بخشی از مقاله
مروری جامع بر حسگرهای نیرو-گشتاور جهت اندازهگیری نیروها و ممانهای وارد بر ادوات کشاورزی
چکیده
تعیین نیروی وارد بر ادوات کشاورزی در تخمین انرژی مورد نیاز برای اجرای عملیاتهای کشاورزی و انتخاب تراکتور ایدهآل برای اجرای عملیات مورد نظر دارای اهمیت بالایی میباشد و در نهایت میتواند طراحان بخش تولید در زمینه کشاورزی را برای ساخت ماشینی با مصرف انرژی کمتر هدایت کند که این در واقع همان غایت نهایی است که بتوان با صرف انرژی کمتر، محصول بیشتر و با کیفیت بهتری برای جوامع بشری محیا نمود. طراحی و ساخت ادوات جهت عملکرد کارآمد، نیازمند تعیین نیروهای وارده از طرف خاک بر ادوات خاک ورزی میباشند. همچنین پیشبینی نیروهای وارد از طرف خاک نیازمند شناخت نیروهای فوقالذکر میباشد. از طرف دیگر بسیاری از مدلهای توسعه داده شده در زمینه نیروهای وارد بر ادوات خاک ورزی پیشگویی واقعی را انجام نمیدهند و لازم است زمانی که ابزار در حال کار در داخل زمین میباشند، میزان نیروهای واقعی وارد از طرف خاک بر ادوات اندازهگیری شود. همچنین با توجه به اندازهگیریهای مزرعه ای لازم است ابزار در اشکال گوناگون را با یکدیگر مقایسه کرده و ابزاری که دارای کارآیی بهتری است، انتخاب نمود. هدف از این مقاله مروری جامع بر انواع حسگرهای اندازه گیری نیرو و گشتاور توسعه داده شده میباشد که میتوانند نیروهای وارد بر ادوات مختلف را در سه جهت و همچنین گشتاورهای وارد بر آنها را اندازهگیری نماید.
کلمات کلیدی: نیرو، گشتاور، ابزار اندازه گیری، محتوی رطوبتی، انسیس.
1. مقدمه
در سالهای آینده با افزایش رو به رشد جمعیت جهان، نیاز غذایی نیز افزایش مییابد درحالیکه عوامل تولیدی یعنی آب و زمین زراعی و انرژی، افزایش نخواهد یافت. بنابراین تأمین مواد غذایی مورد نیاز جوامع بشری در معرض خطر میباشد. به کمک صنعت و کشاورزی به ویژه مکانیزاسیون کشاورزی این مشکل تا حد زیادی قابل حل میباشد. به دلیل تنوع اقلیم و محصولات کشاورزی در کشور ایران در صورت استفاده از تکنولوژی و مکانیزاسیون میتوان در تأمین مواد غذایی نقشآفرینی کرد. در کشاورزی مکانیزه، ماشینهای کشاورزی به خصوص تراکتورهای کشاورزی یکی از مهمترین عوامل در ارتقای مکانیزاسیون کشاورزی میباشند. بسیاری از عملیّاتهای مزرعهای با استفاده از تراکتورها صورت میگیرد و انرژی مورد نیازتراکتورها عمدتاً از سوختهای فسیلی تجدید ناپذیر و محدود در جهان تأمین می گردد و روز به روز بر قیمت آن افزوده میودش . با کاهش تدریجی منابع سوخت و متعاقباً با بالا رفتن ارزش سوخت، استفاده بهتر از منابع انرژی نقش مهمی را در سیستمهای تولید محصولات کشاورزی ایفا میکند.
تراکتورهای مزرعه تقریباً 20% انرژی مورد نیاز مزرعه را مصرف میکنند که بهینه کردن عملکرد تراکتورهای مزرعه ای میتواند بسیاری از افتهای انرژی را کاهش دهد. بخش عمدهای از انرژی مصرف شده توسط تراکتور برای به کار انداختن ادوات کشاورزی در مزرعه به کار برده میشود [11]؛ لذا بهبود کیفیت ادوات کشاورزی برای بهبود عملیات مورد نظر با صرف انرژی توسط تراکتور رابطه ای تنگاتنگ دارد . با بررسی پارامترهای مختلف مؤثر بر کیفیت ادوات کشاورزی و تعیین مقدار بهینه این پارامترها برای شرایط مختلف، میتوان از حداکثر قدرت مال بندی تراکتور استفاده کرد و یا اینکه با بهینهسازی ادوات کشاورزی قدرت مورد نیاز را کاهش داد. از طرف دیگر با توسعهی روز افزون تراکتورها و ماشینهای کشاورزی و کاربرد آنها، تا زمانی که تحقیقات در زمینههای گفته شده به نتیجه نرسد محدودیتهایی که به طور معقول از لحاظ افزایش قدرت و سرعت یک تراکتور وجود دارد همچنان به قوت خود باقی خواهد ماند.
