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畢業(yè)設計
激光平地機的設計與仿真
學生姓名
學 號
所屬學院
專 業(yè)
班 級
指導老師
日 期
機械電氣化工程學院制
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前 言
我國是農(nóng)業(yè)大國，要想發(fā)展農(nóng)業(yè)規(guī)?；途毣a(chǎn)就離不開土地平整技術。用激光控制土地精細平地技術可實現(xiàn)高精度的農(nóng)田土地平整,是建立現(xiàn)代化精細灌溉農(nóng)業(yè)的基礎。土地精細平整是改善地面灌溉系統(tǒng)性能的重要前提條件之一,是提高地面灌水質量的重要基礎措施之一。田塊的平整度越高，越有利于受水受肥均勻，有利于出苗整齊，有利于提高作物產(chǎn)量，有利于農(nóng)業(yè)機械化的實現(xiàn)。激光平地技術是現(xiàn)有的最先進、最有效的土地精平技術，平地后能夠實現(xiàn) 1-2cm 的平整精度。但是國外激光平地機價格昂貴，而國內激光平地技術仍不完善，這些都不利于激光平地技術在國內的推廣。在當今我國水資源十分缺乏的情況下,更是國民經(jīng)濟保持持續(xù)發(fā)展的重要手段之一,為此而開發(fā)研制與之配套的新型平地設備也迫在眉睫。因此，提出和設計一種符合中國國情的激光控制平地系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和較高的科學研究價值。
激光控制平地技術是傳統(tǒng)常規(guī)機械平地技術的進一步發(fā)展。激光平地技術是利用激光作為非視覺控制手段代替平地設備操作人員的目測判斷能力,用以控制平地鏟的升降高度,達到精確平整土地的目的。
本文對拖掛式激光平地機進行研究，包括牽引機的匹配設計、液壓控制系統(tǒng)、拖掛式平地鏟的匹配設計和結構設計，并且設計雙接受器系統(tǒng)以便更好地解決平地鏟過寬造成的傾斜問題，提高激光平地機的平穩(wěn)度，從而提高激光平地機的平整精度。
關鍵詞： 激光平地機；土地平整；液壓控制系統(tǒng)；平整精度；結構設計
目 錄
1 緒論 1
1.1土地平整的意義 1
1.2國內外平整土地及激光平地機現(xiàn)況 1
1.3主要研究內容 4
2 激光平地機工作原理 5
2.1激光平地機工作原理 5
2.2激光平地機的組成 6
2.3激光平地機的主要特點 8
2.4激光平地機的創(chuàng)新點.......................................................................................................................9
3 整機匹配設計 10
3.1主要設計參數(shù) 10
3.2鏟刀設計 10
3.3牽引力的計算 12
3.4牽引平衡和功率平衡 12
4 牽引架及三自由度牽引器設計 18
4.1牽引架的設計 18
4.2三自由度牽引器的設計 18
5 液壓系統(tǒng)的設計 20
5.1液壓控制系統(tǒng)的設計 20
5.2 液壓控制系統(tǒng)的組成 20
5.3液壓缸的選擇 21
5.4激光平地機總原理圖 23
總 結 25
致 謝 26
參考文獻 27
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工程概況
本文介紹了激光平地機的結構設計和液壓控制系統(tǒng)的設計，首先介紹了激光平地機的原理，激光發(fā)射器發(fā)射一束極細的，能旋轉360°的激光束，形成空間的激光面，為整個施工場地提供了一個恒定的坡度基準口接收器安裝在刮土鏟上方的桅桿上，從激光束到刮土鏟刃之間這段固定距離即為標高測量基準，接收器檢測到激光信號后不停的給控制器發(fā)送高度差的信號，控制器通過分析處理通過電信號控制三位四通電磁換向閥是左端接通還是右端接通，如果激光掃射在激光接收的上半部，則三位四通電磁閥左端接通，液壓泵的液壓油將進入雙作用液壓缸的左腔，右腔回油到油箱，液壓桿伸出，平地鏟抬高；如果激光掃射在激光接收器的下半部，則三位四通電磁閥右端接通，液壓泵的液壓油將進入雙作用液壓缸的右腔，左腔回油到油箱，液壓桿收縮，平地鏟降低；如果激光平地機停止工作，則三位四通電磁閥左右兩端都不通電，左右兩腔的液壓油同時回油到油箱，如果壓力過大，則安全閥打開，降低壓力，防止激光平地機受到損傷。
本論文設計的激光平地機機架上安裝了兩個桅桿，桅桿上分別固定了兩個激光接收器，抬產(chǎn)機構分別安裝在一個支撐輪架上，而且每個抬鏟機分別由一個液壓控制裝置控制。這種激光平地機可以單獨調節(jié)左右半邊的水平度，提高激光平地機的平整精度。
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1 緒論
1.1土地平整的意義
