مقدمه
موضوع اصلی ارتعاش بررسی حرکت نوسانی «سیستمهای دینامیکی» می باشد. سیستم دینامیکی از «پاره های مادی» پیوسته که نسبت به هم قابلیت حرکت ارتجاعی دارند تشکیل می شود. تمام اجسامی که دارای جرم و خاصیت کشسانی باشند، می توانند ارتعاش کنند.
جرم جزء لاینفک جسم بوده و خاصیت کشسانی از حرکات نسبی قسمتهای پیوسته آن ناشی می شود. سیستم ارتعاشی ممکن است ساده و یا بسیار پیچیده باشد. به عنوان مثال یک سازه یک ماشین یا اجزای آن و یا مجموعه ای از ماشین‌آلات سیستم های ارتعاشی محسوب می شوند. حرکت نوسانی می تواند اثرات نامطلوب و یا جزئی ریوی سیستم داشته و یا اصلاً لازم برای انجام کاری باشد.
هدف طراح کنترول ارتعاشات است زمانی که مضر است و تشدید و کاربرد صحیح آن است وقتی که لازم و مفید می باشد. گرچه باید گفت که در اکثر موارد ارتعاشات مضر بوده و بایستی کنترول شود. ارتعاشات در ماشینها ممکن است باعث شل شدن از کارافتادن و یا گسیختگی در قطعات شود. از موارد کاربرد ارتعاشات می توان لرزاننده ها در ریخته گری، هرس دندانه میخی ارتعاشی، ردیف کن های علوفه، غربالهای کمباین و ... در کشاورزی را نام برد.
مقصود نهایی از مطالعه ارتعاشات، تعیین اثرات آن در کارکرد و همچنین ایمنی سیستم ها می باشد. تحلیل حرکات ارتعاشی، قدم اصلی است که به سوی این هدف برداشته می شود.
ارتعاش در حین حرکت تراکتورهای کشاورزی که فاقد فنر ارتجاعی می باشند سرعتهای مؤثر آنها را محدود می کند و باعث ناراحتی و بعضی اوقات آسیب رسیدن دراز مدت به رانندگان می گردد. با بکارگیری مدل مناسب و تحلیل ریاضی می توان اثرات ارتعاش در حین حرکت تراکتور در مرحله طراحی را تعدیل کرده و باعث بهتر شدن حرکت تراکتور گردیم.
بررسی مدل تراکتور در راستای طولی که توسط بسیاری از مولفین بکار رفته است عمدتاً در سطح ارتعاشی روندهای ساده ای را تخمین می زند. بررسی ارتعاش بدنه تراکتور و رابطه بین تایر و سطح زمین در حین حرکت کافی می باشد.
ارتعاشات چیستند و چگونه ایجاد می شوند؟
موضوع علم ارتعاش، بررسی «حرکات سیستم های دینامیکی» است. هر پاره فیزیکی که قابلیت کسب و از دست دادن انرژی پتانسیل (در اثر تغییر مکانهای نسبی) و همچنین انرژی جنبشی را دارا باشد سیستم دینامیکی گویند. از ویژگی های چنین سیستمی همانا قابلیت آن برای حرکات نوسانی است. یعنی اینکه اگر از حالت تعادل خارج شود، نیروی مربوط به انرژی پتانسیل میل به برگرداندن سیستم به حالت تعادل داشته و درنتیجه طبق قانون دوم نیوتن به جرم در این جهت شتاب خواهد داد. بدین سان جرم سرعت گرفته و دارای انرژی جنبشی می شود. این انرژی بنوبه خود پس از گذشتن جرم از موقعیت تعادل دوباره به انرژی پتانسیل تبدیل می شود و اگر عامل مستهلک کننده ای در سیستم موجود نمی بود این فرابرد (تبدیل انرژی ها) برای همیشه ادامه پیدا می کرد. لیکن خاصیت میرایی که در اثر اصطکاک حاصله از حرکات نسبی بین نقاط مختلف ظاهر می شود با در حالت و وترکیبی مختلف و گوناگون از مکانیسمهای مستهلک کننده، همواره در سیستمها موجود است و درنتیجه باعث می شود که سیستم بالاخره از حرکت باز ایستد. خاصیت میرایی ممکن است به میزانی برسد که دیگر حرکت نوسانی امکانپذیر نبوده و حرکت فقط به یک طرف از موقعیت تعادل محدود شود (حرکت آپریودیک – غیر پریودیک).
بنابراین پارامترهای یک سیستم دینامیکی عبارتند از: جرم، ثابت فنر و ثابت مستهلک کننده دیسکوز. از آنجا که این پارامترها در حالت عمومی پایا فرض می شوند آنها را اجزای غیر فعال (passive) گویند. حال آنکه عوامل ایجاد کننده ارتعاشات را که «نیرو» و یا «نیروهای خارجی» هستند، چون با زمان تغییر می کند فعال (active) نامند. این «نیروها» ممکن است به صورت پریودیک (مثال هارمونیک ساده) آپریودیک (مانند ضربه) و یا استوکوستیک (رندم یا شاسی) به سیستم وارد آیند. مطالعه ارتعاشات حاصله از عوامل فوق بترتیب مشکل تر می شود.
باید خاطر نشان ساخت که گرچه عوامل ایجاد کننده ارتعاشات همواره «نیروهای خارجی» هستند، لیکن در بسیاری از موارد این نیروها به صورت نیروهای اینرسی (در اثر نامیزانی در ماشینها) و یا نیروهای ناپایداری، در خود سیستم دینامیکی ظاهر می شوند (نیروی محرک تابع جابجایی و یا سرعت است) که در حالت آخری آن را ارتعاشات خود محرک (self – excited ribration) گویند.
در ماشین‌آلات ممکن است تنها مقدار جبری نیرو یا زمان تغییر کند که در این صورت آن را نامیزانی رفت و آمدی نامند یا آنکه مقدارش ثابت بوده و تنها جهتش تغییر کند که آن را نامیزانی گردان گویند. این نیرو که توسط لنگی در مکانیسمهای گردان ایجاد می شود عامل اصلی ارتعاشات در ماشین‌آلات می باشد. البته در بعضی از موارد ترکیبی از دو حالت فوق نیز در ماشین‌آلات دیده می شود.
