یونیماگ

بازده توان تولیدی،یک روش مستدل برای مقایسه کارآیی تراکتورهای چرخ لاستیکی و تراکتور های تسمه ای

چکیده

آزمایش ها کشش نشان داده است که معمولا کارآیی کششی تسمه ها از چرخ بالاتر است .کارآیی مزرعه ای و همچنین مصرف سوخت در آزمایش ها نهایی ،تفاوت معنی داری میان تراکتور های چرخ لاستیکی و تسمه ای نشان نمی دهد .در آزمایش ها اخیر در دانشگاه ایالتی تگزاس و در مرکز تحقیقات ماشین های کشاورزی آلبرتا،از عبارت   بازده توان تولیدیPDE استفاده شد که همان درصدی از توان ورودی است که در مالبند قابل حصول است .این مقدار،به عنوان کارآیی کلی تراکتوردر نظر گرفته می شود.این مقاله نشان می دهدکه چگونه یک روش مستدل ،برای مقایسه چرخ وتسمه به کارببریم.

مقدمه

در چند سال گذشته ،آزمایش ها فراوانی در مورد کارآیی کششی چرخ وتسمه انجام شده است .آزمایش« بازده کششی »،به طور کلی، کارآیی بیشتری را در مورد تسمه نشان می دهد .برخی دیگر از محققان ،از آزمایش «توان تولیدی   PDE   »استفاده کردند که این آزمایش ،تفاوت های کمی بین این دو تراکتور (چرخ لاستیکی و تسمه ای )نشان داد.این محققان آزمایشاتی در مورد تولید مزرعه ای کل(full field productivity)وهمچنین مصرف سوخت انجام دادند که باز هم تفاوت کمی میان این دو تراکتور دیده شد .«بازده توان تولیدی» چیست ؟چگونه در اندازه گیری کارآیی تراکتور استفاده می شود وآیا روشی مستدل برای اندازه گیری کارآیی تراکتوراست؟

بازده توان تولیدی چیست؟

بازده توان تولیدی (PDE)عبارتست از ،درصدی از توان موتور که برای کشیدن ماشین قابل حصول است . PDE،فقط «بازده کششی   TE »نیست بلکه تمام بازده موتور تا محورPTO و تا خط انتقال توان را هم در بر می گیرد .در مقایسه با بازده کششی (TE)، PDE دارای یک تعریف استاندارد شده نیست.

  PDE از تقسیم توان مالبندی اندازه گیری شده به توانی که در همان زمان به وسیله کشششی وارد می شده است ،محاسبه می گردد.توان ورودی ،ممکن است توان PTO یا توان موتور باشد ،اما معمولا توان ورودی ،توانی در نظر گرفته می شود که تراکتور مورد آزمایش می تواند آن سطح از توان را ایجاد کند.برای اغلب تراکتور ها ،می توان توان PTOرا به عنوان ورودی در نظر گرفت .در مورد تراکتور های 4WD و برخی دیگر از تراکتور های فاقد PTO ،اندازه تراکتور در زمان خرید به وسیله مشتری ،بر اساس توان موتور آن مشخص می شود ،سپس در این مورد از توان موتور به عنوان توان ورودی استفاده می کنیم .هر دو توان PTO یاموتور می توانند در محاسبه PDE به کار روند اما این بسیار مهم است که تراکتور هایی را که بااین دو روش باهم مقایسه می کنیم ،باید کاملا مشابه باشند .توان موتور در اینجا فباید مستقیما داخل مزرعه اندازه گیری شود؛از طرف دیگر برای بدست آوردن توانPTO در مزرعه ،تحلیل رگرسیون لازم است.

مرور مکانیک کشش

مرور مکانیک کشش در درک تفاوت های موجود در کارآیی کششی به عنوان عوامل موثر بر PDE مفید است. در شکل (1) نیروهای مهمی که بر یک چرخ محرک تاثیر می گذارند نشان داده شده اند.گشتاور ورودی ( Q)،در شعاع لهیده ی چرخ ( Lr) اثر می کند و باعث تولید کششش ناخالص (GT)می شود .قسمتی از کشش ناخالص ،صرف غلبه بر نیروی مقاومت حرکتی می شود(   MR)؛پارامتر مقاومت حرکتی عبار تست از مقاومتی که در مقابل غلتش وسیله کششی (چرخ )وجود دارد که می تواند خارجی یا داخلی باشد. آنچه می ماندکشش خالص(NT)است.حاصل تقسیم MR ، NTوGTبر وزن دینامیک روی چرخ (Wd)،روابط بدون بعدی را ایجاد می کند.