為了適應我國精細農(nóng)業(yè)研究和發(fā)展，做出更好的激光平地機以滿足精細農(nóng)作的需求，本課題的研究目標是激光平地機的設計與仿真，開發(fā)出性能更好，更節(jié)約材料，更方便使用的激光平地機。
中國作為世界上最大的發(fā)展中國家和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占全國用水的75.2%，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水在農(nóng)業(yè)用水中占很大的比重，我國農(nóng)業(yè)灌溉主要以地面灌溉為主，灌溉面積約0.467億公頃（2000），占全國總灌溉面積的85%以上。然而，由于農(nóng)業(yè)表面灌溉狀況差和灌溉管理粗放等問題，造成深沉滲透、積水、跑水等情況，浪費了近三分之一的農(nóng)業(yè)地面灌溉水，顯著影響灌溉水的利用率。未來相當長的時間內，地面灌溉仍是我國農(nóng)業(yè)灌溉的主要方法，因此，改善農(nóng)田基本狀況，提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用率隊促進我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
改善地面灌溉的基礎和關鍵是大規(guī)模提高土地平整精度。田間地面的平整程度將影響地面灌溉條件下的灌溉水利用率和灌溉水分布勻度，以致影響灌水質量。對于水田，若田間地面平整，可達到“寸水不漏泥”，是作物在各階段生長都能過的最佳的水層，水溫高，水層適宜們創(chuàng)造作物生長的良好環(huán)境，可提高作物產(chǎn)量；對于旱田，若土地平整，只需進行淺水灌溉，可達到精確用水，利用間歇灌溉，這樣可省水30%-50%，土地平整也可提高水肥利用率，有利于耕作、作物生長一級防止水土流失，從而增強徒弟抵御自然災害的能力、提高耕地質量，保證土地的可持續(xù)利用。而保證土地平整就要制造更好的平整土地的機械——激光平地機。只有研制出更好的激光平地機，才能提前土地平整精度，提前灌溉水利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量。
1.2國內外平整土地及激光平地機現(xiàn)況
1.2.1國內現(xiàn)狀
到2010年全國各省、市、自治區(qū)人均水資源占有量低于500立方米的有天津、上海、寧夏、北京、河北、江蘇和山西9個省、市、自治區(qū)(不包括入境水量),其中天津、寧夏、上海人均水資源占有量低于170立方米。按國際標準,人均水資源占有量1000立方米為起碼需求、人均占有水資源量2000立方米嚴重缺邊緣統(tǒng)計,我國2010年將有12個省、市、自治區(qū)低于起碼需求標準,有17個省、市、自治區(qū)低于嚴重缺水邊緣線。據(jù)預測，到2030年,全國約有20個省、市、自治區(qū)低于嚴重缺水邊緣線,其中低于起碼需求的有13個省、市、自治區(qū)。農(nóng)業(yè)是最大的用水戶,為了保障我國水資源的可持續(xù)利用,農(nóng)業(yè)節(jié)水將是一項長期的戰(zhàn)略任務。由此可以看到擺在我們面前的節(jié)水任務相當艱巨,推廣土地平整技術也日見迫切,水利部在近幾年也花很大資金和精力,開展激光控制平地技術的廣泛推廣應用,曾先后在河北、、黑龍江、山東等地開展試驗項目的研究工作,目前該項工作已順利開展。在國內,自20世紀80年代開始,一些部門就已引進國外機型進行試驗,但由于價格問題一直未能推廣。從技術上看,激光調平技術所需的關鍵元件如激光發(fā)射器、激光接收器、高度傳感器、水平傳感器、電磁液壓控制閥等研制問題大部分已解決,多數(shù)元件也已有廠家生產(chǎn),但供平地機專用的元器件還很少,還不能完全適應農(nóng)用平地機的使用要求。國內曾在20世紀90年代中后期研制了兩種激光平地機械——應用于鹽業(yè)生產(chǎn)的GP 1型激光校準平地機和應用于農(nóng)田基
29
本建設的1PJY 6型激光平地機。由于其作業(yè)半徑小,作業(yè)精度低,作業(yè)幅寬小,其應用并不廣泛。而現(xiàn)在的激光平地雖然已經(jīng)得到了普及，但一些激光平地機任然存在著一些缺陷，仍需要改進。比如圖1-1，雖然比一般的平地機平整土地的精度高很多，并且安裝有兩個液壓缸進行調節(jié)，保證了一定的機器作業(yè)時的穩(wěn)定性，但兩個地輪通過一個軸筒連接，兩個液壓缸作用在同一個軸筒上，激
圖1-1 國內激光平地機工作圖
激光平地機的工作水平不能得到保證；桅桿與機架連接不夠穩(wěn)定，機器的工作振幅沒有緩沖的傳遞給桅桿，容易造成桅桿折斷。
1.2.2國外現(xiàn)狀
