巫均平

(茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 茂名 525000)

0 引言

振動式林果采收機可以實現(xiàn)實時機械化收割,對林果生產(chǎn)具有很高的應(yīng)用價值。國外振動機械化的研究早于中國,在理論基礎(chǔ)研究與實際工作相結(jié)合方面取得了較大成就[1]。我國對林果業(yè)采收機械的研究起步較晚,而且開展的研究還不多,近年來對機械設(shè)計的研究也在逐年加強,但這些機械采收的操作對象比較單一,在實際應(yīng)用過程中還存在共振現(xiàn)象。

在林果機械振動采收機上發(fā)生異常共振不僅會影響到當(dāng)年林果的收成質(zhì)量,而且還會影響到機械振動采收機的使用壽命,為此,從模態(tài)的角度分析林果機械振動采收機的異常共振情況。

模態(tài)是一個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基本振動特性之一,利用林果機械振動采收機異常共振模態(tài)分析方法,可以得到采收機結(jié)構(gòu)在敏感頻率范圍內(nèi)模態(tài)的共振特性,以及在該頻帶內(nèi)和在內(nèi)外各種振源的激勵下的振動響應(yīng),進而求解模態(tài)參數(shù),利用這些特征參數(shù)進行采收機結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計。

1 機械振動采收機異常共振模態(tài)分析方法設(shè)計

1.1 構(gòu)建林果機械振動采收機結(jié)構(gòu)模型

為適應(yīng)野外采摘作業(yè)條件,林果機械振動采收機結(jié)構(gòu)由鉗式振動頭、液壓油缸、液壓馬達、套管、伸縮支臂、主梁架和傳動軸等組成,其整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械振動式林果采收機整體結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出,結(jié)合機械振動式林果采收機的工作原理,將變速箱和電機設(shè)備安裝在整個結(jié)構(gòu)的下凹位置上。為了保證設(shè)備的穩(wěn)定運行,在架構(gòu)和履帶輪之間的位置上安裝彈簧減振裝置。通過各組成元件之間的合理布局,保證采收機的工作重心在設(shè)備的底部[2]。采收機的采摘頭決定了該設(shè)備的工作能力和范圍,在傳動電機和減速器等設(shè)備的控制與驅(qū)動下,實現(xiàn)對滑臺支架和導(dǎo)軌支架等機械結(jié)構(gòu)的控制。在采收機的臂架結(jié)構(gòu)中,存在滑臺支座的旋轉(zhuǎn)運動與橫梁的直線運動以及導(dǎo)軌的垂直直線運動3個自由度,從而保證采收機采摘頭始終處于相同的水平面[3]。在林果機械振動式采收機作業(yè)時,夾持機構(gòu)在電機的控制下夾持樹干,帶動曲柄滑塊轉(zhuǎn)動,帶動水果的振動,完成水果的采摘。曲柄滑塊機構(gòu)能以較小的行程獲得較大的慣性力。在此基礎(chǔ)上,利用馬達控制的3個旋轉(zhuǎn)自由度與臂架機構(gòu)的3個旋轉(zhuǎn)自由度共同構(gòu)成了整個機械臂,達到了六自由度的設(shè)計要求[4]。林果機械振動采摘器結(jié)構(gòu)中果樹的振蕩裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 林果機械振動采收機振搖裝置結(jié)構(gòu)

1.2 分析林果機械振動采收機工作模式

振動式林果采摘機的基本工作原理是通過一定形式的振動機構(gòu)使果實振動產(chǎn)生慣性力,對果柄施以拉、彎、扭作用。當(dāng)慣性力大于果實與樹枝的結(jié)合力時,果實在連接最弱處果枝分離,完成分離過程[5]。根據(jù)上述采摘器的工作原理,可以得出如圖3所示的操作時采摘器的基本模式。

圖3 采收機工作原理

圖3中,參數(shù)m1和m2分別為采收機和林果樹的質(zhì)量,c和K分別為林果樹的等效阻尼系數(shù)和彈性系統(tǒng),x1和x2分別為采收機和目標林果樹的移動距離和坐標,r和l分別為曲柄半徑和連桿長度[6]。利用拉格朗日方程對采收機的運動原理進行分析,并得出n自由度設(shè)備的運動微分方程為

(1)

(2)

(3)

f(t)=Asin(ωt+φ)·e-ξωt

(4)

