基于搖振收獲設(shè)備的核桃樹復(fù)雜分枝特性研究

韓嘉鑫,周建平,許 燕,王世江,湯嘉盛

(新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院,烏魯木齊 830017)

0 引言

南疆地區(qū)是我國主要核桃產(chǎn)區(qū)之一,近年來種植面積激增,原有低效的人工收獲方式已經(jīng)無法滿足當?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展,故迫切需要研制高效、低成本的核桃采收設(shè)備[1-4]。南疆地區(qū)種植的主要核桃品種為‘溫185’‘新新2’‘新豐’等,樹高均在5m以上,是典型的大型果樹,主枝上多存在2個以上主要分枝,即存在復(fù)雜分枝。

果樹搖振收獲設(shè)備主要有樹干搖振式、樹枝搖振式兩種[5-6]。其中,樹干搖振式收獲設(shè)備因其一次加持整樹收獲的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用,而搖振參數(shù)是影響果樹采收效果的重要因素。針對果樹搖振參數(shù)的確定,國內(nèi)外學(xué)者開展了相應(yīng)研究。國外學(xué)者Hoshyarmanesh H等[7]通過仿真模擬與田間試驗得出當?shù)亻蠙鞓涞淖罴鸭ふ耦l率為20Hz。Castro-Garcia等[8-9]先后以柑橘、橄欖為研究對象,得出柑橘的不同成熟度的共振響應(yīng)區(qū)分頻率為4.5～5Hz、橄欖樹搖振頻率為28.1Hz時收獲效果好、果樹損傷小等結(jié)論。國內(nèi)學(xué)者楊會民等[10]通過Ansys模擬及試驗室驗證試驗發(fā)現(xiàn),杏樹的最佳激振頻率為15Hz。何磊盈等[11-12]在對小型果樹開展搖振收獲研究時提出了通過掃頻試驗獲取果樹各分枝共振頻率的方法,并發(fā)現(xiàn)小型果樹不同分枝的共振頻率不同。

目前,針對如南疆核桃樹的大型果樹樹干搖振收獲參數(shù)確定及分枝共振特性研究較少。為此,以南疆核桃樹為試驗對象,應(yīng)用自主研發(fā)的樹干搖振收獲設(shè)備,通過掃頻共振檢測試驗實現(xiàn)對核桃樹各分枝的共振特性檢測,以研究南疆核桃樹復(fù)雜分枝上的主枝及其分枝的共振頻率規(guī)律,為后續(xù)搖振收獲的激振參數(shù)確定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)葉城縣核桃種質(zhì)資源圃進行;地點位于葉城縣洛克鄉(xiāng),東經(jīng)77.6°,北緯37.8°,海拔1250m;核桃樹行距為8m,株距為5m;試驗品種為新豐,樹齡8～10年,自然開心型,樹高5m;試驗于2021年9月21日進行,天氣晴,溫度15～29℃。

1.2 試驗設(shè)備

試驗包括多偏心塊可調(diào)速式核桃樹搖振收獲設(shè)備(新疆大學(xué)新疆農(nóng)牧機器人及智能裝備工程研究中心試制);維特智能WT901WIFI加速度傳感器(量程±16g,質(zhì)量25g,采樣頻率200Hz,三軸加速度傳感);帶有傳感器數(shù)據(jù)處理上位機的計算機組成加速度響應(yīng)測試分析系統(tǒng);卷尺等。

多偏心塊可調(diào)速式核桃樹搖振收獲設(shè)備與現(xiàn)有樹干搖振收獲設(shè)備原理相同[13-15]。其激振器由設(shè)備基座、傳動偏心部件、無刷直流電機、夾板及夾持螺栓等組成,如圖1所示。其中,傳動偏心部件包含多個偏心塊、電機傳動軸及偏心塊安裝片等,如圖2所示。電機傳動軸沿軸向布置4行等間隔30°的螺紋孔供偏心塊定位安裝,使用中通過調(diào)整偏心塊數(shù)量及偏心塊間重合角度調(diào)整傳動偏心部件的質(zhì)量矩,達到相同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生不同激振能量的目的。搖振收獲設(shè)備由計算機通過串口連接至單片機再連接驅(qū)動器,實現(xiàn)電機的工作模式控制。該設(shè)備共有兩種工作模式,分別為掃頻共振檢測模式及定頻搖振收獲模式。

在掃頻共振檢測模式下,設(shè)備電機轉(zhuǎn)速在程序及驅(qū)動器控制下在0～30s內(nèi)由600r/min線性增加至1800r/min。計算公式為

(1)

式中f-設(shè)備激振頻率(Hz);

n-電機轉(zhuǎn)速率(r/min)。

由公式(1)可知:電機在掃頻共振檢測模式下0～30s內(nèi)對應(yīng)產(chǎn)生10～30Hz的激振頻率,配合加速度傳感器及相應(yīng)上位機程序可實現(xiàn)果樹分枝加速度響應(yīng)信號收集與共振響應(yīng)檢測功能。