平畦田灌水技術是建立在激光控制土地精細平整技術應用基礎上的一種地面灌溉技術,自上世紀80年代起在許多國家已得到推廣應用。以美國為例,美國國土面積937萬平方公里,山區(qū)面積約占1/3,耕地面積28.8億畝(含休閑地)。以中部的密西西比河為界,東部以平原低地為主,年降水量800一2000毫米,基本能滿足農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的需要;西部的17個州屬干旱、半干旱地區(qū),年降雨量在500毫米左右,少的只有幾十毫米,是美國農(nóng)業(yè)灌溉最集中的地區(qū),也是美國糧食的主產(chǎn)區(qū)。自本世紀以來,水一直是美國經(jīng)濟和社會第一章緒論發(fā)展的制約因素,因此大力發(fā)展節(jié)水灌溉,是解決干旱地區(qū)水資源短缺問題的關鍵所在。據(jù)了解,美國已有1.65億畝的耕地采用了節(jié)水灌溉技術,約占全美灌溉面積的一半左右。大面積采用激光平地使農(nóng)業(yè)勞力減少,據(jù)介紹每個農(nóng)戶經(jīng)營土地面積大都在100公頃(1500畝)以上,但平整土地和修筑田間工程,比較統(tǒng)一、講究,大量推行激光平地。240畝的田塊內,平整后的高低差控制在1英寸以內(即3厘米以內)。格田周邊,機耕調頭地形成導水槽。這樣的格田,可以放入較大水流,比較準確地控制灌水量,灌水均勻度高,田間灌水效率可達90%,相對未平整土地的農(nóng)田而言節(jié)水20%以上。
圖1-2為國外激光平地機作業(yè)圖，雖然在前端安裝了鏟運機的鏟斗，機器在作業(yè)時，先經(jīng)過鏟斗的粗平后再由激光平地機進行精平，雖然在一定程度上提高了激光平地機的平整精度，但是兩個地輪仍是由一個軸筒連接，兩個液壓缸作用在同一個軸筒上，激光平地機的精度還是受到了一定的限制。
圖1-2 國外激光平地機作業(yè)圖
1.2.3國內外激光平地機差距
農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術領域,經(jīng)過近20多年的快速發(fā)展,在總結相關成果的基礎上,初步形成了其技術體系,在某些方面已達到或接近國際先進水平。但由于我國經(jīng)濟發(fā)展水平的限制,加之科研體制不太適應科技發(fā)展的要求,我國的農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水工程硬件建設的整體水平落后發(fā)達國家30年以上,在節(jié)水灌溉設備研發(fā)、精準灌溉等若干領域還存在相當大的差距。特別是有關研究的長期定位觀測與數(shù)據(jù)積累、試驗儀器設備、高新技術的應用等方面嚴重制約著我國農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術領域科研水平的提高。地面灌溉技術研究方面,水平畦灌、階式水平畦灌的研究不斷深入,傳統(tǒng)的畦灌、溝灌也由過去單純研究灌水技術要素對灌水均勻性、水分深層滲漏的影響,轉向綜合研究灌水技術要素對土壤水肥運移、對水肥淋失的影響。水平畦灌是田面非常平整條件下的畦灌,要求供水流量大、土地平整精度高,必須在進行大地測量后,采用激光平地技術。該技術在美國等發(fā)達國家被稱為是地面灌溉最重要的進展之一。
（1） 產(chǎn)品種類不齊全。主要是缺少大功率的激光平地機產(chǎn)品，但開發(fā)大功率的激光平地機配套件（箱、橋）在國內現(xiàn)階段還無法解決。
（2） 技術水平較低。雖然國內外激光平地機的其本結構和功能沒有根本性的差異，但由于激光平地機行業(yè)起步較晚技術發(fā)展緩慢，其技術水平落后國外發(fā)達國家。目前我國激光平地機產(chǎn)品的技術主要來自于國外，多數(shù)企業(yè)沒有自己的核心技術和專利技術，對引進國外技術的消化和吸收也僅僅是實現(xiàn)部分國產(chǎn)化這樣一個較低的層次上。近年來的發(fā)展，也是通過綜合集成、類比設計或一直國外一些成熟技術，通過二次開發(fā)設計出的產(chǎn)品，多數(shù)企業(yè)的科技創(chuàng)新能力不足。
（3） 可靠性。由于生產(chǎn)制造工藝設備的欠缺和工藝流程的不完善，使整機零部件在各個細節(jié)處理上與國外品牌產(chǎn)品有較大的差異，甚至關鍵部件的關鍵尺寸與圖紙的符合性也不能很好的保證。另外，一些國產(chǎn)零部件的質量也不穩(wěn)定。如液壓控制零部件、橋架的質量、電控元件等，這是造成國產(chǎn)激光平地機產(chǎn)品質量水平落后于發(fā)達國家的主要原因，因此影響了整機的可靠性和使用壽命。
1.3主要研究內容
（1）牽引機的匹配設計:拖式激光平地機的牽引機為拖垃機,它在牽引工作時,需要克服由鏟土而引起的巨大的工作阻力,因而要求拖拉機能發(fā)揮強大的牽引力,通過牽引平衡與功率功率平衡方程,對驅動力和阻力進行計算,從而確定與所需工況匹配的機械結構。