A為振動幅值;ω為振動角頻率;φ和ξ分別為初始相位角和阻尼比。

1.3 設(shè)置采收機振動標準

振動量是采收機軸承處的振動速度,也是采收機軸承內(nèi)部或附近軸的相對振動位移,在每個測量點上,所測得的最大振蕩速度值,是采收機軸承振動強度的判據(jù)。對極性采收機而言,常出現(xiàn)2倍轉(zhuǎn)差率的振動速度拍振,此時的振動烈度可表示為

(5)

Vmax和Vmin分別為振動速度的最大有效值和最小有效值。

1.4 檢測采收機異常共振

在實際運行中,當(dāng)采集器出現(xiàn)故障時,采集器輸出能量的空間分布與正常系統(tǒng)輸出能量是不同的,即采集器輸出能量包含了豐富的故障特征信息。為此,采用小波包分析方法,對信號在各子空間的能量分布進行提取,將本不明顯的信號頻率特征在不同分辨率下進行多層分解,并對其進行不同頻段的分析。就全頻帶的基本特性而言,小波包由各子頻帶的功率分布表示。整個功率都保持在小波包分解域中的定值。離散小波包變換等式為

(6)

a為小波函數(shù)的伸縮因子;M和L分別為上、下限。通過式(6)可得到不同小波序列的能量分布及其位置,即采收機振動的特征提取結(jié)果,通過特征提取與振動標準設(shè)定的比較,可得到采收機共振異常的檢測結(jié)果。

1.5 實現(xiàn)采收機異常共振模態(tài)分析

通過異常共振模態(tài)來描述采收機固有振動的特性,通過對異常共振中共振頻率、振型以及阻尼比的量化分析,實現(xiàn)對模態(tài)參數(shù)的全面反映。通過計算解求出機構(gòu)的固有頻率值。采收機動力學(xué)通用微分方程為

(7)

M、C和K分別為采收機的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;X為采收機共振產(chǎn)生的位移矩陣;F(t)為由于異常共振導(dǎo)致采收機所受的總作用力向量;t為時間。當(dāng)F(t)取值為0時,即采收機處于自由工作模式時,忽略阻尼產(chǎn)生的影響。則采收機的自由振動方程可以表示為

(8)

此時,若是采收機做簡諧運動,則

X=φicos(ωit)

(9)

φi為采收機第i階振型;ωi為采收機第i階模態(tài)固有頻率。由此可知,可以通過確定采收機的異常共振頻率、阻尼比和振型從而得出采收機異常共振模態(tài)的分析結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

為了測試本文方法的應(yīng)用效果,設(shè)計仿真實驗。仿真實驗使用的林果機械振動采收機裝置的設(shè)置情況如表1所示。

表1 仿真采收機裝置參數(shù)設(shè)置

為保證仿真實驗結(jié)果的精準度,分別設(shè)置2種林果采收機的異常共振頻率、阻尼比和振型,并以此作為實驗的對比項,將共振模態(tài)分析得出的結(jié)果與設(shè)計的數(shù)據(jù)進行比對,便可以得出有關(guān)于模態(tài)分析精度的測試結(jié)果。為了分析本文方法的性能,對文獻[1]的異常共振模態(tài)頻率和本文方法分別進行仿真對比,其中每個頻率下的共振幅值仿真曲線如圖4所示。通過圖4可以看出,文獻[1]方法在不同的頻率值下的幅值變化較大,而本文方法下的幅值變化幅度相對較小。

圖4 采收機模態(tài)頻率分析對比結(jié)果

分別將分析結(jié)果與設(shè)置數(shù)據(jù)進行比對,便可以得出模態(tài)分析方法的精準度測試結(jié)果,如表2所示。

表2 模態(tài)分析精準度測試結(jié)果

從表2中可以看出,相比文獻[1]方法,本文設(shè)計的共振模態(tài)分析方法得出的結(jié)果更加接近設(shè)置的標準數(shù)據(jù),即利用該模態(tài)分析方法能夠有效提升林果機械振動采收機異常共振故障的檢測精度,應(yīng)用效果更佳。

3 結(jié)束語

林果機械振動采收機是農(nóng)業(yè)和林業(yè)自動化生產(chǎn)的重要標準,通過對采收機異常共振模態(tài)的分析,可以了解采收機的異常故障特征,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對采收機故障的準確檢測,對于采收機設(shè)備的安全使用具有重要意義。然而在仿真實驗中只設(shè)置了2種不同型號的采收機樣本,因此得出的實驗結(jié)果存在一定的片面性,還需要在今后的研究中進一步補充。