Draft Prediction for Moldboard Plow

Transkript

1 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 276 KÜLTÜRFORM TİPİ KULAKLI PULLUKLARDA ÇEKİ KUVVETİ TAHMİNLEME MODELİ Draft Prediction for Moldboard Plow Engin ÇAKIR 1 Galip KEÇECİOĞLU 2 Bülent ÇAKMAK 3 Burcu ÇELİKEL 4 ÖZET Toprak işleme aletlerinden en yaygın kullanılan pulluklarda çeki kuvveti gereksinimi tahmini araştırmacılar tarafından farklı yaklaşımlar kullanılarak yapılmıştır. Ancak toprağın homojen olmayan ve elastoplastik bir davranış gösteren yapısı nedeniyle bir dereceye kadar doğru olan bu tahmin modellerinin daha da geliştirilmesi gerekmektedir. Bu araştırmada boyutsal analiz tekniği kullanılarak kültürform kulağa sahip bir pullukta gerekli özgül çeki kuvvetini tahminleyen model geliştirilmiştir. Modelde, toprakla ilgili kohezyon (c), iç sürtünme açısı (), yanında toprağın konumunu gösteren koni indeksi (CI) ve birim hacim ağırlığı (), aletle ilgili parametreler olarak ise işleme derinliği ve ilerleme hızı kullanılmıştır. Kumlu-tın ve killi-tın bünyeli topraklarda yapılan sürümlerde üç soklu kültürform kulağa sahip pulluğun çeki kuvveti, farklı tarla koşullarında ölçülmüş ve elde edilen verilerle model geliţtirilmiţtir. ABSTRACT The draft prediction for moldboard plow, which is widely used as a tillage tool, were made by researchers using different approaches. Due to the unhomogenous structure and elostoplastic behaviour of the soil, however, the prediction models which are somewhat true should be further developed. In this research, specific draft prediction model was developed for 3 bottom moldboard plow by using dimensional analysis. In the model, cohesion (c), and internal friction angle () as soil parameters, cone-index (CI), and density of the soil () were used to represent the soil conditions. Tillage depth and speed were taken into account for tool parameters. The draft requirements of the plow were measured in different field conditions and from the data the model was developed. 1 Dr. Arţ. Gör.., 2 Prof. Dr., 3 Arţ. Gör., 4 Yüksek Lisans Öğrencisi, Ege Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Bornova-İzmir.