GT/Wd=نسبت کشش ناخالص(GTR)

 =NT/Wdنسبت کشش خالص(NTR)

                                                                                 =MR/Wdنسبت مقاومت غلتشی=GTR-Wd

سرعت حرکت تئوری (Vt)وابسته به شعاع موثر چرخ (r)و سرعت دورانی چرخ است .توان ورودی ،محصول سرعت تئوری و کشش ناخالص است .توان خروجی ،حاصل سرعت حرکت واقعی (Va)و کشش خالص(NT)است .بازده کششی (TE)نسبت توان خروجی به ورودی است.

                                                                                سرعت واقعی×کشش خالص

مکانیک یک وسیله کششی تسمه ای که در شکل (2)نشان داده شده است،از بسیاری جهات ،شبیه به مکانیک چرخ است ؛اما،توزیع بار در آن وابسته به پارامتر های ماشینی است که تسمه روی آن سوار شده است.نقطه اثر برآیند نیروهای دینامیک(نسبت تعادل دینامیک )،وابسته به توزیع وزن استاتیک و خصوصیات انتقال وزن وسیله است.

بازده کششی

تلفات کششی(Traction inefficienay)از تلفات سرعتی و تلفات نیروی کششی حاصل می شود.تلفات سرعت حرکت معمولا لغزش (Slip)نامیده می شود اما اصطلاح درست آن کاهش پیشروی (Travel reduction)است.کاهش پیشروی به دلیل از دست رفتن قسمتی از سرعت حرکت (کاهش سرعت حرکت) نظری است که قابل تبدیل به سرعت واقعی نیست .علت آن ،حرکت نسبی داخلی خاک،بین سطح خاک وسطح وسیله کششی (در این مورد استفاده از لغت لغزش(Slip)مناسبت دارد) و بین اجزای وسیله کشی (تغییر شکل عاج چرخ ها و لغزش تسمه نسبت به چرخ محرک آن )است . همه این موارد باعث کاهش سرعت می شوند . عامل دیگری که باعث تلفات کششی می شودو بسیار پنهان ونادیدنی است کاهش نیروی مالبندی است این مساله به این دلیل پیش می آید که نیروی مقاومت حرکتی ،مقدار نیروی خروجی مفید (کشش خالص)را با کم کردن مقداری از نیروی کشش ناخالص ،کاهش می دهد.این مسئله در مورد تسمه مهم تر است زیرا افت های داخلی تسمه از افت های داخلی چرخ ،به مراتب بیشتر است .در خاک های نرم ، با کمتر بودن نیروی مقاومت حرکتی در برابر حرکت تسمه ،نسبت به چرخ ،افت های داخلی تسمه ،عمدتا جبران می شود.

شکل داده شده یک نمودار کلی روابط کشش است که در بدست آوردن آن از لاستیک های لایه شعاعی (Radial ply)و روابط Brixiusاستفاده شده است.با آنکه به طور مرسوم ،کششش در مقابل لغزش به عنوان متغیر مستقل ،به شکل نمودار ترسیم می شد ،اماا ین روش هنگامی که نیروی مالبندی به عنوان متغیر مستقل در نظر گرفته شد ، ارزش خود را از دست داد.برای یک تایر که به درستی بالاست شده و باد آن مناسب است ،در نسبت کشش خالص40/0،بازده کششی به حداکثر خود رسیده است.این مسئله را  Dwyerهم تشخیص داده بود .مقاومت حرکتی ، هم در برابر لغزش وهم در برابر نسبت کشش خالص ، یک تابع خطی است ؛مگر آنکه فرو رفتگی چرخ در خاک زیاد باشد.

افتهای سرعتی و کششی ،تلفات کششی (Traction inefficiency)را ایجاد می کنندکه برای این نوع افت یک واژه رسمی وجود ندارد.بهترین را ه برای درک این افت،توجه به «نسبت سرعت»و «نسبت کشش»است.

