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

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，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

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，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、不同車況下進行低速振動試驗，且通過快速傅里葉變換(FFT)進行頻譜分析。試驗結果表明：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中容易對果品造成損傷，應對其結構進行改進設計。

關鍵詞：采摘平臺；低頻振動；FFT；果品損傷

0引言

隨著農業結構的調整，林果產業越來越受到重視，需要盡快實現果園機械化[1]。研制果園采摘平臺可以促進果園機械化發展，提高農產品生產效率，降低農產品成本和果農勞動強度[2]。人體不同部位的共振頻率區間(3～8Hz)不同，采摘水果時采摘平臺長時間的振動對果農的身心健康、工作效率影響嚴重[3-5]。國內外研究表明：桃子在6Hz時容易產生損傷，黃花梨在2～5Hz區間機械損傷嚴重；低頻振動容易造成水果損傷，嚴重影響水果質量[6-8]，給果農造成經濟損失。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間和采摘水果容易受損振動區間，有助于果農的身心健康，減小果農的勞動強度，提高果農經濟收入。

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，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

1.1振動信號采集系統組成

振動信號采集系統由LC0803系列的應變式加速度傳感器、四通道動靜態數據采集器、無線網絡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傳感器布置與參數設置

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變計，具有性能穩定、質量輕、體積小及靈敏度高強等特點，尤其是具有零頻響應的特點，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。傳感器參數如表1所示。

表1　傳感器參數

測點選擇過程中，應考慮結構的傳力特點、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

本文以自發研制的履帶車為作業平臺，其基本參數如下：

發動機型號：YC1105M

發動機氣缸數：單缸

發動機功率/kW： 12.13

標定轉速/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

假設履帶拖拉機的結構對稱，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,懸架阻尼、座椅阻尼為相對速度的線性函數；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道路試驗結果與分析

2.1振動信號采集與分析方法

在不同負重和不同相鄰角鋼間距的情況下，對采摘平臺進行振動信號采集。本文采用經典的快速傅里葉變換(FFT)進行頻譜分析，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，本文窗函數采用Hanning窗[11-14]。

2.2結果與討論

在水泥路上，車速v=0.135m/s，對采摘平臺分別進行空載及負重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d=0.8m、d=1.6m時，分別對采摘平臺進行空車振動試驗。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d=1.6m時，幅值峰值出現在2.5、8.3、10.5Hz處。由圖4、圖6可知：采摘平臺的在2～4Hz、8～11Hz范圍內容易發生共振。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構設計進行改進。

3結論

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行分析研究。結果表明：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構設計進行改進；負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。

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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

文獻標識碼：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，博士生導師，(E-mail)chenjun_jdxy@nwsuaf.edu.cn。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201203016)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20130204110020)

收稿日期：2015-03-23