果園采摘平臺振動性能試驗

王丙龍，郝歡歡，聶　森，陳　軍，黨革榮

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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果園采摘平臺振動性能試驗

王丙龍，郝歡歡，聶森，陳軍，黨革榮

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：以果園采摘平臺為研究對象，建立了人-采摘平臺兩個自由度的振動模型，并在不同路況、不同車況下進(jìn)行低速振動試驗，且通過快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻譜分析。試驗結(jié)果表明：不同路況和車況對采摘平臺振動有不同程度的影響，路況對采摘平臺的振動影響更明顯；采摘平臺的振動是低頻振動，主要頻率集中在0～16Hz，在果品采摘運輸作業(yè)中容易對果品造成損傷，應(yīng)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：采摘平臺；低頻振動；FFT；果品損傷

0引言

隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果產(chǎn)業(yè)越來越受到重視，需要盡快實現(xiàn)果園機械化[1]。研制果園采摘平臺可以促進(jìn)果園機械化發(fā)展，提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低農(nóng)產(chǎn)品成本和果農(nóng)勞動強度[2]。人體不同部位的共振頻率區(qū)間(3～8Hz)不同，采摘水果時采摘平臺長時間的振動對果農(nóng)的身心健康、工作效率影響嚴(yán)重[3-5]。國內(nèi)外研究表明：桃子在6Hz時容易產(chǎn)生損傷，黃花梨在2～5Hz區(qū)間機械損傷嚴(yán)重；低頻振動容易造成水果損傷，嚴(yán)重影響水果質(zhì)量[6-8]，給果農(nóng)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究果園采摘平臺在不同情況下的振動特性，避開人體敏感振動區(qū)間和采摘水果容易受損振動區(qū)間，有助于果農(nóng)的身心健康，減小果農(nóng)的勞動強度，提高果農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入。

本文以履帶拖拉機的采摘平臺為研究對象，通過振動信號采集系統(tǒng)，分析研究低速下果園采摘平臺在不同路況、不同車況下的振動特性，從而為改善果園采摘平臺的振動特性提供理論支持。

1拖拉機振動信號采集系統(tǒng)

1.1振動信號采集系統(tǒng)組成

振動信號采集系統(tǒng)由LC0803系列的應(yīng)變式加速度傳感器、四通道動靜態(tài)數(shù)據(jù)采集器、無線網(wǎng)絡(luò)適配器及計算機等組成。采集原理如圖1所示。

圖1　振動信號采集原理圖

1.1.1傳感器布置與參數(shù)設(shè)置

本文選取LC0803系列的3個加速度傳感器，該傳感器采用特定全橋應(yīng)變計，具有性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕、體積小及靈敏度高強等特點，尤其是具有零頻響應(yīng)的特點，適用于低頻振動的測量。使用時，測試加速度的方向和加速度傳感器的敏感方向一致。傳感器參數(shù)如表1所示。

表1　傳感器參數(shù)

測點選擇過程中，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的傳力特點、振動強弱和傳感器布置方便等因素，選擇振動傳遞路線短、振動量衰減小和安裝方便的地方布置傳感器[9-10]。3個加速度傳感器分別布置在采摘平臺前面、側(cè)面及上面的中心處。

1.1.2激振裝置

履帶拖拉機的行駛路面(見圖2)為人工鋪道路[4]。其相鄰角鋼間距為d，角鋼長度及激振路面寬度2m，角鋼高度為0.07m，激振路面長度為12m。試驗時，改變相鄰角鋼間距d的大小，且履帶拖拉機以低速通過。

圖2　激振裝置

1.2拖拉機參數(shù)

