CN111644307A - 一种避障式喷嘴结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种避障式喷嘴结构及其控制方法，当喷嘴结构在前进过程中遇到凸起的石块或土丘时，需要迅速把喷嘴结构提升一定高度，避开石块和土丘的反向冲击力，保护好喷嘴结构，在野外的作业容易遇到泥土覆盖而使传感器失效，采用电控模式不适合这种工况，需要采用纯液压加机械结构的方式，实现喷嘴结构前方遇到石块或土丘时会迅速提升喷嘴结构一定时高度，避开前方障碍，然后通过人工确认已经避开前方障碍物后恢复到作业状态。

Description

一种避障式喷嘴结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种避障式喷嘴结构及其控制方法，主要应用在分布有凸起的石块和土丘的地带作业时遇到障碍物后喷嘴臂可以迅速抬起，实现避障，避免喷嘴结构被前方石块或者土丘挤压而损坏的场合。

背景技术

通常在分布有大小石块和凸起的土丘地带作业时，当喷嘴结构离地10厘米高作业时，很容易与前方的石块或者土丘碰撞挤压，碰撞挤压后容易引起喷嘴结构损坏，现有技术中需要实现避障功能通常采用电控模式，用距离传感器监控前方的石块或者土丘，通过控制器判断石块或者土丘的距离，再控制油缸伸缩实现避障功能，这种方式的缺点是成本高，距离传感器容易损坏，距离传感器容易被泥土笼罩而失效，距离传感器容易被植物遮挡造成控制器误判成石块土丘，从而误报信息导致控制不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是:当喷嘴结构在前进过程中遇到凸起的石块或土丘时，需要迅速把喷嘴结构提升一定高度，避开石块和土丘的反向冲击力，保护好喷嘴结构，在野外的作业容易遇到泥土覆盖而使传感器失效，采用电控模式不适合这种工况，需要采用纯液压加机械结构的方式，实现喷嘴结构前方遇到石块或土丘时会迅速提升喷嘴结构一定时高度，避开前方障碍，然后通过人工判断已经避开前方障碍物后恢复到作业状态。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：一种避障式喷嘴结构及其控制方法，主要元件由基架、销轴I、液压接头、油缸、盖板、M12内六角螺钉、水管接头、喷嘴、中空钢管、卡针I、销轴II、喷嘴架、加强杆、液压油管、双路单向平衡阀、液控换向阀、梭阀、可调压液控换向阀、节流口、单向阀、小蓄能器、液控先导手柄、钢球、弹簧、卡针II组成；所述基架最后端是一块钢板，在基架后侧钢板上有四个直径为32毫米的圆孔，可以用四个M30的螺栓把基架安装到拖拉机前端相应安装板上；基架后侧钢板上方有一个耳片，可以用销轴I将油缸的无杆腔端安装到耳片上，使得油缸与基架构成铰接，油缸可以绕销轴I进行一定角度的旋转；所述卡针II可以防止销轴I脱离耳片；所述基架后侧钢板前端有一个圆柱体，圆柱体与基架后侧钢板焊接成一个整体，圆柱体前端有一个半球孔，半球孔底部有一个圆孔，圆孔里安装一个弹簧，弹簧有20%的预压缩量，弹簧前方有一个钢球，钢球的前方有一个喷嘴架，喷嘴架最左侧为一球状体，球状体左侧有一个半球孔，前述钢球的一半在这半球孔内，喷嘴架球状体可以在基架圆柱体半球孔内转动；喷嘴架球状体前方为一圆柱体，圆柱体中间有一个圆柱孔，圆柱体侧面有一个G1/4”水管接口，安装有一个G1/4”水管接头；喷嘴架圆柱体前方为一尖状头部，喷嘴架头部两侧分别焊接弧状中空钢管，中空钢管上安装有四个喷嘴；在中空钢管和喷嘴架球状体之间有四根圆柱状加强杆，加强杆与中空钢管和喷嘴架球状体都是焊接关系；喷嘴架球状体、喷嘴架圆柱体、尖状头部、两根中空钢管、四根加强杆焊接成一体，构成一个喷嘴架；所述基架圆柱体前方有一块盖板，盖板上有一个圆孔和一个半球孔，喷嘴架球状体可以在这个半球孔内旋转；八颗M12内六角螺钉把盖板固定安装到基架圆柱体上。

