基于摇振收获设备的核桃树复杂分枝特性研究

韩嘉鑫,周建平,许 燕,王世江,汤嘉盛

(新疆大学 机械工程学院,乌鲁木齐 830017)

0 引言

南疆地区是我国主要核桃产区之一,近年来种植面积激增,原有低效的人工收获方式已经无法满足当地产业发展,故迫切需要研制高效、低成本的核桃采收设备[1-4]。南疆地区种植的主要核桃品种为‘温185’‘新新2’‘新丰’等,树高均在5m以上,是典型的大型果树,主枝上多存在2个以上主要分枝,即存在复杂分枝。

果树摇振收获设备主要有树干摇振式、树枝摇振式两种[5-6]。其中,树干摇振式收获设备因其一次加持整树收获的优点得到广泛应用,而摇振参数是影响果树采收效果的重要因素。针对果树摇振参数的确定,国内外学者开展了相应研究。国外学者Hoshyarmanesh H等[7]通过仿真模拟与田间试验得出当地橄榄树的最佳激振频率为20Hz。Castro-Garcia等[8-9]先后以柑橘、橄榄为研究对象,得出柑橘的不同成熟度的共振响应区分频率为4.5～5Hz、橄榄树摇振频率为28.1Hz时收获效果好、果树损伤小等结论。国内学者杨会民等[10]通过Ansys模拟及试验室验证试验发现,杏树的最佳激振频率为15Hz。何磊盈等[11-12]在对小型果树开展摇振收获研究时提出了通过扫频试验获取果树各分枝共振频率的方法,并发现小型果树不同分枝的共振频率不同。

目前,针对如南疆核桃树的大型果树树干摇振收获参数确定及分枝共振特性研究较少。为此,以南疆核桃树为试验对象,应用自主研发的树干摇振收获设备,通过扫频共振检测试验实现对核桃树各分枝的共振特性检测,以研究南疆核桃树复杂分枝上的主枝及其分枝的共振频率规律,为后续摇振收获的激振参数确定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于新疆维吾尔自治区喀什地区叶城县核桃种质资源圃进行;地点位于叶城县洛克乡,东经77.6°,北纬37.8°,海拔1250m;核桃树行距为8m,株距为5m;试验品种为新丰,树龄8～10年,自然开心型,树高5m;试验于2021年9月21日进行,天气晴,温度15～29℃。

1.2 试验设备

试验包括多偏心块可调速式核桃树摇振收获设备(新疆大学新疆农牧机器人及智能装备工程研究中心试制);维特智能WT901WIFI加速度传感器(量程±16g,质量25g,采样频率200Hz,三轴加速度传感);带有传感器数据处理上位机的计算机组成加速度响应测试分析系统;卷尺等。

多偏心块可调速式核桃树摇振收获设备与现有树干摇振收获设备原理相同[13-15]。其激振器由设备基座、传动偏心部件、无刷直流电机、夹板及夹持螺栓等组成,如图1所示。其中,传动偏心部件包含多个偏心块、电机传动轴及偏心块安装片等,如图2所示。电机传动轴沿轴向布置4行等间隔30°的螺纹孔供偏心块定位安装,使用中通过调整偏心块数量及偏心块间重合角度调整传动偏心部件的质量矩,达到相同转速下产生不同激振能量的目的。摇振收获设备由计算机通过串口连接至单片机再连接驱动器,实现电机的工作模式控制。该设备共有两种工作模式,分别为扫频共振检测模式及定频摇振收获模式。

在扫频共振检测模式下,设备电机转速在程序及驱动器控制下在0～30s内由600r/min线性增加至1800r/min。计算公式为

(1)

式中f-设备激振频率(Hz);

n-电机转速率(r/min)。

由公式(1)可知:电机在扫频共振检测模式下0～30s内对应产生10～30Hz的激振频率,配合加速度传感器及相应上位机程序可实现果树分枝加速度响应信号收集与共振响应检测功能。

