林果機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)異常共振模態(tài)仿真分析

巫均平

(茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 茂名 525000)

0 引言

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

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

模態(tài)是一個(gè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)特性之一,利用林果機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)異常共振模態(tài)分析方法,可以得到采收機(jī)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(lì)下的振動(dòng)響應(yīng),進(jìn)而求解模態(tài)參數(shù),利用這些特征參數(shù)進(jìn)行采收機(jī)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)異常共振模態(tài)分析方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建林果機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)結(jié)構(gòu)模型

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

圖1 機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)整體結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出,結(jié)合機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)的工作原理,將變速箱和電機(jī)設(shè)備安裝在整個(gè)結(jié)構(gòu)的下凹位置上。為了保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)的工作重心在設(shè)備的底部[2]。采收機(jī)的采摘頭決定了該設(shè)備的工作能力和范圍,在傳動(dòng)電機(jī)和減速器等設(shè)備的控制與驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)對(duì)滑臺(tái)支架和導(dǎo)軌支架等機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制。在采收機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)中,存在滑臺(tái)支座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與橫梁的直線運(yùn)動(dòng)以及導(dǎo)軌的垂直直線運(yùn)動(dòng)3個(gè)自由度,從而保證采收機(jī)采摘頭始終處于相同的水平面[3]。在林果機(jī)械振動(dòng)式采收機(jī)作業(yè)時(shí),夾持機(jī)構(gòu)在電機(jī)的控制下夾持樹干,帶動(dòng)曲柄滑塊轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)水果的振動(dòng),完成水果的采摘。曲柄滑塊機(jī)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(dá)控制的3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度與臂架機(jī)構(gòu)的3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度共同構(gòu)成了整個(gè)機(jī)械臂,達(dá)到了六自由度的設(shè)計(jì)要求[4]。林果機(jī)械振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)采收機(jī)振搖裝置結(jié)構(gòu)

1.2 分析林果機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)工作模式

振動(dòng)式林果采摘機(jī)的基本工作原理是通過一定形式的振動(dòng)機(jī)構(gòu)使果實(shí)振動(dòng)產(chǎn)生慣性力,對(duì)果柄施以拉、彎、扭作用。當(dāng)慣性力大于果實(shí)與樹枝的結(jié)合力時(shí),果實(shí)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(shí)采摘器的基本模式。

圖3 采收機(jī)工作原理

圖3中,參數(shù)m1和m2分別為采收機(jī)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(jī)和目標(biāo)林果樹的移動(dòng)距離和坐標(biāo),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(duì)采收機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行分析,并得出n自由度設(shè)備的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(1)

(2)

(3)

f(t)=Asin(ωt+φ)·e-ξωt

(4)

A為振動(dòng)幅值;ω為振動(dòng)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(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)量是采收機(jī)軸承處的振動(dòng)速度,也是采收機(jī)軸承內(nèi)部或附近軸的相對(duì)振動(dòng)位移,在每個(gè)測量點(diǎn)上,所測得的最大振蕩速度值,是采收機(jī)軸承振動(dòng)強(qiáng)度的判據(jù)。對(duì)極性采收機(jī)而言,常出現(xiàn)2倍轉(zhuǎn)差率的振動(dòng)速度拍振,此時(shí)的振動(dòng)烈度可表示為

(5)

Vmax和Vmin分別為振動(dòng)速度的最大有效值和最小有效值。

1.4 檢測采收機(jī)異常共振

在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)采集器出現(xiàn)故障時(shí),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(duì)信號(hào)在各子空間的能量分布進(jìn)行提取,將本不明顯的信號(hào)頻率特征在不同分辨率下進(jìn)行多層分解,并對(duì)其進(jìn)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(gè)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(jī)振動(dòng)的特征提取結(jié)果,通過特征提取與振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的比較,可得到采收機(jī)共振異常的檢測結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)采收機(jī)異常共振模態(tài)分析

通過異常共振模態(tài)來描述采收機(jī)固有振動(dòng)的特性,通過對(duì)異常共振中共振頻率、振型以及阻尼比的量化分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)模態(tài)參數(shù)的全面反映。通過計(jì)算解求出機(jī)構(gòu)的固有頻率值。采收機(jī)動(dòng)力學(xué)通用微分方程為

(7)

M、C和K分別為采收機(jī)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;X為采收機(jī)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(jī)所受的總作用力向量;t為時(shí)間。當(dāng)F(t)取值為0時(shí),即采收機(jī)處于自由工作模式時(shí),忽略阻尼產(chǎn)生的影響。則采收機(jī)的自由振動(dòng)方程可以表示為

(8)

此時(shí),若是采收機(jī)做簡諧運(yùn)動(dòng),則

X=φicos(ωit)

(9)

φi為采收機(jī)第i階振型;ωi為采收機(jī)第i階模態(tài)固有頻率。由此可知,可以通過確定采收機(jī)的異常共振頻率、阻尼比和振型從而得出采收機(jī)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(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)使用的林果機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)裝置的設(shè)置情況如表1所示。

表1 仿真采收機(jī)裝置參數(shù)設(shè)置

為保證仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度,分別設(shè)置2種林果采收機(jī)的異常共振頻率、阻尼比和振型,并以此作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比項(xiàng),將共振模態(tài)分析得出的結(jié)果與設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),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(duì)文獻(xiàn)[1]的異常共振模態(tài)頻率和本文方法分別進(jìn)行仿真對(duì)比,其中每個(gè)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(xiàn)[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(duì)較小。

圖4 采收機(jī)模態(tài)頻率分析對(duì)比結(jié)果

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

表2 模態(tài)分析精準(zhǔn)度測試結(jié)果

從表2中可以看出,相比文獻(xiàn)[1]方法,本文設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),即利用該模態(tài)分析方法能夠有效提升林果機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)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(jī)械振動(dòng)采收機(jī)是農(nóng)業(yè)和林業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的重要標(biāo)準(zhǔn),通過對(duì)采收機(jī)異常共振模態(tài)的分析,可以了解采收機(jī)的異常故障特征,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)采收機(jī)故障的準(zhǔn)確檢測,對(duì)于采收機(jī)設(shè)備的安全使用具有重要意義。然而在仿真實(shí)驗(yàn)中只設(shè)置了2種不同型號(hào)的采收機(jī)樣本,因此得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的片面性,還需要在今后的研究中進(jìn)一步補(bǔ)充。