所述油缸为单出杆油缸，缸杆头部与喷嘴架尖状头部上方耳片铰接，采用一个销轴II和卡针I实现这个铰接，油缸的无杆腔和有杆腔各有一个液压接头，通过液压油管分别与双路单向平衡阀的两个出口V1和V2连接；液控换向阀的两个出口A口和B口分别与双路单向平衡阀的两个入口F1口和F2口连接；油缸的无杆腔与单向阀入口、节流口的一端并联，单向阀出口、小蓄能器入口与节流口另外一端并联后通过管路与可调压液控换向阀的先导口X口连接；所述液控先导手柄的入口P1与可调压液控换向阀的入口P2并联，与3MPa的先导油源连接，液控先导手柄的回油口T1与可调压液控换向阀的T2口并联，回到油箱，可调压液控换向阀的出口A2口连接到梭阀的左侧入口，液控先导手柄的a口连接到梭阀的右侧入口，梭阀的出口连接到液控换向阀的a1先导口，液控先导手柄的b口连接到液控换向阀的b1先导口。

一种避障式喷嘴结构的控制方法：将液控换向阀的P口与压力为10MPa的液压源连接，液控换向阀的T口与回油管连接，把可调压液控换向阀的弹簧设定到12MPa开启压力，双路单向平衡阀的开启压力都调节到15MPa；正常工作时喷嘴架呈水平向前状态，钢球的一部分在喷嘴架球状体的半球孔内，弹簧将钢球向前顶出，使得喷嘴架是一种稳定水平向前状态；油缸的无杆腔和有杆腔内的液体被双路单向平衡阀锁定，油缸也无法自由运动，加强了喷嘴架稳定于水平向前状态。

当喷嘴结构在水平向前作业过程中，前端的喷嘴架尖状头部接触到前方的石块或者土丘后，由于尖状头部下端面是圆弧状，石块对喷嘴架有一个向上的分力，当分力超过弹簧的预紧力后，喷嘴架会整体绕基架圆柱体半球孔向上旋转，此时油缸缸杆受到向无杆腔运动趋势的压缩力，在油缸的无杆腔产生大于12MPa的压力时，双路单向平衡阀还没有开启，可调压液控换向阀的X口受到大于12MPa的压力后换向，P1口的3MPa的先导油经过可调压液控换向阀进入梭阀左侧入口，通过梭阀后到液控换向阀的a1先导口，导致液控换向阀左位工作，液控换向阀P口的10MPa的液压油通过液控换向阀和双路单向平衡阀后进入油缸的有杆腔，推动油缸回缩，油缸无杆腔内的液体经过平衡阀、液控换向阀A口和回油箱泄压。

在油缸受压导致无杆腔内产生的大于12MPa的高压油经过单向阀快速进入小蓄能器，小蓄能器充满后压力超过12MPa后进入可调压液控换向阀的X口使得可调压液控换向阀换向，当液控换向阀换向到左位后，油缸的无杆腔变成泄压状态，此时小蓄能器内的液体通过节流口慢慢释放，使得可调压液控换向阀的X口的压力在3秒后才低于12MPa，经过3秒钟的油缸回缩，油缸已经将原先水平状的喷嘴架上拉30°角，有效避开了前方的石头或者土丘，当可调压液控换向阀的X口的压力小于12MPa后，液控换向阀的a1先导口失压，液控换向阀在阀芯两端的弹簧作用下回到中间位置，油缸停止运动；如果需要切换到喷嘴架水平状态，需要作业人员将液控先导手柄向左推，液控换向阀b1口进油，液控换向阀右位有效，10MPa液压油通过液控换向阀、双路单向平衡阀后进入油缸无杆腔，驱动油缸伸出，当油缸全部伸出后，喷嘴架回到稳定水平向前状态。

采用上述结构后：采用了弹簧钢球结构后，可以利用弹簧预紧力把喷嘴架固定在水平向前状态，在微小的干扰力作用下喷嘴架不会产生向上转动，油缸在平衡阀的作用下是锁定状态，也协助了这个水平向前的平衡姿态；当外力作用超过弹簧的预紧力后，喷嘴架可以脱离钢球的作用向上旋转，通过检测油缸无杆腔的压力切换液控换向阀换向，主动驱动油缸回缩，带动喷嘴架提升30°角；小蓄能器和节流口结构使得喷嘴架向上旋转后，油缸不再受到石头的向上分力的情况下，依旧让油缸回缩3秒，使得油缸带动喷嘴架向上旋转30°角，确保危险完全解除后依靠人工判断继续作业。

附图说明

附图1一种避障式喷嘴结构及其控制方法原理图

附图2一种避障式喷嘴结构及其控制方法结构示意图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施过程对本发明作详细说明。

