树干振动器中单、双偏心质量振动效果的研究

工程科学与技术，国际期刊35（2022）101228果实收获振动台单、双偏心质量振动效果的研究Celalettin Cetinkaya，Refik Polat，Adem Bagh Ozalp机械工程系，工程学院，Karabük大学，78050 Karabük，土耳其阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2022年7月27日修订2022年7月30日接受2022年9月11日网上发售保留字：振动收获机旋转偏心质量单双偏心质量A B S T R A C T树干摇动器广泛用于收获树木果实。树干振动器产生的振动是通过旋转偏心质量获得的。在行李箱振动筛中，使用单偏心质量以及双偏心质量。然而，如果这些偏心质量被单独使用和双重使用，则没有关于它们相对于彼此的有效性的研究。在这项研究中，偏心质量的振动效果的树干振动筛进行了比较，当他们在轴向或平行的位置作为一个双质量，而不是一个单一的质量。为此目的，树干振动器被设计用于刚性树干树，并在3D建模后制造。在ANSYS软件中建立了振动筛的三维模型。之后，进行了实验与制造的主干振动筛组件。通过以16.5 Hz和25 Hz的频率操作偏心质量来振动树干模型（钢管）通过在树模型的两个不同点处在x和y轴方向上进行2 s的测量来获得振动图形。在ANSYS软件中的模拟得到的振动结果与实验研究中 在模拟和实验研究中，已经发现，当使用双质量代替单一质量的躯干振动筛，有一个减少的振动值，他们产生的。按比例比较了x轴和y轴上不同位置的质量产生的加速度值的矢量合成。当使用双质量代替单个质量时，在25 Hz频率下平行放置的双质量实验中获得了最大的加速度降低（实验中为-14.6%，模拟中为-14.2%）。这些结果表明，偏心质量的位置以及它们的频率是关键的收获在较短的时间内不损坏树干。得出的结论是，使用单一的偏心质量树干振动器可能是更有效的果实收获树木非常僵硬的树干。©2022 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍传统的人工收割方法需要大量的精力，因此成本高昂。有大量的研究研究和改进机械收获方法。这是大量研究数据的结果[1]。各种系统正在用于机械收割。这些系统可以摇动树木的主干或树枝，向树木喷射空气或水，通过真空或切割效果采摘水果，使用形状像耙子的捕获臂。此外，近年来，机器人正在用于水果收获，但这些机器人系统仍处于使用的早期阶段。已经理解，通过振动（摇动）树枝或树干，可以简单有效地从树枝上采摘果实。为此，已经开发了各种类型和结构的振动器。振动筛现在可以安装在拖拉机上，*通讯作者。由Karabuk大学负责进行同行审查其中有些甚至是自动的，它们几乎可以应用于所有类型的水果[2]。摇树的主要目的是将加速度传递到结果枝上，帮助采摘果实。通过在正确的点摇动树枝或树干以及对每棵果树应用正确的摇动方法来增加振动水平[3]。收获果树的主要原理是摇动，这会对果实造成惯性，从而导致果实茎上的扭转应力和拉伸应力。因此，当水果不能通过其加速度的作用满足这些力时，水果就会分离[4]。已经讨论并发表了与机械收获方法有关的几个问题和方法。埃尔多·g·古兰等结果表明，在树木结构和果实连接相对僵硬的条件下，高频率和小振幅据报道，对于杏、苹果和核桃等树木，使用15至30Hz之间的频率更合适[4]。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.1012282215-0986/©2022 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchC.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012282（（La′ng[5]通过对旋转双偏心质量振动筛和滑动曲柄式振动筛的空转和工作功率方程的公式化进行了比较。Horvath和Sitkei[6]提出了一个树模型，允许三种不同的躯干运动。他们表明，由振动筛的振动引起的身体的位移分量在很大程度上与振动筛连接位置的高度有关。Paolo Amirante等人[7]对双偏心质量树干振动器进行了各种研究，特别是对它们的夹具-树干连接及其对振动传递的影响。Polat等人。[8]表明，可以推荐具有最佳频率和振幅的树干振动系统，以安全地实现阿月浑子收获的高收获产量。Sola-Guirado等人[9]分析了由多方向树干振动器在橄榄树的上部（树干和树枝）以及根部产生的振动的传输。近年来，通过有限元法的计算机模拟分析振动，对水果收获也进行了一些研究。在设计和生产阶段，这种方法为研究人员提供了进行尽可能多的测试，并确保节省成本，劳动力和时间[10]。