A Research on Design and Development of Prototype for Separation of Soil Clods and Stones from Agricultural Products Using Elasticity Properties

Transkript

1 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 640 TARIMSAL ÜRÜNLERİN ELASTİKİYET ÖZELLİKLERİNDEN YARARLANILARAK TOPRAK KESEKLERİNDEN VE TAŞLARDAN AYRILMASI AMACIYLA BİR MAKİNANIN TASARIMI VE GELİŞTİRİLMESİ ÜZERİNE BİR ARAŞTIRMA A Research on Design and Development of Prototype for Separation of Soil Clods and Stones from Agricultural Products Using Elasticity Properties B. AKDEMİR 1 P.ÜLGER 2 T. AKTAŞ 3 A. BABACAN 4 ÖZET Bu araģtırmada, soğan, soğan arpacığı ve patates gibi bazı yumru bitkilerin hasatı esnasında, ürünlerin keseklerden ve taģlardan ayrılması için materyallerin çelik bir silindirde sıçratıldıktan sonra geri sıçrama yörüngeleri arasındaki farklılıklardan yararlanılarak çalıģan, temizleme-ayırma makinesinin geliģtirilmesine çalıģılmıģtır. Bu makinada, materyaller elastiklik katsayılarına bağlı olarak ayrılmıģtır. Denemeler yapılırken bu düzenekte besleme konveyörünün hızı, besleme konveyörü ile çelik silindir arasındaki yatay mesafe, silindir ile bölücü arasındaki yatay mesafeler değiģtirilmiģ ve ayırma için en uygun parametreler makinanın laboratuvar denemeleri sonucunda saptanmıģtır. Denemeler, %100 ürün, %20 ve %50 taģ ve kesekle karıģık ürün ve %100 kesek ve taģ olmak üzere 4 farklı kirlilik oranındaki toplam 36 örnek ile 3 tekerrürlü olarak gerçekleģtirilmiģtir. Değerlendirmeler ortalamalar üzerinden yapılmıģtır. Sonuçta makinanın ayırma etkinliği kirlilik düzeylerine göre soğan ve patateste % 67 den %93 e kadar ulaģırken, Arpacıkta bu değer %43 e kadar düģmüģtür. ABSTRACT In this research, a machine was developed that is used for separate and classification of bulb such as onion, onion sets and potato from soil clods and stone by the difference in their rebound trajectories, after bouncing on a rotating steel roller. In this machine, materials were separated according to their elasticity properties. While the machine were tested, velocity of feed conveyor, vertical and horizontal distance between steel roller and feed conveyor, horizontal distance between steel roller and divider were changed and optimum parameters of this prototype to separate were determined with laboratory tests. Tests were confirmed as 3 iteration with total 36 samples that were prepared as 100% main product, with 20% and 50% clods-stones and with100%clods-stones. At result, machine separation effectiveness according to different dirtiness ratio, changed between 67%-93% at onion and potato samples. This value was decreased to 43% at onion sets samples. 1 Doç. Dr., T.Ü. Tekirdağ Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü TEKĠRDAĞ 2 Prof.Dr., T.Ü. Tekirdağ Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü TEKĠRDAĞ 3 ArĢ. Gör., T.Ü. Tekirdağ Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü TEKĠRDAĞ 4 Öğr. Gör., T.Ü. Tekirdağ Meslek Yüksekokulu, Makine Programı TEKĠRDAĞ

