بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر با افزایش آسیب دیدگی ساختار خاک به دلیل خاکورزی بیش از اندازه و همچنین توان و انرژی بسیار بالای مورد نیاز برای خاکورزیهای مرسوم، تمایل کشاورزان به سمت روشهای خاکورزی حفاظتی بیشتر شده است. کولتیواتور مزرعه علاوه بر مبارزه با علفهای هرز و سلهشکنی، در خاکورزی حفاظتی کاربرد فراوانی دارد و از ادوات مهم در خاکورزی و عملیات داشت محسوب میشود. این مطالعه با هدف مدلسازی و تحلیل مکانیکی یک نمونه کولتیواتور مزرعه با دو نوع تیغه انجام شده است.
در این مطالعه پس از اعمال نیروهای کشش تراکتور، وزن گاوآهن و نیروهای فشاری وارد از طرف خاک به کولتیواتور مزرعه، وضعیت تنشهای وارده به دستگاه به روش اجزای محدود در سه صفحهی عمود بر هم مورد بررسی قرار گرفت و در هر مورد نتایج حاصل از تحلیل مکانیکی به شکل منحنیهای کانتور بر اساس تغییرات تنش و کرنش نشان داده شد. بر اساس نتایج، بیشینهی تنشهای اصلی و تنش فون میزز در ناحیهی انحنایی ساقه اتفاق میافتد که متناسب با آن میزان کرنش نیز در المانهای این قسمت نسبت المانهای دیگر بزرگتر است. میزان جابهجایی تیغههای نوع پنجه غازی در مقایسه با نوع قلمی بیشتر بود که پس از بارگذاری و باربرداری سیکلی و ارتعاش بهوجود آمده شدت خردشدگی خاک بیشتر و احتمال خستگی نیز در ساقههای خاکورز پنجه غازی بیشتر است.
مقدمه
کولتیواتور مزرعه برای تهیهی بستر بذر، کنترل علف هرز، آیش تابستانه، خاکورزی حفاظتی و ناهموار کردن مزرعه به منظور افزایش جذب رطوبت و جلوگیری از فرسایش آبی و بادی خاک مورد استفاده قرار میگیرد. کولتیواتورهای مزرعه مانند هرسهای بشقابی خاک را فشرده نمیکنند و وقتی به تیغههای پنجه غازی مجهز باشند برای از بین بردن علفهای هرز پایا مناسباند. هر کولتیواتور مزرعه متشکل از یکسری عوامل خاکورز به نام شاخه است که با فواصل معینی به قاب متصل میشوند. با توجه به نیاز روزافزون در کنترل انرژی و ساییدگی، اطلاع از نیروهای وارده بر ادوات خاکورز و شبیهسازی آن برای کاهش هزینههای آزمون ضروری میباشد.
در زراعت مکانیزه انواع مختلفی از کولتیواتورهای مزرعه جهت وجین، سلهشکنی، سست کردن خاک سطحی و مبارزه با علفهای هرز استفاده میشود. تا قبل از ساخت کولتیواتورها برای وجین علفهای هرز و سلهشکنی اغلب از وجینکنهای دامی و یا به صورت سنتی این کار انجام میشد تا اینکه در سال 1933 کولتیواتور سوار و قابل اتصال به سیستم هیدرولیک تراکتور عرضه شد. با پیشرفتفنّاوری و ظهور روشهای جدید طراحی، ساخت و بالا بردن کیفیت کاری و راندمان کولتیواتورهای ردیفی و تجهیز آنها به ضمایم مختلف مورد نظر محققین و کاربران بوده است
در بین سالهای 1348 - 1347، در مزرعهی آستان قدس رضوی در مشهد، با استفاده از نتایج تحقیقات انجام شده در آلمان در خصوص استفاده از کولتیواتورها و اثر کولتیواتور زنی بر عملکرد محصول تحقیقاتی انجام شد و نتایج نشان داد به ازای هر نوبت اجرای کولتیواتور زنی حدود سه تن در هکتار عملکرد محصول افزایش مییابد
پولن و کاول - 1997 - ، توانایی پنج نوع کولتیواتور را در مقایسه با علفکشها جهت وجین مکانیکی علفهای هرز مورد بررسی قرار دادند. در مکانیزمهای تحت بررسی، کولتیواتور شانهای حداقل کارایی را داشت. نوع پنجه غازی بالاترین سطح کنترل را داشت ولی موجب جابهجایی بیش از اندازه خاک میشد