Velocily ratio×pull ratio=نسبت سرعت × نسبت کشش =                                   TE=

در شکل (4)نسبت سرعت به عنوان تابعی از نسبت کشش خالص (NTR)نشان داده شده است .هنگامی که NTR،برابر با صفر است ،یعنی نیروی مالبندی وجود ندارد ،سرعت واقعی (Va)تقریبا برابر سرعت نظری(Vt)(بسته به این که ،چه لغزشی را ، لغزش صفر در نظر بگیریم)است و «نسبت سرعت»تقریبا برابر یک است .هنگامی که نیروی مالبندی افزایش می یابد ،لغزش نیز بیشتر شده و نسبت سرعت کاهش می یابد.تلفات نسبت سرعت وابسته به پارامتر هایی است که منحنی نیرو ی مالبندی – لغزش را شکل می دهند.

در شکل (4)نسبت کشش (pull ratio)نیز به عنوان تابعی از نسبت کشش خالص(NTR)نشان داده شده است.هنگامی که نیروی مالبندی صفر است ،نسبت(NTR/GTR)ویا همان «نسبت کشش»صفر است (یا دآوری:تفاوت NTRوGTR مربوط به مقاومت حرکتی است که در محدوده 5/0~ 5/ 0 قرار داردو Motion Resistance = GT - NT).به دلیل وجود مقاومت حرکتی ، هیچ گاه نسبت کشش خالص (NTR)به نسبت کشش ناخالص (GTR)نخواهد رسید ودر نتیجه «نسبت کشش(Pull ratio)»هرگز به 1 نخواهد رسید.

بازده کششی کلی ، هرگز نمی تواند از «نسبت سرعت» یا از«نسبت کشش»بیشر باشد.به همین علت ، در این منحنی ،(شکل (4))در ،4/0 ≈NTR ، برای لاستیک های لایه شعاعی حداکثر بازده کششی حاصل شده است.در مورد تسمه هاهم یک NTRمشابه اما اندکی بالاتر ،مشاهده می شود .

در شکل(5)اطلاعات واقعی نسبت کشش،نسبت سرعت و بازده کششی کل در یک آزمایش نشان داده شده است .این اطلاعات برای لاستیک های لایه شعاعی در شرایط کششی متوسط (زمین کشت شده )به دست آمده اند.منحنی های این شکل ، حاصل تحلیل رگرسیون اطلاعات به دست آمده از آزمایش مزرعه ای هستند.تلفات سرعت وتلفات کشش ،هر دو در بازده کششی کل موثرند و همچنین افت های لغزش و مقاومت حرکتی در «تلفات کششی »کل موثرند.

شکل (6)شکلی مشابه با نمودار شکل (5)است که به روش سنتی ،نسبت لغزش در آن به عنوان متغیر مستقل در نظر گرفته شده است.

مقایسه کارآیی های کششی

شکل (7)کارآیی لاستیک 20.8R42   جفت(Dual)را روی سه سطح کششی (سه نوع زمین )نشان می دهد.باید توجه داشت که در این نمودار ،هرچه خاک نرم تر و دست خورده تر باشد ،حداکثر بازده کششی کاهش می یابد.اما دوباره در هر سه حالت ،حداکثر بازده کششی درNTRمساوی با 4/0رخ می دهد؛همچنین هر چه خاک استقامت کمتری داشته باشد،حداکثر NTR،کمتر خواهد بود.

اشکال(8)،(9)و(10)مقایسه سه تسمه با عرض های متفاوت در روی سه نوع خاک متفاوت در برابر چرخ های دو تایی است .در خاک سفت خاک ورزی نشده (شکل(8))،در محدوده کشش رایج (5/0~4/0 =NTR)،تفاوت چندانی میان عملکرداین چهار وسیله کششی (چرخ دو تایی وسه عرض متفاوت تسمه)دیده نمی شود.چرخ های دو تایی،در نیرو های مالبندی بالا ،تمایل بیشتری به سمت افت پیدا می کنند(که البته ،لغزش،عامل محدود کننده آن است).