2 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ GİRİŞ Toprağın sert ve kesekli olduğu alanlarda, tarım ürünüyle karıģan, daha büyük toprak kesekleri ve taģlar birbirinden kolayca ayrılamazlar. Özellikle toprak altında geliģen tarımsal ürünlerin mekanik olarak hasatındaki en önemli problemlerden birisi toprak keseklerinin ve taģların, üründen ayrılmasıdır. Çünkü keseklerin ve taģların üründen ayrılmıģ olması özellikle sınıflandırma, paketleme ve depolama gibi hasat sonrası iģlemler açısından oldukça önem taģımaktadır. Soğan üretiminin oldukça yaygın olduğu Trakya Bölgesinde bu iģlem, yıllardan beri elle yapılmaktadır. Temizleme iģlemini yapmak için insan iģgücünden yararlanılması; öncelikle tarımsal iģgücü maliyetini arttırdığından ve iģçilerin verimliliğinin kiģiden kiģiye değiģmesi sebebiyle istenmeyen bir durumdur. Öte yandan sert ve keskin kenarlara sahip toprak kesekleri ve taģlar toprak altı bitkilerinde hasattan sonra ayırma yapılmazsa, üründe yüzey kesilmelerine, içsel ezilmelere ve yarılmalara sebep olmakta ve bu zararlar da özellikle depolama aģamasında büyük kayıplara sebep olmaktadır (2). Bunun sonucunda ürün kalitesi dolayısıyla fiyatı düģmekte, ürün kaybı artmakta, pazarlama açısından çürük, bereli, ve kirli ürünün tercih edilme Ģansı olmamaktadır. Bu sebeplerden dolayı istenmeyen kesekleri, taģları ana üründen ayırmak ve sınıflandırmak için çok çeģitli yöntemlerden yararlanılmaktadır. Günümüze kadar bu amaçla her bir materyalin ıģığı yansıtma yeteneklerinin farklılığından yararlanılan elektronik yönteme göre çalıģan ve olgunlaģmamıģ ürünün tuzlu suda olgun ürüne göre daha üst yüzeyde kalabilmesi, ağır olan materyallerin batması gibi ilkelerden yararlanılarak imal edilmiģ ve Amerika da patenti alınmıģ sistemler kullanılmıģtır (1). Fakat elektronik sistemlerin pahalı olması ve tarla koģullarında çalıģmaya uygun olmaması gibi sakıncaları saptanmıģtır. Tuzlu su ile yapılan ayırma iģlemi oldukça hassas ve sisteminde ucuz olmasına rağmen sıvıların kullanılmasının pek çok sakıncası görülmüģtür. Bunlar tuzlu su çözeltisinin çok çabuk kirlenmesi, yoğunluğunun çok çabuk değiģmesinden dolayı sürekli iyileģtirilmesinin gerekliliği, ürünün ıslanmasından dolayı kalite kaybının olması, hastalıkların taģınması, ayırma iģlemini takip eden bir kurutma iģlemine ihtiyaç duyulması vb. sakıncalardır (6). Kullanılan diğer yöntemlerin sakıncalarını gidermek amacıyla özellikle yumru bitkilerin taģ ve keseklerden ayrılması amacıyla materyallerin elastikiyet özelliklerindeki farklılıklardan yararlanılan yöntemle çalıģtırılan çeģitli makinaların geliģtirilmesi olasıdır. Bu yöntem materyallerin katı bir yüzeye çarptıktan sonra her birinin değiģik davranıģlar göstermesine dayanmaktadır. Bir cismin elastiklik özelliği (e) ile belirtilmekte ve cismin yatay bir yüzey üzerine düģtükten sonraki hızının (V 2 ) düģmeden önceki hıza (V 1 ) oranı Ģeklinde tanımlanmaktadır. Esneklik katsayısı katı yüzeyin, materyalin ve çarpmanın ilk durumuna bağlıdır ve hava direnci göz önüne alınmazsa bu oran düģme (H) ve sıçrama yükseklikleri (h) oranının kareköküne eģittir (3). e = V 2 V 1 = h / H...(1) Materyallerin farklı biyolojik özelliklere sahip olması doğal olarak nem, dolgunluk vb. özelliklerin farklı olmasının yanı sıra esneklik özelliklerinin de farklı olmasına neden olmaktadır. Yapılan çalıģmalarda bir karıģım yatay veya eğimli bir yüzey üzerine belirli bir mesafeden bırakıldığında, karıģımı oluģturan materyaller sahip

3 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 642 oldukları farklı esneklik katsayılarına bağlı olarak değiģik yüksekliklere veya mesafelere sıçramaktadırlar. Esneklikleri daha büyük olan materyaller daha uzağa düģmektedirler. 