（2）激光控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、拖式平地鏟的匹配:為了保證激光控制系統(tǒng)-一液壓系統(tǒng)-一平地鏟在作業(yè)中達到最佳的工作效果,實現(xiàn)快速響應,激光控制系統(tǒng)有一個靈敏度的選擇范圍,而液壓系統(tǒng)供油量需要克服一定的阻力并保證快速動作,不同的平地鏟的寬度、運土量和結構形式要求激光和液壓系統(tǒng)調整到一個最佳的參數(shù)范圍。
（3）拖式平地鏟的結構設計:拖式平地鏟的結構首先要根據(jù)拖拉機的功率和結構種類,滿足平地工藝的要求,確定平地鏟的寬度和運土量,在這個原則下,要求結構簡單、成本低,可實現(xiàn)邊鏟土邊卸土,切土阻力最小,鏟刃切土角度可調整,后支撐輪架輪壓不可太高等要求。
2 激光平地機工作原理
2.1激光平地機工作原理
圖2-1 激光平地機原理圖
激光發(fā)射器如圖2-3發(fā)射一束極細的，能旋轉360°的激光束，形成空間的激光面，為整個施工場地提供了一個恒定的坡度基準口接收器安裝在刮土鏟上方的桅桿上，從激光束到刮土鏟刃之間這段固定距離即為標高測量基準（如圖2-2的狀態(tài)2），接收器6檢測到激光信號后不停的給控制器7發(fā)送高度差的信號，控制器7通過分析處理通過電信號控制三位四通電磁換向閥4是左端接通還是右端接通，如果激光掃射在激光接收的上半部（如圖2-2的狀態(tài)1到狀態(tài)2），則三位四通電磁閥左端接通，液壓泵8的液壓油將進入雙作用液壓缸的左腔，右腔回油到油箱，液壓桿伸出，平地鏟抬高；如果激光掃射在激光接收器的下半部圖如2-2的狀態(tài)3到狀態(tài)2），則三位四通電磁閥右端接通，液壓泵8的液壓油將進入雙作用液壓缸的右腔，左腔回油到油箱，液壓桿收縮，平地鏟降低；如果激光平地機停止工作，則三位四通電磁閥左右兩端都不通電，左右兩腔的液壓油同時回油到油箱，如果壓力過大，則安全閥3打開，降低壓力，防止激光平地機受到損傷。
圖2-2 激光平地機原理示意圖
本論文設計的激光平地機（如圖2-3），平地機機架上安裝了兩個桅桿，桅桿上分別固定了兩個激光接收器，抬產(chǎn)機構也沒有使用同一個軸筒，而是獨立安裝，而且每個抬鏟機分別由一個液壓控制裝置控制。這種激光平地機的工作原理就是有左右兩個激光接收器分別感應激光發(fā)射器發(fā)射的激光平面，單獨傳遞給控制器，控制其通過電信號分別控制左右兩個抬鏟機構的工作，這樣就可以調節(jié)激光平地機的水平度，提高激光平地機的平整精度。
圖2-3 激光平地機三維實體圖 圖2-4 激光發(fā)射器激光平地機
就是一個執(zhí)行反饋的機構，先由激光發(fā)射器發(fā)射一個激光平面，再由激光接收器接受傳遞給控制器，控制器發(fā)出點信號到液壓系統(tǒng)電磁閥，來控制液壓油缸的伸縮來控制平地鏟的高低反饋給接收器，如圖2-5所示。控制器的功能是根據(jù)激光接收器傳遞的調整信息，自動地控制液壓系統(tǒng)不斷地上下調節(jié)工作中的平地鏟刀口，完成田間平地工作。由于激光控制器的自動靈敏性高，故平底精度高。
圖2-5 激光平地機流程圖
平地鏟由鏟運機具和液壓升降系統(tǒng)構成,作為牽引動力的拖拉機的功率應與設備鏟運能力相匹配,以適應平地鏟頻繁升降對液壓系統(tǒng)的工作需求。
2.2激光平地機的組成
如圖2-1所示，為激光平地機的基本組成，下面將詳細介紹其組成的功能特點。
（1）激光發(fā)射器
激光接收器（圖2-6）安裝在上三腳架上，安裝時高度要2.8m以上，因為現(xiàn)在拖拉機高度一般在2.8m以下，這樣無論配備什么樣的拖拉機，都不會影響激光接收器接收激光發(fā)射器發(fā)出的激光信號。在工作時，激光發(fā)射器發(fā)出激光束，激光束不得被遮擋，施工場地的上方產(chǎn)生一個激光平面，激光發(fā)射器可以采用自動找平的發(fā)射頭。在實際使用中，雖然價格昂貴，但是操作簡單。
激光發(fā)射器選用進口產(chǎn)品，可以選用TOPCON、SPECTRA、PRECISION、AGL等公司產(chǎn)品，他們都具有良好的特性：精度高，可靠性好，耐震耐水；可選功能多，工作有效半徑可選300m—750m，
圖2-6 激光發(fā)射器
可同時供很多臺激光平地機進行工作。
（2）激光接收器
激光接收器（圖2-7）安裝在平地鏟框架的兩頭，接收激光發(fā)射器發(fā)出的激光束，并檢測與標定高度值的差距，將信號傳遞給控制器。本文設計的激光接收器高度為2.9m，高于一般拖拉機駕駛室高度，并且可以360°接收信號，接收范圍為300m，超出此范圍，接收器將無法響應。
圖2-7 激光接收器
（3）控制器
由接收器給出的高度差信號送到控制器，控制器根據(jù)偏差的方向和大小，給出控制信號到液壓系統(tǒng)的電磁閥，并可適時顯示平地鏟的相對高度位置?？刂菩畔⒖梢允撬欧⒈壤蜷_關信號，一般采用比例或開關信號即可?？刂破靼惭b在操作手容易觀察和觸摸的地方，并可根據(jù)需要選擇“白動”或“手動”控制狀態(tài)。
