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畢業(yè)設(shè)計(jì)
激光平地機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
所屬學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
指導(dǎo)老師
日 期
機(jī)械電氣化工程學(xué)院制
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前 言
我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，要想發(fā)展農(nóng)業(yè)規(guī)?；途?xì)化生產(chǎn)就離不開(kāi)土地平整技術(shù)。用激光控制土地精細(xì)平地技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的農(nóng)田土地平整,是建立現(xiàn)代化精細(xì)灌溉農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。土地精細(xì)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(zhì)量的重要基礎(chǔ)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(jī)械化的實(shí)現(xiàn)。激光平地技術(shù)是現(xiàn)有的最先進(jìn)、最有效的土地精平技術(shù)，平地后能夠?qū)崿F(xiàn) 1-2cm 的平整精度。但是國(guó)外激光平地機(jī)價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)激光平地技術(shù)仍不完善，這些都不利于激光平地技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣。在當(dāng)今我國(guó)水資源十分缺乏的情況下,更是國(guó)民經(jīng)濟(jì)保持持續(xù)發(fā)展的重要手段之一,為此而開(kāi)發(fā)研制與之配套的新型平地設(shè)備也迫在眉睫。因此，提出和設(shè)計(jì)一種符合中國(guó)國(guó)情的激光控制平地系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。
激光控制平地技術(shù)是傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)械平地技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。激光平地技術(shù)是利用激光作為非視覺(jué)控制手段代替平地設(shè)備操作人員的目測(cè)判斷能力,用以控制平地鏟的升降高度,達(dá)到精確平整土地的目的。
本文對(duì)拖掛式激光平地機(jī)進(jìn)行研究，包括牽引機(jī)的匹配設(shè)計(jì)、液壓控制系統(tǒng)、拖掛式平地鏟的匹配設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)雙接受器系統(tǒng)以便更好地解決平地鏟過(guò)寬造成的傾斜問(wèn)題，提高激光平地機(jī)的平穩(wěn)度，從而提高激光平地機(jī)的平整精度。
關(guān)鍵詞： 激光平地機(jī)；土地平整；液壓控制系統(tǒng)；平整精度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目 錄
1 緒論 1
1.1土地平整的意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外平整土地及激光平地機(jī)現(xiàn)況 1
1.3主要研究?jī)?nèi)容 4
2 激光平地機(jī)工作原理 5
2.1激光平地機(jī)工作原理 5
2.2激光平地機(jī)的組成 6
2.3激光平地機(jī)的主要特點(diǎn) 8
2.4激光平地機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn).......................................................................................................................9
3 整機(jī)匹配設(shè)計(jì) 10
3.1主要設(shè)計(jì)參數(shù) 10
3.2鏟刀設(shè)計(jì) 10
3.3牽引力的計(jì)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(shè)計(jì) 18
4.1牽引架的設(shè)計(jì) 18
4.2三自由度牽引器的設(shè)計(jì) 18
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
5.1液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(jī)總原理圖 23
總 結(jié) 25
致 謝 26
參考文獻(xiàn) 27
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工程概況
本文介紹了激光平地機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先介紹了激光平地機(jī)的原理，激光發(fā)射器發(fā)射一束極細(xì)的，能旋轉(zhuǎn)360°的激光束，形成空間的激光面，為整個(gè)施工場(chǎng)地提供了一個(gè)恒定的坡度基準(zhǔn)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(biāo)高測(cè)量基準(zhǔn)，接收器檢測(cè)到激光信號(hào)后不停的給控制器發(fā)送高度差的信號(hào)，控制器通過(guò)分析處理通過(guò)電信號(hào)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(shí)回油到油箱，如果壓力過(guò)大，則安全閥打開(kāi)，降低壓力，防止激光平地機(jī)受到損傷。
本論文設(shè)計(jì)的激光平地機(jī)機(jī)架上安裝了兩個(gè)桅桿，桅桿上分別固定了兩個(gè)激光接收器，抬產(chǎn)機(jī)構(gòu)分別安裝在一個(gè)支撐輪架上，而且每個(gè)抬鏟機(jī)分別由一個(gè)液壓控制裝置控制。這種激光平地機(jī)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)左右半邊的水平度，提高激光平地機(jī)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(yīng)我國(guó)精細(xì)農(nóng)業(yè)研究和發(fā)展，做出更好的激光平地機(jī)以滿(mǎn)足精細(xì)農(nóng)作的需求，本課題的研究目標(biāo)是激光平地機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真，開(kāi)發(fā)出性能更好，更節(jié)約材料，更方便使用的激光平地機(jī)。