已经有几项研究使用有限元法对水果收获进行了研究[11Savary等人。[11]制作了一棵橘子树的3D模型，以进行动态模拟。将实验结果与模拟结果进行比较，他们得出结论，所产生的加速度具有一定的相关性Bentaher等人[12]制作了一棵橄榄树的3D模型。他们在不同的载荷模式和振动模式下进行了模拟，以计算出振动频率值对橄榄树的动态反应。Wu等人[13]从两个不同的角度测量了核桃树的无叶树枝，并对其进行建模，以开发符合各种类型核桃树的振动筛。Hoshyarmanesh等人。[14]使用中型橄榄树的3D模型来模拟树干振动器的使用，以分析临界加速度和位移特性。他们这样做的目的是提高产量。他们比较了轨道和线性方向的载荷。此外，他们还将有限元结果与现场试验结果进行了比较。Juan Wei等人[15]对3D阿月浑子树进行建模，以确定有效振动频率范围。分别对刚性和柔性树木模型进行了仿真，通过模态分析确定了适合采伐的激振力-频率范围（10 Hz ~ 18 Hz）。Leone等人[16]采用单个偏心质量在x轴和y轴方向上读取加速度读数。他们报告称，在三个测量点（电机、夹具和身体）测量的加速度显示出不同的趋势。他们还提到，摇晃的时间不宜过长，以免损坏树皮。正如上述研究所示，水果收获通常是-我用的是shakers。为此目的，已经开发了各种各样的树干摇动器。有些振动筛是通过握住树枝和树干来操作的。振荡时间(c)（d）其他事项图1.后备箱震动器的3D电脑图像。C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012283表1振动筛中的偏心质量及其位置并且振动值对于在使用优化振动器的机械收割中不损坏树木的收割是非常重要的。振动箱中的振动是通过旋转偏心质量，由液压系统运行今天的Shakers振动筛采用单质量块振动机构和双质量块振动机构。他们主要关注的是一种特殊选择的果树的产量，并使用不同的角速度，在使用双质量时产生相位差。在这项研究中，振动的影响进行了调查，通过操作产生振动的偏心质量作为单或双，通过改变它们的位置，并通过角速度。本研究的主要偏心质量由电动机和同步皮带轮驱动，而不是液压系统。因此，确保每个质量块在旋转期间的角速度相等。所制造的树干振动筛组件是专为高度僵硬的树木。使用钢制空心管作为高度刚性的树模型，偏心质量以15-30 Hz的频率旋转埃尔多·g·古兰等[4]的文件。对所设计的树干振动筛进行了三维建模，并在ANSYS软件中进行了固有频率和动力学分析，计算了树木模型的振动。研制了振动筛，并进行了试验研究。然后，将从仿真中获得的振动值与在实验中获得的振动测量值进行比较。2. 方法2.1. 树干振动筛的设计利用Solidworks软件对实验所用的机械式树干振动筛进行了三维设计。树干振动筛的设计包括模块化结构，其符合在设计中进行简单改变，因为计划从树干振动筛的不同位置获取几个读数。机械式树干振动筛的设计图纸如图所示。 1（a-d）本文主要针对单偏心质量和双偏心质量两种情况对树干振动筛进行了研究。单偏心质量为2000 g，双偏心质量为1000 g.偏心质量产生的错位为15 mm。双偏心质量在五个不同的位置旋转，其中两个同轴，三个平行，根据各自的轴。 通过以16.5 Hz的频率操作偏心质量进行2 s的测量和25 Hz（990和1500 rpm角速度），符合高刚性采油树的推荐值[4]。偏心质量在轴向位置以100 mm和200 mm的距离放置，在平行位置以140 mm、235 mm和320 mm的距离放置。表1和图2给出了偏心质量的配置。 二、2.2. 分析在Solidworks软件中对实验中所用的振动筛进行了三维建模，并为ANSYS/Mechanical软件中的动力学分析做好了准备。图3（(a)位置1（b）第（1）(c)位置3(d) 位置4（e）位置5（f）位置6图二. 偏心质量及其相对位置。C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012284图三.建立了用于动力学分析的摇箱机构模型。2.2.1. 模态分析进行了模态分析，以调查是否有共振时，树干振动筛工作在16.5 Hz和25 Hz的频率。在开始模拟之前，钢管（St 44）和其他零件的性能将在工程数据中进行分析。在软件的结构钢属性模块中选择假设阻尼比为0.04。将振动筛的三维模型导入软件，利用Modal模块进行模态分析，计算出各偏心质量位置的前六阶模态固有频率值计算得到的前两个频率较高的计算出的自然频率值被发现大于44赫兹。第一振动模式主要发生在x轴方向，而第二振动模式主要发生在y轴方向。由于偏心质量的旋转频率为16.5Hz和25Hz，因此可以理解系统不共振。因此，在瞬态结构分析中忽略了固有频率。模态分析结果见表2。2.2.2. 