Şekerpancar ı Hasat Makinalar ı ndaki Baş kesme B ı ça ğı Titreş imlerinin Belirlenmesi*

Transkript

1 TARIMBUMLER1 DERGISI 2001, 7 (2), Şekerpancar ı Hasat Makinalar ı ndaki Baş kesme B ı ça ğı Titreş imlerinin Belirlenmesi* Yelten YILDIZ Ahmet ÇOLAK2 Geliş Tarihi : Özet: Yap ı lan bu çal ışmada şekerpancar ı hasat makinas ı başkesme b ıçağına gelen titreşimler belirlenmeye çal ışı lm ışt ır. Tarla koşullar ında yap ı lan ölçümlere göre; ba şkesme b ı çağı nda oluşan doğal frekans 17,59 rad/s olarak ölçülmüştür. Ölçülen bu de ğer laboratuvar ko şullar ı nda ölçülen 452,38 rad/s ve analitik olarak hesaplanan 450,78 rad/s'lik do ğal frekans değerlerinin oldukça alt ında kalmaktad ır. Yine denemelerde kullan ılan b ıça ğın normal çal ışma koşullar ı ndaki ortalama yer de ğ iştirmesi 0,325 mm olarak bulunmu ştur. Anahtar Kelimeler : Piezoelektrik, ivme, titre şim, doğ al frekans, rezonans, harmonik hareket Determination of Topping Knife Vibration in Sugar Beet Harvesters Abstract : The subject of the study is to determine the vibration of topping knife on a sugarbeet harvesters. The results of the measurements under the field conditions indicated that the natural frequency of the topping knife was rad/s. This level of frequency is lower than natural frequency was determined in laboratory as rad/s and calculated analitically as rad/s. Also the vertically displacement of topping knife was found as mm. Key Words: Piezoelectric, accelerometer, vibration analyzer, resonance, natural frequency, harmonic movement Giriş Şekerpancar ı hasad ı el aletleri ya da makine ile yap ılabilmektedir. Makine ile hasatta şu dört a şama gerçekle şmektedir; Yapraklar ı n ve ba ş k ı sm ı n ı n kesilmesi, kesilmi ş olan ba ş ve yapraklar ı n bir kenara at ı lmas ı, Pancar gövdelerinin topraktan sökülmesi, Sökülmü ş olan kök-gövdelerin toprak parçalar ı ndan temizlenmesi, Temizlenen pancarlar ı n depolanmas ı Ba şkesme s ıras ı nda şeker pancar ı n ın baş k ı sm ı ve yaprak gözlerinin kökten ayr ı lmas ı istenmektedir. Çünkü ba ş k ısm ı n ı n pancar üzerinde kalmas ı ve içerdi ği ye ş il k ı s ı mlar ın geli şmeye devam etmesi, silolama s ı ras ı nda kök içerisindeki şeker varl ığı n ı n tüketilmesi anlam ına gelmektedir. Yine fabrikadaki i şleme s ıras ı nda şekerin kristalle şmesine engel olan potasyum, sodyum ve azot bile şikleri gibi şeker d ışı maddeler ba ş k ı sm ı nda gövdeden daha yüksek oranda bulunmaktad ı r. İyi bir ba şkesme i şleminin yap ı labilmesi, hasat kalitesi yönünden önemlidir. Tolerans bölgesinin üzerinde yap ılan bir ba şkesme i şleminde fabrikasyon için kalitesiz şekerpancar ı; tolerans bölgesinin alt ı nda yap ılan kesimde ise pancar kayb ı meydana gelmektedir ( Şekil 1). Şekil 1'de görüldü ğü gibi ba şkesme i şleminin normalden 3mm derin yap ı lmas ı durumunda yakla şı k %2 oran ında kay ı p meydana gelmektedir. Bir hektarda ortalama adet şekerpancar ı n ı n olduğu ve her birinin ortalama a ğı rl ığı 800 g kabul edildi ğinde 1 ha'l ı k alanda yakla şık 1,5 tonluk bir kay ıp söz konusu olabilmektedir. Hasat makinalar ı n ın en önemli organlar ından biri olan ba şkesme düzenleri genel olarak üç temel elemandan olu şmaktad ı r. Bunlar; Ayar düzeni, Ba şkesme b ıça ğı, Ba ğ lant ı kollar ı d ı r. ba şkesme b ıçaklar ı ise; Aç ı l ı ba ğlanm ış düz b ı çaklar, Yar ı may şekilli b ı çaklar, Dönü hareketli disk b ıçaklar (13 C-ao E i ın -2 c> Ba şkesme kayb ı (%),2 Ş ekil 1. Başkesme yerinin optimum noktadan uzakla ş ması durumunda şekerpancar ı ndaki kay ı p yüzdesi (Sara1,1985) *Yüksek Lisans Tez'inden haz ı rlanm ışt ı r. 1 SES i şitme Cihazlar ı Merkezi. 2Ankara Üniv. Ziraat Fak. Tar ı m Makinalar ı Bölümü-Ankara.

