بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزایش روز افزون استفاده از ابزارهاي باریک در فرآیند خاکورزي و کاشت ، شناخت برهمکنش این ابزار با خاك ضروري به نظر می رسد. زیرا این ابزار از مهمترین ادوات مصرف کننده انرژي بعد از گاوآهن ها و تیغه هاي پهن کشاورزي در فرایند خاك ورزي و کاشت به شمار می روند. روش هاي تجربی داراي پاسخ هاي کاملا قطعی و واضح می باشند، اما مطالعه تجربی برهمکنش تیغه و خاك زمان بر بوده و هزینه بالایی داشته و محدود به شرایط عملیاتی خاصی می باشد. با گسترش روش المان محدود در زمینه هاي مختلف از جمله مکانیک خاك از این روش در سالیان اخیر به کرات براي شبیه سازي بر همکنش تیغه و خاك استفاده شده است.
در این مقاله، دو ساقه گاو آهن چیزل C شکل و L شکل تحت زاویه 30° با ابعاد مشخص در سه سرعت 2،1و3 متر بر ثانیه مورد تحلیل قرار گرفته شد. بدین منظور شکل بازوي چیزل در نرم افزار کتیا طراحی شد و سپس براي آنالیز به محیط نرم افزار انتقال داده شد. در این نرم افزار خصوصیات بازوي چیزل از قبیل مدول یانگ، نسبت پوآسون و همچنین شرایط مرزي حاکم بر بازو تعریف شد.
در ادامه نیروي معادل با نیروي مقاوت خاك بصورت بار گسترده بر بازو وارد شد و توسط نرم افزار فوق الذکر تحلیل شد. نتایج بدست آمده از این تحلیل با نتایج حاصل از فرمول هاي تجربی مقایسه شد و مشاهده شد که نتایج حاصله داراي تطبیق قابل قبولی هستند. از نتایج این تحلیل می توان براي طراحی و ساخت بازوي گاوآهن هاي چیزل با سرعت و دقت بالا استفاده کرد.
.1 مقدمه
از هزاران سال پیش، بشر جهت رفع احتیاجات غذایی و افزایش تولید مواد غذایی اقدام به خاکورزي کرده است - مک کینز . - 1985 خاکورزي را میتوان عمل آوري مکانیکی خاك براي حصول هر منظور خاصی تعریف نمود. یکی از هدفهاي عمده خاکورزي تدارك شرایط مطلوب محیطی براي رشد گیاه میباشد. هر سال، خاك درزمینهاي کشاورزي بر اثر استفاده از ادوات سنگین و رفت و آمدهاي مکرر چرخ هاي ادوات طی عملیات مختلف خاکورزي در لایه هاي زیرین فشرده تر میشود.
این لایه هاي متراکم خاك باید برش داده شوند، چون اجازه رشد مناسب به گیاهان و نفوذ بهتر ریشه را نمیدهند. با توجه به افزایش روز افزون استفاده از ابزارهاي باریک در فرآیند خاکورزي و کاشت، شناخت برهمکنش این ابزار با خاك ضروري به نظر می رسد. زیرا این ابزار از مهمترین ادوات مصرف کننده انرژي بعد از گاوآهن ها و تیغه هاي پهن کشاورزي در فرایند خاك ورزي و کاشت به شمار می روند.
نیروهاي عامل بر یک وسیله خاك ورز براي ایجاد یک اثر معین در خاك را میتواندقیقاً اندازه گرفت. ولی اثرات تغییر در طراحی وسیله را نمیتوان با اطمینان پیش بینی کرد. در نتیجه تعجب آور نیست که طراحی ادوات خاکورزي به جاي اینکه یک دانش باشد، یک هنر به شمار می آید
لایه سخت خاك توسط کار گاوآهنهاي برگرداندار، تردد کمباین در شرایط مرطوب مزرعه و فشردگی با چرخ شیار تراکتور، ایجاد میشود اما با کاربرد گاوآهنهاي چیزل در عمقهایی بیشتر از عمق گاوآهنهاي برگرداندار، میتوان لایه سخت ناشی از کار مداوم گاوآهنهاي برگرداندار در یک عمق ثابت را شکست
نتایج نشان میدهد با افزایش عمق کار، مقاومت کششی گاوآهنهاي چیزل افزایش تدریجی پیدا میکند - کپنر و همکاران، - 1978 که احتمال شکستن و تغییر شکل ساقه ها را افزایش میدهد؛ بنابراین تحلیل رفتار انواع ساقه ها به هنگام کار در عمق زیاد، میتواند به طراحی و ساخت بهتر آنها کمک نماید.