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Materyal Denemelerde kullanılan bitkisel materyaller Deneme materyali olarak; sert ve kesekli toprak yapısına sahip tarla koģullarında hasat sırasında ana ürüne karıģan taģ ve keseklerin sorun olduğu soğan, soğan arpacığı ve patates gibi ürünler kullanılmıģtır. Soğan arpacığının denemeye alınmasının bir diğer sebebi de soğan üretiminde halen arpacıktan soğan üretim yönteminin oldukça yaygın olarak uygulanmasıdır. Denemelerde kullanılan soğan Tekirdağ Kantartopu çeģidi, arpacık soğanı Yarım Ġmralı ve Kantartopu çeģitlerinin kırması olan arpacıktır. Denemelerde kullanılan soğan, arpacık ve patateslerin elastikiyet özelliklerinde etkili olan bazı fiziksel özellikleri Çizelge 1 de verilmiģtir. Çizelge 1. Denemelerde kullanılan tarımsal ürünlerin bazı fiziksel özellikleri Ürünler Ortalama çap (mm) Ortalama uzunluk (mm) Ortalama ağırlık (gr) Arpacık ,5 Soğan Patates Denemelerde kullanılan makina T.Ü. Tekirdağ Meslek Yüksekokulu Atölyelerinde imalatı yaptırılan ve T.Ü. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü Laboratuvarında denemeleri gerçekleģtirilen makina bir besleme konveyörü, döner bir çelik silindir ve ayarlanabilir bölücü bir yapıya sahip olan toplama deposundan oluģmaktadır (ġekil 1). Bu makinada; yedirilen ürünlerin esneklik özelliklerine göre bazı değiģkenler ayarlanabilmektedir. Bu değiģkenler Besleme konveyörünün devri (n 1 ), materyallerin üzerinden sıçratıldığı çelik silindirin devri (n 2 ), besleme konveyörü ile çelik silindir arasındaki düģey mesafe (h 1 ), besleme konveyörü ile çelik silindir arsındaki yatay mesafe (h 2 ), çelik silindir ile toplama kabı içindeki bölücü arasındaki yatay mesafe (l b ), çelik silindir ile bölücü arasındaki dikey mesafe (d 1 ), çelik silindir ile toplama kabı arasındaki yatay mesafedir (d 2 ). Makinada besleme konveyörü ile çarptırma silindiri arasındaki dikey mesafe (h 1 ) maksimum 410 mm, yatay mesafe (h 2 ) ise 340 mm ye kadar ayarlanabilmektedir. Çarptırma silindirinin çapı imal edilebilecek kombine bir makine (hasat+ayırma) tasarımında boģlukların sınırlı olmasından dolayı mümkün olduğu kadar küçük tutulmaya çalıģılmıģtır ve 135 mm çelik malzemeden imal edilmiģtir.

4 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 643 Şekil 1. Ürünleri elastikiyet özelliklerine göre ayıran makinanın genel görünümü ve Ģematik Ģekli (1. Besleme konveyörü, 2. Çarptırma silindiri, 3. Elektrik motoru, 4. Besleme konveyörü ile çarptırma silindiri arasındaki yatay mesafenin ayarlanmasını sağlayan düzen, 5. Toplama kabı, 6.Toplama kabı içerisindeki bölücü, 7. Besleme konveyörü ile çarptırma silindiri arasındaki dikey mesafenin ayarlanmasını sağlayan düzen, 8. kayıģ-kasnaklar için gerdirme düzeni.) Çarptırma silindiri besleme konveyörünün bantının dönme yönüyle aynı yönde dönmektedir. Çarptırma silindirine hareket, bir kayıģ kasnak sistemi ile elektrik motorundan verilmektedir. Bu silindirin döner olmasının sebebi, materyalin düz bir yüzeyde birikme olasılığını yok etmek ve zıplayan materyali ileriye doğru yönlendirerek ona bir ivme kazandırmak böylece düģmekte olan diğer bir materyalle karģılaģıp makinanın ayırma performansını azaltmasını engellemektir Denemelerde kullanılan ölçüm ve ayar cihazları Denemeler süresince tartım iģlemleri g. kapasiteli, 0,02 g. hassasiyetli hassas terazi ile gerçekleģtirilmiģtir. Deney materyallerinin boyutlarını saptamak amacıyla 0,05 mm hassasiyetli sürgülü kumpas kullanılmıģtır. Makinaya güç sağlamak amacıyla aģağıda bazı teknik özellikleri verilen elektrik motorundan yararlanılmıģtır. Güç: 1,5 kw Cos Devir: 940 d/d Akım Ģiddeti: 6,4-3,7 A Bu motorun devir sayısını kademesiz olarak düģürebilmek amacıyla Micro Master marka elektronik regülatör elektrik motorunun parametrelerinin girilmesinden ve programlama iģleminden sonra kullanılmıģtır.