2 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ GİRİŞ Toprak işleme aletleri içerisinde yaygın olarak kullanılan pullukların gerek tasarımında gerekse farklı toprak ve çalışma şartlarında optimum traktör-pulluk kombinasyonunun belirlenmesinde çeki kuvvetinin tahminlenmesi önemli yer tutar. Özellikle birincil toprak işleme aleti olarak pulluğun toprak işlemede tüketilen enerji açısından oldukça büyük bir pay aldığı gerçeği gözönüne alınırsa, çeki kuvvetini etkileyen faktörlerden herhangi birisinin dahi kontrol altına alınması veya iyileştirilmesi ile toprak işlemede enerji tüketiminde dikkate değer bir tasarruf sağlanabilir. Telischi ve arkadaşlarının (6) toprak işleme aletlerinde çeki kuvveti ölçümleri üzerine yaptığı çalışmada boyutsal analiz kullanılmış ve çeki kuvvetini etkileyen faktörleri şöyle sıralamışlardır: kesme kuvveti, toprağın ivmesi, işleme hızı, toprağın yoğunluğu, aletin iş genişliği ve toprağın vizkozitesi. Ancak bu tip bir çözümün problemi tam çözemediği, hatta tarlada yapılan çeki kuvveti çalışmasında toprağın uniform olmaması nedeniyle kontrollü şartların yaratılamadığını belirtmişler, bu nedenle laboratuvar çalışması ile çeki kuvvetini etkileyen faktörleri incelemiţlerdir. Ortogonal çoklu regresyonu kullanarak bağımsız değişkenlerle çeki kuvveti tahminlemesi yapan Glancey ve arkadaşları (4) referans toprak ve alete bağlı olarak farklı toprak şartlarında toprak işleme aletlerinin çeki kuvvetini r ile 0.99 arasında tahminlemişlerdir. Akıncı ve Sabancı (1), toprak işleme makinalarında temel işletmecilik verilerini oluşturmak için yaptıkları çalışmada, çeki gücünü r ile arasında derinlik ve hıza bağlı olarak tahminlemişlerdir. Bu araştırmada; boyutsal analiz tekniği kullanılarak kültürform kulağa sahip bir pullukta özgül çeki kuvvetini tahminleyen model geliştirilmiştir. Kumlu-tın ve killi-tın bünyeye sahip topraklarda yapılan sürümlerde üç soklu kültürform kulağa sahip pulluğun çeki kuvveti farklı tarla koşullarında ölçülmüş ve elde edilen verilerle model geliştirilmiştir. 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Materyal Araştırma killi-tınlı ve kumlu tınlı olmak üzere iki farklı toprak şartlarında yapılmıştır. Killi-tın bünyeye sahip toprak %33.6 kil, %38.96 mil, %27.44 kum; kumlu-tın bünyeye sahip toprak ise %19.6 kil, %22.96 mil, %57.44 kum içermektedir. Laboratuvarda kesme kutusu ile yapılan deneylerden toprağın özellikleri Çizelge 1. de verilmiştir. Denemede kullanılan pulluk 12" 'lik 3 soklu kulaklı pulluk olup kültürform tipi kulağa sahiptir. Toplam iş genişliği 905 mm olan pulluk burunlu tipte uç demirine sahiptir. Pulluk çatısı 740 mm yüksekliğinde olup pulluğun 3 nokta asma sistemi kategori II 'ye uygundur. Çizelge 1. Toprağın Fiziksel Özellikleri Toprak Cinsi Tarla Şartları Toprak Nemi (%) Kohezyon (c) (kpa) İç Sürtünme Açısı () Killi-Tınlı Arpa-Fiğ Anızı Kumlu- Tınlı Yulaf-Fiğ Anızı

3 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 278 Denemelerde Türk Fiat DT traktörü kullanılmıştır. Ölçüm düzeni olarak Evcim ve arkadaşlarının (7) geliştirdiği üç nokta asma sistemine bağlanan kuvvet algılama pimlerinden oluşan çeki kuvveti ölçme seti kullanılmıştır. Ölçme seti genel olarak çeki kuvveti ölçme çatısı, kuvvet algılama pimleri, konvertörler ve bilgisayardan oluşmaktadır. Toprak penetrasyon direnci ölçümleri için BUSH marka hafızalı toprak penetrometresi kullanılmıştır (2). Penetrometre 0-50 cm derinlikte her 2.5 cm'de ölçüm yapabilecek nitelikte olup 12.9 mm çaplı ve 30 koni açılı uca sahiptir (3) Yöntem Öncelikle model geliştirmeden önce pullukla toprak işlemede çeki kuvvetini etkileyen parametreler tahminlenerek boyutsal analiz uygulanmıştır. Parametrelerin MLT (Kütle, Uzunluk, Zaman) sistemine göre birimleri Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. Boyutsal Analizde Ele Alınan Parametreler ve Birimleri. Sembol Anlamı Birimi MLT sistemdeki birimi P özgül çeki kuvveti kn/m 2 ML -1 T -2 b pulluk iş genişliği m L t işleme derinliği m L v ilerleme hızı m/s LT -1 toprağın birim hacim ağırlığı kg/m 3 ML -2 T -2 (Kuru baza göre) c toprağın kohezyonu kn/m 2 ML -1 T -2 CI toprağın koni indeksi kn/m 2 ML -1 T -2 toprağın iç sürtünme açısı () Boyutsuz Özgül çeki kuvveti aşağıdaki eşitlikteki parametrelerin bir fonksiyonudur: P f t, b, v,, c, CI, Aynı eşitlik boyutsal analize göre sırasıyla: H P, t, b, v,, c, CI, 0 ve, P a. t b. b c. v d. e. c f. CI g M L T olarak ifade edilir. Boyutsal analiz tekniği ve Buckingham Pi Teoremi kullanılarak (5 ve 8) aşağıdaki boyutsuz pi terimleri bulunmuştur. 1 P c 2 t b 3 v. c 4 CI c 5 tan