瞬态结构动力分析在瞬态结构分析设置中，偏心质量以990和1500 rpm逆时针方向旋转2 s。 在分析中，钢管的元素被定义为柔性的，其余的为刚性的。 当以这种方式进行分析时，在旋转偏心质量和其他物体中形成的能量通过能量等效计算并传递到钢管。解决方案的步骤安排，以满足奈奎斯特准则。图4给出了解决方案安排的示例。已经计算了由于偏心质量的旋转导致的钢管树模型的点A和B处的x和y轴上的位移和加速度值，表2自然频率结果。质量位置固有频率[Hz]1. 模式2. 模式3. 模式4. 模式5. 模式6. 模式单个21.0321.52444.38592.002123.37141.47轴向100 mm21.49621.88846.80492.109124.02141.57轴向200 mm22.66822.95248.66498.776132.82146.4平行140 mm21.13421.42846.28492.824124.62140.03平行235 mm20.97421.35145.07392.734123.41140.03平行320 mm22.55723.53148.69699.85130.58144.08图四、在ANSYS瞬态结构中进行模拟的图像C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012285变成了图形。RMS值已被计算，以比较在x和y轴上的加速度与实验中获得的数据。本文给出了振动的加速度-时间曲线，16.5 Hz和25 Hz频率的偏心质量，分析在图中给出。分别为5和6。模拟结果总结在表3中。在模拟中，发现双质量振动台与单质量振动台相比，得到的加速度要低。这一结果使我们通过实验来检查模拟单个质量双轴质量100 mm双轴质量200 mm双平行质量140 mm双平行质量235 mm双平行质量320 mm(a) x方向（b）y方向图五. 分析中在16.5 Hz频率下获得的x和y方向振动读数的加速度-时间图C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012286单个质量双轴质量100 mm双轴质量200 mm双平行质量140 mm双平行质量235 mm双平行质量320 mm(a) x方向（b）y方向见图6。 分析中在25 Hz频率下获得的x和y方向振动读数的加速度-时间图C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012287表3在各个工作频率的模拟中找到的加速度值。质量位置16.5 Hz 25 Hzx（m/s2）y（m/s2）x（m/s2）y（m/s2）单个2.6582.8144.0234.223轴向100 mm2.5782.7023.7503.952轴向200 mm2.2982.3463.3443.333平行140 mm2.1682.1853.1453.131平行235 mm2.0672.1773.0713.143平行320 mm2.0692.2682.9343.140(a)单轴（b）轴向双100 mm（c）轴向双200 mm图8.单偏心质量块和同轴双偏心质量块的实验图像。2.3. 振动筛的研制与试验支撑行李箱振动筛的机械元件、连接爪和其他元件的主体被制造为钢结构，具有St 37结构钢的焊接接头。偏心质量、运动机构和作为振动筛支撑结构的主体的制造图纸如图7（a-c）所示。偏心质量及其运动机构采用模块化结构制造，易于更换。图8（a）中显示了使用单偏心质量块进行的实验装置的图片，图8（b，c）中显示了在双偏心质量块的轴向位置进行的实验装置的图片，图9（在树干振动筛实验台上，偏心质量块由一台双端2.2kW异步电动机驱动。所有位置的运动都是由一台电动机通过同步皮带和皮带轮传递到偏心质量轴上为了使偏心质量产生16.5Hz和25Hz的振动频率，异步电动机以990rpm和1500rpm的固定速度旋转由速度控制装置（逆变器）提供。在所有实验中，旋转方向都选择实验中的振动测量是用Vb系列Commtest仪器振动测量与分析装置进行的. 设备设置为以m/s2和RMS的形式查找加速度值使用Ascent7.41软件，使用振动测量装置获得的数据，获得时间位移、时间-加速度波形和加速度谱图在水平平面上从180 cm的高度在y轴和x轴上对用作树模型的钢管的上部进行振动测量，该钢管具有树干振动筛的质量中心已经安装到树模型钢管上，距离底座90 cm。图10（a）中给出了带有树干振动器机制的树模型钢管的测量装置的图像，振动读数方向如图所示。 10（b）.(a)（b）（c）见图7。 振动筛体、偏心块和旋转机构的图片。(a) 平行双140 mm（b）平行双235 mm（c）平行双320 mm见图9。 单偏心质量和双偏心质量平行轴实验的图像。