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。     

机械采收作业中银杏树频谱特性与振动响应关系研究

机械采收是林果收获最有效的方法,在受迫振动下果实的掉落不仅受到激振振幅、频率和持续时间的影响,还与果树自身的生长形态和固有频谱特性有关.为了研究银杏树的频谱特性与振动响应之间的关系以及振动响应在不同方向上的差异性,该文在室内冲击激振下测试了一棵Y型银杏树不同方向的频谱特性.然后,通过频谱曲线中峰值点和谷值点所在的频率对果树树干进行简谐激振获得空间加速度响应.结果显示频谱特性与振动响应之间存在一定的对应关系,基频以及10.00Hz以下的激振频率无法激发起很大的振动响应.共振频率能够引起极大的振动响应,但是加速度幅值在低频下较小并且随着激振频率的增加而增大.当频率高于25.00Hz时并不能再次引起较强的加速度响应,样品树的最佳激振频率为23.75Hz.在同一个测试位置,3个方向的振动响应呈现出相似的特性但振幅不同.随着测试位置逐渐远离激振点,沿着果树生长方向的加速度幅值显著增加,并且该方向是振动响应传递过程的主导方向.结果表明在机械采收林果时,可以首先测试果树的频谱来获得共振频率,然后在特定的共振频率下对果树进行激振来获得较强的振动响应,更高的激振频率并不一定引起更强烈的振动响应.同一个测试位置不同方向之间存在差异性,不同位置的果实可以被不同方向的惯性力移除.     

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.     

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。     

基于Mallat算法的谷物流量信号小波去噪方法

针对联合收获机在复杂噪声背景作业过程中难以获取可靠的谷物流量信息的难题,提出了利用小波变换(wavelet transform,WT)对谷物流量传感器输出信号去噪处理方法。根据流量原始信号和噪声的频谱特性确定小波函数和分解尺度,将采集的流量原始信号通过Mallat算法进行小波分解,滤除高频噪声分量重构流量有效信号,由单片机AD通道对流量有效信号进行标定,标定试验后的传感器在不同谷物流量下累积质量最大相对误差为1.68%。利用北斗定位模块进行差分定位提高定位精度,测产装置信息由8051F单片机存储用以绘制农田作业产量图,将设计的测产系统安装在联合收获机上进行模拟水稻作业试验,试验结果表明:对流量传感器输出信号进行小波分解后,谷物流量测量相对误差最大为6.18%,平均相对误差为5.37%。通过对流量传感器输出原始信息进行小波变换,对比小波去噪前后信号的频谱曲线,验证了基于Mallat算法的流量信号去噪和流量有效信息重构方法的可行性和准确性,该研究可为研究农业机械复杂作业环境下原始信息去噪与有效信息重构提供参考。     

泄流激励下水工闸门运行模态参数自动识别

为了能够自动快速准确的识别泄流激励下水工闸门的模态参数,解决系统稳态图自动化定阶困难和真实模态筛选的问题,该研究提出了一种改进的势能聚类（Potential-based Hierarchical Agglomerative,PHA）的协方差驱动随机子空间（Covariance-driven Stochastic Subspace Identification,COV-SSI）水工闸门自动模态参数识别方法。首先采用小波阈值的方法对采集信号进行去噪处理。再通过奇异值加权判断指标（Singular-value Weighted Index,SWI）进行系统阶次及稳态图最大阶次的自动化确定,剔除稳态图中的噪声模态,进一步使用势能聚类方法实现结构模态参数的自动化识别。将该方法应用于泄流激励下弧形闸门试验模型中,并与锤击法测试结果进行对比分析,结果表明,所提识别方法在无需人工激励条件下,能够实现系统阶次和稳态图最大阶次的自动化确定,剔除稳定图中虚假极点。通过与试验对比,该方法平均相对误差为3.5%,可用于泄流激励下水工闸门结构运行模态参数的自动智能化识别。     