在定频摇振收获模式下,通过设置一定的电机转速实现恒定频率激振,结合激振器的质量矩调整功能可以实现同一激振频率下不同激振能量的摇振收获。

1.3 试验方法

核桃树分枝共振检测试验的目的是通过短时线性改变激振频率配合加速度传感器获得各检测点的X、Y、Z三轴加速度响应信号,绘制时间-加速度响应曲线。同时,通过公式(1)关系转化为三轴激振频率-加速度响应曲线,通过判断曲线峰值确定各检测点所在分枝的共振频率。

试验前,在试验场地内任选两棵核桃树作为试验样本,称为样本树1、样本树2。对样本树进行分枝标记,首位数字代表不同样本树,第2位小写字母代表样本树不同分枝。其中,a代表树干。另随机选取分枝进行传感器布置,以标记前加大写字母P来表示该分枝上唯一传感器检测点,除检测点P1a、P2a布置于树干距一级分叉点0.1m处外,其它传感器检测点均位于所在分枝中点处;J点位于树干距一级分叉点0.25m处,为激振器夹持位置,如图3、图4所示。观察可知,样本树1由1b、1c、1d等3个主枝及其上分枝组成,样本树2由2b、2c两个主枝及其上分枝组成,各分枝形貌参数及长径比如表1所示。

表1 样本树分枝形貌参数Table 1 Branch morphology parameters of sample tree

图3 样本树1Fig.3 The diagram of sample tree 1

图4 样本树试验示意图Fig.4 The diagram of sample tree test

将加速度传感器使用热熔胶与扎带固定在各检测点,传感器Y轴方向沿所在分枝的生长方向,X轴和Z轴方向位于分枝生长方向的垂直截面内,如图5(a)所示。图5(a)中,左下角标注分枝上传感器的Y轴、Z轴方向,X轴方向垂直纸面向外。试验中,激振设备受程序控制进入扫频共振检测模式,同时收集所有检测点传感器三轴加速度响应信号。在安装传感器上位机的计算机上实时绘制各检测点三轴时间-加速度响应及其幅值曲线、三轴激振频率-加速度响应幅值曲线。试验现场如图5(b)所示。

图5 传感器布置及试验现场图Fig.5 The diagram of sensor layout and test site

2 结果与分析

2.1 核桃树各分枝共振检测试验

以样本树1上P1g处检测点传感器收集的三轴加速度响应信号中的X轴加速度响应信号为例,绘制时间-加速度响应曲线及其正负幅值曲线,如图6所示。

图6 P1g点X轴时间-加速度响应及正负幅值曲线Fig.6 P1g X-axis time-acceleration response and positive and negative amplitude curves

另取Y轴、Z轴加速度响应信号与X轴加速度响应信号一同绘制此处三轴时间-加速度响应幅值曲线,如图7所示。观察发现:三轴时间-加速度响应幅值曲线整体都呈现先增加后减小的趋势,在约18.48s处出现峰值;结合时间激振频率转化关系可知,在22.33Hz左右取得峰值,即分枝1g的共振频率约为22.33Hz。在扫频过程的开始阶段,X轴、Z轴加速度响应曲线出现往复波动、混杂的现象,即在低频段出现多个共振频率,原因在于树枝柔性较大,导致产生较多的共振频率,这与已有研究成果一致[16]。此外,Y轴向加速度响应明显小于另外两轴向上加速度响应,原因在于Y轴为树枝生长方向,摇振激励的影响不明显[12]。因此,在后续讨论中仅以检测点的X轴、Z轴加速度响应为主要讨论指标,以该方法获取样本树1、样本树2上全部检测点所在分枝的共振频率,如表2所示。其中,P1a、P2a由于靠近激振源未检测到有效共振峰;P1j点检出两个Z轴共振频率,分别为22.40、21.93Hz。

表2 各检测点X轴Z轴共振频率Table 2 X-axis Z-axis resonance frequency of each detection point

图7 P1g点三轴时间-加速度响应幅值曲线Fig.7 P1g three-axis time-acceleration response amplitude curve