参见附图1和附图2，一种避障式喷嘴结构，主要元件由基架1、销轴I 2、液压接头3、油缸4、盖板5、M12内六角螺钉6、水管接头7、喷嘴8、中空钢管9、卡针I 10、销轴II 11、喷嘴架12、加强杆13、液压油管14、双路单向平衡阀15、液控换向阀16、梭阀17、可调压液控换向阀18、节流口19、单向阀20、小蓄能器21、液控先导手柄22、钢球23、弹簧24、卡针II 25组成；所述基架1最后端是一块钢板，在基架1后侧钢板上有四个直径为32毫米的圆孔，可以用四个M30的螺栓把基架1安装到拖拉机前端相应安装板上；基架1后侧钢板上方有一个耳片，可以用销轴I 2将油缸4的无杆腔端安装到耳片上，使得油缸4与基架1构成铰接，油缸4可以绕销轴I 2进行一定角度的旋转；所述卡针II 25可以防止销轴I 2脱离耳片；所述基架1后侧钢板前端有一个圆柱体，圆柱体与基架后侧钢板焊接成一个整体，圆柱体前端有一个半球孔，半球孔底部有一个圆孔，圆孔里安装一个弹簧24，弹簧24有20%的预压缩量，弹簧24前方有一个钢球23，钢球23的前方有一个喷嘴架12，喷嘴架12最左侧为一球状体，球状体左侧有一个半球孔，前述钢球23的一半在这半球孔内，喷嘴架12球状体可以在基架1圆柱体半球孔内转动；喷嘴架12球状体前方为一圆柱体，圆柱体中间有一个圆柱孔，圆柱体侧面有一个G1/4”水管接口，安装有一个G1/4”水管接头7；喷嘴架12圆柱体前方为一尖状头部，喷嘴架12头部两侧分别焊接弧状中空钢管9，中空钢管9上安装有四个喷嘴8；在中空钢管9和喷嘴架12球状体之间有四根圆柱状加强杆13，加强杆13与中空钢管9和喷嘴架12球状体都是焊接关系；喷嘴架12球状体、喷嘴架12圆柱体、尖状头部、两根中空钢管9、四根加强杆13焊接成一体，构成一个喷嘴架12；所述基架1圆柱体前方有一块盖板5，盖板5上有一个圆孔和一个半球孔，喷嘴架12球状体可以在这个半球孔内旋转；八颗M12内六角螺钉6把盖板5固定安装到基架1圆柱体上。

所述油缸4为单出杆油缸，缸杆头部与喷嘴架12尖状头部上方耳片铰接，采用一个销轴II 11和卡针I 10实现这个铰接，油缸4的无杆腔和有杆腔各有一个液压接头3，通过液压油管14分别与双路单向平衡阀15的两个出口V1和V2连接；液控换向阀16的两个出口A口和B口分别与双路单向平衡阀15的两个入口F1口和F2口连接；油缸4的无杆腔与单向阀20入口、节流口19的一端并联，单向阀20出口、小蓄能器21入口与节流口19另外一端并联后通过管路与可调压液控换向阀18的先导口X口连接；所述液控先导手柄22的入口P1与可调压液控换向阀18的入口P2并联，与3MPa的先导油源连接，液控先导手柄22的回油口T1与可调压液控换向阀18的T2口并联，回到油箱，可调压液控换向阀18的出口A2口连接到梭阀17的左侧入口，液控先导手柄22的a口连接到梭阀17的右侧入口，梭阀17的出口连接到液控换向阀16的a1先导口，液控先导手柄22的b口连接到液控换向阀16的b1先导口。

一种避障式喷嘴结构的控制方法:将液控换向阀16的P口与压力为10MPa的液压源连接，液控换向阀16的T口与回油管连接，把可调压液控换向阀18的弹簧24设定到12MPa开启压力，双路单向平衡阀15的开启压力都调节到15MPa；正常工作时喷嘴架12呈水平向前状态，钢球23的一部分在喷嘴架12球状体的半球孔内，弹簧24将钢球23向前顶出，使得喷嘴架12是一种稳定水平向前状态；油缸4的无杆腔和有杆腔内的液体被双路单向平衡阀15锁定，油缸4也无法自由运动，加强了喷嘴架12稳定于水平向前状态。