在定頻搖振收獲模式下,通過設(shè)置一定的電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)恒定頻率激振,結(jié)合激振器的質(zhì)量矩調(diào)整功能可以實現(xiàn)同一激振頻率下不同激振能量的搖振收獲。

1.3 試驗方法

核桃樹分枝共振檢測試驗的目的是通過短時線性改變激振頻率配合加速度傳感器獲得各檢測點的X、Y、Z三軸加速度響應(yīng)信號,繪制時間-加速度響應(yīng)曲線。同時,通過公式(1)關(guān)系轉(zhuǎn)化為三軸激振頻率-加速度響應(yīng)曲線,通過判斷曲線峰值確定各檢測點所在分枝的共振頻率。

試驗前,在試驗場地內(nèi)任選兩棵核桃樹作為試驗樣本,稱為樣本樹1、樣本樹2。對樣本樹進行分枝標記,首位數(shù)字代表不同樣本樹,第2位小寫字母代表樣本樹不同分枝。其中,a代表樹干。另隨機選取分枝進行傳感器布置,以標記前加大寫字母P來表示該分枝上唯一傳感器檢測點,除檢測點P1a、P2a布置于樹干距一級分叉點0.1m處外,其它傳感器檢測點均位于所在分枝中點處;J點位于樹干距一級分叉點0.25m處,為激振器夾持位置,如圖3、圖4所示。觀察可知,樣本樹1由1b、1c、1d等3個主枝及其上分枝組成,樣本樹2由2b、2c兩個主枝及其上分枝組成,各分枝形貌參數(shù)及長徑比如表1所示。

表1 樣本樹分枝形貌參數(shù)Table 1 Branch morphology parameters of sample tree

圖3 樣本樹1Fig.3 The diagram of sample tree 1

圖4 樣本樹試驗示意圖Fig.4 The diagram of sample tree test

將加速度傳感器使用熱熔膠與扎帶固定在各檢測點,傳感器Y軸方向沿所在分枝的生長方向,X軸和Z軸方向位于分枝生長方向的垂直截面內(nèi),如圖5(a)所示。圖5(a)中,左下角標注分枝上傳感器的Y軸、Z軸方向,X軸方向垂直紙面向外。試驗中,激振設(shè)備受程序控制進入掃頻共振檢測模式,同時收集所有檢測點傳感器三軸加速度響應(yīng)信號。在安裝傳感器上位機的計算機上實時繪制各檢測點三軸時間-加速度響應(yīng)及其幅值曲線、三軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線。試驗現(xiàn)場如圖5(b)所示。

圖5 傳感器布置及試驗現(xiàn)場圖Fig.5 The diagram of sensor layout and test site

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃樹各分枝共振檢測試驗

以樣本樹1上P1g處檢測點傳感器收集的三軸加速度響應(yīng)信號中的X軸加速度響應(yīng)信號為例,繪制時間-加速度響應(yīng)曲線及其正負幅值曲線,如圖6所示。

圖6 P1g點X軸時間-加速度響應(yīng)及正負幅值曲線Fig.6 P1g X-axis time-acceleration response and positive and negative amplitude curves

另取Y軸、Z軸加速度響應(yīng)信號與X軸加速度響應(yīng)信號一同繪制此處三軸時間-加速度響應(yīng)幅值曲線,如圖7所示。觀察發(fā)現(xiàn):三軸時間-加速度響應(yīng)幅值曲線整體都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在約18.48s處出現(xiàn)峰值;結(jié)合時間激振頻率轉(zhuǎn)化關(guān)系可知,在22.33Hz左右取得峰值,即分枝1g的共振頻率約為22.33Hz。在掃頻過程的開始階段,X軸、Z軸加速度響應(yīng)曲線出現(xiàn)往復(fù)波動、混雜的現(xiàn)象,即在低頻段出現(xiàn)多個共振頻率,原因在于樹枝柔性較大,導(dǎo)致產(chǎn)生較多的共振頻率,這與已有研究成果一致[16]。此外,Y軸向加速度響應(yīng)明顯小于另外兩軸向上加速度響應(yīng),原因在于Y軸為樹枝生長方向,搖振激勵的影響不明顯[12]。因此,在后續(xù)討論中僅以檢測點的X軸、Z軸加速度響應(yīng)為主要討論指標,以該方法獲取樣本樹1、樣本樹2上全部檢測點所在分枝的共振頻率,如表2所示。其中,P1a、P2a由于靠近激振源未檢測到有效共振峰;P1j點檢出兩個Z軸共振頻率,分別為22.40、21.93Hz。