2 YILDIZ Y. ve A. ÇOLAK, " Şekerpancar ı hasat makinalar ındaki başkesme b ıça ğı titreşimlerinin belirlenmesi" 85 olmak üzere ba ş l ı ca üç tiptir. Uygulamada basit yap ı lar ı ve ucuz olmalar ı nedeniyle aç ı l ı ba ğlanm ış düz b ı çaklar tercih edilmektedir. Ba şkesme b ı çaklar ı ayar düzenlerine sabit ya da hareketli ba ğ lant ı l ı olarak ba ğlanabilmektedirler. Başkesme b ıça ğı nda olu şan titreşimler Hasat işlemleri s ı ras ı nda ba şkesme b ı ça ğı na etki eden dengelenmemi ş kuwetler nedeniyle b ıçakta titre şimler olu şmaktad ı r. Titreşim, denge konumu etraf ı nda ortaya ç ı kan mekanik sal ı n ı m hareketidir. Hareketli parçalara sahip makinalar ı n ve bu makinalara ba ğ l ı yap ılar ı n içindeki dinamik kuwetlerin etkisiyle titre şim olu şmaktad ı r. Harmonik bir d ış kuwetin etkimesi durumunda sistem kuvvetin hareketini izlemekte ve d ış kuwetle ayn ı frekans ile hareket etmektedir. Do ğal frekans ı n alt ı ndaki devitim frekanslar ı nda titre ş im sisteminin genlikleri frekans artt ı kça artmakta ve do ğal frekansta maksimum de ğere ula şmaktad ı r. Sistemde sönüm eleman' olmamas ı durumunda, genlikler teorik olarak sonsuza yakla şmakta ve `rezonans' oluşmaktad ı r. Makinalar belli bir i şi görmek üzere dizayn edilmektedirler. Tasarland ığı i şi görmesi için harcamas ı gereken enerjinin bir k ı sm ı n ı titreşerek kaybetmesi performans kayb ı na neden olmaktad ı r. Makinalarda farkl ı parçalar farkl ı genlik ve frekanslarda titre şmekte bu da metal yorulmas ı ya da a şı nmalara neden olmaktad ı r. Toprak ve Belek (1993), çal ışmalar ı nda makine performans ı n ı n belirlenmesinde kullan ı labilecek titre ş im ölçme yöntemlerini ortaya koymu şlard ı r. Titreşim ölçümlerinde temel ilke mekanik enerji şeklinde olan titre şim enerjisini, i şlemesi kolay elektriksel büyüklüklere dönü ştürmektir. Yer de ğ i ştirme, h ız ya da ivmenin zamana ba ğ l ı değ i şimleri ölçülebilmektedir. Bu değ erleri analiz edebilmek için zaman ı n fonksiyonu olan genli ği, frekans ın fonksiyonu şekline dönü ştürmek gerekmektedir. Bu frekans da ğı l ımlar ı n ı elde etmek titreşim analizörü taraf ı ndan gerçekle ştirilebilmektedir. Ölçüm parametresi olarak ivmenin al ı nmas ı durumunda da ivmenin integrasyonu yöntemiyle yer de ğ i ştirme ve h ız değerleri bulunabimektedir. ivmenin birinci integrasyonunda h ız, ikinci integrasyonunda ise yer değ i ştirme elde edilmektedir. Bu çal ışmada şekerpancar ı hasad ında önemli kay ı plara neden olabilecek b ı çak dü şey titreş imlerinin ölçülmesi amaçlanm ışt ı r. Materyal ve Yöntem Ba şkesme b ı ça ğı na gelen titre şimleri alg ı lamak ve dönü ştürmek için piezoelektrik tip bir ivme dönü ştürücü kullan ı lm ışt ır. Verileri toplamak, toplanan verileri kaydetmek ve değ erlendirmek için ise Brüel&Kjaer marka ve 2515 tip no'lu titre şim analizörü kullan ılm ışt ı r. Analizörün belle ğ i 100 adet farkl ı sinyal ı kaydedebilecek kapasiteye sahiptir. Şematik görünü ş ü Şekil 2'de verilmi ş olan analizör, 0,3 Hz-20 khz frekans aral ığında ve 8 ayr ı kademede ölçüm yapabilmektedir. Titre şim analizörünün baz ı teknik özellikleri a şa ğı da verilmi ştir; Yatay ve/veya dü şey eksenin ölçeği lineer veya logaritmik seçilebilmektedir. Dü şey eksenin birimi mm. mm/s, mm/s 2, inch, inch/s, inch/s 