بخشی از مقاله
چکیده
راندمان کشش از مولفههاي اصلی براي کنترل مصرف سوخت و بوکسوات، شرایط خاك، ابعادتایر و بار روي تایر از عوامل تاثیرگذار بر راندمان کشش هستند. هدف از این مطالعه بررسی اثر مولفههاي خاك - شاخص مخروطی و زاویه سطح زمین - و مولفه هاي ماشین کشنده - بار روي تایر، بوکسوات و ابعاد تایر - در راندمان کششی و به دستآوردن رابطه نسبی بین این مولفهها با استفاده از مدل ویسمر-لوث1 بوده است؛ که به منظور شبیهسازي بازده کشش از نرم افزار متلب استفاده شده است.
نتایج تحقیق نشان میدهد در خاكهاي زراعی بوکسوات تاحدي، لازمه ایجاد نیروي کششی و بازده کششی ماشین است. در ازاي یک بوکسوات مشخص - بوکسوات بهینه - بازده کششی به مقدار بیشینه خود میرسد. شرایط کاري منطبق بر این محدوده از بازده کششی باعث افزایش راندمان کار خواهد شد. این مقدار بیشینه به پارامترهاي خاك و تایر نیز بستگی دارد. نتایج این پژوهش ثابت کرد بازده کششی بیشینه با تغییرات شاخص مخروطی رابطه درجه سه و با لغزش بهینه رابطه خطی-غیرمستقیم دارد.
به علاوه نتایج نشان داد افزایش شاخص مخروطی، افزایش پهناي چرخ، افزایش بار روي هر چرخ هر یک به نوبه خود باعث افزایش بازده کششی بیشینه میشود. مدلسازي ثابت کرد زاویه شیب تاثیر دوگانهاي بر نرخ رشد بازده کششی میگذارد. بدین گونه که در شیبهایی تا 45 درجه بالاي سطح صاف، بازده کششی روند کاهشی به خود میگیرد اما در شیبهاي بالاي 45 درجه بازده کششی روند افزایشی دارد. نتایج در هر بخش مورد تحلیل قرار گرفته و با اصول پذیرفته شده تقابل چرخ و خاك مطابقت داده شدهاند.
مقدمه
افزایش مصرف جهانی نفت 67680 - هزار بشکه در هر روز از سال 1993 و 69397 هزار بشکه در هر روز از سال 1995 در ایالات متحده آمریکا، طبق گزارشات اداره فدرال مسئول حفظ ملی سیاست انرژي از ایالات متحده - در جهانی که وابسته به نفت است، کاملا بدیهی است. روند رو به افزایش قیمت نفت و محدود بودن منابع انرژي، اهمیت بهینه سازي مصرف سوخت را در بخش کشاورزي بیش از پیش مینمایاند. مقدار اتلاف سوخت سالانه در ایالات متحده آمریکا به دلیل بازده کششی پایین در واحدهاي زراعی 575 میلیون لیتر برآورد شده است
بازده کششی تاثیر قابل توجهی بر مصرف سوخت دارد لذا هر اصلاحی که در زمینه بازده کششی صورت بگیرد از یک طرف موجب بهبود راندمان کار و از طرف دیگر موجب حفظ منابع انرژي خواهد شد. مقاومت غلتشی یکی از مهمترین پارامترهاي عملکردي تایر میباشد که تحت تاثیر طراحی تایر - عرض، ارتفاع و بار روي تایر - و ویژگیهاي زمین - شاخص مخروطی و زاویه شیب - میباشد. تلاشهاي زیادي جهت پیش بینی مقاومت غلتشی و متقابلا بازده کششی صورت گرفته است، از جمله مطالعات اخیر که در سه زمینه تحلیلی، نیمه تجربی و تجربی انجام شدهاند؛ در سال 1973 توسط ویسمر لوث و 1983 توسط ام سی الستر میباشند
یکی از سادهترین و پر کاربردترین مدلهایی که براي تقابل چرخ و خاك ارائه شده است مدل کلاسیک ویسمر لوث میباشد که این مدل تلفیقی از مدل مبتنی بر عدد چرخ و مدل خاك جانوسی-هاناماتو میباشد [3]، آنها مدل چرخ را ساده نموده ولی پارامتر لغزش را به مدل اضافه کردند. در تحقیقات دیگري که توسط رونالد - 1975 - و بریکسیوس - 1987 - انجام شد هریک به صورت جداگانه دریافتند که عدد چرخ با پارامترهاي چرخ رابطه خطی ندارند و روابطی غیر خطی براي عدد چرخ ارائه کردند
گلارك در سال 1984 به ارائه اصلاحاتی براي معادلات ویسمر لوث پرداخته است، این اصلاحات در قالب اضافهشدن چندضریب دیگر به مدل ویسمر لوث میباشد .[7] کلوین و همکارانش در سال 1989 یک مدل کامپیوتري جهت تخمین کشش، ظرفیت مزرعهاي و مصرف سوخت تراکتورهاي مختلف را ارائه کردند که مبتنی بر مدل ویسمر لوث است