当喷嘴结构在水平向前作业过程中，前端的喷嘴架12尖状头部接触到前方的石块或者土丘后，由于尖状头部下端面是圆弧状，石块对喷嘴架12有一个向上的分力，当分力超过弹簧24的预紧力后，喷嘴架12会整体绕基架1圆柱体半球孔向上旋转，此时油缸4缸杆受到向无杆腔运动趋势的压缩力，在油缸4的无杆腔产生大于12MPa的压力时，双路单向平衡阀15还没有开启，可调压液控换向阀18的X口受到大于12MPa的压力后换向，P1口的3MPa的先导油经过可调压液控换向阀18进入梭阀17左侧入口，通过梭阀17后到液控换向阀16的a1先导口，导致液控换向阀16左位工作，液控换向阀16P口的10MPa的液压油通过液控换向阀16和双路单向平衡阀15后进入油缸4的有杆腔，推动油缸4回缩，油缸4无杆腔内的液体经过平衡阀、液控换向阀16A口和回油箱泄压。

在油缸4受压导致无杆腔内产生的大于12MPa的高压油经过单向阀20快速进入小蓄能器21，小蓄能器21充满后压力超过12MPa后进入可调压液控换向阀18的X口使得可调压液控换向阀18换向，当液控换向阀16换向到左位后，油缸4的无杆腔变成泄压状态，此时小蓄能器21内的液体通过节流口19慢慢释放，使得可调压液控换向阀18的X口的压力在3秒后才低于12MPa，经过3秒钟的油缸4回缩，油缸4已经将原先水平状的喷嘴架12上拉30°角，有效避开了前方的石头或者土丘，当可调压液控换向阀18的X口的压力小于12MPa后，液控换向阀16的a1先导口失压，液控换向阀16在阀芯两端的弹簧作用下回到中间位置，油缸4停止运动；如果需要切换到喷嘴架12水平状态，需要作业人员将液控先导手柄22向左推，液控换向阀16b1口进油，液控换向阀16右位有效，10MPa液压油通过液控换向阀16、双路单向平衡阀15后进入油缸4无杆腔，驱动油缸4伸出，当油缸4全部伸出后，喷嘴架12回到稳定水平向前状态。

Claims (3)

1.一种避障式喷嘴结构及其控制方法，其特征在于：主要元件由基架（1）、销轴I（2）、液压接头（3）、油缸（4）、盖板（5）、M12内六角螺钉（6）、水管接头（7）、喷嘴（8）、中空钢管（9）、卡针I（10）、销轴II（11）、喷嘴架（12）、加强杆（13）、液压油管（14）、双路单向平衡阀（15）、液控换向阀（16）、梭阀（17）、可调压液控换向阀（18）、节流口（19）、单向阀（20）、小蓄能器（21）、液控先导手柄（22）、钢球（23）、弹簧（24）、卡针II（25）组成；所述基架（1）最后端是一块钢板，在基架（1）后侧钢板上有四个直径为32毫米的圆孔，可以用四个M30的螺栓把基架（1）安装到拖拉机前端相应安装板上；基架（1）后侧钢板上方有一个耳片，可以用销轴I（2）将油缸（4）的无杆腔端安装到耳片上，使得油缸（4）与基架（1）构成铰接，油缸（4）可以绕销轴I（2）进行一定角度的旋转；所述卡针II（25）可以防止销轴I（2）脱离耳片；所述基架（1）后侧钢板前端有一个圆柱体，圆柱体与基架（1）后侧钢板焊接成一个整体，圆柱体前端有一个半球孔，半球孔底部有一个圆孔，圆孔里安装一个弹簧（24），弹簧（24）有20%的预压缩量，弹簧（24）前方有一个钢球（23），钢球（23）的前方有一个喷嘴架（12），喷嘴架（12）最左侧为一球状体，球状体左侧有一个半球孔，前述钢球（23）的一半在这半球孔内，喷嘴架（12）球状体可以在基架（1）圆柱体半球孔内转动；喷嘴架（12）球状体前方为一圆柱体，圆柱体中间有一个圆柱孔，圆柱体侧面有一个G1/4”水管接口，安装有一个G1/4”水管接头（7）；喷嘴架（12）圆柱体前方为一尖状头部，喷嘴架（12）头部两侧分别焊接弧状中空钢管（9），中空钢管（9）上安装有四个喷嘴（8）；在中空钢管（9）和喷嘴架（12）球状体之间有四根圆柱状加强杆（13），加强杆（13）与中空钢管（9）和喷嘴架（12）球状体都是焊接关系；喷嘴架（12）球状体、喷嘴架（12）圆柱体、尖状头部、两根中空钢管（9）、四根加强杆（13）焊接成一体，构成一个喷嘴架（12）；所述基架（1）圆柱体前方有一块盖板（5），盖板（5）上有一个圆孔和一个半球孔，喷嘴架（12）球状体可以在这个半球孔内旋转；八颗M12内六角螺钉（6）把盖板（5）固定安装到基架（1）圆柱体上。

