振系统固定在连接座上; m2表示连接座,通过隔振系统固定在平地铲上; 平地铲和耙浆机被视为刚体基础,在基础上加上随机位移 μ0作为输入激励。

借助动力学定律建立隔振系统的运动微分方程[5]为

式中m1—被隔振物体质量;

m2—中间物体质量;

k1、k2、k3—刚度系数;

c1—阻尼系数;

x1、x2、xc、μ0—位移(mm)。

四参数法只考虑隔振系统的结构动特性,特别适合复杂结构系统的振动问题的分析设计[6]。对式(1)进行傅里叶变换,并运用四端参数法整个隔振系统可表示为[7]

令

由隔振传递率计算公式得[8,9]

式中Td—隔振传递率;

m1—被隔振物体质量;

m2—中间物体质量;

k1、k2、k3—刚度系数;

c1—阻尼系数;

x1、u0—位移(mm)。

设

则Td可写为

其中,μ为质量比;d为阻尼比;ω1为被隔振物体固有频率;ω2为中间物体固有频率;f为固有频率比;g为扰频比;N为刚度比。

3. 2 隔振系统优化求解

按照式( 7) 对Td进行优化计算便可确定被隔振物体与中间物体的各项参数的最优取值。

隔振系统包含大量的模糊因素,具体表现在设计变量的模糊性及约束条件的模糊性。本文采用模糊优化理论,建立被隔振物体与中间物体的各项参数与隔振传递率间的多目标模糊优化数学模型,采用粒子群算法对变量进行优化搜索。

3. 2. 1 优化函数构建

由于激光信号接收器外形结构与质量一定,所以质量m1、ω1是已知条件,选取m2 、ω2、k1、k2、k3、c1为设计变量。这些参数决定隔振传递率,即

隔振系统设计的主要目的是保证传递率最小和稳定性,因此选取Td为目标函数,为考察分别中间物体、刚度系数和阻尼系数等不同参数对Td的影响,同时考虑减少计算量,构建如下4 个目标函数,有

然后按照按照式( 6) 、式( 7) 构造目标函数式( 9) 。

设计变量m2 、ω2、k1、k2、k3、c1之间存在相互影响,且取值范围既要考虑设计制造水平,又要考虑材质,存在不同程度的模糊性,难以准确的去判断。采用模糊表达方式确定变量的上下界约束条件为

式( 8) ~ 式( 10) 构成了求解传递率最优值的模糊优化函数模型。

3. 2. 2 多目标模糊优化的求解

由于约束的模糊性,为了获得模糊目标集,应用λ 最优水平截集法将模糊约束的允许区间转化为实数论域上的一个普通集合[10],则

其中,λ*为最优值。按照式( 11) 可求得式( 9) 中各子目标函数在普通集合条件下的约束最优解。

接下来构造各子目标函数模糊目标集的隶属函数[11],有

考虑到各子目标函数的贡献率应包含在同一模糊集合之中,此模糊集合的隶属函数可取为[12]

其中,子目标的权重,表示了各子目标之间的相对重要性。此集合的隶属函数的最优解即为多目标模糊优化的最优解。于是求解式(9)多目标模糊优化问题可转化为求解如下常规单目标优化问题,则

对式( 14) 运用粒子群算法寻找全局最优值,最终结果如表2 所示。

3. 3 隔振系统结构设计

在理论分析计算的基础上,本文完成了整个隔振系统的结构设计,如图4 所示。为隔断纵向振动,考虑到空间尺寸和装配工艺问题,在连接座与平地铲之间添加减振垫,在支撑杆与平地铲之间加入特制橡胶隔振器。为隔断横向激振,在支撑杆与连接座之间设计了弹性筒夹、锥套与隔振环,三者配合消除了支撑杆与连接座之间的配合间隙,保证支撑杆安装时的垂直精度,使现场作业操作更简便和快速。

