接觸式堅實冰雪厚度檢測分析

莊騰飛 王俊發 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖 豆 賀

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接觸式堅實冰雪厚度檢測分析

莊騰飛 王俊發 李亞芹 邱新偉 王 銳 龐秀巖 豆 賀

目前除雪機械均未設置冰雪厚度檢測裝置，作業深度不可自動調節，對薄厚不均的冰雪清除時效率低，單次清除殘留量大。文中針對堅實冰雪的特性，分析現有的檢測方法，設計出接觸式厚度檢測裝置。該裝置選用LVT526H型傾角傳感器，運用單片機編程計算顯示出測得的傾角值和厚度值。用土胚代替堅實冰雪進行室內初步試驗，通過對檢測數據的分析得到檢測裝置的誤差均在4mm以內，檢測精度高，反饋速度快，通過室內試驗為后續的室外和整機檢測提供參考和依據。

路面冰雪的厚度變化是影響冰雪清除時除凈率的重要因素。現有除雪機械均未設計安裝雪層厚度的檢測裝置，作業深度不能自主調節，對路面和機器的損害大，耗能多。壓實冰雪清除時如路太養路綜合除雪機；恒源環衛HQC/ C-300推雪鏟；山友除雪凹盤等作業時只能清除固定深度冰雪，冰雪層厚度較薄時對路面損害大，除雪部件磨損快；冰雪層較厚時除凈率低，除雪效果不理想。堅實冰雪清除時如雪狼4號除雨冰機；雪獅清道夫8型除雪機等作業時由于冰雪深度未知，除堅實冰雪時作業部件轉速快、受力大，作業中刀具磨損更快，對路面損害嚴重。因此在冰雪清除時特別是對堅實冰雪清除時急需設計并安裝冰雪厚度檢測裝置。

通過對堅實冰雪特性分析，結合常用的檢測方法，設計出接觸式堅實冰雪厚度檢測裝置，通過初步試驗查驗了裝置的可行性和精度范圍。

堅實冰雪特性分析

堅實冰雪是由行人和車輛的反復碾壓伴隨在溫度的升降變化反復融凍后形成的表層冰膜，內部含雜，硬度大、密度高、與路面粘附緊固的冰雪。堅實冰雪的物理特性如表1所示。

表1　堅實冰雪特性

檢測方法分析

常用的測量方法中，主要測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量，如圖1所示。目前對冰雪厚度檢測已有應用的是降雪監測站用激光檢測降雪厚度、利用電容測量冬季江河冰層厚度等，但對道路冰雪的厚度測量方法尚在研究階段，還未有成熟的技術和方法。

圖1　測量方法分類

由于堅實冰雪的特殊性，冰雪和瀝青路面均為非金屬，介電常數相近，冰雪內部含雜，厚度檢測時所有檢測裝置必須在冰雪上側，且檢測精度不易受外界環境影響，又需實時動態測量。所以現已運用的激光測量、電容電感測量、超聲波測量等在冰雪層厚度測量時均不再適用。經過分析最終選用機械接觸式測量，具體方法如下。

假定路面平整、路面障礙為井蓋和車輛減速帶。通過在同一基準面上測量路面的起伏狀況，然后在進行相應的計算，得出起伏的冰雪層厚度。檢測原理是在連接冰雪試驗臺的拖拉機上安裝伸出的厚度測量基準桿。此基準桿在拖拉機上固定，并和已除路面距離為h，且為已知值。厚度檢測時，利用傾角傳感器測量冰雪待除路面上隨行桿與基準桿的角度θ值，通過公式（1）可計算出檢測的冰雪厚度。檢測原理圖如圖2所示。

圖2　厚度檢測原理圖

圖3　厚度檢測系統示意圖

式中：

h—為隨行桿離地面的距離；

h2—測量得冰雪厚度值。

試驗原理及過程

結合試驗原理利用傾角傳感器來檢測隨行桿與測量基準桿的實時夾角，由于室外冰雪檢測時的溫度低、環境差，選用普通的商用傳感器不能滿足溫度和試驗要求，通過綜合對比，最終選擇LVT526H型傾角傳感器，如圖4所示，LVT526H型傾角傳感器的參數指標如表2所示。51單片機如圖5所示，LED12864顯示屏如圖6所示。