中國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)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(guó)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(guó)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(wèn)題，造成深沉滲透、積水、跑水等情況，浪費(fèi)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(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，地面灌溉仍是我國(guó)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(duì)促進(jìn)我國(guó)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(chǔ)和關(guān)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(zhì)量。對(duì)于水田，若田間地面平整，可達(dá)到“寸水不漏泥”，是作物在各階段生長(zhǎng)都能過(guò)的最佳的水層，水溫高，水層適宜們創(chuàng)造作物生長(zhǎng)的良好環(huán)境，可提高作物產(chǎn)量；對(duì)于旱田，若土地平整，只需進(jìn)行淺水灌溉，可達(dá)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(zhǎng)一級(jí)防止水土流失，從而增強(qiáng)徒弟抵御自然災(zāi)害的能力、提高耕地質(zhì)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(jī)械——激光平地機(jī)。只有研制出更好的激光平地機(jī)，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(guó)內(nèi)外平整土地及激光平地機(jī)現(xiàn)況
1.2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
到2010年全國(guó)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(gè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn),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(yán)重缺邊緣統(tǒng)計(jì),我國(guó)2010年將有12個(gè)省、市、自治區(qū)低于起碼需求標(biāo)準(zhǔn),有17個(gè)省、市、自治區(qū)低于嚴(yán)重缺水邊緣線。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年,全國(guó)約有20個(gè)省、市、自治區(qū)低于嚴(yán)重缺水邊緣線,其中低于起碼需求的有13個(gè)省、市、自治區(qū)。農(nóng)業(yè)是最大的用水戶(hù),為了保障我國(guó)水資源的可持續(xù)利用,農(nóng)業(yè)節(jié)水將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)。由此可以看到擺在我們面前的節(jié)水任務(wù)相當(dāng)艱巨,推廣土地平整技術(shù)也日見(jiàn)迫切,水利部在近幾年也花很大資金和精力,開(kāi)展激光控制平地技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用,曾先后在河北、、黑龍江、山東等地開(kāi)展試驗(yàn)項(xiàng)目的研究工作,目前該項(xiàng)工作已順利開(kāi)展。在國(guó)內(nèi),自20世紀(jì)80年代開(kāi)始,一些部門(mén)就已引進(jìn)國(guó)外機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn),但由于價(jià)格問(wèn)題一直未能推廣。從技術(shù)上看,激光調(diào)平技術(shù)所需的關(guān)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(wèn)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(jī)專(zhuān)用的元器件還很少,還不能完全適應(yīng)農(nóng)用平地機(jī)的使用要求。國(guó)內(nèi)曾在20世紀(jì)90年代中后期研制了兩種激光平地機(jī)械——應(yīng)用于鹽業(yè)生產(chǎn)的GP 1型激光校準(zhǔn)平地機(jī)和應(yīng)用于農(nóng)田基
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本建設(shè)的1PJY 6型激光平地機(jī)。由于其作業(yè)半徑小,作業(yè)精度低,作業(yè)幅寬小,其應(yīng)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(jī)任然存在著一些缺陷，仍需要改進(jìn)。比如圖1-1，雖然比一般的平地機(jī)平整土地的精度高很多，并且安裝有兩個(gè)液壓缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證了一定的機(jī)器作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，但兩個(gè)地輪通過(guò)一個(gè)軸筒連接，兩個(gè)液壓缸作用在同一個(gè)軸筒上，激
圖1-1 國(guó)內(nèi)激光平地機(jī)工作圖
激光平地機(jī)的工作水平不能得到保證；桅桿與機(jī)架連接不夠穩(wěn)定，機(jī)器的工作振幅沒(méi)有緩沖的傳遞給桅桿，容易造成桅桿折斷。
1.2.2國(guó)外現(xiàn)狀