1.连接座2.隔振器3.销钉4.隔振环5.螺母6.支撑杆7.激光接收器8.弹性筒夹9.锥套10.减振垫

在弹性筒夹通过自身弹性吸收部分激振,减振环采用橡胶材料,经减震槽可靠地固定到底座上,进一步减小支撑杆的纵向振动。

隔振器做成中空的环形装,靠橡胶自身的阻尼特性和内部残留空气的压缩,减小支撑杆的纵向振动,其结构如图5 所示。该隔振器即考虑了其隔振传递率,又不会人为地增加整个支撑杆的安装难度和高度。

4 试验验证

为验证隔振系统的隔振效果,进行了数次试验,试验系统如图6 所示。试验在1 - 3 000Hz /SZT型四度空间振动平台上完成,该平台可实现垂直、水平正负方向的单独振动和多个方向的组合振动,振动频率在1 ~ 3 000Hz之间,可较好地模拟水田作业真实振动情况。

1.夹具2.传感器3.隔振系统4.振动频率测量仪5.激光接收器杆6.位移传感器

试验分为两组进行: 第1 组是激光接收器支撑杆直接通过无减振隔振性能的夹具固定在振动平台上;第2 组是激光接收器支撑杆通过隔振系统固定在振动平台上,支撑杆与连接座的连接、激光接收器与支撑杆的连接完全按照实际生产中的情况处理。在振动台相同的输入情况下,分别测量两种情况下支撑杆的振幅和振动频率。在支撑杆中部、激光接收器固定位置处分别设置两组位移传感器,用来测量支撑杆的摆动角度和位移。支撑杆的底部安装一振动频率测量仪来测量其振动频率。测量数据经数据采集系统传输到电脑经处理系统处理生成图表,便于进一步分析。

由试验结果可看出本文设计的隔振系统的效果良好。由图7 得出: 隔振系统将激光接收器的横向振幅控制在6mm以下,在高频阶横向振幅比未隔振情况下减少了4 倍左右,根据接收器高度可计算出其摆动角度从25°减小到2°左右,保证了接收器不会偏离激光信号。图8 隔振传递率曲线进一步说明该系统在高频阶段的性能比较稳定。低频阶段波动较大,这与系统的固有频率有关,系统产生了共振。

从图9 中看到: 当输入频率为20Hz时,隔振系统输出频率在初始阶段下降了50% 左右,随着时间的推移振动频率出现一定波动,这与支撑杆的细长结构产生的共振以及激光接收器自身质量有关,需进一步从材料和结构上对支撑杆及接收器的固定方式进行改进。与表1 相比较,试验数据与田间样机试验数据比较吻合。

5 结论

1) 在系统分析了激光耙浆平地机的振动性能基础上,提出二级隔振方法,运用动力学原理和四端参数法,建立了二级隔振系统模型。

2) 采用模糊优化方法对隔振系统的各项参数进行求解,在此基础上完成隔振系统的结构设计。该二级隔振系统由隔振器、减振垫和隔振环及弹性筒夹组成,前两者用来隔断纵向激振,后两者用来隔断横向激振。

3) 试验表明: 该隔振系统隔振效果较好,支撑杆最大摆角从25°减小到2°左右,激光信号接收器振幅控制在6cm以下,隔振系统系统振动传递率稳定,大大提高了耙浆平地机的激光信号接收精度。

4) 支撑杆自身的细长结构和接收器质量会引起自由振动,从材料、结构上对其进行改进是后续研究的重点。

摘要：激光耙浆平地机代表了水田耕整机的智能化和精准化发展方向,如何提高其作业精度是当前研究的重点,而激光信号接收精度是保证水田耕整机作业精度的关键因素之一。为此,从整机角度出发,分析了其振动特性对激光信号接收精度的影响。耙浆平地机是自由振动和受迫振动的耦合,振动给激光接收器和支撑杆带来较大的空间摆动,造成接收器偏离激光信号。根据动力学方程和四参数法建立双层隔振模型,采用模糊优化方法对隔振系统进行优化求解,在此基础上完成隔振系统结构设计。试验结果表明:该隔振系统可有效地降低整机振动对支撑杆的激励,支撑杆摆角从25°减小到2°左右,激光接收器横向振动振幅控制在6cm以下,隔振系统传递率稳定。

