CN112681420A - 一种刮平和压实作业机具、平地机、控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刮平和压实作业机具、平地机、控制系统及控制方法，刮平和压实作业机具包括升降机构，所述升降机构与升降调节油缸相连接，所述升降机构一侧连接有机具安装座，所述机具安装座通过弹性元件与支撑立柱相连接，所述支撑立柱的下方与钢板相连接；所述钢板的一侧与刮平切削板相连接，所述刮平切削板另一端与土壤压缩板铰接，所述钢板和土壤压缩板之间通过压实深度调节油缸相连接。平地机控制系统包括存储器、摄像头、显示器、输入输出接口和控制器。本发明具有土壤刮平和压实两种功能，该两种功能可以单独工作，也可以配合工作；该机具可以单独工作，也可以和铲刀联合作业，扩展了平地机的施工范围，提高了平地机的施工作业效率。

Description

一种刮平和压实作业机具、平地机、控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种刮平和压实作业机具、平地机、控制系统及控制方法，属于工程机械技术领域。

背景技术

平地机是一种铲土运输施工机械，主要应用于道路、机场、农田、水利等大面积土壤平整作业及刮坡、挖沟、推土、清除路面冰雪等施工作业，是国防、交通、农业、水利基本建设施工中的重要设备之一，在国民经济建设中发挥着巨大的作用。除了核心工作装置铲刀之外，平地机还可以选配中松、后松等多种作业机具，进行土壤翻松等施工作业，进一步扩展了平地机的使用范围和施工作业效率。

在应用平地机铲刀开展土壤铲掘平整作业时，铲刀刀尖以30-75°的入土角度切削土壤，在刀尖处土壤受到剪切、拉裂的作用而发生破坏并实现上、下层土壤分离；入土角度越小，剪切、拉裂作用越突出，铲掘阻力越小，越适合于平地机进行重载铲掘及坚硬土壤推土作业。然而，剪切和拉裂作用会导致切削后的土壤表面变得比较毛糙和松散，不满足道路路基等土壤表面精平整作业要求。此外，对于某些已播种的农田，需要对其表面进行平整和轻度压实处理，而作为重要农业机械之一的平地机只能够完成平整作业，而无法开展压实作业，限制了平地机的使用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种刮平和压实作业机具、平地机、控制系统及控制方法，具有土壤刮平和压实两种功能，刮平和压实两种功能可以单独工作，也可以配合工作。

为解决上述技术问题，本发明提供一种刮平和压实作业机具，包括升降机构，所述升降机构与升降调节油缸相连接，所述升降机构一侧连接有机具安装座，所述机具安装座通过弹性元件与支撑立柱相连接，所述支撑立柱的下方与钢板相连接；所述钢板的一侧与刮平切削板相连接，所述刮平切削板另一端与土壤压缩板铰接，所述钢板和土壤压缩板之间通过压实深度调节油缸相连接。

优选地，所述土壤压缩板的中部安装有双轴输出振动电机，所述双轴输出振动电机的两端分别安装有偏心块，所述双轴输出振动电机和偏心块的外部设有保护罩，所述保护罩固定于土壤压缩板上。

优选地，所述升降机构为平行四边形，包括依次连接成平行四边形的左连杆、下连杆、右连杆、上连杆，所述上连杆安装有升降调节油缸上安装座，所述下连杆安装有升降调节油缸下安装座，升降调节油缸的两端分别安装于升降调节油缸上安装座和升降调节油缸下安装座上，升降调节油缸内部安装有升降调节油缸活塞杆伸出位移传感器。

优选地，所述钢板与刮平切削板之间设置若干个肋板。

优选地，所述压实深度调节油缸一端与土壤压缩板固定连接，另一端与钢板铰接相连；所述压实深度调节油缸内部安装有压实深度调节油缸活塞杆伸出位移传感器。

优选地，所述刮平切削板为圆弧型或者渐开线型钢板；在刮平作业状态下，所述刮平切削板铲刃点圆弧切线与水平面夹角为15-35度。

本发明提供一种平地机，所述平地机的后机架通过平行四边形安装座安装有上述的刮平和压实作业机具。

本发明提供一种平地机控制系统，包括：

存储器，与控制器相连接，用于存储刮平深度与升降调节油缸伸长量的函数关系，压实深度与压实深度调节油缸伸长量的关系，刮平作业状态、压实作业状态与升降调节油缸伸长量、压实深度调节油缸伸长量的匹配关系；