平畦田灌水技術(shù)是建立在激光控制土地精細(xì)平整技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上的一種地面灌溉技術(shù),自上世紀(jì)80年代起在許多國(guó)家已得到推廣應(yīng)用。以美國(guó)為例,美國(guó)國(guó)土面積937萬(wàn)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(mǎn)足農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的需要;西部的17個(gè)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(guó)農(nóng)業(yè)灌溉最集中的地區(qū),也是美國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)。自本世紀(jì)以來(lái),水一直是美國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(wèn)題的關(guān)鍵所在。據(jù)了解,美國(guó)已有1.65億畝的耕地采用了節(jié)水灌溉技術(shù),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(gè)農(nóng)戶(hù)經(jīng)營(yíng)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(nèi),平整后的高低差控制在1英寸以?xún)?nèi)(即3厘米以?xún)?nèi))。格田周邊,機(jī)耕調(diào)頭地形成導(dǎo)水槽。這樣的格田,可以放入較大水流,比較準(zhǔn)確地控制灌水量,灌水均勻度高,田間灌水效率可達(dá)90%,相對(duì)未平整土地的農(nóng)田而言節(jié)水20%以上。
圖1-2為國(guó)外激光平地機(jī)作業(yè)圖，雖然在前端安裝了鏟運(yùn)機(jī)的鏟斗，機(jī)器在作業(yè)時(shí)，先經(jīng)過(guò)鏟斗的粗平后再由激光平地機(jī)進(jìn)行精平，雖然在一定程度上提高了激光平地機(jī)的平整精度，但是兩個(gè)地輪仍是由一個(gè)軸筒連接，兩個(gè)液壓缸作用在同一個(gè)軸筒上，激光平地機(jī)的精度還是受到了一定的限制。
圖1-2 國(guó)外激光平地機(jī)作業(yè)圖
1.2.3國(guó)內(nèi)外激光平地機(jī)差距
農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)領(lǐng)域,經(jīng)過(guò)近20多年的快速發(fā)展,在總結(jié)相關(guān)成果的基礎(chǔ)上,初步形成了其技術(shù)體系,在某些方面已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制,加之科研體制不太適應(yīng)科技發(fā)展的要求,我國(guó)的農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水工程硬件建設(shè)的整體水平落后發(fā)達(dá)國(guó)家30年以上,在節(jié)水灌溉設(shè)備研發(fā)、精準(zhǔn)灌溉等若干領(lǐng)域還存在相當(dāng)大的差距。特別是有關(guān)研究的長(zhǎng)期定位觀測(cè)與數(shù)據(jù)積累、試驗(yàn)儀器設(shè)備、高新技術(shù)的應(yīng)用等方面嚴(yán)重制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)領(lǐng)域科研水平的提高。地面灌溉技術(shù)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(guò)去單純研究灌水技術(shù)要素對(duì)灌水均勻性、水分深層滲漏的影響,轉(zhuǎn)向綜合研究灌水技術(shù)要素對(duì)土壤水肥運(yùn)移、對(duì)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(jìn)行大地測(cè)量后,采用激光平地技術(shù)。該技術(shù)在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家被稱(chēng)為是地面灌溉最重要的進(jìn)展之一。
（1） 產(chǎn)品種類(lèi)不齊全。主要是缺少大功率的激光平地機(jī)產(chǎn)品，但開(kāi)發(fā)大功率的激光平地機(jī)配套件（箱、橋）在國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段還無(wú)法解決。
（2） 技術(shù)水平較低。雖然國(guó)內(nèi)外激光平地機(jī)的其本結(jié)構(gòu)和功能沒(méi)有根本性的差異，但由于激光平地機(jī)行業(yè)起步較晚技術(shù)發(fā)展緩慢，其技術(shù)水平落后國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。目前我國(guó)激光平地機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)主要來(lái)自于國(guó)外，多數(shù)企業(yè)沒(méi)有自己的核心技術(shù)和專(zhuān)利技術(shù)，對(duì)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的消化和吸收也僅僅是實(shí)現(xiàn)部分國(guó)產(chǎn)化這樣一個(gè)較低的層次上。近年來(lái)的發(fā)展，也是通過(guò)綜合集成、類(lèi)比設(shè)計(jì)或一直國(guó)外一些成熟技術(shù)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(shè)備的欠缺和工藝流程的不完善，使整機(jī)零部件在各個(gè)細(xì)節(jié)處理上與國(guó)外品牌產(chǎn)品有較大的差異，甚至關(guān)鍵部件的關(guān)鍵尺寸與圖紙的符合性也不能很好的保證。另外，一些國(guó)產(chǎn)零部件的質(zhì)量也不穩(wěn)定。如液壓控制零部件、橋架的質(zhì)量、電控元件等，這是造成國(guó)產(chǎn)激光平地機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量水平落后于發(fā)達(dá)國(guó)家的主要原因，因此影響了整機(jī)的可靠性和使用壽命。
1.3主要研究?jī)?nèi)容
（1）牽引機(jī)的匹配設(shè)計(jì):拖式激光平地機(jī)的牽引機(jī)為拖垃機(jī),它在牽引工作時(shí),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(jī)能發(fā)揮強(qiáng)大的牽引力,通過(guò)牽引平衡與功率功率平衡方程,對(duì)驅(qū)動(dòng)力和阻力進(jìn)行計(jì)算,從而確定與所需工況匹配的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