关键词：激光,耙浆平地机,振动,四参数法,隔振系统

参考文献

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激光平地作业 篇4

常规土地平整方法包括人工平地、半人工半机械平地以及机械平地等多种手段, 但是受到机具自身缺陷和人工操平精度有限的制约, 土地平整精度在达到一定程度后无法继续提高。针对农场较大面积的土地, 要实现科学、准确、优质和高效的土地平整作业, 目前最为先进的就是激光平地技术。激光感应系统的灵敏度至少比人工肉眼判断和拖拉机上操作人员的手动液压系统提高10~50倍, 是常规土地平整技术望尘莫及的。该技术的应用, 在农业生产过程中具有一系列的节本增效优势, 值得在农垦区农场引入运用, 总结推广。

1 原理及其系统

1.1 概述

20世纪80年代, 激光平地技术开始在美国应用, 随后在世界范围内得到推广, 被誉为世界上最先进的节水灌溉技术。应用激光平地技术, 在美国和葡萄牙, 使农田灌溉水均匀度提高了17%~20%, 农作物产量提高了7%~31%;在印度, 节水15%~20%;在土耳其, 灌溉水效率提高了25%~100%, 小麦增产35%~75%, 棉花增产20%~50%。我国也引进了光谱精仪和拓普康两种激光平地设备。两年前, 安徽省农垦区引入激光平地技术和拓普康激光平地设备。安徽省农垦区在大力推广激光平地设备的同时, 正在积极开展激光平地技术的研究, 努力促进激光平地技术在农垦区乃至全安徽省农业生产的广泛应用。

1.2 系统

激光平地设备一般由激光发射装置、激光接收装置、控制器和铲运设备4部分组成, 见图1所示。激光发射器发射出360°旋转激光面, 在计划平整田地的上空提供一个恒定的基准面。激光接收器安装在平地铲上, 调节激光接收器高度与激光基准面同位, 激光接收器接收到激光信号后转换成电信号, 不停地向控制器发送标高信息。控制器接收到的标高信息分为上升、下降和正中3种模式, 把这些标高信息传递给液压控制阀。液压控制阀通过自动控制液压缸工作, 实现自动控制平地铲的升降, 随着机车的前进来完成平地作业。激光平地作业流程见图2所示。平地铲包括牵引架、铲刀、铲斗、后轮支架和桅杆等, 平地铲设计要合理, 保证牢固可靠和铲运量。

1.3 原理

激光平地技术, 是利用激光作为非视觉控制手段代替平地设备操作人员的目测判断, 用以控制液压平地机具的升降高度。激光控制平地作业时, 一旦铲运机刀口的初始位置根据平地设计高程确定后, 无论田面地形如何起伏, 受激光发射-接收系统的影响, 控制器始终经液压升降系统将铲运刀口与平地控制参照面 (水平激光面) 间的距离保持在某一恒定值。平地作业中, 当铲运刀口处的地面高程高于设计高程时, 接收器感应到此时刀口与控制参照面间的距离小于恒定值, 控制器通过液压系统迫使铲运刀口下降直到水平激光面与刀口间距离恢复至预定恒定值, 刀口下降后挖掘的土将被铲运机运载供填洼地之需;当刀口处地面高程低于设计高程时, 铲运刀口与平地控制参照面间的距离会大于恒定值, 这时控制器经液压系统令铲运刀口抬升, 卸载土方填埋洼地。因此, 只要根据初始位置点高程将激光接收器在铲运设备桅杆上的位置固定后, 由拖拉机牵引的铲运机即可在田块内按一定行进规律往复运动, 逐步完成对整个地块的自动平整作业。