روش هاي تجربی داراي پاسخ هاي کاملا قطعی و واضح می باشند، اما مطالعه تجربی برهمکنش تیغه و خاك زمان بر بوده و هزینه بالایی داشته و محدود به شرایط عملیاتی خاصی می باشد روش اجزاي محدود یکی از روشهایی است که براي ارزیابی ابزار تحت بارهاي استاتیکی و دینامیکی، قبل از ساخت نمونه اصلی به کار میرود. باگسترش روش المان محدود در زمینه هاي مختلف از جمله مکانیک خاك از این روش در سالیان اخیر به کرات براي شبیه سازي بر همکنش تیغه و خاك استفاده شده است. یکی از بسته هاي نرم افزاري که از اجزاي محدود براي تحلیل تنش استفاده میکند، نرم افزار کتیا می باشد که اجازه شبیه سازي سه بعدي و کامل طرح - بدون از قلم افتادن جزئیات هندسی - را به طراح میدهد.
.2 مواد و روشها
براي مدل سازي ساقه چیزل C شکل و L شکل در کارگاه ماشین آلات دانشگاه رازي به روش مهندسی معکوس اندازه گیري شد و تحت زاویه حمله 30 درجه توسط نرم افزار کتیا مدلسازي شد و تحلیل استاتیکی آنها توسط همین نرم افزار به روش المان محدود انجام گردید. براي مدل سازي ساقه ها سطح مقطع آنها برابر 50×25 میلیمتر و ارتفاع ابزار 530 میلیمتر در نظر گرفته شد. پس از مدل سازي و انتقال آنها به محیط آنالیز نوع تحلیل - Structural - انتخاب شد. و نوع مش از OCTREE Tetrahedron Mesher انتخاب شد که براي ساقه C شکل و L شکل به ترتیب از 7276 ، 3605 گره و3910، 1853 جزء تشکیل شده است
شکل -1 مش بندي
جنس ساقه ها از فولاد آلیاژي انتخاب شد که مدول الاستیسته، نسبت پواسون و دانسیته جرمی آن به ترتیب برابر با GPa 210، 0/28 بودند. شرایط مرزي در جایی که ساقه به قاب ماشین جهت اتصال تعبیه شده بود در نظر گرفته شد. در ادامه نیروي معادل با نیروي مقاوت خاك بصورت بار گسترده در سه سرعت 2،1و3 متر بر ثانیه بر بازو وارد شد و توسط نرم افزار فوق الذکر تحلیل شد.
براي تخمین نیروي وارد بر ساقه ها از معادله مقاومت کشش ویژه گاوآهن قلمی بدست آمده توسط ندرلو و همکاران[ 1] استفاده شد این معادله بصورت زیر می باشد:
براي محاسبه مقاومت کششی ویژه گاوآهن چیزل مقدار مقاومت بر عمق کار تقسیم شد . - ASAE Standards, 2006 - فرمول محاسبه مقاومت کششی براي گاوآهن قلمی به صورت زیر می باشد که n تعداد تیغه و d عمق کار می باشد.
شکل عمومی معادله استفاده شده در این تحقیق بر اساس استاندارد ASAE,D 497.5 است که به ترتیب زیر می باشد که در آن:
:D مقاومت کششی ادوات - N - :Fi پارامتر بافت خاك - بدون بعد - :S سرعت پیشروي - km/h -
:W عرض شخم - m - :d عمق شخم - cm -
و ضرایب A,B,C پارامتر ادوات می باشند.
از آنجایی که آزمایش در یک خاك با بافت لومی رسی انجام شده است ضریب1 براي Fi در نظر گرفته شده است. مقاومت کشش ویژه از تقسیم D بر w.d محاسبه می شود.
.3نتایج و بحث
پس از اعمال نیروي کششی به هر کدام از ساقه ها در نرم افزار و انجام تحلیل، کانتورهاي تنش فون میزس و جابجایی هر کدام از ساقه ها بدست آمدند که نتایج آن در جدول 1 مشاهده می شود.
جدول -1 مقادیر عددي بدست آمده از محیط آنالیز کتیا