هر چه خاک نرم تر ودست نخورده تر باشد (اشکال(9)و(10))،تفاوت بیشتری میان چرخ وتسمه مشاهده می شود .همچنین با نرم ترشدن خاک ،منحنی های مربوط به تسمه ها ،موقعیت نسبی خود را حفظ می کند.در این نمو دار ها دیده می شود که باز هم حد اکثر نیروی کششی برای چرخ در نزدیکی 4/0=NTRدیده می شود ،در صورتی که تسمه ها ،در نسبت کشش خالص بالاتری به حد اکثر بازده کششی می رسندو همچنین در مورد تسمه  ها ، گستره بزرگ تری از NTR ،باعث ایجاد بازده کششی حداکثر می شود .باید توجه داشت که تمام این آزمایش ها درحالتی انجام شده اند،که دور زدن ها بسیار بسیار کم است.استفاده از باری که باعث ایجاد حداکثر NTRشود ،در مورد دور زدن یک ماشین مجهز به تسمه ممکن است کاهش کنترل در دور زدن ،تحت بار شود.

توان قابل استفاده

توضیحات قبلی در مورد کارآیی کششی،فقط تفاوت میان مالبند و توان در اکسل رادر بر گرفت .در عمل تراکتور ها را بر اساس توان موتور یا PTO آنها اندازه گیری و خریداری  می کنند نه براساس توان اکسل آنها .بازده کششی (TE)فقط تلفاتی رادر نظر می گیرد که از اکسل تا مالبند وجود دارد.بازده توان تولیدی (PDE)تمام افت های موجود از موتور (یاPTO)تا مالبند را که شامل افت های هیدرولیک و افت ها ی سیستم انتقال توان است ،در بر می گیرد.هنگامی که ازPDEبه عنوان ابزار مقایسه استفاده می کنیم،توان موتور یا PTOهر دو می توانند مورد استفاده قرار بگیرند؛بسته به این که کدام موجود است یا بیشتر در دسترس است.آنچه مهم است ،این است که توان دو تراکتوری که با هم مقایسه می شوند ، باید از یک روش به دست آمده باشد.اندازه گیری مستقیم توان موتور از طریق یک گشتاور سنج (torque meter)ارجحیت دارد.این توان می تواند مستقیما در محاسبه PDEوارد شود یا می تواند برای تعیین توان موثر PTOاز طریق تحلیل رگرسیون استفاده شود.اگر موتور تراکتور ،به دینا مومتر مجهز نیست ،اماداری PTOاست ،آنگاه استفاده از دینامومتر برای PTO،مناسب تر است ؛در یک آزمایش مزرعه ای ،توان موتور PTOبه عنوان تابعی از سرعت موتور،یا پارامتر های دیگر مثل موقعیت دنده شانه ای در پمپ انژکتور ،معین می شود.سپس در مزرعه ،توان معادل PTO می تواند از روی نتایج تحلیل رگرسیون پیش بینی شود.هنگامی که از توان اندازه گیری شده  موتور استفاده می کنیم ،محاسبه بازده توان تولیدی (PDE)،سر راست است:

                                            ––——————————                                            PDE=

هنگامی که از تحلیل رگرسیون استفاده می کنیم،باید فاکتورهای دیگری هم مد نظر قرار بگیرند.اطمینان از اینکه توان خروجی موتور در زمان انجام آزمایش PTO و توان مالبندی یکی بوده است ،مسئله ای تفکیک نشدنی در تحلیل رگرسیون است.شکل(11)اطلا عاتی را از آزمایش مزرعه ای به دست می دهد که در آن توان PTO ،یک بار با گشتاور سنج موتور و یک بار از روی سرعت موتور با تحلیل رگرسیون به دست آمده است.در این مورد یک کرلاسیون مناسب (98/0=R²)به دست آمده است که درستی استفاده از توان PTO در تحلیل رگرسیون را تایید می کند.

هم توان PTO وهم توان اکسل ،وابسته به توان موتور و افت های مربوط به سیستم انتقال توان و سیستم هیدرولیک هستند.افت های سیستم انتقال توان وسیستم هیدرولیک ،به طور موثری توان PTO یا اکسل را کاهش می دهند.

PTO Power =Eng Power – PTO Drive Loss – HydLoss PTO