همانگونه که علم مقاومت مصالح گسترش مباحث مربوط به تعادل سیستمها (استاتیک) به منظور بدست آوردن تنشها و تغییرمکانهای موضعی است، علم ارتعاشات نیز در حقیقت گسترش علم دینامیک برای یک «سیستم دینامیکی» به همین منظور است. بنابراین مدلهای فیزیکی «ذره» و «جسم صلب» که برای تعادل و یا دینامیک جامدات بکار گرفته می شوند در این مباحث از درجه اعتبار ساقط بوده و در عوض از مدل فیزیکی «کونتینوم» ممتد تغییر شکل پذیر استفاده می شود. گرچه این مدل، برای تسهیل در روشهای تقریبی ممکن است به مدلهای ناب «ذره» و «قطعه الاستیک» (lumped mass method) ساده شوند، ولی باید به خاطر داشت استخوان بندی مدل هنوز کونتینوم است و تنها مقیاس بزرگتر می شود. بنابراین ارتعاشات مکانیکی را می توان به علت استفاده از مدل کونتینوم، بخشی از علم دینامیک در سطح بالا دانست. در اینجا تغییر مکانها و یا تنشهای موضعی مدنظرند و درنتیجه بردارها همه بسته اند.
اثرات ارتعاشات بطور کلی:
حرکات نوسانی در سیستمها اگر بی اهمیت نباشند در اغلب موارد اثرات نامطلوب داشته و فقط در موارد نسبتاً محدودی در مکانیک مهندس قصداً بکار گرفته می شوند. به چند نمونه از اثرات نامطلوب ارتعاشات ذیلاً اشاره شده است.
بطور کلی اختلال در کار عادی ماشین که در موارد تشدید و ارتعاشات خود محرک می تواند باعث از هم پاشیدگی و شکستن قطعات آن شود برای مثال (chatter) در ماشینهای تراش عامل اصلی در محدود کردن بازدهی ماشین محسوب می شود. «چتر» باعث می شود سطح تراشیده شده دارای ناهمواریهای موجی شکل نامطلوب شده و در حالت ناپایدار اگر استهلاک کافی در سیستم پدیدار نشود ممکن است به علت ازدیاد مدلوم دانه، بالاخره باعث شکستن قلم تراش بشود.
از اثرات بسیار معمول ارتعاشات در ماشین‌آلات به شکل شدن اتصالات، انتقال نیرو به یاتاقانها و پایه ها و درنتیجه انتقال ارتعاشات به کف و وسایل مجاور است که غالباً باعث اختلال و کارکرد عادی آنها می گردد. از طرفی ارتعاشات باعث ایجاد تنشهای اضافی می شود که اگر هم به لحاظ خستگی منشاء اثرات نامطلوبی نباشند مسلم است که در اثر استهلاک حاصل مقداری انرژی به صورت حرارت تلف می شود.
از نقطه نظر «ارگونومیک» نیز اثرات نامطلوب و حتی خطرناک ارتعاشات باید مد نظر مهندسین قرار بگیرد. حرکات ارتعاشی وقتی به صورت امواج از قطعات به هوا منتقل می شوند باعث ناراحتی تن و روان می گردند. چه این امواج قابل شنیدن (حدود 15HZ الی 20HZ) باشند. مثلاً در نیروگاهها و چه قابل شنیدن نباشند مانند امواج حاصله از ارتعاشات بعضی از قطعات خودروها و تراکتورها.
مرضی مدرن موسوم به (Chain – saw Desease) که تنها از سالهای 1970 به بعد تشخیص داده شد در اثر ارتعاشات منتقل شده به عضلات انسان بروز می کند. این با درجات گوناگون از پیشرفتگی در 80 درصد کارگران صنایع کشاورزی ژاپن دیده شده است. ارتعاشات حاصله از ادواتی که متداوماً بکار می روند باعث انقباض شریان ها شده و بالاخره باعث مرگ میگردد.
نتیجه بررسی محققین انگلیسی روی اثرات رفت و آمد که مستمر خودروها در بزرگراهها که در سال 1979 منتشر شد نشان می دهد. محیط زیست اطراف این بزرگراهها تحت تأثیر نوسانات حاصله از حرکت مداوم خودروها تغییرات محسوس و چشمگیری پیدا نموده است. اجتماع غیر عادی و همیشگی پرندگان برای صید کرمهای خاکی که در اثر نوسانات به روی سطح زمین می آیند و همچنین رویش بیش از اندازه بعضی از گیاهان حول و حوش این بزرگراهها را نسبت به سایر نقاط کاملاً متمایز ساخته است.
با توجه به نکات فوق و همچنین استفاده روز افزون از ابزارهایی که تحت شرایط ارتعاشی کار می کنند مانند ریلهای بادی و غیره ... و با درنظر گرفتن اینکه قدرت و دور ماشینها روز به روز با استفاده از مصالح پر مقاومت و جدید بیشتر می شود مطالعه سیستم های دینامیکی به منظور کنترول ارتعاشات بیش از پیش برای طراحان لازم می نماید.
بنابراین هدف طراح از یک طرف کنترول ارتعاشات است. زمانی که مضر است و از طرف دیگر تشدید و کاربرد صحیح آن است وقتی که مفید باشد. گرچه باید گفت که در اکثر موارد ارتعاشات مضر بوده و بایستی کنترول شود.
درجه آزادی یک سیستم دینامیکی
در بررسی ویژگی های دینامیکی یک سیستم ابتدا باید درجه آزادی آن تعیین شود. درجه آزادی یک سیستم دینامیکی تعداد مینیمم متغیرهای مستقل از هم است که برای مشخص کردن موقعیت آن در فضا لازم می باشد. یک «ذره» در فضا دارای 3 درجه آزادی است. حال آنکه یک جسم صلب می تواند تا شش درجه آزادی داشته باشد (سه درجه انتقالی و سه درجه دورانی) همچنین یک جسم الاستیک دارای درجه آزادی بینهایت خواهد بود (سه درجه برای هر ذره از آن) ولی در اغلب موارد چنین جسمی را می توان به اجرام بدون الاسیسته (صلب) و المانهای الاستیک بدون جرم تفکیک نمود. بدین وسیله مقدار درجه آزادی را محدود نمود. بررسی مؤثر سیستم ها با درجه آزادی بینهایت از طریق تحلیلی عملی نمی باشد.
