بخشی از مقاله
چکیده
در قرن حاضر تحقیقات گسترده و کاربردي در زمینه مکانیک خاك صورت گرفته که شمار زیادي از آنها در زمینه طراحی ادوات کشاورزي و تاثیر عبور و مرور وسایل نقلیه بر روي خاك بوده است. هدف اصلی در انجام این تحقیقات تعیین پارامترهاي مهم و بنیادي خاك است. تعیین این پارامترها به منظور شناخت و آگاهی از ویژگیهاي خاك درکشاورزي، براي تعیین عکس العمل خاك در برابر ادوات خاكورزي و رفت و آمدهاي مکرر وسایل نقلیه و همچنین تعیین مقاومت غلتشی خاك ضروري است تا بوسیله آن میزان مصرف انرژي را به حداقل برسانند. جهت تعیین پارامترهاي مکانیکی خاك دستگاه آزمایشگاهی طراحی و ساخته شد که پارامترهاي مربوط به معادله بیکر و پارامترهاي مربوط به برش خاك و همچنین پارامترهاي مربوط به تحملپذیري خاك که بعنوان شاخص مخروطی خاك شناخته می شود را بدست می آورد. به منظور اندازهگیري مقاومت عمودي خاك از آزمون صفحه فشار، بر اساس دو پارامتر فشار-نشست استفاده می گردد.
منحنی اندازهگیري شده با استفاده از فرمول بیکر تقریب زده می شود و به دنبال آن n, Kc, Kφ اندازهگیري میگردند. مقاومت افقی خاك نیز بر اساس آزمایش برشی و اندازهگیري تنش برشی ماکزیمم در فشارهاي عمودي گوناگون تعیین می شود که به دنبال آن C و φ خاك نیز تعیین میگردند. مقاومت به نفوذ نیز بیانگر فشار مورد نیاز براي تشکیل یک حفره کروي درون خاك به اندازهاي که بتواند مخروط فولادي را احاطه کرده و همچنین به اصطکاك بین سطوح مخروطی و خاك اطراف آن غلبه کند، میباشد.
به همین منظور دستگاه تعیین پارامترهاي مکانیکی خاك، که شامل صفحات فشار، برش و مخروطی است و به سیستم تحصیل داده مجهز شده طراحی و ساخته شد. تحلیل تنش دستگاه با ضریب اطمینان 2 با نرم افزار solidworks 2009 در محیط Simulation انجام شد. قسمتهاي دستگاه شامل: شاسی، الکتروموتور با جهبهدنده، مدار الکتریکی، ریل افقی، صفحات فشار، صفحه برش، مخروطیها و سیستم جمعآوري داده میباشد.
مقدمه
در مکانیک خاكهاي کشاورزي اغلب ویژگیهاي خاك مربوط به عکس العمل خاك در مقابل نیروهاي وارده می- باشند - استاندارد ASAE، . - 2006 این ویژگیها اغلب مربوط به استحکام خاك می باشند که در یک خاك مشخص در اثر مرور زمان، شرایط آب و هوایی، مدیریت خاك و رشد گیاه تغییر میکنند. این ویژگیهاي استحکام و همچنین تغییرات آنها در هر نوعی از خاك می تواند از طریق اندازهگیري مقاومت به نفوذ و مقاومت برشی خاك تعیین گردند. مقاومت به نفوذ خاك و تنش برشی در بین پارامترهاي خاك پارامتري هستند که از طرفی با محدود کردن پتانسیل مزرعهاي بر رشد گیاه و از طرف دیگر با محدود کردن پتانسیل کششی بر قابلییت حرکت وسیله نقلیه اثر میگذارد - بوون، .1 - 1981
نظریههاي مختلفی براي بیان پارامترهاي موثر در برهمکنش وسیله خاكورزي و خاك و چرخ با خاك توسط محققین متعددي ارائه گردیده است. به طور کلی بر اساس تنش و کرنش خاك با استفاده از چسپندگی خاك، زاویه اصطکاك داخلی خاك، نشت و تحملپذیري خاك که به عنوان شاخص مخروطی خاك شناخته میشود، انجام می- گیرد. به منظور دستیابی به چنین نتایجی پارامترهاي مکانیکی مؤثر در عملکرد مربوطه به وسیله خاكورزي و خاك و چرخ با خاك می بایست به دقت اندازهگیري شوند - موریسون و بارتک، .2 - 1987
-1 پارامترهاي فشار- نشست خاك: یکی از شناخته شدهترین روشها براي تعیین پارامترهاي خاك و سنجش قابلییت حرکتی وسیله نقلیه توسط بیکر ارائه شده است. معادله ارائه شده توسط بیکر به شرح زیر است - گودمن، که در معادله بالا P مقدار فشار بر حسب کیلوگرم بر سانتی مترمربع، Z مقدار نشست صفحه بارگذاري بر حسب سانتیمتر، b کوچکترین بعد صفحه بر حسب سانتیمتر، KC، Kφ و n پارامترهاي فشار نشست هستند که Kc مدول چسپندگی خاك تغییر شکل یافته بر حسب - kg/cm - n+1 - - ؛ Kφ مدول اصطکاکی خاك تغییر شکل یافته بر حسب - kg/cm - n+2 - - و n ضریب بدون بعد است - گودمن، . - 1963 براي محاسبه ضرایب معادله بالا از روش ارائه شده توسط بیکر استفاده میشود.
بر اساس این روش براي حل معادله - 1 - باید از دو صفحه بارگذاري با عرضهاي متفاوت استفاده کرد، روش کار به این ترتیب است که ابتدا معادله بیکر براي دو صفحه با عرضهاي - قطرهاي - متفاوت نوشته میشود - معادله - 2، سپس از طرفین دو معادله لگاریتم گرفته شده - معادله - 3 و نمودار لگاریتم Z در برابر لگاریتم P براي هر دو صفحه رسم میشود شیب نمودار بیانگر مقدار n است. این دو نمودار در خاكهاي همگن موازي بوده ولی در خاكهاي غیر همگن ممکن است با هم موازي نباشند. در این حالت مقدار میانگین n بدست آمده از دو نمودار در نظر گرفته میشود. با توجه به معلوم بودن n، b1، b2 و همچنین با توجه به مقادیر اندازهگیري شده براي P و Z به کمک دستگاه طراحی شده،می توان مقادیر مجهول Kc، Kφ را محاسبه کرد - گودمن، . - 1963
-3 تعیین شاخص مخروطی: سطح فشردگی بالاتر از 2 مگاپاسکال مانع رشد ریشه گیاهان شده و یا منجر به عملکرد کمتر محصول خواهد شد - موریسون و بارتک، . - 1987 مقاومت به نفوذ با اندازهگیري شاخص مخروطی تعین میشود که توسط استاندارد ASAES 313,3 تعریف شده است، شاخص مخروطی بیانگر میزان نیرو در واحد سطح براي فشار دادن یک مخروط فولادي با ابعاد استاندارد در عمق خاك میباشد. نفوذسنج وسیلهاي است که به- وسیلهي آن میتوان مقاومت خاك را در مقابل نفوذ دادن میلهاي با مقطع معین ارزیابی نمود. نفوذسنج مخروطی نیروي نفوذ مخروط را در سرعت ثابت نسبت به عمق نفوذ اندازهگیري کرده و با تقسیم کردن این نیرو بر سطح پایهي مخروط، شاخص مخروطی - CI - بهدست میآید و واحد آن همان واحد فشار است.