4 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 279 Deneme parsel boyutları 20x2 m olarak ele alınmış ve denemeler 3 tekerrürlü olarak tesadüf parselleri deneme desenine göre yapılmıştır. Denemelerde önce her bir parselden toprağın 0-15 cm ve cm derinliklerinden toprak hacim örneği alınmıştır. Koni indeksi ölçümleri BUSH penetrometre aleti ile her bir parselden en az 3 kez olmak üzere toprak katmanından 0-15 cm arasındaki değerler ele alınmış ve bu derinlikte ölçülen koni lndeksi değerilerinin ortalaması penetrometrik direnç olarak modele dahil edilmiştir. Denemelerde pulluk iki farklı toprakta; killi-tın ve kumlu-tın bünyeli toprakta 17 cm ve 25 cm iş derinliğinde ve motor devri 2000 min -1 sabit tutularak 3 kademe hızda; m/s çekilmiş ve olçme seti ile alt ve üst bağlantı noktalarındaki x ve y eksen doğrultusunda kuvvetler ölçülmüştür. Çeki kuvveti ölçümlerinden sonra pi terimleri hesaplatılarak çeki kuvvetinin bulunduğu bağımlı birinci pi terimi ile diğer bağımsız pi terimleri arasında çoklu regresyon uygulanmıştır. Elde edilen en iyi r 2 değerini veren katsayılarla da model geliştirilmiştir. 3. BULGULAR VE TARTIŢMA Pi terimlerinin deneylerde elde edilen değerleri Çizelge 3. ve Çizelge 4. de verilmiştir. Elde edilen sonuçlar üzerinde pi terimlerine ortogonal çoklu regresyon uygulanmıştır. Çizelge 3. Killi-Tın Bünyeli Parsellerdeki Denemelerden Elde Edilen Pi Değerleri P/c t/b v./c CI/c tan

5 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 280 Çizelge 4. Kumlu-Tın Bünyeli Parsellerdeki Denemelerden Elde Edilen Pi Değerleri P/c t/b v./c CI/c tan Regresyon sonuçları Çizelge 5. te verilmiştir. Çizelgede de görüldüğü gibi r değerinde bir tahminle çeki kuvveti tahminlenebilir. Çizelge 5. Pi Terimlerinin Regresyon Sonuçları Regresyon Sonuçları Çoklu R r Ayarlanmış r Standart Hata Gözlem Sayısı 36 ANOVA df SS MS F F önem derecesi Regresyon E-18 Hata Toplam