چه این روشها اگر هم به نتیجه ای برسد به دلیل اینکه در این راه اطلاعات زیادی می بایست جمع آوری گردد (که بیش از اندازه لزوم است) بازدهی مؤثر آن در مقابل صرف انرژی و وقت زیاد به هیچ وجه قابل توجیه نمی باشد. استفاده از کامپیوتر در روشهای آنالیز عددی، در بررسی سیستمهایی که بدین طریق ساده شده اند نتایجی بسیار سریع و با دقت کافی را بدست می دهد.
شبیه سازی ارتعاش وارد بر تراکتور قبل از طراحی
مقدمه:
ارتعاش در حین حرکت تراکتور های کشاورزی در طول عملیات بر روی سطوح طبیعی غالباً از سطحهای پذیرفته شده بین المللی نسبتاً زیادتر می باشد. صندلی های فنردار که در حال حاضر مناسب برای اکثر تراکتورهای اروپایی می باشد ترکیب عمودی ارتعاش وارد بر راننده را بطور جدی کاهش می دهد. با این وجود هنوز ارتعاش بطور نامطلوبی بالا می باشد. جهت توسعه بیشتر با کمک این روش پتانسیل عمل کمتری نیاز می باشد. تلاش جدی جهت کاهش دادن بیشتر سطوح ارتعاشی تولید شده در تولید تراکتورها عموماً منجر به فنردار بودن اکسل و یا چرخ می گردد. علی رغم اینکه هزینه رسیدن به درجه مفیدی از سازگاری با تعلیقات تراکتور در اکثر تراکتورهای کوچک و بزرگ اندازه مانع بکار بردن آنی می شود که مسئله ارتعاش مهمتر است. سایر روشهای کاهش دادن ارتعاش تراکتور در حین حرکت تقریباً پرهزینه می باشند اما کاربرد کمتری دارد. از جمله این روشها عبارت است از به تعلیق در آوردن کابین راننده به کمک قلاب های یدک کش فنری. ارتعاش در حین حرکت دامنه وسیعی از تراکتورها بیش از چند سال در «NIAE» اندازه گیری شده اند.
نتیجه این برنامه مشاهده ای است که خصوصیات ارتعاش هنگام حرکت بطور قابل توجهی با توجه به شکل هندسی و حجم تراکتور متغیر هستند. به عنوان نمونه از این مورد شکل 1 نمودار شتاب ارتعاش در راستای قائم (rm) عده ای از تراکتورها بر حسب وزن و سختی تایر در راستای عمودی و جرم تراکتور را نشان می دهد. این نمودارها بیان می کند که سطح ارتعاشی با تناسبی مستقیم مطابق با خارج قسمت افزایش می یابد، بین سایر خصوصیات هیچ ارتباط آشکاری وجود ندارد.
به کمک الگوی ریاضی مناسب اثر ویژگی تراکتور بر روی ارتعاش حرکتی می تواند مورد بررسی قرار گیرد. هدف نهایی برای حرکت تراکتور پیشنهاد شده پیش بینی شده است. و زمانیکه تراکتور در مرحله طراحی است ویژگی ارتعاش آن با فشارهای مشخص شده با تمام شرایط بهینه سازی می گردد. به منظور تولید کردن ابزاری سودمند برای طراحان کاربرد این وسیله ساده و سریع است و محدودیت اعتبار آن شناخته شده است. نتایج چنین روشی احتمالاً به شکل طیفی قدرت شتاب حرکتی «یک نمونه حرکت» بر اساس حساسیت انسان به داده های ارتعاش، کلیه حالات ارتعاش یا احتمالاً سطوح تنش مکانیکی ترکیبات مهم و خاص در تراکتور را ترکیب می کند.
یک روش شبیه سازی دقیق جهت بکار بردن در مرحله طراحی ساده به ثبت رسیده است. و اهداف گسترده شامل ایجاد یک مجموعه ای از جداول می باشد که ارتعاش حرکتی را به ترکیبات مختلف پارامترهای تراکتور ارتباط می دهد. اطلاعات چنین جداولی با شبیه سازی کامل یا با تعدادی از مدل های ساده نیمه تجربی به وجود می آید.
اندازه گیری ها نشان می دهد که ارتعاش در حین حرکت تراکتورها که با وضعیت اپراتور اندازه گیری می شوند عموماً در جهت عمودی شدیدتر است. حالتهای طولی و عرضی که کمیت متغیر را می پذیرد به نوع کار انجام شده توسط تراکتور بستگی دارد. حالتهای ارتعاش در حین حرکت معمولاً باعث ناراحتی نمی گردد.
دلایلی برای کاهش ارتعاشی حرکتی
ارتعاش که رانندگان تراکتور را تحت تأثیر قرار می دهد باعث خستگی اپراتور می گردد زیرا او دائماً سعی می کند که موقعیتش را حفظ کند. همچنین تعداد قابل ملاحظه ای از شواهد ضمنی وجود دارد که ارتعاش حرکتی تراکتور را به اختلال نخاعی ارتباط می دهد. هر چند مزایای سطوح پایین تر ارتعاش حرکتی به راحتی و ایمنی اپراتور محدود نمی گردد. بررسی اخیر NIAE نشان داده است که در نبود سایر محدودیتها سرعت متحرک غالباً با سطوح ارتعاش حرکتی محدود می گردد.
این بحث در شکل 2 به تصویر کشیده شده است. این نمودار سرعتهای مؤثر انتخابی توسط رانندگان مجرب تراکتور را که یک تراکتور آزمایشی را به حرکت در می آورد و باعث تغییر اساسی خصوصیات حرکتی آن می شود را نشان می دهد. با توسعه ادوات کشاورزی پرسرعت این موقعیت احتمالاً تعدیلتر می گردد. مزیت دیگر در ارتباط با ارتعاش حرکتی کاهش یافته کار دقیقتر می باشد. زیرا راننده می تواند به آسانی و با تداخل کمتر حاصل از ارتعاش خارجی ماشین را کنترول کند.
