بخشی از مقاله
چکیده
میزان انرژی مصرفی در عملیات خاک ورزی بیشتر از سایر عملیات کشاورزی است . بنابراین ذخیره حتی یک درصد انرژی با طراحی کارآمد و استفاده صحیح ابزار خاک ورزی در شرایط کاری مناسب، می تواند باعث کاهش هزینه مصرفی شود . عملیات خاکورزی منجر به عمل سریدگی خاک روی قسمتی از ابزار کار می گردد. اصطکاک خاک در مقابل ابزاری که سطح برخورد بزرگتری دارد، نیاز به نیروی مقاوم کششی را به مقدار قابل توجهی افزایش می دهد. وقتی که خاک بر روی فلز سر می خورد، نیروهای دگرچسبی بین خاک و فلز اثر بارزی بر نیروی اصطکاک می گذارند.
این نیروها در درجه اول زاییده لایه های رطوبتی در خاک بوده و مقدار آنها با محتوی رط وبتی تغییر می کند. از طرف دیگر در مدل سازی رابطه بین ماشین و خاک - از قبیل مدلسازی رابطه بین لاستیک و خاک - ، تغییرات مقادیر ضرایب اصطکاک خارجی و دگرچسبی خاک با افزایش محتوی رطوبتی و تشخیص فازهای مختلف در انواع خاکها به عنوان یک پارامتر تاثیرگذار همواره مورد توجه محققین و طراحان بوده است.
هدف از این تحقیق تعیین روند تغییرات ضرایب اصطکاک خارجی و دگرچسبی خاک برحسب افزایش محتوی رطوبتی در بافت های مختلف خاک و تشخیص فاز های مختلف اصطکاکی، چسبندگی و فاز سیالی در آنها می باشد. در این تحقیق جهت اندازهگیری ضریب اصطکاک خاک و فلز و چسبندگی از یک سیستم اندازه گیری دقیق که در کارگاه دانشکده کشاورزی دانشگاه محقق اردبیلی - - 1388 ساخته شد، استفاده گردید. در این سیستم اندازه گیری، مخزن خاک توسط الکتروموتور روی دو ریل موازی به حرکت در آمده و حاصل این حرکت، تماس قطعه فلزی ثابت با سطح مماسی خاک داخل مخزن میباشد.
از یک دیتالاگر مدل DT800 متصل به لودسل S شکل برای اندازه گیری مستقیم نیروی کششی حاصل از نیروی اصطکاکی استفاده شد . نتایج نشان داد که در همه ی سطوح سرعت لغزشی با افزایش رطوبت - در خاک لومی و شنی لومی تا %32 و خاک لومی شنی تا - %18 ضریب اصطکاک خارجی خاک افزایش می یابد، و پس از آن با رسیدن به %46 رطوبتی در خاک لومی، %24 خاک لومی شنی و %39 در خاک شنی لومی ضریب اصطکاک خارجی خاک کاهش مییابد. در حقیقت با افزودن آب، لایه های رطوبتی بین لغزنده و خاک توسعه می یابد و افزایش چسبندگی ر ا منجر می شود.
افزایش نیروی دگرچسبی همانند افزایش وزن لغزنده عمل می کند . لذا نیروهای چسباننده باعث افزایش سریع ضریب اصطکاک ظاهری با محتوای رطوبتی میشوند با افزودن آب و رساندن رطوبت خاک به %46 که خاک به حد روانی رسیده بود، مقدار نیروی کششی لغزشی برای هر 4 قطعه مورد آزمایش - فولاد، چدن، لاستیک و تفلون - کاهش یافته است . چون در این مرحله محتوای رطوبتی خاک به حدی رسیده بود که به آن خاصیت روان سازی داده و در این حالت ضریب اصطکاک با افزایش آب کاهش مییابد.