6 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 281 Çizelge 6. Regresyon Sonuçlarından Elde Edilen Parametrelerin Katsayıları ve Standart Hataları. Katsayılar Standart Hata Sabit x x x x Tahminin standart hatası 0.09 olarak gerçekleşmesine karşın 2 ve 3 katsayılarının varyasyonları yüksek çıkmıştır (Çizelge 6.). Bunun nedeni olarak ise kohezyonun toprak cinsi ile değişmesine rağmen koni indeksinin aynı tarla içinde düzensiz değişimi 1 ' e olan katkısını azaltması olarak gösterilebilir. Aynı şekilde hızın çeki kuvvetindeki etkisinin beklenmesine rağmen parsellerin farklı birim hacim ağırlığına sahip olması nedeni ile bu etki görülmemektedir. Bu nedenle bu iki pi değerleri tahmini eşitlikte verilmemiştir. Aynı şekilde topraklar arasındaki elasto-plastik davranış farklılığı toprakların bir arada değerlendirilmesine çok az olanak sağlamaktadır. Aslında başta toprağın koni indeksi veya birim hacim ağırlığının modelde etkin pay almasını beklerken tarla şartlarındaki kontrol edilemeyen varyasyonlar nedeniyle bu terimler modelde önemsiz çıkmıştır. Regresyon sonuçlarına göre kültürform kulağa sahip bir pulluğun özgül çeki kuvveti (P) aşağıdaki eşitlikle tahminlenebilir. P t c tan b Denemelerin gerçek tarla ţartlarında yapılması ve dolayısıyla tarlanın uniform bir yapı göstermemesi nedeniyle sonuçların varyasyon katsayısı yüksek çıkmıştır. Pullukla toprak işlemede çeki kuvveti gereksinmesinin tahminlemesinin daha başarılı bir şekilde yapılabilmesi için araştırmacının elinden geldiğince kontrollü şartları oluşturması gereklidir. Bu da ancak laboratuvar şartlarında mümkündür. 4. SONUÇ Pulluğun farklı toprak şartlarında gereksinim duyacağı çeki kuvvetinin bu çalışmada elde edilen formülle iş genişliği, derinlik, toprağın kohezyonu ve iç sürtünme açısına bağlı olarak tarafımızdan geliştirilen eşitlikle tahminlemek mümkündür. Ancak yine de pullukla çalışmada imkansızlıklar nedeniyle kontrolü yapılamayan çalışma hızı, birim hacim ağırlığı, toprağın koni indeksi ve pulluk kulak kanadı açısı da önemli faktörler arasındadır. Tüm etken faktörleri içeren bir boyutsal analiz yardımıyla laboratuvarda kontrollü şartlarda yapılacak deneylerle, bazı parametreleri sabit tutarak pulluğun çeki kuvvetinin tahmininini yaklaşık gerçekleştirmek mümkündür. Nitekim bu çalışmada ortaya çıkarılan model de belli limit şartlarında pulluğun özgül çeki kuvvetini tahminlemektedir. Bu araştırmada yazarlar bundan sonraki çalışmayı daha randımanlı ve varyasyonu azaltıcı yönde laboratuvar şartlarında yapmayı planlamaktadır.

7 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ KAYNAKLAR 1. Akıncı, İ., A. Sabancı. Toprak İşleme Makinaları ile Çalışmada Temel İşletmecilik Verileri Üzerinde Bir Araştırma. Tarımsal Mekanizasyon 15. Ulusal Kongresi, Antalya. pp Eylül Ananymous. Bush Penetrometer Hand Book. Findlay, Irvine Limited. Mıdlothian, Scotland. 3. ASAE.Standards p Glancey, J.L., S.K. Upadhyaya, J.W. Rumsey. Prediction of Implement Draft Using an Instrumented Analog Tillage Tool. ASAE Summer Meeting. Albuquerque, NM. Paper No: June Murphy, G. Similitude in Engineering. The Donald Press Co. New York Telischi, B., H.F. McColly, E. Erickson. Draft Measurement for Tillage Tools. Agricultural Engineering. The Journal Of American Society of Agricultural Engineers. Vol. 37, No 9, pp Ünal, E., G. Keçecioğlu, E. Gülsoylu. Traktör-Alet Tarla Performansının Belirlenmesinde Kullanılan Çeki Kuvveti Ölçme Seti Üzerinde Bir Araştırma. E.Ü. Araştırma Fonu, Araştırma Projesi, Proje No: 1993 ZRF-17, Bornova, İZMİR, Young, D.F. Similitude, Modeling, and Dimensional Analysis in Engineering. Lecture notes and Problems for EMS 584. Iowa State University, Ames, IA