ارتعاش حرکتی کاهش یافته منجر به قابلیت کنترول بیشتر ماشین و کاربرد بهینه قدرت به علت تمایل بیشتر تایر ها با زمین می گردد. ممکن است پیش بینی شود که سطوح پائین تر ارتعاش تکانهای مکانیکی در تراکتور و ادوات را کاهش خواهد داد و ماشینها را برای طراحی با خصوصیات کمتر قادر می سازد که در نهایت به کاهش وزن و قابلیت تغییر شکل بیشتر تراکتور می گردد.
شبیه سازی
جهت شبیه سازی ویژگی های ارتعاش حرکتی تراکتورها با سیستم های تعلیقی و بدون استفاده از آنها تلاش زیادی به عمل آمده است. متأسفانه موارد خیلی کمی در تحقیقات منتشر شده وجود دارد. جایی که پیش بینی های ارتعاشی حرکتی در برابر نتایج اندازه گیری شده آزمایش شده اند. تجربه در NIAE نشان می دهد که چنین محاسباتی که با تغییر حدود نمادی تراکتور صورت می گیرد نسبتاً خفیف هستند.
شبیه سازی ارتعاش حرکتی تراکتور در NIAE با بکار گیری بیش از 7 درجه آزادی حرکت بر روی الگوهای خطی تمرکز کرده است. تراکتور به عنوان جسم صلب با 6 درجه آزادی احتمالی تشریح می شود که به اکسل جلو متصل است و یک درجه آزادی بیشتر از حرکت دارد.
هر تایر با کمک فنرهای خطی موادبندی شده است. شکل 3 این مجموعه را نشان می دهد. معادلاتی که این مدل را توجیه می کند در ضمیمه ارائه شده است. این 7 درجه آزادی مدل به صورت 1 و 3 و 5 درجه آزادی تفکیک شده است (جدول 1). که در حین حرکت از 6 تراکتور اندازه گیری شده است. پارامترهای تایر ارتعاشات از قبیل فرکانس و افت نواسانات آن به کمک آزمایش افت تخمین زده شده اند. آزمایش بر روی جاده با مشخصات ISO 5007 NIAE Bumpy Track و یک جاده زراعی نمونه انجام شده است.
نتایج شبیه سازی برای اولین تراکتور امیدوار کننده می باشند. شتابهای اندازه گیری شده با محاسبات یکسان بودند و تغییر میزان شتاب متناسب با سرعت می باشد. مقدار شتاب در جاده نمونه ISO 5007 با یک تشدید کاذب القایی همراه بود که بعد از آزمایش متوجه شدیم که این مورد اتفاقی بود که سایر تراکتورها با این شبیه سازی خیلی کم مولبندی شده اند.
برای اینکه علت ضعیف بودن نتایج را معلوم مشخص نمایند، عملیات اتقال ارتعاش حرکتی تراکتور را با بکار گیری پمپ هیدرولیک که فشار عمودی بر روی چرخ جلو و عقب وارد می آورد می سنجند. توابع انتقالی بدست آمده با این وسایل مشابه با آنهایی که به وسیله مرحله شبیه سازی بدست آمده اند نبوده. علاوه بر این زمانی که این توابع انتقالی بکار گرفته شود مرحله شبیه سازی را می سنجند. طیفهای حاصله از ارتعاش حرکتی هنوز غیر از آنهایی است که در این زمینه سنجیده شده اند. نتایج این آزمایشها و سایر آزمایشها ما را مطمئن می کند و الگوهای خطی بکار رفته برای کار شبیه سازی در NIAE و همچنین توسط سایر مولفان جهت توانا ساختن آنها برای بهینه سازی حرکت تراکتور ها در مرحله طراحی قادر به پیش بینی کردن ارتعاش حرکتی تراکتور با دقت کافی نیستند.
این مدل می تواند پدیده های آزمایشی مشاهده شده را از قبیل شکل رابطه بین حرکت و K/m خارج قسمت نشان داده شده در شکل 1 را بوجود آورد. آن همچنین نشان می دهد که در کل ارتعاش حرکتی در راستای عمودی ممکن است با افزایش سطح تمامی لاستیک تراکتور کاهش یابد اما برای تعداد خاصی سطوح تماس لاستیک با زمین ممکن است افزایش یابد. هرچند پیش بینی هایی در این نوع نتایج مستقیم از پروفیل های زمینی استفاده شده می باشند و تقریباً مستقل از الگوی تراکتور اند.
این طرح حاصل تجربه در NIAE جهت شناسایی کردن نقایص مهم و احتمالات پیشرفت به دنبال بررسی قسمت های مختلف شبیه سازی ارتعاش گردشی می باشد.
مدل تراکتور:
تغییر زیاد و پیچیده الگوها و مدلهای تراکتور در بررسی متغیر از مدل های 1 و2 درجه آزادی ساده با آنهایی که از 13 یا بیشتر درجه آزادی استفاده می کنند ظاهر می گردد. تحلیل معادلات حرکت برای مدل 7 درجه آزادی نشان می دهد که آن شامل دو قسمت کاملاً جدا می باشد. یک مدل طولی، شیب دار، عمودی و یک مدل غلتک محور جلو، انحرافی، نوسانی، جانبی. پیامدهای ساده سازی این مدل را با حذف کردن حرکتهایی از آن بطور مثال در جهت انحرافی بررسی کرده ایم. نتایج این مورد در این صفحه توضیح داده شده است.
تنها تکمیل این مدل خطی که ممکن است انرژی تحقیق بیشتری را دارا باشد راه پیدا کردن حرکت در کابین تراکتور و ارتعاش آن بر روی بستهای عایق می باشد.