基于夯實土胚的堅實度可控，且形成過程和物理特性與堅實冰雪相近。運用土胚代替堅實冰雪檢測結果具有可參考性。經過分析在初步室內檢測試驗中用特定堅實度范圍的夯實土胚和土槽軌道分別代替堅實冰雪和道路路面。試驗中簡化相關試驗參數。厚度檢測系統示意圖如圖3所示。

根據試驗原理搭建的試驗臺如圖7所示。試驗中土胚參數分別設置為長度1m，厚度分別按正弦起伏、先增后減、遞增、遞減、先減后增五種典型的形狀設置。模擬可能出現的路面冰雪形狀。驗證不同路面下檢測裝置的測量精度。

試驗前通過土壤堅實度測量儀檢測各段土胚的堅實度，檢測結果如表3所示，從測量結果可以看出試驗土胚的堅實度均在堅實冰雪的堅實度范圍內，試驗土胚性質接近堅實冰雪的性質。試驗過程圖片如圖7～10所示。

表2　LVT526H型傾角傳感器的參數指標

表3　制作土胚的堅實度

圖4　LVT526H傾角傳感器

圖5　51單片機

圖6　LED12864顯示屏

圖7　檢測試驗圖

圖8　厚度檢測調零復位

圖9　檢測試驗圖

圖10　試驗過程實時厚度檢測值

試驗結果分析

通過檢測試驗，試驗測得的厚度和試驗前人工測得的結果分別如圖11～15所示。通過結果圖形可知試驗路段中圖12中先增后減路段檢測精度最高，誤差均在0.8mm以內；圖13中遞增段中土胚厚度持續增加時檢測精度較高，誤差在0.9mm以內，末端起伏階段誤差稍大，最大為1.7mm；圖14遞減路面與之類似，遞減段厚度最大誤差達到2.5mm。圖15先減后增段最大誤差為2.6mm；圖11正弦起伏路段起伏頻繁，測量誤差最大，誤差最大處主要發生在路段的最高點和最低處，最大誤差為第二個波谷處，數值為3.7mm。綜合分析試驗中檢測誤差在可允許的4mm范圍之內，最大誤差出現在正弦起伏段為3.7mm，其余路段誤差均在3mm以內。試驗裝置反饋速度快，精度滿足要求。

圖11　正弦起伏段

圖12　先增后減段

圖13　遞增試驗段

圖14　遞減試驗段

圖15　先減后增試驗段

結語

（1）介紹了堅實冰雪的物理特性，分析了目前常用的檢測方法，結合冰雪特性選取接觸式檢測方法，首次利用機械接觸式方法對堅實冰雪厚度進行檢測。針對冰雪厚度檢測原理，選用LVT526H傾角傳感器通過編程計算顯示出待測的冰雪厚度。

（2）通過參數簡化，利用土胚代替堅實冰雪進行室內土槽初步試驗，依據堅實冰雪的堅實度設置不同參數的夯實土胚。試驗得出對不同參數土胚檢測中先增后減路段測量精度最高，誤差在0.8mm以內，正弦起伏段精度最低，最大誤差發生在波谷處為3.7mm，總體誤差均在4mm以內，反饋速度快，檢測精度滿足要求。檢測試驗驗證了裝置的可行性，為下一步的室外試驗和整機調試提供了參考和依據。

莊騰飛 王俊發 李亞芹 邱新

偉 王 銳 龐秀巖 豆 賀

佳木斯大學機械工程學院

莊騰飛（1987－）男，在讀碩士研究生，研究方向：農業機械與裝備：通訊作者：李亞芹（1978－）女，博士，副教授，研究方向：農業機械與裝備。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.005

國家自然科學基金項目（51175226）；黑龍江省自然科學基金項目（E201465）；佳木斯大學研究生科技創新項目（LZZ2014_009）