风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法

基于多种混合振动信号传递中各组成信号的频率保持特性,建立了风轮典型振型动态频率的间接测试和识别方法,并利用试验测试与数值仿真相结合的方法佐证了该方法的可靠性。具体方法是在电机前端部靠近风轮处布置加速度传感器捕获沿风轮轴向的加速度时域信号,通过快速傅里叶变换(fast fourier transformation,FFT)获得被测信号的频域特征,进而结合风轮模态振型及频谱特征识别其典型振型动态频率值。经与数值仿真结果比较,测试相对误差控制在5%以内,精度较好。同时,由于该方法无需在叶片表面大量布装传感器,故具有在不破坏叶片表面原有形态,完整保留风轮流场和结构场特征的前提下简捷获取风轮典型振型动频值的测试优势,有效解决了现今风轮典型振型在运行工况时动态频率值监测难、识别难的技术困境,同时可为风轮健康监测提供参考。     

设施果园自动对靶精准变量施肥控制系统

针对目前果园条施肥过程中缺乏精准变量对靶施肥装置的问题,该研究研制了一种排肥轮槽口体积可根据果树目标施肥量及冠层直径大小自动调节,排肥轮转速随施肥车速自动变化的果园精准变量自动对靶施肥装置与控制系统。该装置采用外槽轮式结构,槽口体积可连续调节自动变化。采用激光雷达传感器实时探测果树冠层位置,使用霍尔传感器检测施肥车行驶速度,以STM32F407VET6单片机为核心设计了控制器。分别以尿素、复合肥、有机复合肥3种颗粒肥料为试验材料,标定了不同排肥轮槽口开度在不同排肥轮转速下的排肥量,单个槽口排肥量与排肥轮转速呈负线性关系,决定系数R2不小于0.93;建立了单棵果树目标施肥量与排肥轮转速、施肥车速、槽口体积以及果树冠层直径4个变量之间的关系及排肥轮转速控制规则。室内台架试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为5.17%,变异系数最大为1.47%,可在施肥车速变化情况下准确施用不同颗粒肥料。大棚柑橘果园自动对靶施肥试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为4.83%,变异系数最大为6.96%,且施肥均在果树冠层直径范围内完成。该装置能够根据果树冠层直径大小对靶按需施肥,适应不同种类颗粒肥的少量或较大量定量施肥,满足不同大小果树不同需肥量的精准变量自动施肥要求。     

黑加仑干枝的试验模态分析

为研究黑加仑振动采收时果枝的运动规律,该文根据果树在田间的实际情况,假设果枝为固定支撑的悬臂梁结构,采用步进式正弦激励,单点激振多点测量的方法进行试验模态分析,使用加权最小二乘法,提取果枝的模态参数。研究结果表明：在4～30 Hz范围内,黑加仑干枝存在1个或2个共振频率,干枝的无阻尼固有频率为11.8±4.54 Hz,阻尼比、模态质量和模态刚度差异较大,均值分别为7.08%、0.0686 kg和394.8 N/m。该研究为黑加仑采收系统的研制提供有关参数和设计依据。     

冲量式谷物流量传感器测产信号处理方法

为研究冲量式谷物流量传感器背景振动噪声的提取及剔除方法,以减小背景振动噪声对其测产精度的影响,设计了一套冲量式谷物流量传感器室内标定台架,通过变频调速器控制驱动电机实现输粮搅龙和刮板升运器转速的改变以模拟联合收割机的不同田间工况,并对双板差分冲量式谷物流量传感器的测产信号处理方法进行了研究。通过算术均值滤波初步滤除测量板和参考板输出信号中的随机噪声,通过对参考板滤波输出信号的离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)提取背景噪声的频谱特性,通过测量板和参考板DFT结果的频域差分实现测量板输出信号中背景噪声的剔除,对频域差分结果进行离散傅里叶逆变换(inverse discrete Fourier transform,IDFT)即可得到剔除了背景振动噪声后的传感器输出信号,再对其进行二次算术均值滤波,即得到最终的测产输出信号。通过室内台架标定,建立了谷物籽粒流量与测产输出信号和升运器速度之间的标定模型,并进行了室内模拟测产试验。试验结果表明:谷物流量范围为0.5~2.3 kg/s时,在不同的变频调速器输出频率下,最大测产误差不大于3.1%,测产精度较高且比较稳定,频域差分处理方法能较好地实现双板差分冲量式谷物流量传感器背景振动噪声的剔除。该研究可为冲量式谷物流量传感器测产系统的开发提供参考。     