1.4 作业步骤

作业步骤见图2所示。

(1) 平地前, 按网格状采用水准仪完成田间地形测量, 网格间距一般为5~10 m, 得到田块内各测点处的相对高程。

(2) 根据测量结果进行平地设计, 确定平地设计相对高程。原则是通过选择适当的平地设计高程, 使得平地作业中的挖方量与填方量基本相等。

(3) 在田块适当位置安装激光发射器, 确保激光束平面高于田内任何障碍物, 以便安装在平地设备激光感应装置接收到来自发射器的光束。

(4) 桅杆上根据平地设计高程在田块内确定铲运机具刀口的起始位置点。刀口落地后, 上下调节安装在铲运设备桅杆上的激光接收器的高度, 当接收器中心控制点位置与激光控制参照面同位时, 固定该接收器位置。

(5) 从平地起始位置点开始, 由拖拉机牵引的铲运设备在田块内往复作业, 挖高填低, 搬运土方, 自动完成土地平整工作。

(6) 平整作业完毕后, 按平地前相同网格形式进行地面复测, 评价平地效果。

1.5 适用范围

激光平地技术不仅适用于小麦、玉米、棉花和大豆等旱播作物的播前土地平整, 而且也适用于高效经济作物种植区的土地平整, 特别是作为推广水稻机插秧以及水稻“浅、湿、晒”控制灌溉技术的重要配套技术, 其技术推广潜力很大。

2 优势

激光平地整地技术不仅可以实现大片土地平整自动化, 节约劳动力, 减少农业工人的劳动强度, 优化耕地资源, 而且可极大地提高农业水资源的利用效率和灌水均匀度, 有利于农田耕作, 有利于农作物的水肥运筹, 科学调控农作物生长, 提高农产品品质和产量, 从而保障我国粮食安全, 缓解水资源的严重不足, 并有助于治理日益严重的水土流失等生态环境问题, 是提高土地质量, 合理开发和保护土地资源, 发展节水农业与开展农业生态建设的基础工程和关键技术。

2.1 节约用水

地面灌溉用水损失中, 田间损失占到35%左右。造成田间用水损失的原因是地块高低不平, 致灌水不均匀, 深层渗漏严重。因此, 实施平田整地, 改善农田平整状况, 提高地面灌溉水利用率是一项投资效益大、节水增产效果良好的重要措施。采用激光平地技术, 能够较好地解决传统大水漫灌所造成水资源的严重浪费, 可节水30%~50%, 水资源得到充分利用。

2.2 增加产量

利用激光技术精密平地增加了方田面积, 减少了畦埂占地面积, 能够充分利用土地, 增加产量。另外, 激光技术精密平地后, 地块平整误差小, 使作物播种深度均匀, 出苗整齐, 田间水分分配均匀, 改善作物的发芽和生长环境;对于水稻机插秧和“旱直播”地块, 可实现“寸水不露泥”, 使水稻在整个生长阶段都能获得所需的最佳水层, 使作物产量提高20%以上。

2.3 提高肥料利用率

常规地块由于土地不平, 其肥料利用率仅为40%~60%, 而激光平地后化肥被保存在作物的根部, 分布均匀, 避免了作物脱肥和肥料的流失, 肥料的利用率可提高到50%~70%。

