بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی، ساخت و ارزیابی لودسل های یک دستگاه دینامومتر اتصال سه نقطه نوع قابی
چکیده:
برای اندازه گیری مولفه های طولی - حرکتی (مقاومت کششی) و عمودی نیروی وارده به ادوات سوار نیاز به دینامومتر اتصال سه نقطه می باشد. دینامومتر مورد نظر در این تحقیق نوع قابی است. پس از انتخاب شکل لودسلی های دینامومتر، ابعاد آنها بر اساس اصول طراحی مکانیکی تعیین شدند. برای تعیین مقادیر و محل ظهور کرنش های ماکزیمم (محل نصب کرنش سنج ها) در اثر اعمال بار به لودسلی ها و تعیین حساسیت دو جانبه، از تحلیل های اجزاء محدود در دامنه الاستیک استفاده شد. پس از نصب کرنش سنج ها در محل های مورد نظر و تشکیل پل های و تستون، به تک تک لودسل ها بار اعمال شد و سپس کرنش های بوجود آمده در محل نصب کرنش سنج ها با نتایج بدست آمده از تحلیل اجزاء محدود مقایسه شدند. نتایج نشان داد که تفاوت در کرنش های بیشینه بدست آمده از این دو روش بارگذاری در راستای طولی - حرکتی حدود ۱۶ درصد بود. در بارگذاری در راستای عمودی لودسل ها، اختلاف بین کرنش های بیشینه بدست آمده حدود ۱۸ درصد بود. حساسیت دوجانبه (بارگذاری در جهت عمودی و مقدار کرنش ظهور پیدا کرده در محل نصب کرنش سنج های مربوط به اندازه گیری نیرو در راستای طولی - حرکتی) برای اندازه گیری مولفه طولی - حرکتی نیرو حدود ۹ درصد و حساسیت دوجانبه (بارگذاری در جهت طولی - حرکتی و مقدار کرنش ظهور پیدا کرده در محل نصب کرنش سنج های مربوط به اندازه گیری نیرو در راستای عمودی) برای اندازه گیری مولفه عمودی نیرو حدود ۹۲ درصد بود. بنابراین، دینامومتر ساخته شده بر اساس این لود سل ها برای اندازه گیری مولفه طولی - حرکتی (مقاومت کششی) مناسب بوده، ولی برای اندازه گیری نیرو در راستای عمودی مناسب نمی باشد. واژه های کلیدی: دینامومتر اتصال سه نقطه، اجزاء محدود، لود سل، مقاومت کششی، حساسیت دوجانبه مقدمه در دینامومترهای اتصال سه نقطه، برای اندازه گیری مولفه های نیرو از لودسلی هایی که مجهز به کرنش గ్రాల های مقاومتی است، استفاده می شود (۴). در بعضی از طرح ها، همه مولفه های نیرویی وارد به ادوات با استفاده از دینامومتر اندازه گیری می شوند (۲ و۳). در طرح های دیگر، تنها نیروهای افقی و عمودی اندازه گیری می گردد و بعلت کوچکی نیروی جانبی از آن چشم پوشی می شود (۵). در بسیاری دیگر از سیستم ها، فقط نیروی افقی (مقاومت کششی) اندازه گیری می شود (۴). بطور کلی دینامومترها می توانند به دو گروه عمده تقسیم شوند. ۱- نوع اتصالی و ۲- نوع قابی (۳).
در دینامومترهای نوع اتصالی، کرنش سنج ها مستقیماً روی بازوهای اتصال سه نقطه تراکتور نصب می شوند. دینامومترهای نوع قابی شامل لود سل هایی هستند، که روی یک قاب مخصوصی نصب می شوند، که این قاب بین تراکتور و وسیله قرار می گیرد. بعبارت دیگر، قاب طوری طراحی می شود که از یک طرف به وسیله کشنده و از طرف دیگر به ادوات وصل می شود. مزیت اصلی دینامومتر نوع قابی، این است که برای یک تراکتور یا وسیله خاصی نمی باشد. قاب ها در تعداد زیادی از اشکال با تنظیماتی خاصی که بتوانند در گستره وسیعی از ادوات جفت شوند، طراحی می شوند. همچنین این قاب ها اجازه می دهند که از محور تواندهی تراکتور (دز صورت نیاز) نیز همزمان استفاده شود. هدف از این تحقیق، طراحی، ساخت و ارزیابی لودسل های یک دینامومترهای نوع قابی بود.