（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(dá)到最佳的工作效果,實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng),激光控制系統(tǒng)有一個(gè)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(dòng)作,不同的平地鏟的寬度、運(yùn)土量和結(jié)構(gòu)形式要求激光和液壓系統(tǒng)調(diào)整到一個(gè)最佳的參數(shù)范圍。
（3）拖式平地鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):拖式平地鏟的結(jié)構(gòu)首先要根據(jù)拖拉機(jī)的功率和結(jié)構(gòu)種類(lèi),滿(mǎn)足平地工藝的要求,確定平地鏟的寬度和運(yùn)土量,在這個(gè)原則下,要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,可實(shí)現(xiàn)邊鏟土邊卸土,切土阻力最小,鏟刃切土角度可調(diào)整,后支撐輪架輪壓不可太高等要求。
2 激光平地機(jī)工作原理
2.1激光平地機(jī)工作原理
圖2-1 激光平地機(jī)原理圖
激光發(fā)射器如圖2-3發(fā)射一束極細(xì)的，能旋轉(zhuǎn)360°的激光束，形成空間的激光面，為整個(gè)施工場(chǎng)地提供了一個(gè)恒定的坡度基準(zhǔn)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(biāo)高測(cè)量基準(zhǔn)（如圖2-2的狀態(tài)2），接收器6檢測(cè)到激光信號(hào)后不停的給控制器7發(fā)送高度差的信號(hào)，控制器7通過(guò)分析處理通過(guò)電信號(hào)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(shí)回油到油箱，如果壓力過(guò)大，則安全閥3打開(kāi)，降低壓力，防止激光平地機(jī)受到損傷。
圖2-2 激光平地機(jī)原理示意圖
本論文設(shè)計(jì)的激光平地機(jī)（如圖2-3），平地機(jī)機(jī)架上安裝了兩個(gè)桅桿，桅桿上分別固定了兩個(gè)激光接收器，抬產(chǎn)機(jī)構(gòu)也沒(méi)有使用同一個(gè)軸筒，而是獨(dú)立安裝，而且每個(gè)抬鏟機(jī)分別由一個(gè)液壓控制裝置控制。這種激光平地機(jī)的工作原理就是有左右兩個(gè)激光接收器分別感應(yīng)激光發(fā)射器發(fā)射的激光平面，單獨(dú)傳遞給控制器，控制其通過(guò)電信號(hào)分別控制左右兩個(gè)抬鏟機(jī)構(gòu)的工作，這樣就可以調(diào)節(jié)激光平地機(jī)的水平度，提高激光平地機(jī)的平整精度。
圖2-3 激光平地機(jī)三維實(shí)體圖 圖2-4 激光發(fā)射器激光平地機(jī)
就是一個(gè)執(zhí)行反饋的機(jī)構(gòu)，先由激光發(fā)射器發(fā)射一個(gè)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(diǎn)信號(hào)到液壓系統(tǒng)電磁閥，來(lái)控制液壓油缸的伸縮來(lái)控制平地鏟的高低反饋給接收器，如圖2-5所示?？刂破鞯墓δ苁歉鶕?jù)激光接收器傳遞的調(diào)整信息，自動(dòng)地控制液壓系統(tǒng)不斷地上下調(diào)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(dòng)靈敏性高，故平底精度高。
圖2-5 激光平地機(jī)流程圖
平地鏟由鏟運(yùn)機(jī)具和液壓升降系統(tǒng)構(gòu)成,作為牽引動(dòng)力的拖拉機(jī)的功率應(yīng)與設(shè)備鏟運(yùn)能力相匹配,以適應(yīng)平地鏟頻繁升降對(duì)液壓系統(tǒng)的工作需求。
2.2激光平地機(jī)的組成
如圖2-1所示，為激光平地機(jī)的基本組成，下面將詳細(xì)介紹其組成的功能特點(diǎn)。
（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(shí)高度要2.8m以上，因?yàn)楝F(xiàn)在拖拉機(jī)高度一般在2.8m以下，這樣無(wú)論配備什么樣的拖拉機(jī)，都不會(huì)影響激光接收器接收激光發(fā)射器發(fā)出的激光信號(hào)。在工作時(shí)，激光發(fā)射器發(fā)出激光束，激光束不得被遮擋，施工場(chǎng)地的上方產(chǎn)生一個(gè)激光平面，激光發(fā)射器可以采用自動(dòng)找平的發(fā)射頭。在實(shí)際使用中，雖然價(jià)格昂貴，但是操作簡(jiǎn)單。
激光發(fā)射器選用進(jìn)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(shí)供很多臺(tái)激光平地機(jī)進(jìn)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(cè)與標(biāo)定高度值的差距，將信號(hào)傳遞給控制器。本文設(shè)計(jì)的激光接收器高度為2.9m，高于一般拖拉機(jī)駕駛室高度，并且可以360°接收信號(hào)，接收范圍為300m，超出此范圍，接收器將無(wú)法響應(yīng)。
圖2-7 激光接收器
（3）控制器
由接收器給出的高度差信號(hào)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(hào)到液壓系統(tǒng)的電磁閥，并可適時(shí)顯示平地鏟的相對(duì)高度位置。控制信息可以是伺服、比例或開(kāi)關(guān)信號(hào)，一般采用比例或開(kāi)關(guān)信號(hào)即可。控制器安裝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(dòng)”或“手動(dòng)”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(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)油缸伸縮實(shí)現(xiàn)平地鏟的升降。通過(guò)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)液壓泵，經(jīng)過(guò)精細(xì)過(guò)濾輸送到液壓閥，由控制器控制液壓閥的方向和開(kāi)度，液壓油作用到油缸，實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)兩個(gè)液壓控制系統(tǒng)分別控制兩個(gè)液壓調(diào)整箱。
