林果机械振动采收机异常共振模态仿真分析

巫均平

(茂名职业技术学院,广东 茂名 525000)

0 引言

振动式林果采收机可以实现实时机械化收割,对林果生产具有很高的应用价值。国外振动机械化的研究早于中国,在理论基础研究与实际工作相结合方面取得了较大成就[1]。我国对林果业采收机械的研究起步较晚,而且开展的研究还不多,近年来对机械设计的研究也在逐年加强,但这些机械采收的操作对象比较单一,在实际应用过程中还存在共振现象。

在林果机械振动采收机上发生异常共振不仅会影响到当年林果的收成质量,而且还会影响到机械振动采收机的使用寿命,为此,从模态的角度分析林果机械振动采收机的异常共振情况。

模态是一个系统体系结构的基本振动特性之一,利用林果机械振动采收机异常共振模态分析方法,可以得到采收机结构在敏感频率范围内模态的共振特性,以及在该频带内和在内外各种振源的激励下的振动响应,进而求解模态参数,利用这些特征参数进行采收机结构的重新设计。

1 机械振动采收机异常共振模态分析方法设计

1.1 构建林果机械振动采收机结构模型

为适应野外采摘作业条件,林果机械振动采收机结构由钳式振动头、液压油缸、液压马达、套管、伸缩支臂、主梁架和传动轴等组成,其整机结构如图1所示。

图1 机械振动式林果采收机整体结构

从图1可以看出,结合机械振动式林果采收机的工作原理,将变速箱和电机设备安装在整个结构的下凹位置上。为了保证设备的稳定运行,在架构和履带轮之间的位置上安装弹簧减振装置。通过各组成元件之间的合理布局,保证采收机的工作重心在设备的底部[2]。采收机的采摘头决定了该设备的工作能力和范围,在传动电机和减速器等设备的控制与驱动下,实现对滑台支架和导轨支架等机械结构的控制。在采收机的臂架结构中,存在滑台支座的旋转运动与横梁的直线运动以及导轨的垂直直线运动3个自由度,从而保证采收机采摘头始终处于相同的水平面[3]。在林果机械振动式采收机作业时,夹持机构在电机的控制下夹持树干,带动曲柄滑块转动,带动水果的振动,完成水果的采摘。曲柄滑块机构能以较小的行程获得较大的惯性力。在此基础上,利用马达控制的3个旋转自由度与臂架机构的3个旋转自由度共同构成了整个机械臂,达到了六自由度的设计要求[4]。林果机械振动采摘器结构中果树的振荡装置安装结构如图2所示。

图2 林果机械振动采收机振摇装置结构

1.2 分析林果机械振动采收机工作模式

振动式林果采摘机的基本工作原理是通过一定形式的振动机构使果实振动产生惯性力,对果柄施以拉、弯、扭作用。当惯性力大于果实与树枝的结合力时,果实在连接最弱处果枝分离,完成分离过程[5]。根据上述采摘器的工作原理,可以得出如图3所示的操作时采摘器的基本模式。

图3 采收机工作原理

图3中,参数m1和m2分别为采收机和林果树的质量,c和K分别为林果树的等效阻尼系数和弹性系统,x1和x2分别为采收机和目标林果树的移动距离和坐标,r和l分别为曲柄半径和连杆长度[6]。利用拉格朗日方程对采收机的运动原理进行分析,并得出n自由度设备的运动微分方程为

(1)

(2)

(3)

f(t)=Asin(ωt+φ)·e-ξωt

(4)

A为振动幅值;ω为振动角频率;φ和ξ分别为初始相位角和阻尼比。

1.3 设置采收机振动标准

振动量是采收机轴承处的振动速度,也是采收机轴承内部或附近轴的相对振动位移,在每个测量点上,所测得的最大振荡速度值,是采收机轴承振动强度的判据。对极性采收机而言,常出现2倍转差率的振动速度拍振,此时的振动烈度可表示为

(5)

Vmax和Vmin分别为振动速度的最大有效值和最小有效值。

1.4 检测采收机异常共振

在实际运行中,当采集器出现故障时,采集器输出能量的空间分布与正常系统输出能量是不同的,即采集器输出能量包含了丰富的故障特征信息。为此,采用小波包分析方法,对信号在各子空间的能量分布进行提取,将本不明显的信号频率特征在不同分辨率下进行多层分解,并对其进行不同频段的分析。就全频带的基本特性而言,小波包由各子频带的功率分布表示。整个功率都保持在小波包分解域中的定值。离散小波包变换等式为

(6)

a为小波函数的伸缩因子;M和L分别为上、下限。通过式(6)可得到不同小波序列的能量分布及其位置,即采收机振动的特征提取结果,通过特征提取与振动标准设定的比较,可得到采收机共振异常的检测结果。

1.5 实现采收机异常共振模态分析

通过异常共振模态来描述采收机固有振动的特性,通过对异常共振中共振频率、振型以及阻尼比的量化分析,实现对模态参数的全面反映。通过计算解求出机构的固有频率值。采收机动力学通用微分方程为

(7)

M、C和K分别为采收机的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;X为采收机共振产生的位移矩阵;F(t)为由于异常共振导致采收机所受的总作用力向量;t为时间。当F(t)取值为0时,即采收机处于自由工作模式时,忽略阻尼产生的影响。则采收机的自由振动方程可以表示为

(8)

此时,若是采收机做简谐运动,则

X=φicos(ωit)

(9)

φi为采收机第i阶振型;ωi为采收机第i阶模态固有频率。由此可知,可以通过确定采收机的异常共振频率、阻尼比和振型从而得出采收机异常共振模态的分析结果。

2 结果与分析

为了测试本文方法的应用效果,设计仿真实验。仿真实验使用的林果机械振动采收机装置的设置情况如表1所示。

表1 仿真采收机装置参数设置

为保证仿真实验结果的精准度,分别设置2种林果采收机的异常共振频率、阻尼比和振型,并以此作为实验的对比项,将共振模态分析得出的结果与设计的数据进行比对,便可以得出有关于模态分析精度的测试结果。为了分析本文方法的性能,对文献[1]的异常共振模态频率和本文方法分别进行仿真对比,其中每个频率下的共振幅值仿真曲线如图4所示。通过图4可以看出,文献[1]方法在不同的频率值下的幅值变化较大,而本文方法下的幅值变化幅度相对较小。

图4 采收机模态频率分析对比结果

分别将分析结果与设置数据进行比对,便可以得出模态分析方法的精准度测试结果,如表2所示。

表2 模态分析精准度测试结果

从表2中可以看出,相比文献[1]方法,本文设计的共振模态分析方法得出的结果更加接近设置的标准数据,即利用该模态分析方法能够有效提升林果机械振动采收机异常共振故障的检测精度,应用效果更佳。

3 结束语

林果机械振动采收机是农业和林业自动化生产的重要标准,通过对采收机异常共振模态的分析,可以了解采收机的异常故障特征,并在此基础上实现对采收机故障的准确检测,对于采收机设备的安全使用具有重要意义。然而在仿真实验中只设置了2种不同型号的采收机样本,因此得出的实验结果存在一定的片面性,还需要在今后的研究中进一步补充。