本文以自發(fā)研制的履帶車為作業(yè)平臺，其基本參數(shù)如下：

發(fā)動機型號：YC1105M

發(fā)動機氣缸數(shù)：單缸

發(fā)動機功率/kW： 12.13

標(biāo)定轉(zhuǎn)速/r·min-1： 2 200

采摘平臺長/m：2.2

采摘平臺寬/m：1.2

1.3建立振動模型

假設(shè)履帶拖拉機的結(jié)構(gòu)對稱，只考慮垂直方向的振動；車體懸架剛度、采摘平臺剛度、均為位移的線性函數(shù),懸架阻尼、座椅阻尼為相對速度的線性函數(shù)；人位于采摘平臺的正上方，且固定不動。建立的振動模型如圖3所示。

圖3中，m1、m2為人的體重和采摘平臺的質(zhì)量；z1、z2、z0分別為人、采摘平臺、車體的垂直方向的位移；k1、k2分別為采摘平臺剛度和車體懸架剛度；c1、c2分別為采摘平臺阻尼和車體懸架阻尼。利用牛頓定律建立振動方程為

(1)

(2)

對式(1)、式(2)進(jìn)行Laplace變換可得

m1z1s2+k1(z1-z2)+c1s(z1-z2)=0

(3)

m2z2s2+k2(z2-z0)+c2s(z2-z0)

=k1(z1-z2)+c1s(z1-z2)

(4)

由a1(s)=k1+c1s、a2(s)=k2+c2s、b1(s)=m1s2、b2(s)=m2s2整理可得

(5)

(6)

圖3　振動模型

2道路試驗結(jié)果與分析

2.1振動信號采集與分析方法

在不同負(fù)重和不同相鄰角鋼間距的情況下，對采摘平臺進(jìn)行振動信號采集。本文采用經(jīng)典的快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻譜分析，采用低通濾波分析研究采摘平臺0～30Hz的頻譜。為減小頻譜主瓣寬度、提高頻率分辨率及抑制信號能量泄漏，本文窗函數(shù)采用Hanning窗[11-14]。

2.2結(jié)果與討論

在水泥路上，車速v=0.135m/s，對采摘平臺分別進(jìn)行空載及負(fù)重65、85、150kg的振動試驗。采摘平臺的頻率-幅值圖如圖4、圖5所示。

圖4　頻率-幅值圖

圖5　不同負(fù)重下頻率—幅值圖

車速v=0.135m/s，改變相鄰角鋼間距d的大小，當(dāng)d=0.8m、d=1.6m時，分別對采摘平臺進(jìn)行空車振動試驗。采摘平臺的頻率-幅值圖如圖6所示。

圖6　不同間距的頻率—幅值圖

由圖4(a)～(d)可知：在水泥路上，采摘平臺負(fù)重情況下振動明顯，振動主要集中在0～16Hz，為低頻振動。由圖5可知：負(fù)重不同時，在頻率f1=2.6Hz、f2=5.4Hz、f3=8.3Hz、f4=10.6Hz時有不同峰值，在相同車速、相同頻率時，不同負(fù)重對幅值峰值影響并不明顯。

由圖6(a)可知：d=0.8m條件下， 當(dāng)f1=10.5Hz時，峰值明顯，采摘平臺振動劇烈；由圖6(b)可知：d=1.6m條件下，當(dāng)f1=2.5Hz、f2=8.3Hz、f3=10.5Hz時，峰值明顯，采摘平臺振動劇烈。

與水泥路空載相比，改變負(fù)重和路況(即改變相鄰角鋼間距)后，采摘平臺振動變化明顯，但負(fù)重增加對采摘平臺振動影響不明顯；路況改變對采摘平臺振動影響明顯，當(dāng)d=1.6m時，幅值峰值出現(xiàn)在2.5、8.3、10.5Hz處。由圖4、圖6可知：采摘平臺的在2～4Hz、8～11Hz范圍內(nèi)容易發(fā)生共振。車輛的低頻振動容易造成水果損傷[15]，所以需要對采摘平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。

3結(jié)論

建立了人-采摘平臺兩個自由度的振動模型，采用快速傅里葉變換對采摘平臺振動特性進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：采摘平臺的振動是低頻振動，振動頻率主要集中在0～16Hz；其固有頻率范圍為2～4Hz、8～11Hz，較好地避開了人體的敏感區(qū)域，但是在采摘過程中容易對水果造成損傷，需要對采摘平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)；負(fù)重和路況對采摘平臺振動有不同程度的影響，路況對采摘平臺的振動影響明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟祥金，沈從舉，湯智輝，等.果園作業(yè)機械的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)機化研究，2012，34(1):238-241.

