偏心式林果振动采收机的研制与试验

为提高林果采收效率,降低采收成本,针对中国果园矮化密植模式下机械化作业条件差的特点,设计了偏心式林果振动采收机。该机安装在电控履带车上,通过偏心块旋转产生的离心力激振树干实现林果振动采收。建立了偏心式振动采收动力学模型,得出了采收机—果树系统稳态响应振幅表达式并分析了主要影响因素。利用该采收机对核桃(新新2号)进行了采收试验,结果表明:激振频率对树干全振幅和果实采净率具有显著性影响(P=0.05),树干全振幅和果实采净率随激振频率的增大而增大,激振频率20Hz时达到最大值,分别为8.83mm和92.6%;落果和树干夹持处均未见破坏性损伤,但激振频率越大,夹持处痕迹越明显,建议控制激振频率于19～20Hz,平均采净率约达到89.5%～92.6%,而且果实和树干没有破坏性损伤。该研究为实际生产提供指导。     

振动激励下枣树力传递效果室内模拟试验

为了提高林果振动采收的作业效率,根据果品在振动过程中瞬时加速度的变化,研究其振动采收时力的传递效果,降低激振功耗.该文以红枣振动采收为研究对象,建立红枣"枝-柄-果"的双摆振动模型,分析系统振动过程中的固有频率,获得系统的固有振动频率为14.69、17.26Hz;利用振动试验测试系统,进行扫频试验,测得枣树发生共振频率的范围集中出现在12~24Hz;当振幅分别为3、5、7mm时,频率在12~24Hz时进行枣树的定频振动试验,通过DHDAS分析软件分析,获得枣树的振动频率和瞬时加速度的关系;对受迫振动的红枣采用3D高速摄像技术进行运动分析,获得红枣在空间的最大瞬时加速度值,通过统计计算分析,红枣的最大瞬时惯性力值均大于果柄最大拉断力6N.试验表明在振幅为7mm、频率为17Hz时,红枣振动采收过程中,力的传递效果较好.该研究可为红枣收获机激振系统的设计提供理论依据和技术参考.     

不同振动特性参数对杏树振动响应的影响

为研究振动时间、振动频率和振动激励点振幅等不同振动特性参数对杏树振动的影响,该文利用ANSYS软件对杏树进行了有限元建模分析;通过三因素三水平试验分析不同振动特性参数对杏树振动检测点的影响,利用Design Expert软件进行优化分析,并进行实验室验证试验。杏树自由模态振动响应分析表明最佳杏树振动采收响应频率范围为0～20 Hz;谐振动响应分析可知在最佳频率范围内,杏树振动激励点振幅为5、10和15 mm时,同一频率下,随着激励振幅的增大,相同位置加速度增大,但振动曲线整体变化规律和趋势一致。试验分析可知,各因素影响检测点1和2加速度的强弱顺序一致:激励点振幅振动频率振动时间;各因素影响检测点3加速度的强弱顺序为:振动时间激励点振幅振动频率;建立3个检测点的响应方程,由下至上3个检测点的回归方程决定系数分别为0.906 7、0.879 3和0.973 3;多目标参数优化结果为:振动时间7.207 s,振动频率15 Hz,激振点振幅10 mm,通过验证试验可知由下至上各检测点加速度为10.4g、10.2g和9.3 g,与优化值相近。该研究可为杏振动采收机械参数设计提供参考。     

三维激振果品采收机构优化设计与试验

振动式采收因其能够快速有效地使果品脱落而成为目前常用的果品采收机构,但其采收效率仍然不高.本文提出通过三维激振载荷对果树同时施加沿树枝径向和轴向的激振作用,利用ANSYS建立果树模型,分析比较了一维、二维和三维激振载荷下果树上各点的加速度响应.根据三维激振位移载荷的生成方法及其果树动力学仿真结果,设计了三维激振采收机构,并基于遗传算法对该机构尺寸进行优化,以达到最大的输出加速度目标.最后加工了三维激振果品采收机构样机,并开展田间果树加速度响应试验,结果显示三维激振果品采收机构与偏心振动电机对果树激振的平均加速度变异系数分别为0.67和0.72,表明用三维激振采收方式能使果树各分支加速度分布更均匀,从而减少逐个树枝激振的次数,提高采收效率.     