مقدمه
شناخت خواص فیزیکی، مکانیکی و همچنین خصوصیات دینامیکی خاک های کشاورزی امری ضروری و غیر قابل اجتناب می باشد. تعیین دقیق پارامترهای خاک شامل ضریب اصطکاک داخلی، چسبندگی، ضریب اصطکاک دینامیکی، اصطکاک خاک- فلز و ... در طراحی ادوات کشاورزی، محاسبه نیروی مقاوم کششی و بررسی عملکرد و سائیدگی آنها اهمیت اساسی دارد.
بومی سازی ادوات و ماشینهای کشاورزی در منطقه نیاز به تعیین دقیق هر یک از پارامترهای اشاره شده دارد. همچنین در مدل سازی رابطه بین ماشین و خاک - از قبیل مدل سازی رابطه بین لاستیک و خاک - ، مقادیر ضرایب اصطکاک خارجی و دگرچسبی خاک به عنوان یک پارامتر تاثیرگذار همواره مورد توجه محققین و طراحان بوده است. با توجه به اینکه خاک از یک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسین و طراحان قرار میگیرد و از سوی دیگر به عنوان یک محیط طبیعی جهت کشت محصولات زراع ی در اختیار انسان قرار گرفته است، لذا تعیین مقادیر ضرایب اصطکاک خارجی و دگرچسبی خاک ها و مطالعه اثرات عوامل اصلی بر آن لازم و ضروری بهنظر میرسد.
در حالت کلی سه نوع اصطکاک در مطالعات مربوط به دینامیک خاک پیش می آید: - الف - اصطکاک خاک با فلز
- - ، - ب - اصطکاک خاک روی خاک - - و - ج - اصطکاک داخلی خاک - Srivastava, 2006]. - tan، شهیدی و احمدی مقدم، [1387 ولی نکته مهمی که باید بدان اشاره کرد اصطکاک خاک روی ادوات خاک ورزی میباشد که موجب فرسایش تیغه های خاکورزی میشود. طبق تعریف، اصطکاک عبارت است از مقاومت در برابر لغزش دو جسم مماس نسبت به یکدیگر که در اثر اعمال یک نیروی خارجی به وجود میآید.
وقتی دو قسمت سخت خاک نسبت به یکدیگر حرکت میکنند، در سطوح تماسی دو طرف نیروهایی عمل میکنند . به عبارت دیگر هنگام عبور دو قطعه یا تکه خاک از کنار هم اصطکاک ایجاد میگردد. ضریب اصطکاک غالبا با یک جعبه ساده همانطور که در شکل 1 نشان داده شده اندازه گرفته میشود. بار عمودی وارد بر خاک در سراسر خاک پراکنده میشود.
شکل :1 یک روش برای تعیین شکست برشی مستقیم در میان سطوح تعیین شده
شکست بین دو نیمه ی جعبه رخ می دهد بنابراین F در شکل 1 معادل نیروی اصطکاکی است . اگر ضریب اصطکاک مستقل از بار عمودی مطرح شود، نمودار بارهای عمودی مختلف در مقابل بار اصطکاکی یک خط مستقیم میشود. شیب خط اندازه ی ضریب اصطکاک است. نیکولز و همکاران گسیختگی ناشی از برش را روی دو سطح به طوریکه بخش مرکزی استوانه حرکت می کرد، اندازه گیری کردند. هیچ اشکالی در این روش دیده نشد. مقادیر ضریب اصطکاک بین 0/2 و 0/8پیدا شده بودند.
نیروهای اصطکاکی فقط بین دو قسمت سخت خاک اتفاق نمیافتد، بلکه ممکن است بین خاک و بعضی مواد دیگر نیز رخ دهند. در ابزارهای کشاورزی، جنس مواد معمولا از فولاد و یا پلاستیک است و در چرخها از جنس .لاستیک میباشند. زمانیکه دو قسمت سخت خاک با هم درگیر هستند اصطکاک به صورت اصطکاک خاک با خاک مشاهده می شود، و زمانیکه یک قسمت از خاک با مواد دیگه ای از قبیل ادوات فولادی کشاورزی جایگزین میشود به صورت اصطکاک خاک- فلز نمایان می شود .