[2]耿端陽，張鐵中，羅輝，等.我國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展趨勢分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2004(4):208-210.

[3]趙永超，孔德剛.拖拉機駕駛員頸部疲勞的肌電評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(3):146-150.

[4]李敏通,趙繼政,楊青,等.基于小波和多元線性回歸的拖拉機振動分析[J].農(nóng)機化研究, 2013,35(3):40-45.

[5]K N Dewanyan, V K Tewari. Characteristics of vibration transmission in the hand-arm system and subjective response during field operation of a hand tractor[J]. Biosystems Engineering, 2008,100(4):535-546.

[6]P J Vergano, T RF, W C Nevall.Peach bruising:susceptibility to impact,vibration,and compression abuse[J].Transactions of the ASAE,1991,34(5):2110-2116.

[7]周然, 李云飛.不同強度的運輸振動對黃花梨的機械損傷及貯藏品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2007,23(11):255-259.

[8]SRemon, MEVenturini, PLopez-Buesa, etal. Burlat-cherry quality after long range transport: optimization of packaging conditions Innovative [J].Food Science and Emerging Technologies, 2003(4): 425-434.

[9]姚秀琴，彭威,尚文利，等. 變速箱振動信號的測點定位與評價方法研究[J].計算機工程與應(yīng)用, 2012,48(5):244-248.

[10]P.Velmurugan, L. AKumaraswamidhas, K. Sankaranara-yanasamy.Whole Body Vibration Analysis for Drivers of Suspended Cabin Tractor emitrailer[J].Experimental Techniques, 2014,38(2):47-53.

[11]李帥,陳軍,趙騰,等.拖拉機座椅振動特性研究[J].農(nóng)機化研究,2011,33(6):194-197.

[12]樓少敏,許滄粟.車載式拖拉機座椅舒適性測試系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2004，35(2): 35-36,61.

[13]李舜酩,郭海東,李殿榮.振動信號處理方法綜述[J].儀器儀表學(xué)報，2013,34(8):1907-1915.

[14]丁康, 陳健林,蘇向榮.平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動信號的若干處理方法及發(fā)展[J].振動工程學(xué)報, 2003,16(1):5-14.

[15]G L Barchi, A Berardinelli, A Guarnieri. Damage toloquats by vibration-simulating intra-state transport[J].Biosystems Engineering,2002,82(3):305-312.

Vibration Performance Test of Orchard Picking Platform

Wang Binglong， Hao Huanhuan， Nie Sen， Chen Jun， Dang Gerong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University,Yangling 712100，China)

Abstract：This paper built up Two degrees of freedom vibration mode based on people-platform interaction. Using the Fast Fourier Transform (FFT) as the spectrum analysis method，a vibration experiment on orchard picking platform was carried out in a low speed under different road conditions and different loads in this paper. The test results show that the different road conditions and loads have different degrees of influence on picking platform vibration. Vibration effect of road conditions for picking platform vibration effect is more obvious. Picking platform vibration is a low frequency vibration, mainly concentrated in the 0～16 Hz, so it’s easy to cause damage to fruit during the picking and transporting fruit operations and its structural design needs improvement.

Key words：orchard picking platform; low frequency vibration; FFT; mechanical damage

文章編號：1003-188X(2016)04-0213-04

中圖分類號：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王丙龍(1989 -)，男，河北保定人，碩士研究生，(E-mail)wangbinglongde@126.com。通訊作者：陳軍(1970 -)，男，寧夏固原人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)chenjun_jdxy@nwsuaf.edu.cn。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203016)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20130204110020)

收稿日期：2015-03-23