پالبرگ و همکاران - 1998 - اثر شکل تیغه کولتیواتور و سرعت پیشروی آن را در ترکیب با دو روش سمپاشی در سیستم بیخاکورزی محصول ذرت مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد عملکرد محصول در استفاده از کولتیواتور پنجه غازی بیشتر است
بیس واس و همکاران - 2000 - در پژوهشی چهار نوع تیغه شامل لبه مستقیم، مثلثی، منحنی شکل و پنجه غازی تخت را از نظر نیروی کششی لازم مورد ارزیابی قرار دادند و اعلام کردند که نوع پنجه غازی تخت حداقل نیروی کششی را نیاز داشته و عمل نفوذ و برش علفهای هرز را بهتر انجام میدهد
احمدی مقدم و کماریزاده - 1381 - دو نوع بازوی کولتیواتور - فنری و ثابت - همراه با تیغههای پنجه غازی و قلمی را به وسیلهی نرمافزار انسیس1 مورد تجزیه تحلیل قرار دادند. نتایج نشان داد تنشهای بهوجود آمده در بازوهای ثابت بیشتر از بازوی فنری بوده ولی تغییر شکل در بازوی فنری بسیار بیشتر از بازوی ثابت است
مهمترین قسمت ادوات خاکورزی که با خاک درگیر بوده و کار برش و نرمسازی را انجام میدهد، تیغه ادوات است. پژوهشگران بر اساس فرم شکست خاک توسط تیغههای خاکورز آنها را به دو گروه تیغههای باریک و تیغههای پهن تقسیم کردهاند
در تیغههای پهن در اثر حرکت تیغه، خاک در دو جهت رو به جلو و رو به بالا حرکت میکند. به همین دلیل نیروهای وارد بر خاک و فرم شکست خاک در این نوع تیغهها در حالت دو بعدی بررسی میشود . - Payne, 1956 - در حالت کلی نیروها و تنشها وارد بر یک وسیله خاکورز به ویژگیهای هندسی تیغه شامل پهنای تیغه و زاویه حمله تیغه، وزن مخصوص خاک، رطوبت خاک، بافت خاک، عمق کار و سرعت پیشروی بستگی دارد - لغوی و عزیزی علی آبادی، . - 1387 گیل و واندنبرگ - 1960 - اعلام کردند که تنشهای وارده بر تیغه و همچنین شکل نهایی خاک تابعی از ویژگیهای هندسی تیغه و شرایط اولیه خاک میباشد
بر اساس تحقیقات به عمل آمده، خاک محیطی ناپیوسته است که مدلسازی عملیات برش و برگردان کردن آن با استفاده از روابط سنتی بسیار سخت و گاهی غیر واقعی میباشد. از اینرو با پیشرفت سیستمهای کامپیوتری، مدلسازی محیط ناپیوسته خاک امروزه با روشهای مبتنی بر المانهای گسسته تا حدی به واقعیت نزدیکتر شده است . - Yang et al. , 2014 - کولتیواتور مزرعه در عملیات خاکورزی ثانویه و عملیات داشت کاربردفراوانی دارد و معمولاً از فولاد آهنگری شده ساخته میشود. کاربرد اصلی کولتیواتور مزرعه، شل کردن خاک، سلهشکنی و مبارزه با علفهای هرز است و باعث افزایش حاصلخیزی زمین و نفوذپذیری آب در خاک میشود
از لحاظ شکل، کولتیواتور شبیه به گاوآهن چیزل است با این تفاوت که کولتیواتور دارای شاخه و تیغههای سبکتری میباشد. اغلب این گاوآهنها دارای سه تا ده شاخه هستند و حدود 7 اسب بخار برای هر شاخه مورد نیاز است. در هنگام استفاده از کولتیواتور، خاک باید خشک باشد؛ زیرا وقتی که خاک خشک است کولتیواتور عملکرد مؤثرتری دارد. در این پژوهش یک کولتیواتور مزرعه نوع سوار با شاخههای تمام فنری مدلسازی شد و به روش اجزای محدود مورد تحلیل قرار گرفت. بازوی تمام فنری با خاصیت فنری زیادی که دارد در مقابل هر نوع مانعی تغییر وضعیت داده و ارتعاش زیاد آن هم کلوخهها را بهتر خرد میکند و هم گیاهان هرز را بهتر از ریشه خارج میکند.
مواد و روشها
در این مطالعه، کولتیواتور نشان داده شده در شکل 1 با استفاده از نرمافزار آباکوس1، مدلسازی شد. در ابتدا نقشه فنی این دستگاه بر اساس دادههای فنی تهیه شده از دستگاه، با استفاده از نرمافزار سالیدورکز2 کشیده شد و برای راحتی در فراخوانی قطعه رسم شده، نقشه تهیه شده از این دستگاه با پسوند *.step ذخیره شد.
