果园采摘平台振动性能试验

王丙龙，郝欢欢，聂　森，陈　军，党革荣

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌　712100)



果园采摘平台振动性能试验

王丙龙，郝欢欢，聂森，陈军，党革荣

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌712100)

摘要：以果园采摘平台为研究对象，建立了人-采摘平台两个自由度的振动模型，并在不同路况、不同车况下进行低速振动试验，且通过快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析。试验结果表明：不同路况和车况对采摘平台振动有不同程度的影响，路况对采摘平台的振动影响更明显；采摘平台的振动是低频振动，主要频率集中在0～16Hz，在果品采摘运输作业中容易对果品造成损伤，应对其结构进行改进设计。

关键词：采摘平台；低频振动；FFT；果品损伤

0引言

随着农业结构的调整，林果产业越来越受到重视，需要尽快实现果园机械化[1]。研制果园采摘平台可以促进果园机械化发展，提高农产品生产效率，降低农产品成本和果农劳动强度[2]。人体不同部位的共振频率区间(3～8Hz)不同，采摘水果时采摘平台长时间的振动对果农的身心健康、工作效率影响严重[3-5]。国内外研究表明：桃子在6Hz时容易产生损伤，黄花梨在2～5Hz区间机械损伤严重；低频振动容易造成水果损伤，严重影响水果质量[6-8]，给果农造成经济损失。因此，研究果园采摘平台在不同情况下的振动特性，避开人体敏感振动区间和采摘水果容易受损振动区间，有助于果农的身心健康，减小果农的劳动强度，提高果农经济收入。

本文以履带拖拉机的采摘平台为研究对象，通过振动信号采集系统，分析研究低速下果园采摘平台在不同路况、不同车况下的振动特性，从而为改善果园采摘平台的振动特性提供理论支持。

1拖拉机振动信号采集系统

1.1振动信号采集系统组成

振动信号采集系统由LC0803系列的应变式加速度传感器、四通道动静态数据采集器、无线网络适配器及计算机等组成。采集原理如图1所示。

图1　振动信号采集原理图

1.1.1传感器布置与参数设置

本文选取LC0803系列的3个加速度传感器，该传感器采用特定全桥应变计，具有性能稳定、质量轻、体积小及灵敏度高强等特点，尤其是具有零频响应的特点，适用于低频振动的测量。使用时，测试加速度的方向和加速度传感器的敏感方向一致。传感器参数如表1所示。

表1　传感器参数

测点选择过程中，应考虑结构的传力特点、振动强弱和传感器布置方便等因素，选择振动传递路线短、振动量衰减小和安装方便的地方布置传感器[9-10]。3个加速度传感器分别布置在采摘平台前面、侧面及上面的中心处。

1.1.2激振装置

履带拖拉机的行驶路面(见图2)为人工铺道路[4]。其相邻角钢间距为d，角钢长度及激振路面宽度2m，角钢高度为0.07m，激振路面长度为12m。试验时，改变相邻角钢间距d的大小，且履带拖拉机以低速通过。

图2　激振装置

1.2拖拉机参数

本文以自发研制的履带车为作业平台，其基本参数如下：

发动机型号：YC1105M

发动机气缸数：单缸

发动机功率/kW： 12.13

标定转速/r·min-1： 2 200

采摘平台长/m：2.2

采摘平台宽/m：1.2

1.3建立振动模型

假设履带拖拉机的结构对称，只考虑垂直方向的振动；车体悬架刚度、采摘平台刚度、均为位移的线性函数,悬架阻尼、座椅阻尼为相对速度的线性函数；人位于采摘平台的正上方，且固定不动。建立的振动模型如图3所示。

图3中，m1、m2为人的体重和采摘平台的质量；z1、z2、z0分别为人、采摘平台、车体的垂直方向的位移；k1、k2分别为采摘平台刚度和车体悬架刚度；c1、c2分别为采摘平台阻尼和车体悬架阻尼。利用牛顿定律建立振动方程为

(1)

(2)

对式(1)、式(2)进行Laplace变换可得

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)

图3　振动模型

2道路试验结果与分析

2.1振动信号采集与分析方法

在不同负重和不同相邻角钢间距的情况下，对采摘平台进行振动信号采集。本文采用经典的快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析，采用低通滤波分析研究采摘平台0～30Hz的频谱。为减小频谱主瓣宽度、提高频率分辨率及抑制信号能量泄漏，本文窗函数采用Hanning窗[11-14]。

2.2结果与讨论

在水泥路上，车速v=0.135m/s，对采摘平台分别进行空载及负重65、85、150kg的振动试验。采摘平台的频率-幅值图如图4、图5所示。

图4　频率-幅值图

图5　不同负重下频率—幅值图

车速v=0.135m/s，改变相邻角钢间距d的大小，当d=0.8m、d=1.6m时，分别对采摘平台进行空车振动试验。采摘平台的频率-幅值图如图6所示。

图6　不同间距的频率—幅值图

由图4(a)～(d)可知：在水泥路上，采摘平台负重情况下振动明显，振动主要集中在0～16Hz，为低频振动。由图5可知：负重不同时，在频率f1=2.6Hz、f2=5.4Hz、f3=8.3Hz、f4=10.6Hz时有不同峰值，在相同车速、相同频率时，不同负重对幅值峰值影响并不明显。

由图6(a)可知：d=0.8m条件下， 当f1=10.5Hz时，峰值明显，采摘平台振动剧烈；由图6(b)可知：d=1.6m条件下，当f1=2.5Hz、f2=8.3Hz、f3=10.5Hz时，峰值明显，采摘平台振动剧烈。

与水泥路空载相比，改变负重和路况(即改变相邻角钢间距)后，采摘平台振动变化明显，但负重增加对采摘平台振动影响不明显；路况改变对采摘平台振动影响明显，当d=1.6m时，幅值峰值出现在2.5、8.3、10.5Hz处。由图4、图6可知：采摘平台的在2～4Hz、8～11Hz范围内容易发生共振。车辆的低频振动容易造成水果损伤[15]，所以需要对采摘平台的结构设计进行改进。

3结论

建立了人-采摘平台两个自由度的振动模型，采用快速傅里叶变换对采摘平台振动特性进行分析研究。结果表明：采摘平台的振动是低频振动，振动频率主要集中在0～16Hz；其固有频率范围为2～4Hz、8～11Hz，较好地避开了人体的敏感区域，但是在采摘过程中容易对水果造成损伤，需要对采摘平台的结构设计进行改进；负重和路况对采摘平台振动有不同程度的影响，路况对采摘平台的振动影响明显。

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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

文章编号：1003-188X(2016)04-0213-04

中图分类号：S225.93

文献标识码：A

作者简介：王丙龙(1989 -)，男，河北保定人，硕士研究生，(E-mail)wangbinglongde@126.com。通讯作者：陈军(1970 -)，男，宁夏固原人，教授，博士生导师，(E-mail)chenjun_jdxy@nwsuaf.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203016)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20130204110020)

收稿日期：2015-03-23