（5）平地鏟機(jī)構(gòu)
平地鏟由拖拉機(jī)牽引,其刮土高度由油缸控制,在行進(jìn)過(guò)程中,平地鏟刮高填低,完成平地作業(yè)。平地鏟機(jī)構(gòu)如圖2-8所示。拖拉機(jī)通過(guò)后懸掛連接牽引架拖拽平地機(jī),牽引架可通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿改變與鏟體的相對(duì)角度,拖拉機(jī)也可根據(jù)情況調(diào)整后懸掛牽引點(diǎn)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(diǎn)銷(xiāo)軸處應(yīng)可順牽引方向的縱向轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟體兩側(cè)有兜土板,防止土方側(cè)漏,實(shí)現(xiàn)最大鏟土效果。鏟體結(jié)構(gòu)與推土機(jī)推土板相近,但更適于兜土。鏟刃結(jié)構(gòu)有利于切入土壤,平地鏟自重較輕,不能向推土機(jī)一樣,靠機(jī)重壓鏟刃。正面和側(cè)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(shè)立一個(gè)小平臺(tái)。
圖2-8 激光平地機(jī)結(jié)構(gòu)圖
2.3 激光平地機(jī)的主要特點(diǎn)
（1）激光平地機(jī)與常規(guī)平地機(jī)相比價(jià)格低,平整精度及作業(yè)效率高。
（2）激光平地機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、維修容易。
（3）激光平地機(jī)采用進(jìn)口激光裝置,質(zhì)量可靠。液壓自動(dòng)控制采用國(guó)外專(zhuān)有技術(shù)、主要元件原裝進(jìn)口,并與國(guó)內(nèi)元件配套,質(zhì)量可靠,價(jià)格適中。
（4）激光平地機(jī)可利用國(guó)內(nèi)目前大量使用的農(nóng)用拖拉機(jī)作動(dòng)力,進(jìn)一步發(fā)揮拖拉機(jī)的功用,降低了使用者的購(gòu)機(jī)費(fèi)用。
（5）激光平地機(jī)亦可用于道路等場(chǎng)地的平整工作。
（6）要充分發(fā)揮激光平地機(jī)的特點(diǎn)必須走常規(guī)平地與激光平地機(jī)相結(jié)合的道路,用常規(guī)方法粗平,再用激光平地機(jī)作精平,從而提高效率、降低作業(yè)費(fèi)用。
2.4激光平地機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)
（1）對(duì)牽引機(jī)架與拖拉機(jī)鉸接點(diǎn)鉸接方式進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)，原有的鉸接方式為簡(jiǎn)單的鉸接板與拖拉機(jī)的牽引桿通過(guò)銷(xiāo)軸連接，本機(jī)設(shè)計(jì)的 U 型鉸接裝置增加了鉸接點(diǎn)的自由度，消除了鉸接點(diǎn)對(duì)抬鏟機(jī)構(gòu)工作時(shí)的約束力，使得機(jī)器的工作效率更高；
（2）對(duì)激光平地機(jī)支撐輪架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，原有的激光平地機(jī)只有一個(gè)軸筒，改進(jìn)后的激光平地機(jī)設(shè)計(jì)左右兩個(gè)激光接收器分別感應(yīng)激光發(fā)射器發(fā)射的激光平面，單獨(dú)傳遞給控制器，控制器通過(guò)電信號(hào)分別控制左右兩個(gè)抬鏟機(jī)構(gòu)的工作，這樣就可以調(diào)節(jié)激光平地機(jī)的水平度，提高激光平地機(jī)的平整精度。
3. 整機(jī)匹配設(shè)計(jì)
3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
表3-1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
名稱(chēng)
參數(shù)
鏟刀寬度（m）
3
切削角度（°）
36
平地鏟升降范圍（mm）
±150
機(jī)架尺寸（長(zhǎng)寬高）（mm)
4350×3160×2900
桅桿長(zhǎng)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(jī)功率（馬力）
90
拖拉機(jī)額定壓力（兆帕）
19.5±0.5
拖拉機(jī)液壓輸出閥總流量（升/分鐘0
39.3
液壓油缸內(nèi)徑（mm）
280
液壓缸活塞桿外徑（mm）
200
液壓缸速比
2
液壓缸型號(hào)
Y-HG1-C280/200×480F5HL2O
3.2鏟刀設(shè)計(jì)
考察鏟土考察鏟土運(yùn)輸機(jī)械的各種工作裝置可以發(fā)現(xiàn)它們的共同特點(diǎn)之一就是其切削土的部分都具有楔的特征，只不過(guò)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(duì)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(jì)算工作的繁雜而未被推廣使用,因此在實(shí)用上以采用試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)得方便。目前確定切削比阻力大多采用的經(jīng)驗(yàn)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(guān)系
各種類(lèi)型土的切削比阻力數(shù)據(jù)參見(jiàn)表3-1。與切削刃的幾何形狀有關(guān)。試驗(yàn)指出，對(duì)于大多數(shù)土來(lái)說(shuō)，切削角的最佳值為，在保證有足夠的后角的條件下，太小時(shí)會(huì)使切削刃變薄、強(qiáng)度不足;但過(guò)大會(huì)使增大。試驗(yàn)表明：每增加，將增加,大約在左右達(dá)最大值,后增加不明顯。
后角不能小于,在作業(yè)過(guò)程中由于地形或某種原因的變化會(huì)使變小。當(dāng)保證有的后角、尖角在以上時(shí),角通常要大于。
圖3-2 平地鏟鏟刀
本文設(shè)計(jì)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?qū)崿F(xiàn)激光平地機(jī)在工作時(shí)的阻力較小的要求。激光平地機(jī)工作一般為3級(jí)土，所以在設(shè)計(jì)中要選比表3-1的3級(jí)土的切削比阻力大一些來(lái)做計(jì)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(jì)算出
.