见图10。树模型钢管上的试验装置（a）和方向（b）的图像，带有振动器机制。在图1和图2中所有位置的加速度谱图中，如图11和12所示，在实验中利用振动测量装置进行的测量中获得的，应当理解，主体振动器组件不受所施加频率下的固有频率的影响。时间-加速度谱C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012288单个质量双轴质量100 mm双轴质量200 mm双平行质量140 mm双平行质量235 mm双平行质量320 mm(a) x方向（b）y方向见图11。 在16.5 Hz频率下进行的x和y方向测量的加速度频谱图。C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）1012289单个质量双轴质量100 mm双轴质量200 mm双平行质量140 mm双平行质量235 mm双平行质量320 mm（a）x方向（b） y方向见图12。 在25 Hz频率下进行的x和y方向测量的加速度频谱图。C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）10122810表4实验中得到的加速度结果质量位置16.5 Hz 25 Hzx（m/s2）y（m/s2）x（m/s2）y（m/s2）单个2.5682.853.2423.996轴向100 mm2.1652.7392.7153.67轴向200 mm2.4222.1152.173.767平行140 mm2.3872.6772.2153.059平行235 mm2.482.8042.7833.076平行320 mm2.3312.942.6883.49图表被用来找到仅由偏心质量产生的振动值，而不受电动机、轴承等产生的振动的影响并与仿真结果进行了比较在实验中，树干振动筛已在16.5和25 Hz频率下操作，具有单质量和双质量，在部分和同轴线上，并且已经测量了在A和B点处的x和y方向上发生的振动，如图10所示。图图11和图12描绘了加速度谱图在16.5Hz和25 Hz的频率下分别进行的实验中，x和y方向上的振动测量值。表4中给出了实验中获得的加速度值。在模拟等实验中，发现双质量配置比单质量配置具有更低的加速度值。3. 数值结果及讨论为了更好地进行比较，下图显示了获得的单质量和双质量的加速度值。图图13和图14给出了在16.5Hz振动频率下的实验和仿真中获得的振动结果的对比图。图图15和图16示出了在25Hz振动频率下在实验和模拟中获得的振动结果的比较图。在实验和模拟中，发现双偏心质量在16.5 Hz和25 Hz频率下产生的加速度值低于单质量在所有位置和频率下的加速度值，轴向和平行。虽然可以看出，在模拟中获得的振动得出的结论是，这种差异的原因是不能完全模拟连接的影响，实验中使用的钢管。此外还得出只有钢管的柔性选择才能对仿真结果产生影响。如表3和表4中给出的检查结果所示，可以看出，当偏心质量的位置改变时，在每个位置沿x和y方向测量的加速度值会出现差异。为了能够在加速度值的这些变化之间进行更一致的比较，计算在每个位置中在x轴和y轴上测量的加速度值的矢量合成。在使用双质量而不是单质量的情况下，按比例比较振动的合成加速度的变化。9(a)x方向(b)y方向(a)x方向(b)y方向图十三.基于加速度的偏心质量振动值的比较，在单一和轴向双位置，在实验和模拟中获得，16.5 z振动频率在x和y方向。图14.基于加速度的偏心质量振动值的比较，在单位置和平行双位置，在实验和模拟中获得，16.5 z振动频率在x和y方向。单个3双轴100双轴20021仿真实验00100质量之间的距离（mm）200单个3双轴100双轴2002仿真1实验00100质量之间的距离（mm）20032单个平行双140平行双235平行双3201仿真实验00140235320质量之间的距离（mm）加速度（m/s2）32单个平行双140平行双235平行双320仿真1实验00 140 235 320质量之间的距离（mm）加速度（m/s2）加速度（m/s2）加速度（m/s2）C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）10122811(a)x方向(b)y方向图15.基于加速度的偏心质量的振动值的比较，在单和轴向双位置，在实验和模拟中获得在25 Hz的振动频率在x和y方向。(a)x方向(b)y方向图16.基于加速度的偏心质量的振动值的比较，在单和平行双位置，在实验和模拟中获得在25 Hz的振动频率在x和y方向。所得加速度的变化率（%）见表5。表5中振动的合成加速度的变化率根据偏心质量的轴向或平行位置以及它们之间的距离而不同。在使用双质量而不是单质量的情况下，可以看出，在所有20个结果中，振动的合成加速度减小。