3 在农场的应用

安徽省农垦区于2004年引入激光平地技术, 2010年秋种前, 东风湖农场购进1台TC-JPD-3000型激光平地机 (配套牵引机车为1204型拖拉机) , 并在三分场河南片20 hm2低洼地进行激光平地技术示范。平地作业前, 田块内地面相对高程偏差值为6.7 cm, 作业后下降到2.1 cm, 田间平整状况的绝对改善度为5.6 cm, 相对改善幅度为83.4%;田块内绝对差值小于3 cm的测点平均累积百分比由平地前的48%上升到平地后的87%, 提高幅度近40个百分点, 土地平整总体状况和分布情况改善显著。以前, 在小麦的生育期内, 东风湖农场所在地区出现了连续5个月的干旱, 土地平整后的田块, 运用田间“鼠道”, 抗旱采用“洇灌”作业, 抗旱3遍均成本仅为157.5元/hm2;没有运用激光平地技术进行平整的地块, 由于采用漫灌和喷灌相结合的方法抗旱4遍, 均成本达720元/hm2。平整后的地块, 由于灌排自如, 肥水运筹更加科学, 作物生长发育情况良好, 2011年夏季小麦平均产量比其他地块高出360 kg/hm2, 秋季大豆平均产量比其他地块高出225kg/hm2, 两季均增收1 210元/hm2。连同节约抗旱成本, 小计平均节本增效2 212.5元/hm2, 20 hm2共节本增效44 250元, 而该地块平地作业的总成本仅为13 700元。可见, 激光平地作业的投资效益较高。

激光平地机平整后的土地, 一般能保持3~4个植物生长周期, 也就是3~4年, 第1次平整时, 激光平地机工作量较大, 但在下一次平整时, 作业量和作业成本都会显著下降, 一般作业效率0.200~0.333 hm2/h, 作业成本600元/hm2;如果是73.5~88.2 kW拖拉机, 配3 m宽平地铲, 作业效率为0.333~0.533 hm2/h, 作业成本为200~400元/h。东风湖农场的作业成本为:熟地600元/hm2, 新复垦耕地750元/hm2。

激光平地作业效率和直接成本费用与土地平整的改善程度密不可分, 较大的土地平整改善力度会导致平地耗资增加。为此, 应采用深翻的方法对欲平整的地块进行耕整, 达到一定平整度基础上, 再实施激光控制下的土地精细平整, 只有如此才能充分发挥激光平地技术精细准确的长处, 减少平地成本费用, 提高作业效率。

4 结语

实践证明, 激光平地机的应用, 土地平整度的提高, 有利于全程机械化作业, 能提高整地和播种质量, 实现农作物精细管理, 提高化肥利用率, 节省灌溉用水, 节约生产成本, 提高作物产量。尤其是对于“旱改水”田块, 有利于旱稻的“旱播水养”。水田的平整, 还有利于推广机械化插秧。尽管激光平地具有如此多的优点, 能够产生如此大的经济效益, 但是激光平地技术目前在农垦的使用推广面积有限, 农村对激光平地系统更是知之甚少。因此, 农垦区农机管理部门应该争取相应的政策, 明确操作方法, 完善补贴制度, 加快激光平地技术推广, 进一步提升农垦区农业机械化水平和农业综合生产能力, 进一步展示农垦区在国家现代农业发展中的示范带动作用。

参考文献

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[2]李愈, 姜鸿君, 宋立文等.激光控制平地技术在水稻格田中的应用[J].新疆农垦科技, 2001, (5) :30-31.

[3]刘刚.适用于水田的激光控制平地铲运设备研究与应用[R].北京:中国农业大学, 2004.

[4]侯明亮, 毛恩荣, 刘刚.激光控制平地系统控制技术的研究与试验[J].农业工程学报, 2006, 22 (1) :110-113.

[5]高映宏, 韩英培, 左颖.农田激光控制平地技术及应用前景的探讨[J].天津农学院学报, 2004, 11 (1) :41-45.