یکی از مهمترین پارامترهای تأثیر گذار بر کیفیت کاری ادوات و تراکتور، میزان نیرویی است که در جهات مختلف و در حین انجام عملیات به آنها وارد میشود. تعیین میزان دقیق نیروهای وارد بر تراکتور و ادوات مهم است، زیرا از طریق آن میتوان ماشینهای سبکتری را طراحی نمود و همچنین می توان به بهره بالاتر، قابلیت اطمینان بیشتر و قیمت کمتر و از سوی دیگر به کارایی بالاتری نیز برای این ماشینها دست یافت و در مجموع میتوان یک سری داده را که بیانگر عملکرد ماشین است کسب نمود. اطلاع از عملکرد انواع تراکتورها و ادوات برای مدیریت ماشینهای کشاورزی، طراحان و کارخانههای سازنده ضروری است؛ لذا متخصصین کشاورزی تلاش میکنند تا مطالعاتی را در زمینه اندازهگیری نیرو خصوصاً در مورد آن دسته از ادواتی که انرژی بیشتری مصرف میکنند، از قبیل ادوات خاک ورزی انجام دهند. در دسترس بودن اطلاعات در مورد نیروی وارد بر یک وسیله خاک ورز، یکی از مهمترین عوامل در انتخاب ادوات خاک ورزی برای یک کار خاص کشاورزی است. میتوان از اطلاعات بدست آمده از اندازه گیری نیروی وارد بر ادوات خاک ورزی در انواع مشخص خاکها برای تشخیص و تعیین مناسب تراکتور استفاده کرد؛ لذا با استفاده از دادههای صحیح نیرو میتوان هزینه کارکرد تراکتور و ادوات را به حداقل رساند.
2. انواع حسگرهای اندازهگیری گشتاور و نیرو
اولین مطالعات در زمینه طراحی و ساخت حسگرها برای حسگر نیرو در سال 1951 میلادی توسط لئون1 و پس از آن توسط استوات2 در اوایل دهه ی 60 انجام شد. اما فعالیتهای وسیع علمی و پژوهشی برای ساخت سازه مناسب از دههی 70 میلادی شروع شد که از آن جمله میتوان به تحقیقات واتستون( 1975) 3، فلاتائو( 1976) 4، شیماتو 5 و راث(1977) 6، کاسایی(1981) 7، کینوشیتا(1984) 8، اونو(1985) 9، اوزاکاوا(1985) 1، یوشیکاوا(1986) 2 و غیره اشاره کرد .[1]
طی تحقیقات انجام شده در این مسیر همواره دو موضوع مورد توجه بوده است: -1 یافتن هندسه مناسب برای سازه حس کننده به منظور اندازهگیری نیرو -2 یافتن معیار مناسب برای ارزیابی عملکرد مکانیکی سازههای حس کننده مبنای اندازه گیری نیرو در حسگرها بر تغییر شکل سازه حسگر در اثر اعمال نیرو و گشتاور استوار است که اندازهگیری این تغییر شکل به وسیله حساسههایی به نام کرنش سنج امکان پذیر است. در نیروسنجهای با بیش از یک درجه آزادی (یعنی نیروسنجهایی که قادرند نیرو و گشتاور را در چندین راستا اندازهگیری کنند) چون اندازهگیری تغییر شکل حاصل از اعمال نیرو در چندین نقطه صورت میگیرد، برای یافتن مقدار نیروها، لازم است که یک معادله ماتریسی حل شود. ضرایب این ماتریس در صورتی که در محدوده خطی عمل کنیم، ثابت خواهد بود .[1]
در طراحی حس کنندههای نیرو، طراحی قسمتهای الاستیک نیروسنج اصلیترین موضوع میباشد که در ابتدا بر پایه تجربه طراحان و محققان بود و ارزیابی تئوری و مبانی مقایسه ای برای آن وجود نداشت. اولین معیار تئوری برای حس کنندهها بر اساس عدد شرطی ماتریس سختی نیروسنج مطرح شد 2] و .[3 این معیار در واقع مشخصهای از ایزوتروپ بودن سازه در مقابل اعمال نیرو و گشتاور در شش جهت است و حساسیت یکنواخت سازه را در مقابل مؤلفههای مختلف بردار نیرو گشتاور و خطای کمتر در اندازهگیریها نشان میدهد.