表3-1 各種土的切削比阻力
土級(jí)別
土的名稱(chēng)
1
砂、砂質(zhì)土、中等濕度的松散粘土、種植土
2
粘質(zhì)土、中細(xì)砂礫、松散軟粘土
3
密實(shí)粘土質(zhì)、中等粘土、松散粘土、軟泥碳
4
碎面或卵石的粘土質(zhì)、重濕粘土、中等堅(jiān)實(shí)煤碳少量雜質(zhì)的石礫堆積物
5
中等頁(yè)巖、重干粘土、堅(jiān)實(shí)而硬的黃土、軟石膏
3.3牽引力的計(jì)算
土的切削試驗(yàn)的主要目的是:確定切削阻力的大小、作用點(diǎn)和作用方向。切削阻力是鏟土運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù),由于各機(jī)種工作裝置的作業(yè)方式不同,作業(yè)時(shí)各種工作裝置的受力情況都不一樣,因此目前都是結(jié)合具體工作裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)來(lái)確定什么樣結(jié)構(gòu)形狀的工作裝置能夠使得切削阻力為最小。模擬試驗(yàn)第三章激光控制平地機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性是經(jīng)濟(jì)、可排除許多干擾因素,使分析工作簡(jiǎn)化和結(jié)果準(zhǔn)確。
3.4牽引平衡和功率平衡
平地機(jī)的牽引平衡和功率平衡表明了當(dāng)機(jī)器工作時(shí)，它的切線牽引力和發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率是怎樣分配，消耗及利用的。機(jī)器的牽引平衡方程和功率平衡方程是計(jì)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(qū)動(dòng)力和阻力的計(jì)算
(1) 鏟刀切削阻力
由式（3-1）的鏟刀切削阻力
（3-2）
結(jié)合平地鏟尺寸參數(shù)，則由式（3-2），切削阻力最大時(shí)為
式中，——切削比阻力，見(jiàn)表3-1；
——鏟刀刃切削土部分的長(zhǎng)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(jiàn)表3-2；
——鏟刀作業(yè)所受垂直阻力;
激光平地機(jī)約重1000，土與鋼的摩擦系數(shù)要大于重度黏土，設(shè)計(jì)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(dòng)時(shí)的阻力
（3-4）
式中， ； （3-5）
其中 H——鏟刀高度尺寸。
設(shè)計(jì)中鏟刀有0.05m伸出平地鏟框架下方，實(shí)際工作中假設(shè)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(dòng)時(shí)的阻力為
（4）鏟刀前面土推沿鏟刀表面縱向移動(dòng)所造成的阻力
（3-6）
式中，——土的內(nèi)摩擦系數(shù)，見(jiàn)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(dòng)所造成的阻力為
因此，平地機(jī)作業(yè)總阻力為
根據(jù)動(dòng)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(chēng)
砂對(duì)砂
0.8
0.35
中等粘土
1.0
0.5
重粘土
1.2
0.8
推動(dòng)機(jī)械前進(jìn)的牽引力是由驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)行走機(jī)構(gòu)與地面的相互作用而產(chǎn)生的切線牽引力。在確定驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，應(yīng)注意，對(duì)大多數(shù)鏟土運(yùn)輸機(jī)械來(lái)說(shuō),往往必須從發(fā)動(dòng)機(jī)中分出一部分功率傳動(dòng)機(jī)器的各種輔助裝置，如裝載機(jī)一類(lèi)的機(jī)械,則還需分出相當(dāng)大的一部分功率來(lái)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)。因此在計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)應(yīng)該將這一部分扭矩和功率從發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)討論。在機(jī)器作業(yè)時(shí)，有些輔助裝置,例如主離合器助力系統(tǒng),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及推土機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)的工作裝置控制系統(tǒng)等，只有短暫性的工作,此時(shí)輔助裝置的消耗應(yīng)按液壓系統(tǒng)的空載回路損失來(lái)計(jì)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(zhuǎn)速的冪函數(shù)形式來(lái)計(jì)算輔助裝置空載時(shí)的扭矩和功率消耗。在初步計(jì)算中,可以近似地認(rèn)為輔助裝置空載的扭矩和功率消耗分別和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一次方和二次方成正比，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下工作時(shí),此種損失可估計(jì)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(dòng)機(jī)扭矩和功率;
——發(fā)動(dòng)機(jī)的額定扭矩和額定功率;
——發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速。
對(duì)于另外一些輔助裝置,例如變矩器的冷卻油泵、動(dòng)力換檔變速箱油泵、專(zhuān)用的潤(rùn)滑油泵等,它們經(jīng)常處在工作負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)扭矩和功率的消耗應(yīng)按液壓系統(tǒng)的工作壓力來(lái)計(jì)算，則
（3-9）
（3-10）
式中，——按工作負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速；
——油泵機(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)算：
(3-13)
(3-14)
式中，——發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)系總效率為
(3-15)
拖拉機(jī)水平牽引力為
(3-16)
式中， （3-17）
——驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑（m）
機(jī)械在作業(yè)時(shí)的牽引平衡方程為
(3-18)\
由于機(jī)械在作業(yè)時(shí)的總阻力
所以，機(jī)械在作業(yè)時(shí)的牽引力
3、 功率平衡方程
當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)的鏟土運(yùn)輸機(jī)械在牽引工況下工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)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(qū)動(dòng)輔助裝置消耗的功率
驅(qū)動(dòng)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(lái)計(jì)算，則
用表示驅(qū)動(dòng)輔助裝置的效率，則：
(3-19)
2. 驅(qū)動(dòng)功率輸出軸所需的功率
這部分功率的計(jì)算以機(jī)械的類(lèi)型來(lái)決定,對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),可以認(rèn)為等于零。
3. 傳動(dòng)系的功率損失
(3-20)
4. 牽引元件滑轉(zhuǎn)引起的功率損失
(3-21)
式中，——牽引元件的滑轉(zhuǎn)速度(km/h)；
——滑轉(zhuǎn)率。
綜合上述，得出機(jī)械的功率平衡方程為：
(3-22)
通過(guò)以上牽引平衡與功率平衡計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)算，得出牽弓}機(jī)動(dòng)力與鏟寬、裝土方量的關(guān)系列如表3-3。