هارنیش و همکارانش در سال 2005 از شبیهسازي سیمولینک در محیط Matlab استفاده کردند و مدل جدیدي تحت عنوان AS2TM براي تفسیر برهم کنش چرخ و خاك ارائه دادند که به بررسی فرآیند درگیري چرخ و خاك مانند معادلات تنش میپردازد، نتایج بدست آمده از این مدل همخوانی خوبی با روشهاي تجربی داشته است .[9] شیخ داوودي در سال 1384 در دانشگاه شهید چمران اهواز مدل رگرسیونی براي ضریب مقاومت غلتشی یک چرخ تدوین کرده است که علاوه بر پارامترهاي وارد شده در مدلهاي مرسوم اثر لغزش و سرعت پیشروي نیز در آن دیده میشود
پیتر کیس در سال 2005 مولفههاي مختلف مقاومت غلتشی چرخ را در وضعیت دینامیکی بررسی کرده است و سهم هر بخش از عوامل ایجاد کننده مقاومت غلتشی را تعیین کرده است .[11] ایاگنما و دابوفسکی، در سال 2005 طی بررسی دینامیک حرکت رباتها به این نکته اشاره کردند که یکی از عوامل متغیر بودن کشش یک چرخ در وضعیت حرکت بر روي خاك، عدم ثبات پارامترهاي خاك است
مدلسازي و معادلات
هدف از این مطالعه بررسی اثر مولفههاي خاك - شاخص مخروطی و زاویه سطح زمین - و مولفههاي ماشین کشنده - بار روي تایر، بوکسوات و ابعاد تایر - در راندمان کششی و کشش ناخالص و به دست آوردن رابطه نسبی بین این مولفه ها با استفاده از مدل ویسمر-لوث بوده است .[3] در تهیه الگوریتمهایی جهت مدل کششی، نیاز به اندازهگیري هاي متعددي از شاخص مخروطی و عملکرد تراکتور و نظیر آن است که در گزارشهایی نظیر فریتینگ [13]، ویسمر-لوث [3] و گی- کلاو همکاران [14] آمده است.
مدل ویسمر لوث براي شرایط طبیعی تقابل چرخ و خاك که بکسوات حتی در بهترین شرایط کمتر از 0/03 نمیشود پایهگذاري شده است و در مقادیر بکسوات کمتر از مقدار مذکور تغییرات دور از انتظاري مشاهده شد. دادههاي آزمایش از خاك رسی در مخزن خاك موجود در دانشکده کشاورزي دانشگاه ارومیه بدست آمد .[3] مدل مورد استفاده در آزمایشات مدل معتبر ویسمر لوث مدنظر بوده است، که روابط تجربی آن به شکل زیر است
که در این معادلات، F نیروي کششی ناخالص، R مقاومت غلتشی، P نیروي کششی خالص، Cn عدد چرخ، W بار روي چرخ و TE بازده کششی تعریف شده است.
براي اندازه گیري شاخص مخروطی از پنترومتر مخروطی مدل RIMIK 20 ساخت کشور انگستان استفاده شد. ابعاد تایر تراکتور مسی فرگوسن اندازهگیري شده تا در شبیهسازي مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به اینکه عملا مقدار بکسوات صفر در شرایط مزرعه وجود ندارد مقادیر بکسوات در شبیه سازي توسط نرمافزار بالاي صفر در نظر گرفته شده است.
دیاگرام آزاد مربوط به نیروهاي وارده به تراکتور در شکل 1 ارائه شده است.
شکل :1 دیاگرام آزاد تراکتور و نیروهاي مربوطه
همانطور که از شکل - 1 - پیداست انتقال وزن ناشی از نیروي P بر عکس العمل زیر سطوح تایر تاثیر می گذارد. ضمن اینکه نیروي P در محاسبات به عنوان مجهول میباشد. بنابراین عدد چرخ، مقاومت غلتشی بر حسب P خواهند بود. در ادامه نیز، معادلات بهدستآمده بر حسب P به روش تکرار در متلب حل شدهاند.
در محاسبات، سطوح شیبدار با زاویه مجهول α در نظر گرفته شد و اثر انتقال وزن ناشی از مولفه افقی وزن مجموعه تراکتور - W sin - بر عکسالعمل سطح زیر تایر و متعاقبا عدد چرخ در نظر گرفته شد. مولفه - - W sin طبق دیاگرام باعث افزایش عکس العمل زیر سطح میشود. مولفه عکسالعمل زیر تایر ضمن اینکه از طرفی باعث افزایش کشش ناخالص میشود، متقابلا بر روي مقاومت غلتشی نیز تاثیر گذاشته و با افزایش این مولفه مقاومت غلتشی با شدت بیشتري رشد میکند.