枸杞振动采收机理分析与试验

为深入研究枸杞振动采收机理,该文基于果-蒂分离条件及枸杞枝条间的动态传递特性进行试验研究分析,获得枸杞振动采收条件。利用振动分离试验台进行结果枝果-蒂振动分离试验,探寻最优采摘效果的振动参数组合,即激振频率18.22 Hz、激振振幅7.87 mm和枝条通过装置的行进速度20.93 mm/s,分析该组合参数下结果枝的加速度响应,获得枸杞果-蒂分离条件。在田间采用高速摄像系统对枸杞枝条间的振动传递情况进行跟踪拍摄,并用高速运动分析软件Pro Analyst对枸杞枝条的动态响应进行分析,获得枸杞三级枝和结果枝(四级枝)的加速度响应关系。对试验结果进行分析,获得了不同激振情况下枸杞振动采收所需加速度,即当所有结果枝被直接激振时,被激振处的加速度需要达到518.38~551.06 m/s~2,结果枝末端加速度需要达到347.64~390.56 m/s~2;当存在结果枝未被直接激振,而三级枝全部被直接激振时,三级枝被激振处加速度需要达到1 738.20~1 952.80 m/s~2。该文研究结果可为枸杞机械化采收提供参考。     

振动方式和频率对杏树振动采收响应的影响

为了研究受到不同振动激励后杏树的响应状态以及杏树最佳振动采收频率,该文建立了单偏心式和对称双偏心式振动激励下杏树响应模型以及杏树-采收机动力学模型;分析杏树受振动激励后,不同位置的振动响应状态。理论分析与试验表明,杏树受单偏心式振动激励时,主要表现为扭转振动,夹持位置运动轨迹为圆形;受对称双偏心式振动激励时,主要表现为弯曲振动,夹持位置在水平方向上做往复运动,运动轨迹为直线。利用LabView振动测试软件,通过沿杏树主干安装的加速度传感器,检测杏树不同位置振动加速度变化。分析表明,振动由夹持位置沿树干向上传递,同时获得不同位置的加速度振动响应曲线;通过MATLAB对达到振动稳态后0.1 s内数据进行傅里叶拟合分析表明,各级枝干检测点均做周期性简谐运动,得到不同位置加速度拟合曲线及振动响应函数;通过对0~50 Hz加速度频谱分析表明,杏树在11.56 Hz振动激励时,各检测点加速度值最大。该研究可为林果振动收获机械设计与优化提供参考。     

Data-SSI与图论聚类结合识别果树固有频率

果树的固有频率是林果振动采收机械设计的重要依据之一。为有效识别果树的固有频率,该研究提出了基于数据驱动随机子空间Data-SSI（Data-driven Stochastic Subspace Identification）法与图论聚类稳定图相结合、仅以果树的输出响应信号对果树进行固有频率识别的方法,以尽量减少人为主观因素的影响。将该方法用于一棵室内小型银杏树和一棵室外较大银杏树固有频率的识别并与冲击力锤频谱测试结果进行对比分析。结果表明,室内小型果树在随机激励下本文方法识别结果与频谱试验结果相对误差小于4.17%;室外大型果树在环境激励下所提方法识别结果与频谱试验结果平均相对误差为2.88%,最大相对误差为6.02%。本文方法对仅基于输出响应信号的果树固有频率识别具有一定可行性,可为果树智能化共振采收时快速准确确定共振频率提供参考。     

黑加仑采收装置参数的优化

为了确定黑加仑采收机的关键参数,采用二次正交旋转回归组合试验设计的方法,分别建立了黑加仑采收率与振动频率、振幅、激振位置三因素之间关系的数学模型及果枝激振力与三者之间的数学模型,分析了各影响因素对黑加仑采收率及果枝激振力的影响,并进行了参数优化,确定了各影响因素的参数组合为振动频率945～1135 r/min、振幅33～25 mm、激振位置0.60,此时黑加仑采收率可达95%以上,果枝需要的激振力小于4 N,且无果实和果枝的损伤现象。     

断梗激励下葡萄果粒的振动脱落特性与试验

针对夹剪式鲜食葡萄采摘中的断梗振动激励引起的果粒脱落问题,对断梗激励下鲜食葡萄的振动脱落特性与动态响应进行研究。首先建立葡萄果实-分梗动力学模型,推导果实脱落的理论角速度,分析果实-果梗摆动脱落的临界分离条件。然后利用ABAQUS软件分析单颗粒葡萄在断梗激振下的动态响应与摆动趋势,探索在无挤压状态下果实形变过程,从而预测串型葡萄在断梗激励下的实际振动响应。最后对串型葡萄的简化模型进行振动有限元分析,获得葡萄果实在脱落前瞬间相对于果梗结合处的位移、速度、加速度和应力应变等数据,从而确定葡萄的临界振动脱落参数组合。通过仿真试验和采摘振动试验验证模型的准确性。结果表明：在断梗激励下,葡萄果实出现不确定的各向异性扭转摆动;对整串葡萄进行0～25 Hz的扫频分析可知受振果实的临界脱落频率约为4 Hz;受振果实摆动幅度为49.88 mm,速度峰值0.92 mm/s,加速度峰值39.08 mm/s2时开始脱落;同一激励下,虽然各个果实位置不同,但它们振动特性变化趋势相同。该研究可为防脱落采摘机构参数设计提供理论依据。     