（4）液壓控制系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)接收從控制器發(fā)來的控制信號，通過油缸伸縮實現(xiàn)平地鏟的升降。通過拖拉機動力輸出軸驅動液壓泵，經(jīng)過精細過濾輸送到液壓閥，由控制器控制液壓閥的方向和開度，液壓油作用到油缸，實現(xiàn)升降動作。本文設計兩個液壓控制系統(tǒng)分別控制兩個液壓調整箱。
（5）平地鏟機構
平地鏟由拖拉機牽引,其刮土高度由油缸控制,在行進過程中,平地鏟刮高填低,完成平地作業(yè)。平地鏟機構如圖2-8所示。拖拉機通過后懸掛連接牽引架拖拽平地機,牽引架可通過調節(jié)螺桿改變與鏟體的相對角度,拖拉機也可根據(jù)情況調整后懸掛牽引點的高度,使鏟體在任何情況下都能保持最佳的切土角度。由于地面不平,牽引點銷軸處應可順牽引方向的縱向轉動。鏟體兩側有兜土板,防止土方側漏,實現(xiàn)最大鏟土效果。鏟體結構與推土機推土板相近,但更適于兜土。鏟刃結構有利于切入土壤,平地鏟自重較輕,不能向推土機一樣,靠機重壓鏟刃。正面和側面都有可更換的耐磨刃板。鏟刃的上方有直立桅桿,用于固定激光接收器,為方便裝拆,設立一個小平臺。
圖2-8 激光平地機結構圖
2.3 激光平地機的主要特點
（1）激光平地機與常規(guī)平地機相比價格低,平整精度及作業(yè)效率高。
（2）激光平地機結構簡單、操作方便、維修容易。
（3）激光平地機采用進口激光裝置,質量可靠。液壓自動控制采用國外專有技術、主要元件原裝進口,并與國內元件配套,質量可靠,價格適中。
（4）激光平地機可利用國內目前大量使用的農(nóng)用拖拉機作動力,進一步發(fā)揮拖拉機的功用,降低了使用者的購機費用。
（5）激光平地機亦可用于道路等場地的平整工作。
（6）要充分發(fā)揮激光平地機的特點必須走常規(guī)平地與激光平地機相結合的道路,用常規(guī)方法粗平,再用激光平地機作精平,從而提高效率、降低作業(yè)費用。
2.4激光平地機的創(chuàng)新點
（1）對牽引機架與拖拉機鉸接點鉸接方式進行了創(chuàng)新性的改進，原有的鉸接方式為簡單的鉸接板與拖拉機的牽引桿通過銷軸連接，本機設計的 U 型鉸接裝置增加了鉸接點的自由度，消除了鉸接點對抬鏟機構工作時的約束力，使得機器的工作效率更高；
（2）對激光平地機支撐輪架的結構進行了改進，原有的激光平地機只有一個軸筒，改進后的激光平地機設計左右兩個激光接收器分別感應激光發(fā)射器發(fā)射的激光平面，單獨傳遞給控制器，控制器通過電信號分別控制左右兩個抬鏟機構的工作，這樣就可以調節(jié)激光平地機的水平度，提高激光平地機的平整精度。
3. 整機匹配設計
3.1 主要設計參數(shù)
表3-1 主要設計參數(shù)
名稱
參數(shù)
鏟刀寬度（m）
3
切削角度（°）
36
平地鏟升降范圍（mm）
±150
機架尺寸（長寬高）（mm)
4350×3160×2900
桅桿長度（m）
2.3
激光接收器高度范圍（cm）
28.5
激光接收器接收范圍（m）
300
激光發(fā)射器激光發(fā)射范圍（m）
750
作業(yè)速度（m/s）
5
掛接方式
牽引式
拖拉機功率（馬力）
90
拖拉機額定壓力（兆帕）
19.5±0.5
拖拉機液壓輸出閥總流量（升/分鐘0
39.3
液壓油缸內徑（mm）
280
液壓缸活塞桿外徑（mm）
200
液壓缸速比
2
液壓缸型號
Y-HG1-C280/200×480F5HL2O
3.2鏟刀設計
考察鏟土考察鏟土運輸機械的各種工作裝置可以發(fā)現(xiàn)它們的共同特點之一就是其切削土的部分都具有楔的特征，只不過楔的寬窄有所區(qū)別。它們都有前角丫、切削角s、后角。、夾角p和切削刃的寬度b。
切削阻力的大小取決于土的參數(shù)和切削刃的幾何參數(shù)。
對切削阻力的理論研究方面的趨向是企圖根據(jù)擋土墻理論建立土的切削理論,這方面已有不少研究資料,但由于不太成熟和計算工作的繁雜而未被推廣使用,因此在實用上以采用試驗數(shù)據(jù),利用經(jīng)驗公式來得方便。目前確定切削比阻力大多采用的經(jīng)驗公式為:
（3—1）
式中，作用在刀刃上的切削阻力；
切削刃寬度；
切削層厚度。
圖3-1 切削刃的幾何關系
各種類型土的切削比阻力數(shù)據(jù)參見表3-1。與切削刃的幾何形狀有關。試驗指出，對于大多數(shù)土來說，切削角的最佳值為，在保證有足夠的后角的條件下，太小時會使切削刃變薄、強度不足;但過大會使增大。試驗表明：每增加，將增加,大約在左右達最大值,后增加不明顯。
后角不能小于,在作業(yè)過程中由于地形或某種原因的變化會使變小。當保證有的后角、尖角在以上時,角通常要大于。
圖3-2 平地鏟鏟刀
本文設計平地鏟鏟刀如圖3-2所示，為，為，為。符合上述切削刃角度，能夠實現(xiàn)激光平地機在工作時的阻力較小的要求。激光平地機工作一般為3級土，所以在設計中要選比表3-1的3級土的切削比阻力大一些來做計算，則土的切削比阻力約為0.15，切削刃的寬度為2.97m，切削層的厚度平均h約為。則由（3—1）式 計算出
.