表3-3 拖拉機(jī)動(dòng)力與鏟刀寬度的關(guān)系
拖拉機(jī)動(dòng)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(shè)計(jì)
4.1牽引架的設(shè)計(jì)
激光平地機(jī)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(jī)牽引桿鉸接，后端牽引板鉸接在平地機(jī)機(jī)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(shè)計(jì)
牽引架與拖拉機(jī)通過(guò)三自由度牽引器鉸接，工作時(shí)拖拉機(jī)由鉸接點(diǎn)拉著平地機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，鉸接點(diǎn)的自由度對(duì)平地機(jī)的運(yùn)動(dòng)有很大的影響。傳統(tǒng)的激光平地機(jī)的牽引板是通過(guò)板上的長(zhǎng)孔與拖拉機(jī)鉸接，此鉸接點(diǎn)是牽引整個(gè)機(jī)器的受力點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間的工作后牽引板上的長(zhǎng)孔就會(huì)發(fā)生變形，變形后的牽引板造成平地機(jī)與拖拉機(jī)鉸接點(diǎn)的晃動(dòng)，平地機(jī)工作的振動(dòng)幅度也會(huì)受到影響。抬鏟機(jī)構(gòu)提
圖4-2 三自由度牽引器
升平地鏟時(shí)，平地鏟相對(duì)牽引架的高度發(fā)生變化，這種結(jié)構(gòu)的牽引板自由度不夠，會(huì)產(chǎn)生影響平地鏟提升的約束力，同時(shí)約束了平地鏟的提升高度。 三自由牽引器增加了鉸接點(diǎn)的自由度，消減了牽引鉸接點(diǎn)對(duì)平地機(jī)運(yùn)動(dòng)的約束力，平地機(jī)在牽引鉸接點(diǎn)處能夠三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)增加了牽引器的使用壽命。 三自由度牽引器的機(jī)構(gòu)如圖4-2所示。
三自由度牽引器與牽引機(jī)架用螺栓固定，中間用銷(xiāo)軸連接。鉸接板可繞著銷(xiāo)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，比傳統(tǒng)的激光平地機(jī)的牽引板多出了豎直方向的自由度。
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí),重點(diǎn)要解決如下三個(gè)問(wèn)題。
（1）解決液壓閥、液壓缸與拖拉機(jī)的匹配技術(shù)問(wèn)題。液壓油源采用拖拉機(jī)上原有的液壓泵(額定壓力為15MP)。在進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)選擇與此壓力相應(yīng)的液壓閥、液壓缸等液壓元件。
（2）選擇合理的設(shè)計(jì)方案,使整個(gè)系統(tǒng)具有節(jié)能好、發(fā)熱少的突出特點(diǎn)。
(3） 合理設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng),使液壓缸能夠快速、準(zhǔn)確地調(diào)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(shè)計(jì)
本論文設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖5-1所示,該方案由一個(gè)三位四通電磁閥控制系統(tǒng)的升降和卸荷。
工作過(guò)程:當(dāng)三位四通電磁閥2左端通電,液壓泵3出口液壓油進(jìn)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(dāng)三位四通電磁閥右端通電,液壓泵出口液壓油進(jìn)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(dāng)三位四通電磁閥兩端都斷電時(shí),液壓泵的液壓油直接回油箱;當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)規(guī)定壓力時(shí),安全閥4打開(kāi),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(diǎn):只采用三位四通電磁閥和雙作用液壓缸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉;利用三位四通電磁閥的中位卸荷機(jī)能卸荷,卸荷時(shí)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(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的液壓執(zhí)行元件。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。用它來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可免去減速裝置，并且沒(méi)有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)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(jìn)出油來(lái)控制活塞桿的伸縮，從而控制激光平地機(jī)平地鏟的升降，達(dá)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(kāi)有通孔，每個(gè)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(huì)被吸引到哪邊，通過(guò)控制閥體的移動(dòng)來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉不同的排油孔，而進(jìn)油孔是常開(kāi)的，液壓油就會(huì)進(jìn)入不同的排油管，然后通過(guò)油的壓力來(lái)推動(dòng)油缸的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置。這樣通過(guò)控制電磁鐵的電流通斷就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。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(jìn)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(dòng)啟閉，一般安裝于封閉系統(tǒng)的設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)安全。當(dāng)設(shè)備壓力超過(guò)安全閥設(shè)定壓力時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟泄壓，保證設(shè)備和管道內(nèi)介質(zhì)壓力在設(shè)定壓力之下，保護(hù)設(shè)備和管道正常工作，防止發(fā)生意外，減少損失。當(dāng)激光平地機(jī)停止工作時(shí)，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(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)規(guī)定壓力時(shí)，安全閥打開(kāi)，降低系統(tǒng)壓力。
（4） 液壓泵
液壓泵是為液壓傳動(dòng)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(dòng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能。激光平地機(jī)液壓控制系統(tǒng)的液壓泵用來(lái)給液壓缸供液壓油，使液壓缸的活塞完成伸縮運(yùn)動(dòng)。
5.3液壓缸的選擇
表5-1 選擇的拖拉機(jī)參數(shù)
動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速
650/830
制動(dòng)系統(tǒng)
靜液壓操縱
液壓系統(tǒng)
開(kāi)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(jī)械式上拉桿力傳感器
根據(jù)表5-2可知所選拖拉機(jī)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(jī)自身?yè)p耗和輔助損耗，所以計(jì)算時(shí)額定壓力為:
.