用于振动采收的有果有叶果树振动模型构建

现有的果树振动有限元模型仅对果树的枝杆部分进行重建,忽略了果树的果实与树叶对果树固有频率的影响。该研究提出了一种将激光扫描技术与有限元法相结合,用空间6自由度梁单元构建果树空间振动模型。基于研究果实和树叶在树枝上的位置和质量分布规律,构建果树有果有叶、无果有叶、无果无叶振动模型。并对一棵小型实体银杏树分别处于有果有叶、无果有叶和无果无叶3种状态的频谱特性进行测试,并与构建的理论振动模型计算的各阶固有频率进行比对分析。结果表明,计算固有频率数量要多于实测所体现出来的固有频率数量,但实测固有频率均可在仿真频率中找到十分相近的值,且仿真模型的果树各枝振型幅值与实测的各枝加速度响应幅值相互的对应关系基本吻合;计算模型的最大相对误差为5.76%。该研究所述建模方法能够较准确有效地获取果树固有频率。     

基于有限元方法的整形果树振动收获机理分析

为提升振动式采收机械的设计效率,该文在分析常见振动收获机工作机理的基础上,建立了3种典型整形果树实体模型,利用有限元方法得到其在1~50 Hz低频范围内的固有频率和模态振型,并进行了振动响应特性仿真试验。结果表明,整形果树固有频率和模态振型受果树形态影响较大,3种典型整形果树的低阶固有频率主要集中在7~11阶范围,分别在13.5、12.0和7.5 Hz时振动响应最为剧烈,且一致性较好;同时,不同加载方式对于整形果树振动响应特性具有较大影响,其中双体多向加载较为适合于纺锤形果树,而单体回旋型加载则更适合于自然开心型和直立平面形果树。该方法可为不同类型整形果树振动式收获机械的设计提供参考。     

秸秆还田残膜回收一体机振动特性分析与结构优化

该研究针对棉花秸秆还田残膜回收一体机振动剧烈、可靠性差等问题开展机具振动特性分析与结构优化。以接近激励源的部位确定机具主要振动测点，安装传感器与连接振动测试仪，获取空转和工作条件下机具振动信息，采用ANSYS Workbench中的Lanczos Method算法仿真求解机架模态频率和振型，建立机具振动力学模型，通过振动测试仪数据验证仿真模型的准确性，并提出机具结构优化方案。结果表明，仿真结果与实测振动数据有效值的相对误差为9.6%，秸秆粉碎装置与脱膜装置是造成整机振动剧烈的主要部件，田间收获工况下整机振动强度高于空载工况；实测振动频率36.13 Hz接近机架前两阶固有频率且处于外部激励频率范围内。采用正交试验对机架结构进行优化，得到最佳参数组合为侧板厚度12.0 mm，主连接梁管壁厚6 mm，副支撑梁宽度70 mm。优化后机架前两阶固有频率分别提升至50.700和53.322 Hz，避开了外部激励频率，振动测试结果表明，空载工况下，相比优化前主连接梁振动幅值降低48%，侧板振动幅值降低35%，田间收获工况下相比优化前脱膜装置轴承支座振动幅值降低47%。研究结果可为秸秆还田残膜回收联合作业机的振动特性分析与结构优化提供参考。     

不同激励下宽频磁浮俘能器俘能试验

振动能量俘获是获取可再生的清洁能源一种有效途径，具有广阔的应用前景，有利于社会的可持续性发展。目前，随机功率谱激励下的高功率密度和宽频能量回收仍然是研究的难点。该研究设计了一种可有效利用宽频振动能量的高功率密度磁浮式俘能器，采用COMSOL Multiphysics软件计算悬浮磁体非线性回复力与位移的关系式，根据磁浮振动系统的控制方程和基尔霍夫定律建立俘能器的数学模型，详细研究了模型参数变化对俘能器性能的影响。随后进行正弦扫频和驻频试验以验证俘能器的发电能力。同时，从俘能器的效率、效能和体积优质3个指标对俘能性能进行评价；并结合实际应用，设计俘能器稳压电路。根据丘陵山区农业机械工作的随机路谱特性，建立随机激励的数学模型，根据响应幅值的概率密度函数的FPK方程表达式，得到了平稳概率密度函数的解。结果表明：在激励频率从9.77到31.75 Hz变化时，俘能器最大输出电压在5.92和21.52 V之间；最大输出功率在10 Hz时达81.93 mW，从5到50Hz，输出功率范围为5.76到81.93 mW；俘能器的效率、效能和体积优质分别为2.85%，9.85%和39.74%；俘能器电压输出的功率谱密度有5个峰值点，对应频率分别为9.804、29.41、36.76、36.76、51.47和71.08 Hz，进一步验证了该研究提出的磁浮式俘能器具有宽频发电性能，并可满足丘陵山区农机设备监测传感器的供电需求。