2.根据权利要求1所述一种避障式喷嘴结构及其控制方法，其特征在于：所述油缸（4）为单出杆油缸，缸杆头部与喷嘴架（12）尖状头部上方耳片铰接，采用一个销轴II（11）和卡针I（10）实现这个铰接，油缸（4）的无杆腔和有杆腔各有一个液压接头（3），通过液压油管（14）分别与双路单向平衡阀（15）的两个出口V1和V2连接；液控换向阀（16）的两个出口A口和B口分别与双路单向平衡阀（15）的两个入口F1口和F2口连接；油缸（4）的无杆腔与单向阀（20）入口、节流口（19）的一端并联，单向阀（20）出口、小蓄能器（21）入口与节流口（19）另外一端并联后通过管路与可调压液控换向阀（18）的先导口X口连接；所述液控先导手柄（22）的入口P1与可调压液控换向阀（18）的入口P2并联，与3MPa的先导油源连接，液控先导手柄（22）的回油口T1与可调压液控换向阀（18）的T2口并联，回到油箱，可调压液控换向阀（18）的出口A2口连接到梭阀（17）的左侧入口，液控先导手柄（22）的a口连接到梭阀（17）的右侧入口，梭阀（17）的出口连接到液控换向阀（16）的a1先导口，液控先导手柄（22）的b口连接到液控换向阀（16）的b1先导口。

3.根据权利要求1所述一种避障式喷嘴结构及其控制方法，其特征在于：将液控换向阀（16）的P口与压力为10MPa的液压源连接，液控换向阀（16）的T口与回油管连接，把可调压液控换向阀（18）的弹簧（24）设定到12MPa开启压力，双路单向平衡阀（15）的开启压力都调节到15MPa；正常工作时喷嘴架（12）呈水平向前状态，钢球（23）的一部分在喷嘴架（12）球状体的半球孔内，弹簧（24）将钢球（23）向前顶出，使得喷嘴架（12）是一种稳定水平向前状态；油缸（4）的无杆腔和有杆腔内的液体被双路单向平衡阀（15）锁定，油缸（4）也无法自由运动，加强了喷嘴架（12）稳定于水平向前状态；当喷嘴结构在水平向前作业过程中，前端的喷嘴架（12）尖状头部接触到前方的石块或者土丘后，由于尖状头部下端面是圆弧状，石块对喷嘴架（12）有一个向上的分力，当分力超过弹簧（24）的预紧力后，喷嘴架（12）会整体绕基架（1）圆柱体半球孔向上旋转，此时油缸（4）缸杆受到向无杆腔运动趋势的压缩力，在油缸（4）的无杆腔产生大于12MPa的压力时，双路单向平衡阀（15）还没有开启，可调压液控换向阀（18）的X口受到大于12MPa的压力后换向，P1口的3MPa的先导油经过可调压液控换向阀（18）进入梭阀（17）左侧入口，通过梭阀（17）后到液控换向阀（16）的a1先导口，导致液控换向阀（16）左位工作，液控换向阀（16）P口的10MPa的液压油通过液控换向阀（16）和双路单向平衡阀（15）后进入油缸（4）的有杆腔，推动油缸（4）回缩，油缸（4）无杆腔内的液体经过平衡阀、液控换向阀（16）A口和回油箱泄压；在油缸（4）受压导致无杆腔内产生的大于12MPa的高压油经过单向阀（20）快速进入小蓄能器（21），小蓄能器（21）充满后压力超过12MPa后进入可调压液控换向阀（18）的X口使得可调压液控换向阀（18）换向，当液控换向阀（16）换向到左位后，油缸（4）的无杆腔变成泄压状态，此时小蓄能器（21）内的液体通过节流口（19）慢慢释放，使得可调压液控换向阀（18）的X口的压力在3秒后才低于12MPa，经过3秒钟的油缸（4）回缩，油缸（4）已经将原先水平状的喷嘴架（12）上拉30°角，有效避开了前方的石头或者土丘，当可调压液控换向阀（18）的X口的压力小于12MPa后，液控换向阀（16）的a1先导口失压，液控换向阀（16）在阀芯两端的弹簧作用下回到中间位置，油缸（4）停止运动；如果需要切换到喷嘴架（12）水平状态，需要作业人员将液控先导手柄（22）向左推，液控换向阀（16）b1口进油，液控换向阀（16）右位有效，10MPa液压油通过液控换向阀（16）、双路单向平衡阀（15）后进入油缸（4）无杆腔，驱动油缸（4）伸出，当油缸（4）全部伸出后，喷嘴架（12）回到稳定水平向前状态。

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