激光平地作业 篇5

2012年8月24日, 甘肃省酒泉市政府在肃州区举办农业机械化工程节水激光平地技术现场演示会。酒泉市人大常委会主任詹吉有、甘肃省疏勒河流域水资源管理局副局长、市政府副市长柴绍豪、市政府副市长李永军、市政协副主席卢学国及相关部门负责人参加了会议。

会议演示了酒泉铸陇机械制造有限公司生产制造的1PJG-2.0型、1PJG-2.5型、1PJG-3.0型激光平地机、1GS-230型免耕深松整地机及1S-7型铲式深松机、旋转式割草机、往复式割草机、棉花铺管铺膜精密播种机和节水喷药型马铃薯起垄铺膜播种机等新产品。詹吉有、柴绍豪在讲话中充分肯定了酒泉市农业机械化工程节水工作取得的成就。

激光平地作业 篇6

1 放样前准备工作

(1) 重视技术交底工作。测量放样工作是道路施工的一个重要环节, 必须认真对待, 出现任何差错, 必然会给工程造成损失, 因此, 要高度重视设计图纸技术交底, 在交接桩位过程中一定要注意点位的完好及与交桩资料的吻合, 同时要做好交接记录。对于原始桩点要注意保护好, 不得有破坏。

在施工开始前, 测量工程师要对整个施工项目有总体了解, 熟悉路线图、纵横断面图, 实地查看施工现场, 测量工程师还要熟悉相关规范, 针对底基层工程施工的特点, 研究制定测量放样方法步骤、仪器配置、测量工人的配备等测量技术方案, 报项目工程师审批后实施。

(2) 在本工程中所使用的仪器、器具等必须经质量技术监督部门检校合格后才能使用。仪器使用前, 测量工程师还要校检。

(3) 施测前, 要根据底基层平地机作业的特点, 提前准备好所需的器具, 比如方木桩、竹竿、铁锤、钢板尺、尼龙绳、铁铲和白灰等。

(4) 闭合导线控制点、水准点。闭合施工现场的原始导线点、高程控制点及施工控制网等数据资料, 是施工之前要进行质量控制的一项基础工作, 这些数据资料是进行工程测量控制的重要内容, 必须严格按照测量规范要求认真复核。

(5) 根据现场测量需要, 增设临时导线点和水准点。结合平地机作业底基层的施工特点, 原始导线点、高程控制点距离太长, 不利于施工测量, 需适当加密导线点和高程控制点, 临时点要靠近作业面, 间距适当, 方便施测, 尤其临时高程控制点的间距不要远, 以水准仪测量时不倒镜为原则, 这是保证快速测量的有效方法之一, 各临时导线点或水准点应明确标明并备有书面记录资料, 精度符合规范要求, 才能使用。

2 底基层放桩的方法和步骤

2.1 中桩布设放样

(1) 设置放桩量测小组:根据道路底基层的施工特点, 要求设置中、边桩测量小组一个, 由2名测量工程师负责, 放底基层中、边桩样, 测量过程中, 工程师互检是保证测量质量的关键环节。

(2) 逐桩放样步骤:根据事先计算好的逐桩坐标, 测量工程师利用全站仪等测量仪器放样, 在各个桩位放样点上, 工人依次砸入木桩, 木桩要保持铅直, 高度适宜。

(3) 桩位放样纵向间距:要根据平地机作业施工的特点布设, 直线段纵向以10 m间距布设木桩较为适宜, 道路平曲线和竖曲线段部分, 以及曲线特征点可适当加密。这样布设桩位的目的是:保证平地机司机作业前进时能够清楚看到前方已放样的白灰点, 保证作业精准度。

2.2 边桩布设放样

(1) 路堤段边桩放样的方法:边桩纵向放样间距要与测设的中桩对应, 用全站仪测定或用钢尺量测, 边桩的横向放样间距取底基层坡脚位置外侧某一整数, 布设边桩位要兼顾横坡度计算的方便, 对应桩间横向距离要一致。

(2) 路堑段边桩放样的方法:高速公路路堑段都设置边沟, 可以把要测设的放样点位直接标记在边沟内侧顶面上, 边桩放样纵向间距与中桩对应, 横向距离取边沟顶上的同一宽度值定点并标记。

(3) 放样木桩要求:木桩以50 cm长、3 cm×5 cm断面为宜, 放样木桩在作业过程中, 要反复使用多次, 因此木桩要砸入路基土内, 确保竖直、牢固, 要高出底基层松铺顶面标高少许。