ضریب اصطکاک خاک و مواد اساسا به همان روش نشان داده شده در شکل 1 تعیین میشود با این تفاوت که یک جسم لغزنده جایگزین بخش بالایی جعبه میشود. اندازه گیری واقعی ضریب اصطکاک خاک با فلز با استفاده از یک سیستم ساده لغزنده همانطور که در شکل 2 نشان داده شده بدست میآید.
برای تشخیص تفاوت ضریب ها - تمایز ضرایب - ، این ضریب با یک علامت زیر نویس نشان داده می شود که ضریب اصطکاک فلز- خاک را بیان می کند . بنابراین اصطکاک لغزشی خاک با خاک توسط یک پارامتر دینامیکی به نام و یا بیان شده و اصطکاک خاک با فلز می تواند به عنوان زاویه اصطکاک لغزشی یا تانژانت زاویه - بیان شود، و از اندازه گیری هایی که روی سیستم لغزش دینامیکی انجام شده، بدست بیاید .[Gill & Vander Berg, 1968]
شکل :2 سیستم اندازهگیری ضریب اصطکاک خارجی خاک
پاین از یک لغزنده عمودی برای آزمایشات مزرعه ای استفاده کرد که احتمالا با چنین وسیلهای ' قابل اندازهگیری میباشد. این وسیله شبیه یک چیزل عمودی است که میتواند توسط یک دینامومتر متحرک درون خاک کشیده شود. نیروی عمودی روی سطح لغزش میتواند با تغییر زاویه سطح یا به وسیله افزایش سرعت عمل تغییر یابد. بیشتر وسایل پیچیده ای که توسعه داده شده اند یا از یک سطح فلزی رینگی شکل تشکیل شده اند یا از یک دیسک دوار. اینها در روی خاک قرار داده شده اند و درمحل استقرار چرخانده میشدند . شونه برای این هدف و منظور از یک حلقه استفاده کرد در حالیکه رو و بارنس از یک دیسک دوار استفاده کردند . در هر دستگاه سطح تماس بین خاک و لغزنده با اندازه فیزیکی لغزنده ثابت شده بود و مقدار بار در طول کار تغییر نمیکرد.
تغییرات ساختمانی باعث تغییر پیوسته سطح لغزنده شده و اغلب باعث تغییر ' می شوند . هم چنین مسافت جابجایی ممکن است برای بخش های مختلف لغزنده به طور قابل ملاحظه ای تغییر نماید . استفاده از یک رینگ حلقوی به جای دیسک دوار اهمیت این فاکتور را کاهش میدهد. وقتی رینگ حلقوی بزرگ و نازک است، اختلاف کمی بین مسافت جابجایی در لبه درونی و بیرونی لغزنده وجود دارد . بنابراین استفاده از میانگین شعاع های درونی و بیرونی واقعی تر میباشد.
در میان نیروهای فعال در سطوح متقابل دو جسم از مواد مختلف اغلب یک نیرو برای کشیدن دو جسم مجزا نیاز است. نیرویی که از کشش بین دو جسم غیر مشابه ناشی می شود به عنوان چسبندگی تعریف میشود. بین خاک و بعضی مواد دیگر، نیروهای چسبندگی تقریبا منحصرا ناشی از لایه های رطوبت هستند
وقتی که خاک بر روی فلز سر میخورد، نیروهای دگرچسبی بین خاک و فلز اثر بارزی بر نیروی اصطکاک می - گذارند. این نیروها در درجه اول زاییده لایه های رطوبتی در خاک بوده و مقدار آنها با محتوی رطوبتی تغییر می - کند. اثر نیروی دگرچسبی عبارت است از افزایش بار عمودی روی سطوح که این امر باعث افز ایش نیروی اصطکاکی مماسی میگردد
اندازهگیری پارامتر چسبندگی، چسبندگی را برای خاکی که در برابر یک سطح نگاه داشته شده، نشان نمی دهد. این نیرو تحت بعضی شرایط مهم می شود بهطور مثال وقتی که خاک بین ابزار کشش یا قسمت های دیگر ابزار و ماشین آلات می چسبد