5 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ Yöntem Makine ayarlarının düzenlenmesi En uygun besleme konveyörü devri, materyallerin üzerinden sıçratıldığı çelik silindirin devri, besleme konveyörü ile çelik silindir arasındaki düģey mesafe, besleme konveyörü ile çelik silindir arsındaki yatay mesafe, çelik silindir ile toplama kabı içindeki bölücü arasındaki mesafeler, çelik silindir ile bölücü arasındaki dikey mesafe, çelik silindir ile bölücü arasındaki yatay mesafe gibi bazı ayarlanabilir karakteristiklerin en uygun olanını saptamak amacıyla denemelere baģlamadan önce soğan arpacığı, soğan, patates, kesek ve taģlardan 20 Ģer adet materyal ile gözlemler yapılmıģtır ve optimum ayırma etkinliğine ulaģmak için değiģtirilmiģtir. Makinada görsel olarak yapılan saptamalara göre ayarların optimum düzenlemesinin sağlandığı zaman elektronik regülatör ile ayarlanan optimum besleme konveyör devri ve toplama kabında ürün ve kesek bölmelerinde en iyi ayırmanın olduğu durumdaki makine ayarları sabitlenmiģtir. Elde edilen ayarlar araģtırma sonuçları kısmında verilmiģtir. Materyaller konveyörün en baģından homojen aralıklarla ve konveyörün uzunluğunda sıralar oluģturacak Ģekilde el ile verilmeye baģlanmıģtır. Ayırmanın en iyi olduğu durum o ürün için optimum durum olarak kabullenilmiģtir Ayırma etkinliğinin saptanması Denemeler, %100 ayrılması istenen tarımsal ürün, %20 oranında kesekle ve yaģla karıģtırılmıģ, %50 oranında kesekle ve taģla karıģtırılmıģ ve %100 kesekli ve taģlı olmak üzere 4 farklı kirlilik oranında hazırlanmıģ her biri 1 er kilo ağırlıktaki, her bir ürün grubu ve her bir kirlilik oranında 3 er adet olmak üzere toplam 36 örnek kullanılarak gerçekleģtirilmiģtir. Her denemeden sonra makinanın ayırma baģarısını gösteren Ayırma Etkinliğini saptamak amacıyla, keseklere karıģan yani kayıp olarak nitelendirebileceğimiz ürün miktarı, ürün bölümünde toplanan ürün miktarı, kesek kabında toplanan kesek miktarları ve ürün kabında toplanan kesek miktarları tek tek tartılmıģtır ve aģağıdaki eģitlikten yararlanılarak ayırma etkinliği hesaplanmıģtır (4). Qp E = Qp Qr Cr Qr Cp ( 1 ) ( 1 )...(2) Cr Cp Qp Qr Cr Cp Burada: Qp: Ürün bölmesinde toplanan ürün miktarı, Qr: Kesek bölmesinde toplanan ürün miktarı, Cr: Kesek bölmesinde toplanan kesek miktarı, Cp: Ürün bölmesinde toplanan kesek miktarıdır 3. BULGULAR VE TARTIŞMA 3.1. En uygun makine ayarları ile ilgili bulgular

6 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 645 AraĢtırma sonuçlarına göre besleme konveyörünün optimum devri ürünlere göre farklılık göstermiģtir ve makinanın ayırma etkinliğinde en önemli parametrelerden biri olduğu saptanmıģtır. Soğan ve patates için bu değer 461 d/d iken arpacık için bu değer fazla gelmiģ ve arpacıkların çelik silindire çarpmadan toplama kabının dıģına sıçramalarına sebep olmuģtur. Bundan dolayı arpacıklar için besleme konveyörünün devri 415 d/d ya düģürülmüģtür. Arpacıkların ağırlıklarından