摄像头，与显示器相连接，用于获取刮平、压实后的土壤表面图像数据传输至驾驶室中的显示器；

显示器，与控制器相连接，用于显示刮平、压实后的土壤表面图像数据；同时接受用户设定的刮平切削深度和压实深度；

输入输出接口，用于接受升降油缸传感器、深度调整油缸位移传感器信息，输出电控多路阀控制信号、振动电机启动信号；

控制器，分别与升降油缸位移传感器、深度调整油缸位移传感器、电控多路阀、启动器和存储器相连接，用于接受用户设定的刮平切削深度和压实深度指令，检测升降油缸位移传感器数据、深度调整油缸位移传感器数据，调用存储器中的控制逻辑，控制电控多路阀输出，进而控制升降油缸、深度油缸运动到设定位置，同时依据工况开启启动器，运转振动电机实现压实作业。

本发明提供一种平地机控制方法，包括：

确定刮平深度H ₁和压实深度H ₂的具体数值并输入到主控制器中；

主控制器获得设定参数后，通过函数关系H ₁=f(x ₁)和H ₂=f(x ₁,x ₂)，反推出升降调节油缸的活塞杆伸长量、压实深度调节油缸的活塞杆伸长量的目标值；其中，H ₁为刮平深度，x ₁为升降调节油缸的活塞杆伸长量，H ₂为压实深度，x ₂为压实深度调节油缸的活塞杆伸长量；

主控制器以升降调节油缸的活塞杆伸长量、压实深度调节油缸的活塞杆伸长量的目标值与当前值之差作为控制信号，控制多路阀，实现油缸活塞杆伸长量快速调整并达到目标值，实现作业机具姿态的自动定位与控制功能；

主控制器实时采集摄像头返回的视频画面，并反馈至显示器上进行显示，供驾驶员实时查看。

优选地，还包括：

当需要开启振动压实模式时，主控制器控制振动电机进行高速旋转。

本发明所达到的有益效果：

（1）本发明具有压实和刮平两种功能，刮平和压实两种功能可以单独工作，也可以配合工作，扩展了平地机的使用范围。

（2）该作业机具与平地机核心工作装置铲刀联合使用，平地机行驶一趟即可完成二次平整（铲刀一次、机具一次）和一次压实作业，大幅提高了平地机施工作业质量（平整度和压实度）和效率。

（3）作业机具通过弹性元件连接于平行四边形升降机构，确保在不同刮平深度时，刮平作业的切削入角度始终保持最佳值15-35度，且由于弹性元件的存在使得整个机具在遇到坚硬物体时具有一定的避障能力。

（4）压实机构铰接于圆弧型或者渐开线型刮平切削板的后部，并通过压实深度调节油缸实现压实机构的姿态调整。

（5）本发明建立了升降调节油缸活塞杆伸长量与刮平机构的刮平深度、压实深度调节油缸活塞杆伸长量与压实机构土壤压缩深度间的对应函数关系；提出了该作业机具的控制系统，可根据客户需求的土壤刮平切削深度和压实深度，自动定位作业机具的作业姿态；并通过摄像头将刮平、压实后的土壤表面效果传输至驾驶室中的显示器，方便机手实时参看土壤表面的施工质量。