نتایج
بررسی نمودارهاي مربوط به بازده کششی - شکل - 2 نشان داد که لغزش تاثیر دوگانهاي روي بازده کششی دارد. بدینگونه که با افزایش لغزش، در ابتدا مقدار بازده کششی افزایش یافته اما از یک حدي به بعد افزایش لغزش تاثیر معکوسی بر بازده کششی داشته و باعث کاهش آن میگردد؛ به این دلیل که با افزایش لغزش از یک حدي به بعد سرعت پیشروي نیز مطابق رابطه زیر کاهش مییابد.
که در این رابطه، P کشش خالص، F کشش ناخالص، V - r - سرعت واقعی - پیشروي - ، V - t - سرعت تئوریک در حالت بدون لغزش تعریف میشوند. بنابراین مطابق شکل 2، با کاهش سرعت پیشروي، طبق رابطه 6، بازده کششی کاهش مییابد.
مطابق منحنی شکل 2، با افزایش شاخص مخروطی نمودار به سمت بکسوات کمتر و بازده کششی بیشتر سوق پیدا میکند. یعنی در خاكهاي با شاخص مخروطی زیاد - سفتتر - بازده کششی بیشتر است، ضمن اینکه بازده کششی بیشینه در بکسوات بهینهي2 کمتري اتفاق میافتد. مختصات نقاط قله - peak point - نمودارهاي شکل 2 در مقیاس بالا در شکل 4 آورده شده و رابطه آنها ذکر شده است. خط قرمز تابع برازش شده - fitness - در محیط matlab میباشد. مقدار مجذور ضریب همبستگی R 2 0.99 مقادیر قابل قبولی را براي برازش منحنی و بیان نسبت بین پارامترها ارائه کرد.
شاخص مخروطی، بااین استدلال که در سطوح سخت، تایر سطح اتکاي محکمتري براي پسزدن و پیشروي روبهجلو در اختیار دارد، توجیه میگردد.
شکل :2 منحنی بازده کشش بر حسب تغییرات لغزش و شاخص مخروطی
از نمودار شکل ٣، که منحنی بازده کششی بیشینه نسبت به بکسوات بهینه رسم شده است، میتوان نتیجه گرفت؛ بازده کشش بیشینه و بکسوات بهینه رابطهاي خطی-کاهشی دارند. ضمن اینکه در سطوح سفت، بازده کششی بیشینه در بکسوات کمتري حاصل میشود. با توجه به تحقیقات گذشته بکسواتی که معمولا تراکتورها در شرایط عادي کار میکنند، در محدوده %15 می باشد، بنابراین میتوان نتیجه گرفت راندمان در محدوده %75 مقدار قابل قبولی است.
شکل :3 منحنی تغییرات بازده کششی بیشینه با تغییرات بکسوات بهینه
مطابق منحنی شکل 4، که نسبت بازده کششی بیشینه بر شاخص مخروطی میباشد؛ با افزایش شاخص مخروطی خاك، بازده کششی بیشینه به صورت غیرخطی از درجه سوم افزایش مییابد. خطوط قرمز رسم شده در منحنیهاي 3 و 4، خطوط برازش شده توسط نرمافزار متلب میباشند. افزایش بازده کششی با افزایش ٢ منظور از بکسوات بهینه مقدار بکسواتی که در آن بازده کششی به مقدار بیشینه خود میرسد.
شکل :4 منحنی تغییرات درصد بازده کششی بیشینه با تغییرات شاخص مخروطی M.Pa
در شکل 5، منحنیهاي بازده کششی نسبت به بکسوات، به ازاي مقادیر مختلف بار روي چرخ رسم شده است؛ که هرچه بار روي تایر بیشتر شود بازده کششی بینیاز از افزایش بکسوات، افزایش یافته، بر روي منحنی شکم چاقتري ایجاد شده و نقطهي قله بالاتر میرود.
شکل :5 منحنی بازده کششی بر حسب تغییرات لغزش و بار روي تایر
مطابق شکل 5، افزایش بار روي تایر سبب افزایش زمینگیرایی و اصطکاك متقابل شده و درنهایت باعث افزایش بازده کشش میگردد. بنابراین در حد مقدور میتوان بار روي تایر را افزایش داد تا بازده کششی نیز افزایش یابد. از جمله روشهاي افزایش برا روي تایر؛ ریختن آب داخل تایر یا اتصال وزنه به تایر میباشند، ضمن اینکه افزایش بیش از حد تعیین شده بار روي تایر، باعث افزایش بار مقاومت غلتشی با شدت بیشتري شده و درنهایت بازده کششی را کاهش میدهد.
بازده کششی نسبت به بکسوات، به ازاي مقادیر مختلف پهناي تایر، در شکل 6 ترسیم شده است و حاکی از آن است که؛ با افزایش پهناي تایر نیز بازده کششی افزایش مییابد. با توجه به اینکه هرچه سطح تماس تایر با خاك بیشتر شود - پهناي تایر بزرگتر - ، ستونهاي خاکی که بین عاجهاي تایر ایجاد میشوند طول بیشتري داشته و متقابلا مثل حالت قبل سطح اتکاي سختتر و مطمئنتري فراهم میگردد و درنهایت نیز منجر به افزایش بازده کششی خواهد شد