获取分枝共振频率的重要意义在于确定后续定频摇振收获中激振频率。由表2可知:各检测点X轴、Z轴共振频率大部分不同,部分相同。这与已有研究结果相似,即部分分枝的共振频率不同[17]。分析表1数据后发现:样本树1的主枝1c、1d、样本树2主枝2c及其侧枝处检测点共振频率相近,为确定定频摇振收获中激振频率提供了可能,以各主枝共振频率作为激振频率具有参数少、效率高的优点。

2.2 核桃树复杂分枝共振特性分析

为详细讨论各主枝及其侧枝共振特性关系,绘制1c、1d、2c等3个主枝及其上分枝上检测点X轴激振频率-加速度响应幅值曲线、Z轴激振频率-加速度响应幅值曲线,如图8～图13所示。同时,在图8～图13中使用实心符号表示该曲线上峰值并标注坐标值,横坐标代表共振频率,纵坐标代表共振幅值。

图8 主枝1c上检测点X轴激振频率-加速度响应幅值曲线Fig.8 Amplitude curve of X-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1c of the main branch

图9 主枝1c上检测点Z轴激振频率-加速度响应幅值曲线Fig.9 Amplitude curve of Z-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1c of the main branch

图10 主枝1d上检测点X轴激振频率-加速度响应幅值曲线Fig.10 Amplitude curve of X-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1d of the main branch

图11 主枝1d上检测点Z轴激振频率-加速度响应幅值曲线Fig.11 Amplitude curve of Z-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 1d of the main branch

图12 主枝2c上检测点X轴激振频率-加速度响应幅值曲线Fig.12 Amplitude curve of X-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 2c of the main branch

图13 主枝2c上检测点Z轴激振频率-加速度响应幅值曲线Fig.13 Amplitude curve of Z-axis excitation frequency-acceleration response at the detection point on 2c of the main branch

观察图8～图13、结合表2可知:同一主枝及其上侧枝的共振频率一致。按照主枝及分枝关系提取表2数据,计算1c、1d、2c三主枝上所有检测点共振频率的方差,如表3所示。在各点后加小写x、z,代表该检测点的X轴、Z轴共振频率。通过表3可知:主枝1c上所有检测点的共振频率方差为0.009Hz,主枝1d上所有检测点的共振频率方差为0.036Hz,主枝2c上所有检测点的共振频率方差为0.038Hz,均小于0.05Hz,数据波动较小,说明结论可靠。

表3 各主枝上检测点共振频率Table3 Resonance frequency of detection points on each main branch

提取表1中各分枝长径比数据,结合图8～图13中各峰值点幅值,进行复杂分枝长径比与共振幅值的相关性分析,如表4所示。由此求出各分枝长径比与X轴、Z轴的共振响应幅值相关系数分别为0.1003、0.45529,可见分枝长径比与X轴、Z轴的共振响应幅值均呈正相关,且分枝长径比Z轴的共振响应幅值为密切正相关。

表4 各分枝长径比与共振响应幅值Table 4 The aspect ratio and resonance response amplitude of each branch

3 结论

1)通过扫频共振检测试验可以获得核桃树各分枝的共振响应曲线,结果表明:在低频段易出现波动混杂现象,且随着激振频率的提高共振响应曲线的区分度愈加明显;分枝生长方向的共振响应较小,受扫频激振影响不明显。

2)扫频共振检测试验发现复杂分枝共振特性具有一定的共性及规律性:同一主枝及其上分枝的共振频率一致,各主枝及其上分枝的共振频率方差最大为0.038Hz,小于0.05Hz;同时,复杂分枝的分枝长径比与分枝共振响应幅值呈正相关,最大相关系数为0.45529,为密切正相关。

本文以南疆核桃树为主要试验对象,进行了大型果树复杂分枝共振特性研究,得到了大型果树复杂分枝共振频率一致等结论,为大型果树共振频率检测及树干摇振收获等相关工作奠定了基础。在后续大型果树进行共振频率检测时,可以考虑仅在复杂分枝的主枝处布置传感器,以主枝处的共振频率代表该复杂分枝的共振频率。