附图说明

图1是刮平与压实作业机具的主视图；

图2是刮平与压实作业机具的侧视图；

图3是平地机用刮平与压实作业机具结构及安装示意图；

图4是压实机构处于收起状态；

图5是压实机构处于工作状态；

图6是作业机具施工作业过程示意图；

图7是作业机具工作原理示意图；

图8是作业机具控制系统原理图。

图中各主要附图标记的含义为：

1-升降机构；1-1-左连杆；1-2-下连杆；1-3-上连杆；1-4-右连杆；1-5-升降油缸上安装座；1-6-升降油缸下安装座；2-平行四边形安装座；3-升降调节油缸；3-1-升降调节油缸活塞杆升长量位移传感器；4-机具安装座；5-弹性元件；6-支撑立柱；7-钢板；8-刮平切削板；9-土壤压缩板；10-压实深度调节油缸；10-1-压实深度调节油缸活塞杆升长量位移传感器；11-双轴输出振动电机；12-偏心块；13-保护罩；14-平地机；15-摄像头,16-原始表面，17-刮平表面，18-压实表面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，一种刮平和压实作业机具，包括升降机构1，所述升降机构1与升降调节油缸3相连接，所述升降机构1一侧连接有机具安装座4，所述机具安装座4通过弹性元件5与支撑立柱6相连接，使得支撑立柱6可以在弹性元件5的限制下沿着竖直方向做一定幅度的升降运动。所述支撑立柱6的下方与钢板7焊接成一个整体；所述钢板7的一侧与刮平切削板8焊接为一个整体，所述钢板7与刮平切削板8之间设置若干个肋板，起到加强的作用。所述刮平切削板8另一端与土壤压缩板9铰接，所述钢板7和土壤压缩板9之间通过压实深度调节油缸10相连接。所述压实深度调节油缸10一端与土壤压缩板9固定连接，另一端与钢板7铰接相连。所述压实深度调节油缸10内部安装有压实深度调节油缸活塞杆伸出位移传感器10-1。

所述土壤压缩板9的中部安装有双轴输出振动电机11，所述双轴输出振动电机11的两端分别安装有偏心块12，所述双轴输出振动电机11和偏心块12的外部设有保护罩13，所述保护罩13固定于土壤压缩板9上，确保偏心块12高速旋转时的安全性。振动压实也可以由振动电机带动偏心块实现正弦激振力改为液压马达驱动。

所述升降机构1为平行四边形，包括依次连接成平行四边形的左连杆1-1、下连杆1-2、右连杆1-4、上连杆1-3，所述上连杆1-3安装有升降调节油缸上安装座1-5，所述下连杆1-2安装有升降调节油缸下安装座1-6，升降调节油缸3的两端分别安装于升降调节油缸上安装座1-5和升降调节油缸下安装座1-6上，升降调节油缸3内部安装有升降调节油缸活塞杆伸出位移传感器3-1。

所述刮平切削板8为圆弧型或者渐开线型钢板；在刮平作业状态下，所述刮平切削板8铲刃点圆弧切线与水平面夹角为15-35度。

本发明提供一种平地机，所述平地机14的后机架通过平行四边形安装座2安装有上述的刮平和压实作业机具。在平地机14后机罩的上端安装有一个摄像头15，用于实时采集已施工土壤表面的质量。

机具姿态定义及调整：如图3所示，控制升降调节油缸3的活塞杆伸长量，动态调节BD间的距离，使得CD边做上下运动，带动作业机具上下运动。由于四边形ABCD为平行四边形，且边AB呈竖直方向焊接于平行四边形安装座2上，始终保持竖直状态，而边CD与边AB平行，所以边CD也始终保持竖直状态，进而可以带动整个作业机具的做上下运动。当平行四边形升降调节油缸3的活塞杆伸长量达到最大时，BD间的距离最远，整个作业机具远离地面，处于收起的状态；当平行四边形升降调节油缸3的活塞杆伸长量达到最小时，BD间的距离最近，整个作业机具下放到最大的位置，刮平切削和压实机构处于地面以下，作业机具处于工作状态；且无论平行四边形升降调节油缸3的活塞杆伸长量为多少，刮平切削角度始终保持不变。

压实机构压实深度调节：如图4和图5所示，调节压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量，可以调节压实机构的土壤压缩量。当深度调节油缸10的活塞杆伸长量为零时，压实机构的最下端高于刮平切削机构的最下端，压实机构处于收起状态；此时只有刮平机构工作，压实机构不工作。调节压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量，当压实机构的最下端O点低于刮平切削机构的最下端O’时，压实机构处于压实工作状态，且OO’间的竖直距离代表了土壤的压实深度。当压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量达到最大时，OO’间的竖直距离也达到了最大，此时压实深度最深。

工作模式及姿态定义：如图6所示，合理调节平行四边形升降调节油缸3的活塞杆和压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量，当O点位于土壤表面以下、O’点的竖直高于O点时，仅仅刮平功能发挥作用，而压实功能不起作用；当O点位于土壤表面以上、O’点的竖直低于O点和土壤表面时，仅仅压实功能发挥作用，刮平功能不起作用；当O点位于土壤表面以上、O’点的竖直低于O点和土壤表面时，刮平和压实两种功能同时起作用。当平行四边形升降调节油缸3的活塞杆和压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量均为最小时，整个作业机具处于收起运输状态。整个作业机具可以单独工作，也可以与平地机核心作业装置铲刀进行联合作业，