مواد و روش ها طراحی لودسل های دینامومتر اتصال سه نقطه یک دینامومتر اتصال سه نقطه نوع قابی بر اساسی طرح الجلیل و همکاران (۱) انتخاب شد. طرح کلی سازه این دینامومتر در شکل ۱ نشان داده شده است.
همانگونه که ملاحظه می شود، این دستگاه شامل سه بازو می باشد که این بازوها در یک بخشی T شکل وارونه، وارد می شوند. حالت کشویی بودن این بازوها در این بخشی T شکل، این قابلیت را به دستگاه می دهد که به بسیاری از ادوات استاندارد و غیراستاندارد موجود جفت شوند. در انتهای هر بازو یک لودسلی قرار دارد. هر لودسل به شکل یک تیر U- شکل وارونه می باشد. این لودسل ها نیروهای وارد بر ادوات را اندازه گیری می کنند. برای طراحی لودسلی های دینامومتر جهت اندازه گیری مقاومت کششی فرض شد که این لودسالها بصورت تیرهای یکسر گیردار می باشند. با فرض اینکه انتهای تیر ثابت شده است که تنش خمشی بیشینه در انتهای تیر یک سرگیردار از رابطه زیر بدست می آید:
از طرفی دیگر گشتاور بیشینه در تیر نشان داده شده در شکل ۲، بصورت زیر می باشد:
را بصورت زیر نوشت:
با جایگذاری روابط (۱) و (۲) در رابطه (۳)، می توان نوشت:
f در رابطه می باشد، بنابراین:
همانطوریکه می دانید رابطه بین تنش و کرنش در محل وردہ الاستیک بصورت خطی و بصورت
می باشد:
از روابط 5و 6 رابطه طیر نتیجه می شود:
لذا با توجه به رابطه فوق می توان مقدار کرنش
بیشینه در محلی نصب کرنش سنج ها را محاسبه نمود. توان مالبندی بیشینه برای تراکتورهای گروه II، ۷۵ کیلووات است. برای یک ماشین کشاورزی مانند گاوآهن، مقاومت کششی بیشینه گاوآهن سه خیش ۲۵ کیلو نیوتن فرض شد. سر گاوآهن که به اتصال سه نقطه پشت تراکتور متصل می شود را می توان به صورت سازه ای که حول بازوهای تحتانی حالت لولایی دارد، تصور کرد. با توجه به طول بازوها، مقدار نیروی وارده به هر کدام از لودسلی
های دینامومتر قابل محاسبه است.