表2 各檢測點X軸Z軸共振頻率Table 2 X-axis Z-axis resonance frequency of each detection point

圖7 P1g點三軸時間-加速度響應(yīng)幅值曲線Fig.7 P1g three-axis time-acceleration response amplitude curve

獲取分枝共振頻率的重要意義在于確定后續(xù)定頻搖振收獲中激振頻率。由表2可知:各檢測點X軸、Z軸共振頻率大部分不同,部分相同。這與已有研究結(jié)果相似,即部分分枝的共振頻率不同[17]。分析表1數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn):樣本樹1的主枝1c、1d、樣本樹2主枝2c及其側(cè)枝處檢測點共振頻率相近,為確定定頻搖振收獲中激振頻率提供了可能,以各主枝共振頻率作為激振頻率具有參數(shù)少、效率高的優(yōu)點。

2.2 核桃樹復(fù)雜分枝共振特性分析

為詳細討論各主枝及其側(cè)枝共振特性關(guān)系,繪制1c、1d、2c等3個主枝及其上分枝上檢測點X軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線、Z軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線,如圖8～圖13所示。同時,在圖8～圖13中使用實心符號表示該曲線上峰值并標注坐標值,橫坐標代表共振頻率,縱坐標代表共振幅值。

圖8 主枝1c上檢測點X軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線Fig.8 Amplitude curve of X-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1c of the main branch

圖9 主枝1c上檢測點Z軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線Fig.9 Amplitude curve of Z-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1c of the main branch

圖10 主枝1d上檢測點X軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線Fig.10 Amplitude curve of X-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1d of the main branch

圖11 主枝1d上檢測點Z軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線Fig.11 Amplitude curve of Z-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1d of the main branch

圖12 主枝2c上檢測點X軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線Fig.12 Amplitude curve of X-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 2c of the main branch

圖13 主枝2c上檢測點Z軸激振頻率-加速度響應(yīng)幅值曲線Fig.13 Amplitude curve of Z-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 2c of the main branch

觀察圖8～圖13、結(jié)合表2可知:同一主枝及其上側(cè)枝的共振頻率一致。按照主枝及分枝關(guān)系提取表2數(shù)據(jù),計算1c、1d、2c三主枝上所有檢測點共振頻率的方差,如表3所示。在各點后加小寫x、z,代表該檢測點的X軸、Z軸共振頻率。通過表3可知:主枝1c上所有檢測點的共振頻率方差為0.009Hz,主枝1d上所有檢測點的共振頻率方差為0.036Hz,主枝2c上所有檢測點的共振頻率方差為0.038Hz,均小于0.05Hz,數(shù)據(jù)波動較小,說明結(jié)論可靠。

表3 各主枝上檢測點共振頻率Table3 Resonance frequency of detection points on each main branch

提取表1中各分枝長徑比數(shù)據(jù),結(jié)合圖8～圖13中各峰值點幅值,進行復(fù)雜分枝長徑比與共振幅值的相關(guān)性分析,如表4所示。由此求出各分枝長徑比與X軸、Z軸的共振響應(yīng)幅值相關(guān)系數(shù)分別為0.1003、0.45529,可見分枝長徑比與X軸、Z軸的共振響應(yīng)幅值均呈正相關(guān),且分枝長徑比Z軸的共振響應(yīng)幅值為密切正相關(guān)。

表4 各分枝長徑比與共振響應(yīng)幅值Table 4 The aspect ratio and resonance response amplitude of each branch

3 結(jié)論

1)通過掃頻共振檢測試驗可以獲得核桃樹各分枝的共振響應(yīng)曲線,結(jié)果表明:在低頻段易出現(xiàn)波動混雜現(xiàn)象,且隨著激振頻率的提高共振響應(yīng)曲線的區(qū)分度愈加明顯;分枝生長方向的共振響應(yīng)較小,受掃頻激振影響不明顯。

2)掃頻共振檢測試驗發(fā)現(xiàn)復(fù)雜分枝共振特性具有一定的共性及規(guī)律性:同一主枝及其上分枝的共振頻率一致,各主枝及其上分枝的共振頻率方差最大為0.038Hz,小于0.05Hz;同時,復(fù)雜分枝的分枝長徑比與分枝共振響應(yīng)幅值呈正相關(guān),最大相關(guān)系數(shù)為0.45529,為密切正相關(guān)。

本文以南疆核桃樹為主要試驗對象,進行了大型果樹復(fù)雜分枝共振特性研究,得到了大型果樹復(fù)雜分枝共振頻率一致等結(jié)論,為大型果樹共振頻率檢測及樹干搖振收獲等相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。在后續(xù)大型果樹進行共振頻率檢測時,可以考慮僅在復(fù)雜分枝的主枝處布置傳感器,以主枝處的共振頻率代表該復(fù)雜分枝的共振頻率。