dolayı zıplama mesafelerinin daha az olduğu da gözlenmiģtir. Bu denemelerde makine ayarlarının optimum düzenlemesi yapılırken soğan ve patatesler için bu değerlerin değiģmediği saptanmıģtır (Çizelge2). Çizelge 2. Farklı ürünler için prototip makinada saptanan en uygun ayarlar DeğiĢkenler Soğan Soğan arpacığı Patates n d/d 415 d/d 461 d/d n d/d 675 d/d 750 d/d h mm 305 mm 292 mm h mm 340 mm 315 mm l b 385 mm 385 mm 385 mm d mm 150 mm 150 mm d mm 235 mm 235 mm 3.2. Ayırma etkinliğine ilişkin sonuçlar Denemeler sonucunda toplama kabının ürün bölmesindeki ve kesek bölmesinde toplanan her bir materyal topluluğunun ağırlıkları tartılmıģtır. Ölçülen bu değerlerden yararlanılarak Formül 2 den hesaplanan ayırma etkinlikleri her bir ürün ve her bir kirlilik oranları Çizelge 3, Çizelge 4 ve Çizelge 5 de verilmiģtir. Çizelge 3. Soğan için yapılan deneme sonuçları Kesek bölmesinde Ürün bölmesinde Ayırma Örnekler Etkinlikleri (%) %100 soğan Soğan miktarı Kesek miktarı - - %20 kesekli Soğan miktarı Kesek miktarı %50 kesekli Soğan miktarı Kesek miktarı %100 kesekli Soğan miktarı Kesek miktarı Çizelge 4. Patates için yapılan deneme sonuçları Kesek bölmesinde Ürün bölmesinde Ayırma

7 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ 646 Örnekler Etkinlikleri (%) %100 soğan Patates miktarı Kesek miktarı - - %20 kesekli Patates miktarı Kesek miktarı %50 kesekli Patates miktarı Kesek miktarı %100 kesekli Patates miktarı Kesek miktarı Çizelge 5. Soğan arpacığı için yapılan deneme sonuçları Kesek bölmesinde Örnekler Ürün bölmesinde Ayırma Etkinlikleri (%) %100 soğan Arpacık miktarı Kesek miktarı - - %20 kesekli Arpacık miktarı Kesek miktarı %50 kesekli Arpacık miktarı Kesek miktarı %100 kesekli Arpacık miktarı Kesek miktarı Soğan ve patateslerle yapılan denemelerde arpacıkla yapılan denemelere göre makinanın daha yüksek bir ayırma etkinliğine sahip olduğu görülmektedir. Bunun en önemli sebebinin arpacığın ağırlığının daha düģük olmasından dolayı daha düģük zıplama yüksekliklerine ulaģmaları yani esneklik katsayılarının patates ve soğana göre daha düģük olmasıdır. Bu sebeple arpacıklar, ürün bölmesine ulaģamadan keseklerin toplandığı bölmeye düģmektedirler. Bunu bir diğer önemli nedeninin de makinadaki ayar durumlarının özellikle çelik silindir ile besleme konveyörü arasındaki arasındaki yatay ve düģey uzaklıkların sınırlı olmasından kaynaklandığı gözlenmiģtir. %100 ana ürün ve %100 kesek ve taģlı örneklerde diğer örneklerde olduğundan daha yüksek ayırma etkinliği sağlanmıģtır. Bu örneklerle yapılan denemelerde soğan ve patateste oldukça yüksek bir ayırma etkinliğine ulaģılmıģtır. %20 ve özellikle %50 oranında kesek ve taģa sahip örneklerle yapılan denemelerde istenmeyen materyallerin oranı arttıkça her üç ürün içinde ayırma etkinliğinin düģtüğü saptanmıģtır (ġekil 2). Bunun sebebinin ise toplama kabında ürün bölmesi ile kesek bölmesi arasındaki mesafelerin istenen düzeyde ayarlanamaması olduğu gözlenmiģtir.