表3-1 各種土的切削比阻力
土級別
土的名稱
1
砂、砂質土、中等濕度的松散粘土、種植土
2
粘質土、中細砂礫、松散軟粘土
3
密實粘土質、中等粘土、松散粘土、軟泥碳
4
碎面或卵石的粘土質、重濕粘土、中等堅實煤碳少量雜質的石礫堆積物
5
中等頁巖、重干粘土、堅實而硬的黃土、軟石膏
3.3牽引力的計算
土的切削試驗的主要目的是:確定切削阻力的大小、作用點和作用方向。切削阻力是鏟土運輸機械設計的原始數(shù)據(jù),由于各機種工作裝置的作業(yè)方式不同,作業(yè)時各種工作裝置的受力情況都不一樣,因此目前都是結合具體工作裝置進行模擬試驗來確定什么樣結構形狀的工作裝置能夠使得切削阻力為最小。模擬試驗第三章激光控制平地機設計的優(yōu)越性是經(jīng)濟、可排除許多干擾因素,使分析工作簡化和結果準確。
3.4牽引平衡和功率平衡
平地機的牽引平衡和功率平衡表明了當機器工作時，它的切線牽引力和發(fā)動機的有效功率是怎樣分配，消耗及利用的。機器的牽引平衡方程和功率平衡方程是計算有效牽引力和有效牽引功率的基本方程。
1、 牽引平衡方程——驅動力和阻力的計算
(1) 鏟刀切削阻力
由式（3-1）的鏟刀切削阻力
（3-2）
結合平地鏟尺寸參數(shù)，則由式（3-2），切削阻力最大時為
式中，——切削比阻力，見表3-1；
——鏟刀刃切削土部分的長度；
——平均切削厚度
圖3-3 鏟刀作業(yè)阻力分析
（2）鏟刀與土接觸的水平摩擦阻力
（3-3）
式中，——土與鋼的摩擦系數(shù)，見表3-2；
——鏟刀作業(yè)所受垂直阻力;
激光平地機約重1000，土與鋼的摩擦系數(shù)要大于重度黏土，設計選1.4，則由式（3-3），鏟刀與土接觸的水平摩擦阻力為
(3) 鏟刀前土堆沿地面移動時的阻力
（3-4）
式中， ； （3-5）
其中 H——鏟刀高度尺寸。
設計中鏟刀有0.05m伸出平地鏟框架下方，實際工作中假設有0.03m切削入土中，則式（3-5）中的H為0.05m，為0.03m，則由式（3-4），鏟刀前土堆沿地面移動時的阻力為
（4）鏟刀前面土推沿鏟刀表面縱向移動所造成的阻力
（3-6）
式中，——土的內摩擦系數(shù)，見表3-2.
由上面數(shù)據(jù)和式（3-6），鏟刀前面土推沿鏟刀表面縱向移動所造成的阻力為
因此，平地機作業(yè)總阻力為
根據(jù)動力平衡，則牽引力
3-2 土與鋼、土與土的摩擦系數(shù)、
土的名稱
砂對砂
0.8
0.35
中等粘土
1.0
0.5
重粘土
1.2
0.8
推動機械前進的牽引力是由驅動力矩通過行走機構與地面的相互作用而產(chǎn)生的切線牽引力。在確定驅動力矩時，應注意，對大多數(shù)鏟土運輸機械來說,往往必須從發(fā)動機中分出一部分功率傳動機器的各種輔助裝置，如裝載機一類的機械,則還需分出相當大的一部分功率來驅動工作機構。因此在計算驅動力矩時應該將這一部分扭矩和功率從發(fā)動機的扭矩和功率中扣除。輔助裝置的消耗可以分成兩種情況來討論。在機器作業(yè)時，有些輔助裝置,例如主離合器助力系統(tǒng),轉向系統(tǒng)以及推土機、鏟運機的工作裝置控制系統(tǒng)等，只有短暫性的工作,此時輔助裝置的消耗應按液壓系統(tǒng)的空載回路損失來計算?？紤]到液壓系統(tǒng)的各種壓力損失大多是和流量的一次方或二次方成正比的，因此可以按照轉速的冪函數(shù)形式來計算輔助裝置空載時的扭矩和功率消耗。在初步計算中,可以近似地認為輔助裝置空載的扭矩和功率消耗分別和發(fā)動機轉速的一次方和二次方成正比，當發(fā)動機在額定轉速下工作時,此種損失可估計為約占額定扭矩和功率的，則：
(3-7)
(3-8)
式中，——輔助裝置空載消耗的發(fā)動機扭矩和功率;
——發(fā)動機的額定扭矩和額定功率;
——發(fā)動機的轉速和額定轉速。
對于另外一些輔助裝置,例如變矩器的冷卻油泵、動力換檔變速箱油泵、專用的潤滑油泵等,它們經(jīng)常處在工作負荷下運轉,此時扭矩和功率的消耗應按液壓系統(tǒng)的工作壓力來計算，則
（3-9）
（3-10）
式中，——按工作負荷運轉的輔助裝置消耗的扭矩和功率;
p——油泵的工作壓力(MPa）；
——油泵的理論流量；
——油泵轉速；
——油泵機械效率。
全部輔助裝置消耗的總扭矩和總功率為上述兩者之和:
（3-11）
（3-12）
發(fā)動機在扣除輔助裝置和功率輸出軸消耗后的自由扭矩和自由功率,則可按下式計算：
(3-13)
(3-14)
式中，——發(fā)動機的輸出扭矩和功率；
——輔助裝置消耗的扭矩和功率；
——功率輸出軸消耗的扭矩和功率。
傳動系總效率為
(3-15)
拖拉機水平牽引力為
(3-16)
式中， （3-17）
——驅動輪動力半徑（m）
機械在作業(yè)時的牽引平衡方程為
(3-18)\
由于機械在作業(yè)時的總阻力
所以，機械在作業(yè)時的牽引力
3、 功率平衡方程
當機械傳動的鏟土運輸機械在牽引工況下工作時,發(fā)動機的有效功率將按下各部分分配,并消耗在克服各種阻力中作功。
1. 驅動輔助裝置消耗的功率
驅動輔助裝置消耗的功率可以分成兩部分,并按式（3-8）、（3-10）、（3-12）來計算，則
用表示驅動輔助裝置的效率，則：
(3-19)
2. 驅動功率輸出軸所需的功率
這部分功率的計算以機械的類型來決定,對于本設計來說,可以認為等于零。
3. 傳動系的功率損失
(3-20)
4. 牽引元件滑轉引起的功率損失
(3-21)
式中，——牽引元件的滑轉速度(km/h)；
——滑轉率。
綜合上述，得出機械的功率平衡方程為：
(3-22)