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。     

基于改进HHT的泵站管道工作模态辨识

为提高管道工作模态辨识精度,在希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)辨识基础上,发展奇异值分解(singular value decomposition,SVD)和经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)联合滤波技术与HHT时频域辨识结合的模态辨识方法。SVD-EMD联合滤除结构振动信号中的强噪声,凸显结构振动特性,有效避免了后期HHT参数辨识过程中虚假模态干扰,提高辨识精度和准确性。将该方法应用于景泰二期工程3泵站2管道的模态参数辨识问题中,建立该管道有限元模型并计算其结构动力特性。对比该文方法辨识结果、随机子空间辨识结果与有限元计算结果,该文方法辨识结果稍小于随机子空间辨识结果,与有限元计算结果更接近,其最大辨识误差为3.6%。研究表明,该方法能准确辨识管道频率,且有效降低管道结构背景强噪声。该研究可为管道安全运行和在线健康监测提供参考。     

基于二次滤波的HHT渡槽模态参数辨识方法

针对大型渡槽安全运行评估问题,提出一种环境激励下基于二次滤波的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)模态参数辨识方法。采用小波阈值与经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)结合的二次滤波方法滤除运行环境中强噪声干扰,凸显结构动力特性,有效避免了模态混叠问题;根据奇异熵增量理论确定系统阶数,应用HHT方法辨识降噪后信号,提高辨识准确性和精度。将该方法应用于景泰川二期三泵站输水U型渡槽,辨识正常输水工况下结构前5阶模态参数,建立该渡槽第一跨三维有限元模型,并计算模型同工况下前5阶模态参数,对比模态参数辨识结果与有限元仿真结果。对比结果表明:2种方法计算结果非常接近,最大误差为4.4%。说明基于二次滤波的HHT模态辨识方法能准确高效辨识强噪声背景下结构模态参数,可将该方法推广到大型渡槽结构中,为渡槽安全运行评估和健康在线监测提供新思路,应用前景广阔。     

考虑质量时变的收获机械工作模态分析与试验

为研究复杂开放环境下收获机械田间作业过程由质量时变影响的工作模态及振动行为,该文搭建了一套收获机械工作模态测试系统,以4YZP-4HA型122 k W玉米联合收获机械为研究对象,建立收获机械车架工作模态测点模型,测定工作模态试验下的土壤-机器-植物等边界条件,并进行田间收获作业和运输工况的振动响应数据采集和时频域分析,利用时域随机子空间SSI(stochastic subspace identification)和频域的增强型频域分解EFDD(enhanced frequency domain decomposition)算法,辨识了在质量时变(田间收获作业)和质量非时变(运输工况)影响下的模态参数(模态频率、阻尼比及模态振型),并比较分析了2种算法的工作模态辨识结果。利用时频域分析方法获取了不同测点振动加速度幅值统计特征及频率分布规律,研究结果表明:田间收获作业工况振动强度高于运输工况,振动频率集中分布在20~150 Hz范围内,测点频率之间存在差异主要由不同位置刚度变化所致;通过比较SSI和EFDD方法辨识的模态频率,发现SSI和EFDD方法在相同频率范围内相差较小,且均落入傅里叶变换方法的频率分布区间,表明SSI和EFDD方法计算结果可信,能够较为准确地确定模态频率;质量时变下的收获机械车架模态振型特征主要表现为扭转、弯曲、弯扭和局部模态振型,其中1阶扭转振型频率接近29 Hz(SSI:29.578 Hz;EFDD:29.300 Hz)。研究结果可为复杂农田作业环境下收获机械的工作模态分析与试验提供参考。     

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.     

基于流固耦合模型的U型渡槽模态分析及验证

为提高渡槽结构工作模态特征的准确度,结合附加质量法原理和流固耦合（fluid solid interaction,FSI）系统理论,以景电工程输水渡槽为研究对象,建立不同形式的固-液耦合模型,对其进行工作模态数值分析,并将数值分析结果与采用小波阈值-经验模态分解联合滤波的希尔伯特-黄变换法（hilbert-huang transform,HHT）实测提取的频率值进行对比。结果表明：考虑FSI系统耦合模型的结果与HHT辨识结果吻合的较好,最大误差值为4.59%,比附加质量模型最大误差小5.97百分点,同阶次频率误差均比附加质量模型小,且弥补了附加质量模型出现的模态缺失现象。可见考虑FSI系统耦合模型的计算结果在模拟阶数和精度方面都优于附加质量模型,能准确反映渡槽结构的工作特性,可用在渡槽结构动力特性分析中,亦可作为后续渡槽结构损伤诊断研究的基准有限元模型。