由于第四章計(jì)算出牽引力與平地機(jī)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(jī)由兩個(gè)液壓缸，液壓缸受到的負(fù)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(jì)算和表5-2（2）中的液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，最終選擇.由于為，所以液壓缸缸口應(yīng)采用對(duì)開(kāi)式法蘭。
設(shè)計(jì)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(lái)確定，一般為受拉力作用時(shí)，。受力作用時(shí):
時(shí)，
上面提到,因此
圖5-3 液壓缸行程與平地鏟抬高關(guān)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(jì)算數(shù)據(jù)，液壓缸型號(hào)為
5.4激光平地機(jī)總原理圖
由于本文采用兩個(gè)液壓控制系統(tǒng)，因此，激光平地機(jī)總原理圖如圖5-3所示。
圖5-3 激光平地機(jī)總原理圖
激光發(fā)射器發(fā)射激光束在激光平地機(jī)作業(yè)區(qū)形成一個(gè)激光平面，再由激光接收器7接收信號(hào)，把信號(hào)通過(guò)電線傳遞給控制器8，控制器把進(jìn)過(guò)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(jìn)入雙作用液壓缸的左腔還是右腔，繼而控制液壓缸活動(dòng)桿的伸縮，便控制了平地鏟升降。而左右各一個(gè)液壓控制系統(tǒng)分別控制左右的兩個(gè)液壓缸，兩個(gè)液壓缸相互獨(dú)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(jié)
本論文在研究國(guó)內(nèi)外激光平地機(jī)的基本原理和構(gòu)成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙接收器，兩個(gè)液壓缸分別由一個(gè)液壓控制系統(tǒng)控制的，以液壓控制系統(tǒng)，機(jī)架構(gòu)型，平地鏟鏟刀為重點(diǎn)的激光平地機(jī)系統(tǒng)。論文所得的結(jié)論總結(jié)如下：
（1） 分析了激光控制平地系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和基本原理，研究對(duì)比國(guó)內(nèi)外激光平地機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建了總體設(shè)計(jì)方案。
（2） 平地鏟使用雙接收器系統(tǒng)，解決了平地鏟過(guò)寬時(shí)容易傾斜的問(wèn)題，提高了平地時(shí)的平整精度。
（3） 再考察了拖拉機(jī)牽引器后，設(shè)計(jì)了三自由度牽引器，消減了牽引鉸接點(diǎn)對(duì)平地機(jī)運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)條件的限制，本系統(tǒng)沒(méi)有在田間進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)分析，無(wú)法得到實(shí)際的平地精度，后期實(shí)驗(yàn)和分析需要進(jìn)一步的完善。
在我國(guó)推廣應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)時(shí),能否降低整套設(shè)備的造價(jià)是制約這一高新技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素,適宜的設(shè)備價(jià)格對(duì)培育市場(chǎng)具有重要的作用。因此,探討對(duì)激光控制平地設(shè)備的部分構(gòu)件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)與我國(guó)激光平地機(jī)的未來(lái)，首先完成對(duì)鏟運(yùn)機(jī)具和液壓控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化,達(dá)到與進(jìn)口的激光發(fā)射和接收系統(tǒng)相配套使用的目的,對(duì)激光發(fā)射和接收部分可采用引進(jìn)的關(guān)鍵部件與國(guó)產(chǎn)的其他配件進(jìn)行組裝生產(chǎn)的模式,逐步降低設(shè)備造價(jià)和提高整套設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率。
致 謝
歷時(shí)將近一個(gè)學(xué)期的時(shí)間終于完成了設(shè)計(jì)以及論文，在論文的寫(xiě)作過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師—王旭峰老師，在課題研究過(guò)程中,激光平地機(jī)結(jié)構(gòu)、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(shū)館查找資料的時(shí)候，圖書(shū)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(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最衷心的感謝！
感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫(xiě)論文的過(guò)程中給予我了很多素材，還在論文的撰寫(xiě)和排版過(guò)程中提供熱情的幫助。
最后,祝所有曾給予我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)以及家人身體健康、萬(wàn)事如意!
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