通過以上牽引平衡與功率平衡計算及試驗驗算，得出牽弓}機動力與鏟寬、裝土方量的關系列如表3-3。
表3-3 拖拉機動力與鏟刀寬度的關系
拖拉機動力（馬力）
鏟刀寬度（m)
60--80
2.5
80--100
3.0
100--140
4.0
140--180
4.5
180--220
6.0
4 牽引架及三自由度牽引器設計
4.1牽引架的設計
激光平地機的牽引架如圖5-1所示。
圖4-1 牽引架
由圖4-1可知，三自由度牽引器與拖拉機牽引桿鉸接，后端牽引板鉸接在平地機機架上，架線桿固定板用于安裝架線桿，電線固定在架線桿上。
4.2三自由度牽引器的設計
牽引架與拖拉機通過三自由度牽引器鉸接，工作時拖拉機由鉸接點拉著平地機向前運動，鉸接點的自由度對平地機的運動有很大的影響。傳統(tǒng)的激光平地機的牽引板是通過板上的長孔與拖拉機鉸接，此鉸接點是牽引整個機器的受力點，長時間的工作后牽引板上的長孔就會發(fā)生變形，變形后的牽引板造成平地機與拖拉機鉸接點的晃動，平地機工作的振動幅度也會受到影響。抬鏟機構提
圖4-2 三自由度牽引器
升平地鏟時，平地鏟相對牽引架的高度發(fā)生變化，這種結構的牽引板自由度不夠，會產(chǎn)生影響平地鏟提升的約束力，同時約束了平地鏟的提升高度。 三自由牽引器增加了鉸接點的自由度，消減了牽引鉸接點對平地機運動的約束力，平地機在牽引鉸接點處能夠三自由度轉動，同時增加了牽引器的使用壽命。 三自由度牽引器的機構如圖4-2所示。
三自由度牽引器與牽引機架用螺栓固定，中間用銷軸連接。鉸接板可繞著銷軸自由轉動，比傳統(tǒng)的激光平地機的牽引板多出了豎直方向的自由度。
5 液壓系統(tǒng)的設計
在進行液壓控制系統(tǒng)方案設計時,重點要解決如下三個問題。
（1）解決液壓閥、液壓缸與拖拉機的匹配技術問題。液壓油源采用拖拉機上原有的液壓泵(額定壓力為15MP)。在進行液壓控制系統(tǒng)方案設計時,應選擇與此壓力相應的液壓閥、液壓缸等液壓元件。
（2）選擇合理的設計方案,使整個系統(tǒng)具有節(jié)能好、發(fā)熱少的突出特點。
(3） 合理設計液壓系統(tǒng),使液壓缸能夠快速、準確地調整鏟刀高度,保證平地精度的要求。
5.1液壓控制系統(tǒng)的設計
本論文設計的液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖5-1所示,該方案由一個三位四通電磁閥控制系統(tǒng)的升降和卸荷。
工作過程:當三位四通電磁閥2左端通電,液壓泵3出口液壓油進入雙作用液壓缸左腔,液壓缸右腔的液壓油回油箱,液壓缸活塞桿伸出,平地鏟上升;當三位四通電磁閥右端通電,液壓泵出口液壓油進入液壓缸右腔,左腔液壓油回油箱,液壓缸活塞桿縮回,平地鏟下降;當三位四通電磁閥兩端都斷電時,液壓泵的液壓油直接回油箱;當系統(tǒng)壓力超過規(guī)定壓力時,安全閥4打開,系統(tǒng)壓力下降。
圖5-1 液壓控制系統(tǒng)原理圖
該方案優(yōu)點:只采用三位四通電磁閥和雙作用液壓缸,結構簡單,價格低廉;利用三位四通電磁閥的中位卸荷機能卸荷,卸荷時系統(tǒng)壓力低,節(jié)能好、發(fā)熱小。
5.2 液壓控制系統(tǒng)的組成
（1） 液壓缸
液壓缸是將液壓能轉變?yōu)闄C械能的、做直線往復運動（或擺動運動）的液壓執(zhí)行元件。它結構簡單、工作可靠。用它來實現(xiàn)往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應用。液壓缸輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比。液壓缸的進出油來控制活塞桿的伸縮，從而控制激光平地機平地鏟的升降，達到整平土地的作用。
（2） 三位四通電磁換向閥
電磁閥工作原理：電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔連接不同的油管，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關閉不同的排油孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動。本文中原用的是三位四通電磁換向閥（如圖5-1中的2），它控制液壓缸的左腔還是右腔進油，從而控制液壓缸的伸縮。
（3） 安全閥
安全閥：根據(jù)壓力系統(tǒng)的工作壓力自動啟閉，一般安裝于封閉系統(tǒng)的設備保護系統(tǒng)安全。當設備壓力超過安全閥設定壓力時，自動開啟泄壓，保證設備和管道內介質壓力在設定壓力之下，保護設備和管道正常工作，防止發(fā)生意外，減少損失。當激光平地機停止工作時，電磁換向閥左右兩端均斷電，液壓泵的液壓油直接流回油箱，當系統(tǒng)壓力超過規(guī)定壓力時，安全閥打開，降低系統(tǒng)壓力。
（4） 液壓泵
液壓泵是為液壓傳動提供加壓液體的一種液壓元件，是泵的一種。它的功能是把動力機的機械能轉換成液體的壓力能。激光平地機液壓控制系統(tǒng)的液壓泵用來給液壓缸供液壓油，使液壓缸的活塞完成伸縮運動。
5.3液壓缸的選擇
表5-1 選擇的拖拉機參數(shù)
動力輸出軸轉速
650/830
制動系統(tǒng)
靜液壓操縱
液壓系統(tǒng)
開心置式、半分置式
液壓輸出閥
選裝一閥、兩閥
液壓系統(tǒng)額定壓力
19.5（兆帕）
懸掛系統(tǒng)
機械式上拉桿力傳感器
根據(jù)表5-2可知所選拖拉機的額定壓力為19.5MPa，液壓輸出閥總流量為39.3升/分鐘，即，由于拖拉機自身損耗和輔助損耗，所以計算時額定壓力為:
.