8 Ayırma Ekinliği (%) Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ Kirlilik Oranı (%) Es Ep Ea Şekil 2. Kirlilik oranlarının makinanın ayırma etkinliği üzerine etkisi Soğan, Patates ve arpacık için yapılan bütün denemelerin sonucunda elde edilen ayırma etkinlikleri incelendiğinde bu sistemin kesekleri oldukça baģarılı bir Ģekilde ayırabildiği saptanmıģtır. Patates ve soğan örnekleri için de ayırma etkinliği %70 in üzerinde çıkmasına rağmen arpacık için bu değer çok düģük bir düzeyde kalmıģtır ve makine arpacıkları taģ ve toprak keseklerinden baģarılı bir Ģekilde ayıramamıģtır. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Yapılan denemelerden elde edilen sonuçlara ve yapılan gözlemlere göre, makine üzerinde yapılacak bazı değiģiklikler ve düzenlemelerle makinanın ayırma performansının yükseltilebilmesinin mümkün olduğu anlaģılmıģtır. Önerilen değiģiklikler ve düzenlemeler aģağıdaki gibi sıralanabilir: -Besleme konveyörü ile çarptırma silindirine tek bir motordan hareket verilmektedir. Dolayısıyla çarptırma silindirinin devri elektronik hız düģürücüyle azaltılan besleme konveyörünün devrine bağlı kalmaktadır. Çarptırma silindirine hareket ikinci bir elektrik motorundan verilirse silindirin devride değiģtirilebilecek bu ise materyallerin fırlama hızına etki edecektir. -Toplama kabı içinde ürün bölmesi ve kesek+taģ bölmesi arasındaki mesafeler değiģtirilebilir Ģekilde yapılmalı hatta bölme sayısı arttırılarak makinanın sınıflandırma özelliği de geliģtirilebilir. -Çarpma silindiri çelik malzemeden yapılmıģtır. Bu malzeme ürünün çarpmadan dolayı en az düzeyde zedelenmesini sağlayacak ve ürünlerin esneklik özelliklerini azaltıcı etki yapmayacak baģka bir malzemeyle değiģtirilebilir veya bu çelik silindirin üzeri baģka bir malzemeyle kaplanabilir. Hangi ürün için hangi kaplama malzemesinin uygun olacağını belirlemek için araģtırmalarımız devam etmektedir. -Çarpma silindiri ile besleme konveyörü arasındaki yatay ve dikey mesafelerin ayar imkanlarının arttırılması makinanın ayırma etkinliğini arttıracaktır. Toprak kesekleri ile birlikte hasat edilen soğan, patates ve soğan arpacığı gibi ürünlerin yanısıra Ģeker pancarı gibi ürünlerde de uygulama alanı bulacağını umduğumuz bu sistem ile ilgili çalıģmalarımız devam etmektedir.

9 Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi Tekirdağ KAYNAKLAR 1. Anonymous, Apparatus for Separating Clods and Agricultural Products. United States Patent. Texas A & M University System. College Station, Tex. Patent No: Anonymous, Agricultural Engineering Information Series. Michigan State University Cooperative Extension Service. AEIS 599. File Güzel, E., P. Ülger ve B. KayiĢoğlu, Ürün ĠĢleme ve Değerlendirme Tekniği. Ç.Ü. Ziraat Fakültesi Genel Yayın No: 145. Adana 4. Feller, R.,D.Nahir ve C. G. Coble, Seperation of Soil Clods from Onions Using Impact. Transaction of the ASAE.27(2): Zaltzman, A., B. P. Verma ve Z. Schmilowitch, Potentiel of Quality Sorting of Fruits and VegetablesUsing Fluidized Bed Medium. Transaction of the ASAE, 30(3):823, 831.