با توجه به شکلی ۳، مجموع نیروهای وارد بر لودسلی های چپ و راست دینامومتر، ۷۰ کیلو نیوتن می باشد. بنابراین نیروی وارد بر هر کدام از لودسل ها ۳۵ کیلو نیوتن است. از طرفی دیگر نیروی وارد بر لود سل بالایی ۵۰ کیلو نیوتن می باشد. از طرفی دیگر برای طراحی لودسلی ها، از فولاد ساختمانی با مدول ضریب پواسون ۰/۲۹۳ و چگالی ۷/۸۱Mg/m استفاده شد. تصمیم گرفته شد که برای طراحی لودسل ها در حد بیشینه، تنش در رویه تیر به ۱۰۰MPa محدود شود. از رابطه ۵، برای تعیین ابعاد لودسل ها استفاده می شود. با جایگذاری مقادیر داده شده در این رابطه، رابطه ای بین ابعاد لود سل ها بدست می آید، بنابراین می توان نوشت:
با جایگذاری اطلاعات مربوط به لودسل های کناری چپ و راست می توان نوشت:
برای لودسل های کناری چپ و راست، مقدار جابجایی بیشینه در نظر گرفته شد. با توجه به رابطه (۱۰) و مقدار جابجایی بیشینه در نظر گرفته شده برای لود سل، می توان نوشت:
همچنین با توجه به روابط (۸) و (۱۱) ضخامت لودسلی از رابطه زیر نتیجه می شود:
اگر پهنای لودسل های کناری راست و چپ، ۴۵ میلی متر در نظر گرفته شود، می توان نوشت:
جابجایی بیشینه در تیر یکسر گیردار، در سر تیر می باشد و این مقدار جابجایی از رابطه زیر بدست می
اید:
مقدار طول تیر از رابطه (۸) بدست می آید:
بنابراین پهنا، ضخامت و طول لودسل های مربوط به بازوهای تحتانی چپ و راست به ترتیب زیر بدست
آورد:
در مرحله بعد، برای طراحی لودسلی بالایی همانند روش طراحی لودسل های چپ و راستی عمل شد. بار بیشینه که برای طراحی این لود سل در نظر گرفته شد، ۵۰KN بود. جنس و مقدار تنش تسلیمی که برای طراحی این لود سل در نظر گرفته شد، همانند لود سل این لودسلی همانند لودسل های کناری عمل شد، بعد از طراحی این لودسل ابعاد بدست آمده بصورت زیر می باشد:
نصب کرنش سنج ها بری اینکه به توان از هر لودسل U - شکل برای اندازه گیری همزمان مولفه های نیروی افقی و عمودی استفاده نمود، کرنش سنج های نصب شده در هر محلی باید فقط حساسی به یک مولفه نیرو باشد. در غیر این صورت، حساسیت دو جانبه ایجاد شده و دیگر اندازه گیری دقیق نخواهد بود. برای اندازه گیری نیرو در راستای طولی - حرکتی، الجلیل و همکاران (۱)، کرنش سنج هایی روی رویه جلو و عقبی تیر عمودی هر لود سل لا- شکل نصب نمودند. آنها همچنین پیشنهاد نمودند که با نصب کرنش سنج هایی در جهت Y (جهت عمود) امکان اندازه گیری نیرو در راستای عمودی نیز وجود دارد، ولی عملاً دینامومتر برای اندازه گیری مولفه عمودی ارزیابی نشده بود. محل مناسب برای نصب کرنش سنج ها برای اندازه گیری لودسلی بود (شکل ۴)، ولی بنظر می رسید که این کرنش سنج ها نیز تحت تاثیر گشتاور خمشی حاصل از اعمال نیرو در راستای طولی - حرکتی (راستای X) نیز قرار می گیرد و حساسیت دو جانبه ایجاد می شود. بنابراین، هر لودسلی بطور جداگانه با استفاده از روش اجزاء محدود تحلیلی و کرنش بیشینه در نقاط مختلف آن تحت بارگذاری افقی و عمودی تعیین شد. سپس با نصب کرنش سنج هایی روی هر لودسلی و با تشکیل پل های و تستون و اندازه گیری خروجی آنها، با نتایج قسمت تحلیلی مقایسه شدند.
تحلیل کرنش در لود سل ها با استفاده از نرم افزار
ANSYS برای تعیین مقادیر و محل ظهور کرنش های بیشینه در اثر اعمال بار به لودسلی ها و تعیین حساسیت دو جانبه، از تحلیل های المان محدود در دامنه الاستیک استفاده شد. برای تحلیل از المان 92 Solid، استفاده شد. این المان یک المان سه بعدی است و دارای ۳۰ گره بوده و مناسب برای تحلیلی های مربوط به کرنش و جابجایی می باشد. مساله برای بار اعمالی ۲۰ کیلو نیوتن بر لود سل ها در دو حالت حل شد: ۱- اعمال بار در جهت X و تعیین محل ظهور کرنش بیشینه روی هر یک از تیرهای عمودی و افقی هر لودسلی، ۲- اعمال بار در جهت Y و تعیین محل ظهور کرنش بیشینه روی هر یک از تیر های عمودی و افقی هر لودسلی.