3 放样桩上的设计高程测量

(1) 由2名测量工程师和数名测量工人组成高程测量小组。

(2) 量测设计高程:测量工程师根据已加密水准点, 快速测量计算出每个放样桩位的设计高程, 并把该设计高程由测量小组标划在木桩上。路堑段只计算出相应的路面设计高程即可。

上述这些测量工作都要求在卸料摊铺作业前完成。

4 底基层卸料摊铺后的量测放样工作

(1) 由1名测量工程师和数名测量工人组成量测小组。

(2) 快速量测方法和步骤:在已经粗平的底基层顶面上, 按对应的中、边桩上的设计高程标划线, 把底基层的松铺高度标注在现状作业横断面的顶面上, 并撒上白灰做标记, 具体松铺厚度的多少, 受施工机械、施工工艺、拌合料的影响, 需在试验段中总结实验数据, 指导施工作业。具体做法如下:2名测量工人各持一根60 cm左右短直竹竿 (短直竹竿要标记上下端, 还要标记由下向上刻画20 cm、30 cm等刻度线) , 短直竹竿要保持竖直, 同时下端要和上方木桩上的底基层顶面设计高程标志线平齐, 在对应的短直竹竿同一高度的刻度线上, 拉紧一根细尼龙绳, 人为地制造出平行于底基层设计线的一条直线, 据此平行于设计线的尼龙绳用钢板尺量直接量测出该横断面上底基层的多个包括松铺高度的放样点, 高挖低填, 人工做出多个小平面点, 并在小平面点上撒白灰做标记, 至此, 一个横断面的松铺放样工作已完成。按此方法, 在每一个横断面上重复操作步骤, 依次逐个做好白灰放样点, 该段底基层的全部放样工作完成, 平地机司机就可依此放样白灰点展开刮平作业了。平地机刮一遍后, 白灰点就被覆盖了, 要重新恢复做白灰点, 如此往复, 用尼龙绳量测做白灰点的过程要反复做多次, 直至平地机作业后的底基层顶面高程全部合格为止。接下来压路机开始碾压, 直至压实度合格。在压路机终压结束前, 要用水准测量仪快速进行横断面高程检测, 局部不合格的要及时处理。

5 测量放样过程中的注意事项

(1) 放样边桩的位置要合适, 在有限路基宽度范围内砸边桩, 要兼顾平地机的作业、自卸车卸料的损坏, 木桩位置距底基层坡角外侧要尽量远, 以免破坏, 减少恢复的工作。

(2) 木桩高度要适中, 太高易破坏, 太低易被拌合料填埋。

(3) 开始施工时, 作业段要短。如果作业段落过长, 各方面操作还不熟练, 作业时间就长, 对成品质量有影响。

(4) 每个桩位都要自检;作业过程中, 桩位损坏要及时补测。

6 影响快速施测放样的因素分析

(1) 测量小组人员的操作技术熟练程度影响。施测的桩位很多, 主测人员的熟练程度起着重要作用, 既要快速测量还要保证准确度, 这个要求在底基层施工过程中特别突出。测量工程师和测量工人要提高业务熟练水平, 各作业人员间要密切配合, 提高责任心, 才能加快量测速度和精确度。

(2) 平地机司机作业操作水平对测量放样速度的影响。熟练的平地机操作手, 能够减少放样遍数, 显著提高放样效率, 因此, 施工单位应努力提高平地机司机的作业水平。

7 结语

一种好的测量放样的方法, 对提高高速公路底基层施工进度有着重要的意义。本文仅对底基层平地机作业放样方法进行探讨, 在多年施工实践中, 确有较好的实用性, 愿与同行研讨, 共同提升公路工程的施工作业水平。

摘要：从利用平地机施工作业角度, 介绍了高速公路底基层施工放样的准备工作、方法、步骤, 重点论述了底基层施工快速放样的方法, 分析了影响放样速度的因素和注意事项。