از آنجایی که تراکتورهای کشاورزی تقریباً همیشه در ارتباط با یک وسیله کششی استفاده می شوند می توانند بطور نمایشی بر ویژگی های حرکتی تأثیر گذارند. شبیه سازی ارتعاشی یک تراکتور تنها صحیح نیست. کار در زمینه تراکتور و ادوات متصل به آن به کمک مؤلفانی چون claarand sheth و crolla و dale انجام گرفته است. هر چند اگر شبیه سازی حرکتی یک تراکتور بدون بار در حال حاضر ممکن می باشد لذا تراکتور به همراه ادوات درجه این شبیه سازی را کم می کند.
تایرها:
مدل NIAE مشترک با سایر مدل ها فنر خطی و ضربه گیر تایر تراکتور را بیان می کند. زمانیکه وسیله شبیه سازی شده دارای سیستم فنر دار به غیر از تایرها است این به ظاهر توضیح کافی برای آن می باشد. هر چند برای وسیله ای فاقد فنر این نمایش شبیه سازی کاملاً کفایت می کند. سایر محققان از ترکیب فنر شعاعی فنرهای دوخطی و سایر وسایل مشابه استفاده کرده اند. هر چند نتایج این شبیه سازی اساسی نیستند.
بررسی مکانیکی لاستیک در حال حرکت بطور واضح اختلاف قابل ملاحظه ای را بین لاستیکهای ساکن و غلتان نشان می دهد. توضیح اینکه یک تراکتور در طول ارتعاش می کند خصوصیات طولی لاستیک عقب تراکتور با خمش آجهای تایر ایجاد می شوند. ضریب ضربه گیری (فنریت) تایر در این راستا مشابه ارتعاش عمودی به همان ترتیب بزرگی را دارد. کاربرد این خصوصیات اندازه گیری شده باعث افزایش دامنه در تراکم طیفی قدرت، شیب و طولی پیش بینی می شوند و شکل 4 هرچند بررسی اصول مکانیکی چرخ غلتان نشان می دهد که این مقدار استهلاک کاملاً با وضعیت واقعی نامربوط است فرکانس آج تایر خیلی بیشتر از فرکانس ارتعاش تراکتور در این جهت است.
از آنجایی که هر تاج با زمین تماس پیدا می کند یا هنگامی که از آن جدا می ود یک دوره زمانی وجود دارد که به علت ارتعاش تراکتور خم می شود و در طول سطح زمین می لغزد. به این طریق مقدار قابل ملاحظه ای از انرژی تلف می شود. با تغییر دادن ننریت طولی در تایر ارتعاش حرکتی می توانند پیشرفت کنند. نتایج بعضی از اختلافات دیگر بین تایر های غلتان و غیر غلتان جهت پیش بینی، آسان نمی باشد و سایر جنبه ها و ویژگی های فنری تایرهای تراکتور بوسیله چندین محقق بررسی شده و نشان می دهد که ویژگی های تایر با بسیاری از فاکتورها چون فرکانس ارتعاش، دامنه ارتعاش، سرعت حرکت کشش و برش عمودی بار در سطح زمین تغییر می کند. هر چند بررسی تحت عنوان نتایج معتبر بوجود آمده با بکارگیری روش تشخیص داده شده وجود ندارد و با این وجود اثرات ارتباطی این فاکتور را جهت قادر بودن به پیشنهاد مدل شناورتر تایر به چنین روشی کشف کردند. احتمالاً به نظر می رسد چنین مدلی غیر خطی خواهد بود.
روشی که پوشش های تایر در ارتباط با ناهمواریهای زمین خصوصاً مورد بررسی است نتایج بعضی از این تحقیقات در شبیه سازی NIAE مورد استفاده قرار گرفته اند. مدل فنر دار بودن ساده اجازه نمی دهد که نیروی طولی را در مدل تراکتور وارد کند این نقص سایر مدلها از جمله مدل تایر فنری شعاعی نیز می باشد.
برش عمودی زمین
اگرچه زمینی را که یک تراکتور بر روی آن کار می کند خصوصیت تراکتور نمی باشد و تنها جهت تسریع و تکمیل نتایج آن در شبیه سازی ضروری می باشد یک نفر ممکن است تصور کند که با محاسبه کردن ویژگی های ارتعاشی تراکتور (که ممکن است به شکل یک تابع انتقالی یا تابع توصیفی باشد) بابکارگیری اینها حرکت تراکتور بهینه می گردد. هر چند مورد به این سادگی نیست زیرا یک تقسیم ورودی و خروجی چند گانه بوده اند، واکنش چرخهای مختلف ممکن است جهت تقویت کردن یا تضعیف کردن دیگری عمل کنند. پروفیل زمین در مرحله شبیه سازی کاربرد دارد و به منظور آزمایش کردن روش شبیه سازی نیست (به منظور مقایسه کردن حرکت پیش بینی و اندازه گیری شده) به منظور تشریح ویژگی های حرکتی هر تراکتور آن بخش ضروری است.
بطور واضح هیچ یک از پروفیل های زمین نمی تواند نمایشی از کارهای مختلفی باشد که تراکتور انجام می دهد. هر چند بکار گیری مقدار کمی از سطوح نمونه احتمالاً کفایت می کند شکن های واقعی زمین که زمان بر هستند و بطور شگفت انگیزی اندازه گیری آنها مشکل است. بطور مثال برش عمودی را در نظر بگیرید که در یک شبیه سازی جهت بوجود آمدن طیف های قدرتمند حرکتی با تفکیک 0.1-10 HZ مورد استفاده قرار گرفته اند اگرمسیر یک سری زمانی تصادفی در نظر گرفته شود بنابراین برای بدست آوردن 90 درصد اعتمادی که مقادیر واقعی چگالی طیفی قدرتمند زمین با بکار گیری سرعتهای تراکتور 5، 15 کیلومتر در ساعت 25/0+ و 25/0- از مقادیر اندازه گیری شده را دارا می باشند. اندازه گیری 2500 نقطه از شکن به فاصله های 0.07 m برای هر لبه چرخ ضروری می باشد.
جهت اندازه گیری کردن شتاب زمین هر 10HZ در هر نقطه باید تا 0.25 mm دقیق باشد. چنین پارامترهایی برای اکثر موقعیتهایی بطور آشکار عملی نیست. هر چند نمونه فوق مقیاس مسئله را نشان می دهد.