由于第四章計算出牽引力與平地機作業(yè)最大總阻力的大小，即：
==
重力為
則由表5-2可知，由于激光平地機由兩個液壓缸，液壓缸受到的負載力為
圖5-2 液壓缸受力圖
因此，液壓缸活塞的有效面積為
由的，
有上述計算和表5-2（2）中的液壓缸內徑尺寸系列，最終選擇.由于為，所以液壓缸缸口應采用對開式法蘭。
設計中鏟刀需上升或下降150mm. 則圖5-4中的，則液壓缸行程
最終選擇第三系列。
液壓缸的活塞桿可以根據(jù)受力情況來確定，一般為受拉力作用時，。受力作用時:
時，
上面提到,因此
圖5-3 液壓缸行程與平地鏟抬高關系圖
根據(jù)表5-1液壓缸活塞桿外徑尺寸系列，D選擇。
由上面求出的，液壓缸速比為
表5-2液壓缸參數(shù)
（1）
（2）
由上述計算數(shù)據(jù)，液壓缸型號為
5.4激光平地機總原理圖
由于本文采用兩個液壓控制系統(tǒng)，因此，激光平地機總原理圖如圖5-3所示。
圖5-3 激光平地機總原理圖
激光發(fā)射器發(fā)射激光束在激光平地機作業(yè)區(qū)形成一個激光平面，再由激光接收器7接收信號，把信號通過電線傳遞給控制器8，控制器把進過分析處理控制三位四通電磁閥是左端接通還是右端接通，從而控制液壓油進入雙作用液壓缸的左腔還是右腔，繼而控制液壓缸活動桿的伸縮，便控制了平地鏟升降。而左右各一個液壓控制系統(tǒng)分別控制左右的兩個液壓缸，兩個液壓缸相互獨立，就可以控制平地鏟的左右升降，保證了平地鏟的水平穩(wěn)定性。
總 結
本論文在研究國內外激光平地機的基本原理和構成的基礎上，設計了一種雙接收器，兩個液壓缸分別由一個液壓控制系統(tǒng)控制的，以液壓控制系統(tǒng)，機架構型，平地鏟鏟刀為重點的激光平地機系統(tǒng)。論文所得的結論總結如下：
（1） 分析了激光控制平地系統(tǒng)的優(yōu)勢和基本原理，研究對比國內外激光平地機的發(fā)展現(xiàn)狀，構建了總體設計方案。
（2） 平地鏟使用雙接收器系統(tǒng)，解決了平地鏟過寬時容易傾斜的問題，提高了平地時的平整精度。
（3） 再考察了拖拉機牽引器后，設計了三自由度牽引器，消減了牽引鉸接點對平地機運動的約束力，增加了牽引器的使用壽命。
由于作者水平有限和實驗條件的限制，本系統(tǒng)沒有在田間進行多次的實驗分析，無法得到實際的平地精度，后期實驗和分析需要進一步的完善。
在我國推廣應用這項技術時,能否降低整套設備的造價是制約這一高新技術應用的關鍵因素,適宜的設備價格對培育市場具有重要的作用。因此,探討對激光控制平地設備的部分構件實現(xiàn)國產(chǎn)化具有重要的現(xiàn)實意義。對與我國激光平地機的未來，首先完成對鏟運機具和液壓控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化,達到與進口的激光發(fā)射和接收系統(tǒng)相配套使用的目的,對激光發(fā)射和接收部分可采用引進的關鍵部件與國產(chǎn)的其他配件進行組裝生產(chǎn)的模式,逐步降低設備造價和提高整套設備的國產(chǎn)化率。
致 謝
歷時將近一個學期的時間終于完成了設計以及論文，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導老師—王旭峰老師，在課題研究過程中,激光平地機結構、液壓方案的確定等,王老師都給我提了許多寶貴的建議另外。在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最衷心的感謝！
感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多素材，還在論文的撰寫和排版過程中提供熱情的幫助。
最后,祝所有曾給予我關心和幫助的老師、同學以及家人身體健康、萬事如意!
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