如图6、图7所示，当刮平功能工作时，定义刮平切削板8铲刃O点低于土壤原始表面16（实际计算时为承载平地机后轮轮胎的平面）的高度H1为刮平深度；通过机构关系可以建立起刮平深度H1与平行四边形升降调节油缸3的活塞杆伸长量x1间的函数关系，H ₁=f(x ₁)。当压实功能工作时，定义下凹形土壤压缩板9最下端低于刮平切削板8铲刃O点（当刮平功能和压实功能同时工作时）或者土壤原始表面16（当压实功能单独工作时）的竖直距离H₂为压实深度；通过结构运动关系，可以构建压实深度H ₂与平行四边形升降调节油缸3的活塞杆伸长量x ₁、压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量x ₂间的函数关系x ₂，H2=f(x ₁ ,x ₂ )。

刮平作业：如图7所示，刮平切削板8为一段圆弧型或者渐开线型钢板；在刮平作业状态下，刮平切削板8铲刃O点圆弧切线与水平面夹角定义为切削入角，用θ表示。切削入角θ越小，作业机具切削阻力越小；切削入角θ越大，切削阻力越大。综合考虑切削阻力和刮平切削板8与土壤压缩板9的铰接安装位置，切削入角θ选取15-35度为最佳角度。刮平作业时，刮平切削板8铲刃O点处土壤受到剪切、拉裂的作用而发生破坏并实现上、下层土壤分离，并将刮平表面17之上的土壤铲除并堆积到刮平表面17之下的凹坑中，实现土壤表面刮平功能；由于土壤受到剪切和拉裂作用，因此刮平后土壤表面比较毛糙和松散。

压实作业：如图7所示，压实作业有两种工作模式：静态压实和振动压实。当要求的土壤压实度不高时，可以选用静态压实工作模式；振动电机11不工作，并根据客户需要调节深度调节油缸10的活塞杆至合适的伸长量，利用OO’间的竖直高度差挤压土壤表面，进而达到土壤压实的密度；当遇到坚硬异物时，利用弹性元件5的弹性，使得支撑立柱6带动其下面的机构一起向上运动，起到避障的目的。当单纯依靠静态压实无法满足用户施工需求时，可以在静态压实的基础上，按照图7所示的旋转方向（驾驶员正常坐到驾驶室中，驾驶员左手边为平地机的左侧，驾驶员右手边为平地机的右侧；从平地机左侧看，偏心块12的旋转方向为逆时针方向）启动振动电机11，带动偏心块12高速旋转，产生偏心激振力，对土壤表面进行压实作业。

如图8所示，本发明提供一种平地机控制系统，包括：

存储器，与控制器相连接，用于存储刮平深度与升降调节油缸伸长量的函数关系，压实深度与压实深度调节油缸伸长量的关系，刮平作业状态、压实作业状态与升降调节油缸伸长量、压实深度调节油缸伸长量的匹配关系；

摄像头，与显示器相连接，用于获取刮平、压实后的土壤表面图像数据传输至驾驶室中的显示器；

显示器，与控制器相连接，用于显示刮平、压实后的土壤表面图像数据；同时接受用户设定的刮平切削深度和压实深度；

输入输出接口，用于接受升降油缸传感器、深度调整油缸位移传感器信息，输出电控多路阀控制信号、振动电机启动信号；

控制器，分别与升降油缸位移传感器、深度调整油缸位移传感器、电控多路阀、启动器和存储器相连接，用于接受用户设定的刮平切削深度和压实深度指令，检测升降油缸位移传感器数据、深度调整油缸位移传感器数据，调用存储器中的控制逻辑，控制电控多路阀输出，进而控制升降油缸、深度油缸运动到设定位置，同时依据工况开启启动器，运转振动电机实现压实作业。

本发明提供一种平地机控制方法，包括：

根据客户施工需求，确定刮平深度H ₁和压实深度H ₂的具体数值并输入到主控制器中；

主控制器获得设定参数后，通过函数关系H ₁=f(x ₁)和H2=f(x ₁ ,x ₂ )，反推出平行四边形升降调节油缸3的活塞杆伸长量、压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量的目标值；

主控制器以平行四边形升降调节油缸3的活塞杆伸长量、压实深度调节油缸10的活塞杆伸长量的目标值与当前值之差作为控制信号，控制多路阀，实现油缸活塞杆伸长量快速调整并达到目标值，实现作业机具姿态的自动定位与控制功能。