تشریح پروفیل زمین در فرکانس یا دامنه زمانی که مناسب کاربرد در شبیه سازی می باشند و کلیه اطلاعات مرحله در راستای عرضی را دارند. در تحقیق منتشر شده کمیاب می باشند این منجر به کاربرد وسیع پروفیل زمین (ISO 5007) می شود. به منظور اجتناب از این مسائل، بعضی از محققین با بکارگیری اطلاعات بینابینی، واقعی یا ایده آل پروفیلهای سری زماندار تصادفی را ایجاد کرده اند. در حالی که سایرین از اشکال مصنوعی از قبیل پروفیل های سینوسی استفاده کرده اند.
پروفیلهای زمین ویژگی های ثابت ندارند. اینها در واکنش به عبورهای تکراری تراکتورها در درازمدت حرکتهای لحظه ای تراکتور را تغییر می دهند اهمیت این مراحل به طور کامل احساس نشده است.
اثر تغییر درجه های حرکت در مدل:
بکاربردن نتایج حاصل از شبیه سازی بدست آمده از 6 تراکتور نتیجه گیری در مورد پیچیدگی مورد نیاز مدل را با احتمال مواجه می کند. هرچند نتایج با این فرضیه بوجود می آیند که مسیر اولیه نمایشی بود و اینکه یک مدل غیر خطی که دقیقاً ویژگی های حرکتی تراکتور را توضیح می دهد به روشی تقریباً مشابه عمل می کند. طیف قدرت در اسنای عنوان یک تراکتور با بکارگیری 3 مدل پیچیده محاسبه شده در شکل 5 به نمایش در می آید. از این طیف نتیجه می گیرم که اگر هدف شبیه سازی مدل بندی ارتعاش در راستای عمودی یک تراکتور نسبت به یک مدل 1-dof باشد کافی است هر چند باید توجه کرد که مدل 1-dof شرح داده شده در اینجا با چهار چرخ از پروفیلهای مختلف زمین استفاده می کند. اگر مدل بیشتر ساده شود بطوریکه کلیه پروفیلهای زمین همان باشد یعنی معادل با یک مدل چرخ بر تایر فشار می آورد، بنابراین کلیه واکنشهای حاصله خیلی بیشتر می باشند.
به منظور مدل بندی ارتعاش جانبی، مدل بندی کامل محور جلویی-جانبی-انحرافی- تیم اکس جلو بر روی چندین تراکتور لازم می باشد. مدلهای ساده طول، شیب دار عمودی، که چندین محقق جهت مدل بندی ادوات و تراکتور از آن استفاده کرده اند ظاهراً با مدل کامل 7-dof همسان می باشند. چنانچه شکل زمینی که آن کار می کنند به عنوان میانگین حسابی عبورهای چرخ چپ و راست در دامنه زمانی تلقی گردد، خطا در این محاسبات منجر به ایجاد سطوح ارتعاش حرکتی بالا می گردد.
ارزیابی نتایج
کاهش ارتعاش حرکتی مزایای متنوعی دارد. بسته به نوع حرکت می تواند بطور مطلوب بهینه سازی گردد. روشهای احتمالی ارزیابی پیشرفت حرکت به این ترتیب می باشد.
1. حساسیت انسان به معیار ارتعاش
در بررسی های انجام شده معیارهای بسیاری وجود دارد. احتمالاً ساده ترین روش کاربردی فرکانس جرم دار در ISO 2631 ارائه شده است. روش دیگر فرکانس وزن دار توسط ISVR پیشنهاد شده است. مزیت این روش این است که اثر جمعی کلیه 6 حالت ارتعاش به عنوان یک عدد تک آشکار سازی می گردد. بعضی از محققین روشهایی را پیشنهاد کرده اند که در الگوی ارتعاش فرکانس وزن دار ریشه چهارم عبارت زیر باشد که اهمیت بیشتری به فرکانسهای بالا می دهد:
a : شتاب
2. تماس چرخ با زمین
به منظور حفظ قابلیت حرکت و استفاده حداکثر از قدرت تراکتور، ارتعاش در حین حرکت با به حداقل رساندن مقدار زمانی که بارهای دینامیک چرخ زیر مقادیر بحرانی خاص می باشد بهینه سازی می گردد.
3. معیار بارگیری تنش تراکتور و ادوات
تنشها در محلهای مختلف بر روی تراکتور می تواند مورد بررسی قرار گرفته و به حداقل برسد. Dahlbeg نشان می دهد که معیارهای مختلف بعضی اوقات عکس یکدیگرند که منجر به سازگاری مابین نیازهای مختلف می گردد.
نتیجه گیری
اگرچه مواردی وجود دارد که شبیه سازی ارتعاش در حین حرکت.
تعیین و شبیه سازی ارتعاشات ادوات کشاورزی
هدف اولیه قبل از هر شبیه سازی تعیین ویژگی های محیط ارتعاشی ماشین می باشد لذا برای پیشبرد این هدف در کارمان نیازمند امکانات آزمایشگاهی شامل ویبراتور (ارتعاش کننده) می باشیم.
قبل از انجام پروژه اطلاعات مربوطه در این باره بسیار کم بود. Becker ترازنمای سطح سینوسی را با دامنه پیک 6 اینچی و طول موج ده فوتی به عنوان تقریبی مناسب برای ارزیابی تعلیقات ادوات کشاورزی پیشنهاد کرده است. (4)hernick در جهت شتاب عمودی صندلی های تراکتور طیف هایی را انتشار داده است. دامنه حداکثر 0.3g در kps بود سرعت تراکتور نامشخص بود اما این ترکیب با دامنه پشت سر هم 3.86 اینچ متناظر است. اگر سرعت 5mph فرض ود. طول موج متناظر 7.34 فوت است که بطور قابل ملاحظه ای به ارقام بکر beker نزدیک است. هرچند در زمینه ادوات کشاورزی اطلاعاتی وجود ندارد. این بررسی راه اصلی را برای مشکل ارتعاش این ادوات ارائه می دهد. در نگاه اول شروع کار شبیه سازی توسعه یافته می باشد. این روش شبیه سازی برای دامنه وسیعی از موقعیتهای آزمایشی مفید می باشد.