معیارهای حساسیت کرنش سنجها، حساسیت نیرویی و حداقل سختی برای ارزیابی تئوری نیروسنجها در سال 1986 مطرح شد .[7]
پس از گسترش مبانی تئوری برای طراحی و معیارهای ارزیابی نیروسنجها، موضوع طراحی بهینه نیروسنجها مورد توجه قرار گرفت. در طراحی بهینه، برای مدلسازی و بدست آوردن ماتریس سختی نیروسنجها ابتدا از مدلهای مقاومت مصالحی استفاده میشد. اما با پیدایش دانش روشهای اجزای محدود و نرمافزارهای مرتبط با آن، به مدلسازی اجزای محدود نیروسنجها پرداخته شد .[10] بدین ترتیب میتوان ماتریس سختی نیروسنج را با دقت مناسبی به وسیله مدلسازی اجزای محدود بدست آورد.
روش اجزای محدود یکی از روش های حل عددی است که از دهه 60 میلادی به روی کار آمد و از سال 1990 به بعد به صورت چشمگیری در مجمعهای علمی و پژوهشی و مراکز صنعتی به کار گرفته شد و قابلیت حل مسائل متعدد هندسی در حالت های مختلف پایدار، گذرا، خطی و غیر خطی را دارا میباشد. در این روش مدل هندسی به اجزای ریزتری به نام المان تقسیمبندی میشود و تحلیل بر اساس المان بندی ساخته شده و گره های تشکیل شده انجام می گردد. در این حالت معادلات حاکم بر دیفرانسیل مسئله، به صورت روابط دیفرانسیلی بین گرهها قابل تبدیل خواهد بود. با حل همزمان کلیه معادلات دیفرانسیل مربوط به گرهها و اعمال شرایط اولیه مرزی، پارامترهای مورد نظر (توزیع تنش) برای کلیه گرهها محاسبه میشود. در صورتی که مش بندی جسم به اندازه کافی ریز باشد، میتوان اندازه پارامتر مورد نظر را در سایر نقاط (نقاط غیر گره ای) با تقریب خطی، درجه 2 و غیره، با استفاده از اندازه پارامتر، در نقاط مجاور آن بدست آورد. با توجه به این که روش تحلیلی غالباً از تحلیل مدلهایی با هندسه پیچیده ریاضی عاجز بود و اعمال شرایط اولیه یا مرزی پیچیده در این مسائل غالباً بسیار مشکل و یا حتی غیر ممکن است؛ لذا استفاده از روش حل عددی به خصوص روش اجزای محدود در چنین مسائلی دارای قدرت و مزیت فراوانی است. امروزه نرمافزارهای تجاری قوی زیادی به بازار عرضه شدهاند که از جمله آنها میتوان به ABAQUS، NASTRAN، ANSYS و NISA اشاره کرد. در حالت کلی مراحل تحلیل المان محدود یک مسئله توسط نرمافزارها به صورت زیر قابل اجراست.
-1 مدلسازی هندسی
-2 تکمیل فرمهای مربوط به خواص مواد
-3 تعریف المان محدود مورد استفاده
-4 شبکه بندی
-5 بارگذاری و اعمال شرایط مرزی -6 انجام تحلیل و مشاهده نتایج 3] و .[11
در این قسمت مروری بر چند نوع از مهمترین نیروسنجهای ساخته شده انجام خواهد شد و علاوه بر ذکر مشخصات کلی، مزایا و معایب هر یک هم تشریح میگردد.
-1 نیروسنج مالتس کراس1 این نیروسنج در اوایل دهه 1970 ساختهشد و تقریباً جزء اولین نیروسنجهایی است که بر اساس خمش اعضای خود، نیروی وارده را اندازهگیری میکنند. ساختمان این نیروسنج شامل دو قاب و یک قطعه یک پارچه صلیبی شکل است که صلیب در بین این دو قاب قرار دارد و هر دو شاخه آن به یکی از قابها متصل است .[4]