单质量块和双质量块相比，在25 Hz工作频率下，实验中在140 mm平行位置处得到的合成加速度最大下降为14.6%，在320 mm平行位置处得到的合成加速度最大下降为14.2%.当在16.5 Hz和25 Hz的工作频率下获得的结果进行比较时，在实验和模拟中可以看到很大的平行性。这表明加速度变化的主要因素，而不是工作频率，是群众的立场。研究结果表明，在相同的频率下，单偏心质量振动台比双偏心质量振动台能产生更高的加速度值。Bentaher等人报告了这些结果。[12]发现单质量振动器在x和y方向上产生的力大于双质量振动器。由于双偏心质量块在收获中的应用是由两个独立的液压马达驱动的，所以质量块的转速之间存在非常小的差异根据文献，理想的是最佳振荡时间小于10 s。因此，Amirante et al.[7]指出，双偏心树干振动筛的进动运动时间很长，需要更好地调节两个液压马达的流量。在这项研究中使用的定时皮带轮系统也是重要的，在均衡的双质量的转速，成本比液压系统低得多。根据Güler和S，en的观点，有限元法的目的是在遇到需要更长时间解决的复杂问题时，尝试解决等效但简化的通常，简化的结果是近似结果而不是精确结果。有限元法将节省劳动力和时间成本，因为在设计和制造阶段，我们有机会尽可能多地进行实验[10]。将本研究中的模拟结果与实验结果进行比较，可以看出，在质量块的某些位置处，振动值显示出合理且可接受的差异，并且它们是协调的。表5在相同频率下，使用双质量而不是单质量时，与单偏心结果相比，振动合成加速度的变化百分比质量位置（mm）16.5 Hz 25 Hz模拟（%）实验（%）模拟（%）实验（%）轴向100-1.8-4.9-3.4-6.1轴向200-7.9-8.5-10.0-9.4平行140-10.8-3.3-12.8-14.6平行235-11.9-1.2-13.2-10.0平行320-11.0-1.4-14.2-7.6543210单个平行双140平行双235平行双320仿真实验0 140 235 320质量之间的距离（mm）543210单个平行双140平行双235平行双320仿真实验0 140 235 320质量之间的距离（mm）543210单个双轴100双轴200仿真实验0100质量之间的距离（mm）200543210单个双轴100双轴200仿真实验0100质量之间的距离（mm）200加速度（m/s2）加速度（m/s2）加速度（m/s2）加速度（m/s2）C.切廷卡亚河Polat和A.F.厄扎尔普工程科学与技术，国际期刊35（2022）101228124. 结论本研究探讨了振动的影响时，偏心质量的树干振动筛中使用的高度僵硬的水果收获和振动筛是由双质量，而不是一个单一的质量，在轴向或平行的位置（独立的自然频率和转速之间的相位双质量）。结论可归纳如下：在16.5 Hz和25 Hz频率下进行实验时，发现单偏心质量块的加速度值比轴向和平行布置的双质量块的加速度值低。在16.5 Hz和16.5 Hz下获得的振动加速度值增加的比例比较中，25 Hz时，在实验和模拟中发现了非常相似的结果。这表明，双质量块振动加速度值变化的主要原因是质量块的位置。这些结果是在比较当前设计的轴向或平行位置时获得的。结果很相似。在所有位置和轴向位置观察到加速度降低。通过在树干振动器中使用具有用于双质量的相同质量的单个偏心质量，在树干上产生更高的振动加速度，这意味着果实将在更短的时间内从树枝上脱落。 这种效果将有利于果实分离效率，并可能有助于缩短摇动时间，以避免在收获期间损坏树皮。根据这项研究的结果，表明偏心质量的数量及其位置在偏心质量产生的振动中是关键的，研究建议如下：在摇动过程中，减少树木损伤，提高果实收获产量;使用单质量树干摇动器将是更有益的，其允许适合于收获产品类型的振动特性，并且可以容易地获得产品的振动特性，并且可以容易地改变质量位置和角速度。如果要使用双质量无论出于何种原因，本研究中使用的正时皮带轮-皮带系统都将是一种合适的解决方案，因为它可以以比现有拖拉机设备和附加液压系统低得多的成本来均衡双质量的旋转速度。在制造之前对具有独特设计的树干振动筛进行模拟将在确定由偏心质量产生的振动的最合适的质量位置以及减少生产时间和成本方面提供有效的解决方案。将本研究中使用的树干振动器获得的结果与特定产品（如非常僵硬的杏树树干）的田间试验进行比较是有用的。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢本研究得到了科学技术研究委员会编号为114O029和1002的项目的土耳其（TÜBI_ TAK）。感谢TÜBI_ TAK支持.引用[1] K.F. 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