انتخاب ابزار کار
انتخاب شتاب سنج بر اساس دو معیار بود. هر دو قابلیت آشکار کردن 0.03g بر اساس دامنه پایین داده های Hornick و بزرگترین دامنه احتمالی می باشد. شتاب سنج با سرعت اضافه بار دامنه را انتخاب کرد. تغییرات فرکانس از 0-100 cps یکنواخت بود ( ) که با توجه به داده های هورنیک مناسب به نظر می رسید.
سیستم ثبت کننده جهت ثبت شتاب کارنده در حین آزمایش بروی زمین در تراکتور محصول ردیفی نصب شد. این سیستم شامل لرزه سنج هوشمند، صفحه اندازه گیری فشار، تقویت کننده، جهت ارتباط شتاب سنج به سیستم ثبت کننده، دستگاه تولید کننده سیگنال زمانی (20 cps موج سینوسی) و ژنراتور 5kw می باشد. اسیلسکوپ مناسب برای سنجش حساسیت ارتعاش تهیه گردید. قابلیت فرکانس بالای آن برای ثبت دقیق حرکتها و بخاطر روبرو شدن اجزاء با فرکانس بالاتر از 130 cps مفید بود. یکی از ادوات کارنده در شکل 1 نشان داده شده است. این کارند دارای شاسی با میله بلند که روی آن 4 واحد کارنده نصب شده است می باشد. هر واحد کارند به یک کودکار (مخزن کود) مجهز است. کارند به همراه وسایل آزمایش به اتصال سه نقطه تراکتور از دو نقطه متصل گردیده اند. کارند از قسمت بالای جعبه بند دهانه تغذیه ویژه برای کود داشت.
روش آزمایش
به تعداد دو زمین زراعی برای انجام آزمایش بخش ارتعاش تهیه شدند. یکی در ketola (شکل 2) که شرایط زمین سنگ دار را برای مزارع نیویورک نشان می داد. در حالی که شکل 3 مزرعه جهت نشان دادن شرایط شدید سنگی انتخاب شد (مکعب به ابعاد 6in,4in,4in) این کرت به ابعاد 6in,4in,4in جهت بدست آوردن تخمین بهتری از شتابهای حداکثر در نظر گرفته می شود که ممکن است در مزرعه بوجود بیاید.
مزرعه تابستانی در کتولا در عمق 8in مناسب برای کاشت توسط گاوآهن، اسکنه ای، کلیتواتور به دنبال دیسک آماده می شود. در زمین کرتی MT که شامل ساقه های خورده شده ذرت بود توسط دیسک تاندوم تهیه گردید.
شرایط آزمایش با موانع ثابت و کاملاً درجه بندی شده که در سرعتهای (3، 4، 5، 6 مایل بر ساعت) و شرایط 0، 25 و 50 پوند برای هر واحد دانه برنامه ریزی شد. موانع قابلیت تغییر ارتفاع در تمام سرعتها و شرایط ثبت یکسان را دارا بودند.
نتایج
دو نمونه از ثبت نمودار شتاب سنج ها در شکل 4 و 5 نشان داده شده است. در محل ماشین روی سطح زمین شتاب صفر در نظر رفته شد تا شتاب حاصل از جاذبه زمین را جبران کند. جهت شتابهای عمودی رو به بالا مثبت در نظر گرفته شدند به دو فرکانس کاملاً تعیین شده از اثر مجزای شتابها توجه کنید. دامنه و فاز این مولفه ها بطور یکسانی متغیر است. اما هر دو فرکانس ظاهراً ثابت هستند. این نتایج در هر دو کارنده با کلیه شرایط آزمایشی مشابه بودند.
مؤلفه فرکانس بالا برای کارنده 4 ردیفه 127.5 cps و برای کارنده دو ردیفه 41.2 cps بود. هیچگونه مقادیر اضافی در دو بار مثبت یافت نمی شود. مؤلفه فرکانس پایین با اکثر آزمایشات برای کلیه نمونه ها ثابت بودند. برای آن آزمایشهایی که تغییری را بین نمونه ها نشان داد مقدار میانگین در نظر گرفته شد. مؤلفه فرکانس پایین برای کارنده چهار ردیفه 4 ردیفه 6.5 cps و برای کارنده دو ردیفه 3.8 تا 7.4 cps متغیر بود. دامنه rms هر دو مؤلفه فرکانس و مقادیر پیک مثبت و منفی نیز با شرایط آزمایش تغییر یافت.
تحلیل آماری واریانسی بهمراه نتایج آن در جدول 1 نشان داده شده است. جایی که اختلاف بین عملیات میانگین به علت زمان بیشتر از اختلاف مورد انتظار است که با مقدار f بزرگتر از f 0.93 نشان داده شده اند و اختلاف ممکن است فرضاً به علت اثرات واقعی مکانیکی باشد. شکل این اثرات باید توسط سایر وسایل تعیین شوند.
فرکانسها مستقل از سرعت و فشار هستند (شکل 6) دامنه مؤلفه فرکانس بالا طبق شکل 7 نسبت به سرعت و فشار واکنش نشان می دهند. در حالی که دامنه مؤلفه فرکانس پائین تغییر ثابتی را نسبت به سرعتها تنها نشان می دهد (شکل 8) دلیلی وجود ندارد که مؤلفه فرکانس پایین در دامنه ای با فشار افزایش یافته کاهش می یابد. اما خطای آزمایش بیش از حد زیاد بود که به لحاظ آماری مهم می باشد (f به طور جزئی کمتر از f 0.95 است).
داده های مقدار نهایی نسبتاً متناقض بود. اما روندهای خاصی باید مشاهده گردد. پیک مثبت تمایل به افزایش با سرعت و کاهش با افزایش فشار را دارد. اما این موارد برای کارنده های 2 ردیفه اهمیت دارند. پیک منفی مستقل از سرعت می باشد (جدول 1) اثر فشار بر روی پیک منفی شدیداً تحت تأثیر طرح و شکل ادوات می باشد. واحد دو ردیفه کاشت هیچگونه اثری را نشان نداد در حالی که کارند 4 ردیفه کاهش زیاد پیک با افزایش بار را به همراه داشت.