当需要开启振动压实模式时，主控制器控制振动电机进行高速旋转。

此外，主控制器还实时采集摄像头返回的视频画面，并反馈至显示器上进行显示，供驾驶员实时查看。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种刮平和压实作业机具，其特征在于，包括升降机构，所述升降机构与升降调节油缸相连接，所述升降机构一侧连接有机具安装座，所述机具安装座通过弹性元件与支撑立柱相连接，所述支撑立柱的下方与钢板相连接；所述钢板的一侧与刮平切削板相连接，所述刮平切削板另一端与土壤压缩板铰接，所述钢板和土壤压缩板之间通过压实深度调节油缸相连接。

2.根据权利要求1所述的一种刮平和压实作业机具，其特征在于，所述土壤压缩板的中部安装有双轴输出振动电机，所述双轴输出振动电机的两端分别安装有偏心块，所述双轴输出振动电机和偏心块的外部设有保护罩，所述保护罩固定于土壤压缩板上。

3.根据权利要求1所述的一种刮平和压实作业机具，其特征在于，所述升降机构为平行四边形，包括依次连接成平行四边形的左连杆、下连杆、右连杆、上连杆，所述上连杆安装有升降调节油缸上安装座，所述下连杆安装有升降调节油缸下安装座，升降调节油缸的两端分别安装于升降调节油缸上安装座和升降调节油缸下安装座上，升降调节油缸内部安装有升降调节油缸活塞杆伸出位移传感器。

4.根据权利要求1所述的一种刮平和压实作业机具，其特征在于，所述钢板与刮平切削板之间设置若干个肋板。

5.根据权利要求1所述的一种刮平和压实作业机具，其特征在于，所述压实深度调节油缸一端与土壤压缩板固定连接，另一端与钢板铰接相连；所述压实深度调节油缸内部安装有压实深度调节油缸活塞杆伸出位移传感器。

6.根据权利要求1所述的一种刮平和压实作业机具，其特征在于，所述刮平切削板为圆弧型或者渐开线型钢板；在刮平作业状态下，所述刮平切削板铲刃点圆弧切线与水平面夹角为15-35度。

7.一种平地机，其特征在于，所述平地机的后机架通过平行四边形安装座安装有权利要求1-6任意一项所述的刮平和压实作业机具。

8.一种平地机控制系统，其特征在于，包括：

存储器，与控制器相连接，用于存储刮平深度与升降调节油缸伸长量的函数关系，压实深度与压实深度调节油缸伸长量的关系，刮平作业状态、压实作业状态与升降调节油缸伸长量、压实深度调节油缸伸长量的匹配关系；

摄像头，与显示器相连接，用于获取刮平、压实后的土壤表面图像数据传输至驾驶室中的显示器；

显示器，与控制器相连接，用于显示刮平、压实后的土壤表面图像数据；同时接受用户设定的刮平切削深度和压实深度；

输入输出接口，用于接受升降油缸传感器、深度调整油缸位移传感器信息，输出电控多路阀控制信号、振动电机启动信号；

控制器，分别与升降油缸位移传感器、深度调整油缸位移传感器、电控多路阀、启动器和存储器相连接，用于接受用户设定的刮平切削深度和压实深度指令，检测升降油缸位移传感器数据、深度调整油缸位移传感器数据，调用存储器中的控制逻辑，控制电控多路阀输出，进而控制升降油缸、深度油缸运动到设定位置，同时依据工况开启启动器，运转振动电机实现压实作业。

9.一种平地机控制方法，其特征在于，包括：

确定刮平深度H ₁和压实深度H ₂的具体数值并输入到主控制器中；

主控制器获得设定参数后，通过函数关系H ₁=f(x ₁)和H ₂=f(x ₁,x ₂)，反推出升降调节油缸的活塞杆伸长量、压实深度调节油缸的活塞杆伸长量的目标值；其中，H ₁为刮平深度，x ₁为升降调节油缸的活塞杆伸长量，H ₂为压实深度，x ₂为压实深度调节油缸的活塞杆伸长量；

主控制器以升降调节油缸的活塞杆伸长量、压实深度调节油缸的活塞杆伸长量的目标值与当前值之差作为控制信号，控制多路阀，实现油缸活塞杆伸长量快速调整并达到目标值，实现作业机具姿态的自动定位与控制功能；

主控制器实时采集摄像头返回的视频画面，并反馈至显示器上进行显示，供驾驶员实时查看。

10.根据权利要求9所述的一种平地机控制方法，其特征在于，还包括：

当需要开启振动压实模式时，主控制器控制振动电机进行高速旋转。

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