تجزیه و تحلیل تغییرات ارتعاش
نوسانات سطح زمین زراعی امکان دارد به عنوان اثر کلی سوابق زمانی ثبت شده مرحله ای تصادفی در نظر گرفته شود. انتخاب کردن مسیر چرخ فنردار موجب سابقه زمانی احتمالی برای تحریک ادوات که در حال حرکت بر روی زمین هستند می گردد. سرعت حرکت، فرکانس دقیق تمام قسمتهای محرک را از زمانی که طول موجها ثابت هستند کنترول می کند که فرکانس متناظر با هر طول موج که با معین می گردد که در این فرمول v سرعت حرکت ماشین می باشد. چنانچه حرکت ادوات بالای سطح زمین با سرعتی ثابت باشند و زمین هم یک نمونه خاک یکنواخت با سابقه کشت یکنواخت داشته باشد در چنین حالتی توان ورودی ماشین پرسه ثابتی را طی خواهد کرد.
با تصحیح دقیق در ویژگی ارتعاش کارنده بر اساس میانگین زمانی حرکت فرایندهای تصادفی باید ساکن و هم سو آن باشد. میانگینهای کل با زمان نباید زیاد یکسان بانشد و میانگینهای زمان هر تابعی باید با میانگینهای کل معادل باشد. از آنجایی که سطح زمین فرضاً اثر کلی را نشان می دهد فرآیند با طیفهای مشاده شده که مستقل از جهت حرکت هستند معادل است.
تا مادامی که عملیات کشت نه برجستگی و نه کلوخه های درازی را ایجاد نمی کند این معیار کاری باید رضایت بخش باشد و ظاهراً منطقی است که بپزیریم که مرحله هم ساکن و هم هم جهت می باشد. از اینرو میانگین های زمانی ارتعاش کارنده تنها موردی برای این مرحله از کار می باشد.
از آنجایی که تغییر حدود قابل ملاحظه ای از اندازه کلوخ وجود دارد طیف تعیین شده از فرکانس پائین تا حد بالاتر آن با خصوصیات لاستیک نسبتاً یکنواخت است. این رویه حاکی از این است که کوچتر از ارتفاع اثر آج چرخها می باشد. بطوریکه طول موج ماکزیمم به خوبی تعیین نشده است. اما با توجه به اینکه تشدید 4 cps (کارند دو ردیفه) که هنوز به طور شدیدی در آزمایشات با سرعت 6mph برای تحریک می گردد باید بزرگتر از 2/2 فوت باشد.
برعکس تحریک پهنای باند مورد انتظار، شتابهای ثبت شده ظاهراً دو مرحله نوار باریک اعمال شده دارند. این حاکی از این مطلب است که کارنده طیف ورودی را تصفیه می کند. از آنجایی که فرکانسها با پیکهای متراکم طیفی مستقل از سرعت حرکت هستند این پیکها احتمالاً فرکانس های طبیعی را نشان می دهند که با یک طیف ورودی یکنواخت تحریک می شوند. طرحهای کارنده نیز حاکی از 2 درجه آزادی است که این حالت از آنجاییکه فنر جرمی به آن متصل شده است که بر روی جرم متمرکز دیگری سوار می شود که شامل شاسی محورهای عرضی و مجموعه مخزن بذر می باشد که جملگی توسط چرخهای کمک فنر دار حمایت شده اند. تحریک کردن ارتعاش واحدهای 4 ردیفه با افت آن از وضعیت روبه بالا امکان پذیر بود. هر دو فرکانس طبیعی تولید شده با این روش با فرکانسهای مشاهده شده در سطح مزرعه متناظر می باشد. افت کند این نوسانات ثابت فنری پائین را نشان داد.
دامنه rms متناظر با هر طول موج بر روی سطح زمین مزرعه عدد ثابت است. بنابراین دامنه اختلال حرکت به علت این پارامتر ثابت است. اما فرکانس افزایش با سرعت زیاد می شود. قدرت ورودی هر ترکیب و قدرت ورودی کل با افزایش سرعت افزایش می یابد. بنابراین دامنه واکنش با ثابت بودن فرکانس باید افزایش یابد و قدرت بالاتر تنها می تواند با دامنه ای بالا تر تلف شود. از آنجایی که بارگیری دهانه تغذیه بطور مهمی فرکانس اندازه گیری شده را تغییر نمی دهد ولی دامنه را کاهش می دهد و به نظر می رسد که حرکات ماده دانه ای در ابتدا کار استهلاک سیستم را افزایش می دهند این بظاهر منطقی می باشد.
از آنجایی که هر حرکت نسبی بین ذرات اصطکاک لغزشی را در بر می گیرد ارتفاع پیک های طیفی سیستم ارتعاشی جزئی استهلاک یافته بطور جدی تحت تأثیر تغییر جانبی در نسبت فنریت قرار می گیرد. تغییر 15 تا 50 درصدی مشاهده شده در دامنه باید توسط تغییر کوچک در نسبت فنریت ایجاد شود.
تحلیل مقدار پیک
مقادیر پیک بظاهر نتیجه توانهای ورودی بزرگ هستند که جهت حرکت کردن چرخ از سطح خاک کافی می باشند. این در درجه اول به علت حرکت وسیله بر روی سنگها بود. پیک شتاب منفی غالباً بیشتر از 1g بود و این حالت به خاطر این بود که مرکز چرخش صفحه بذر واحد کارنده نسبته به مرکز ثقل دورتر بود (شکل 9). از آنجایی که پیکهای منفی با واحد کارنده در سقوط آزاد بوجود می آیند تقریباً آنها مستقل از سرعت بودند. وقتی بار دهانه تغذیه تغییر کرد. مرکز جاذبه وسیله تغییر می کند. این شعاع r1 (شکل 9) را تغییر داد. و همچنین بزرگی شتاب پیک منفی را تغییر داد.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 47 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله حرکت نوسانی سیستمهای دینامیکی