2 veya db(decibel) olarak seçilebilmektedir. Yatay eksenin birimi zaman düzlemi içinde s, frekans düzleminde Hz veya rpm (devir/dakika) olarak seçilebilmektedir. Ekranda görülen spektrum üzerinde yatay doğ rultuda hareket eden izgi (cursor) ile herhangi bir konumun frekans ı ve genli ği dijital olarak ekranda okunabilmektedir. Analizörün alg ı lad ığı sinyalde zamanla küçük değ i ş iklikler söz konusu ise çok say ı da da ğı l ı m ı n ortalamas ı n ı alabilmekte ve ekranda ortalamas ı al ınm ış olan sinyal da ğı l ı m ı n ı göstermektedir. Ayn ı zamanda kaç adet da ğı l ı m ı n ortalamas ı n ı n al ı nd ığı da ekranda dijital olarak izlenebilmektedir. Bulunan da ğı l ı m ın incelenmesi istenilen herhangi bir bölgesi çok karma şı k ise bu bölgenin frekans ekseninde zoom yap ı lmas ı da olanakl ı d ı r. Al ı nan sinyaller istenildi ğinde bilgisayara veya kaydediciye aktar ı labilmektedir. Şekerpancar ı hasat makinas ı Ölçümler şekerpancar ı n ın ba şkesme, sökme, temizleme, depolama ve yükleme i şlemlerini birarada yapabilen hareketini traktör kuyruk milinden alan çekilir tip AKBEL marka PHM 42 model bir hasat makinas ı ile yap ı lm ışt ı r. Hasat makinas ı ön k ı s ı mda bulanan çeki demiri ile traktörün alt hidrolik kollar ı na yine hasat makinas ı n ı n üzerinde bulunan hidrolik hortumun ucundaki kaplin ile de traktörün damper hidrolik ç ı kışı na ba ğ lanmaktad ı r. Traktör hidrolik kollar ı n ı n yan gergileri hasat makinas ı n ı n sa ğa ve sola hareketini önleyecek ve istenilen noktadan a şağı dü şmesine olanak vermeyecek şekilde s ı k ı lm ışt ı r. Başkesme b ıçağı ve baş kesme düzeni Denemede uygulamada yayg ı n olarak kullan ı lan aç ı l ı ba ğ lanm ış düz b ıçaklar kullan ı lm ışt ı r. Aç ı l ı ba ğ lanm ış düz b ı çaklar yaln ızca bir ucundan ba şkesme düzenine ba ğ land ı klar ı için yük alt ı nda esneyebilmektedirler. Bu da titre ş imleri olu şturan di ğer bir neden olarak kar şı m ıza ç ı kmaktad ı r. Ba şkesme düzeni ve aç ı l ı ba ğlanm ış düz b ı ça ğı n görünü şleri Şekil 3'de verilmi ştir.

3 86 TARIM BILIMLERI DERGISI 2001, Cilt 7, Say ı 2 Ölçüm düzeneğ inin olu şturulmas ı Ba şkesme b ıça ğı titre şimlerinin ölçüm sistemi Şekil 4'de şematik olarak verilmi ştir. Şekilde görülen traktörün(1) üç nokta ask ı sistemine ve hidrolik ç ı k ışı na hasat makinas ı bağlanmaktad ır. Bu hasat makinas ı n ın ba şkesme düzenindeki b ıçak (2) üzerine konumland ı r ılan ivme dönü ştürücüden(3) al ı nan sinyaller do ğrudan titre şim analizörüne(4) iletilmektedir. Titreşim analizöründe zaman ve frekans dizlemlerinde analiz edilen veriler IEEE kart ı ve AO 0265 ara kablosu yard ımıyla dijital veri formuna dönü ştürülmekte ve bilgisayara(5) aktar ı lmaktad ı r. B ıçağın doğal frekanslar ı ve eğ ilme titreşimlerinin bulunmas ı B ıça ğın eğilme titreşimleri ve do ğal frekanslar ı ankastre olarak mesnetlenmi ş bir kiri ş (Şekil 5) için tan ımlanan diferansiyel denklemler ve makinan ı n b ı çak ölçülerine göre yap ı lan çözümlemeler sonucu analitik olarak belirlenmi ştir. Analitik olarak ilk 5 kesi şme noktas ı içinbelirlenen frekans ve do ğal frekans de ğerleri aşa ğı daki gibidir; r İ zgi Hareket ve Fonksiyonlar ı Frekans Düzlemi ı)iizk ıni Y Uüzlcmi X D ıizle ıni 2 Gristerg,. Hafiza t İ ll dl Ili Kazanç l ı z e Verdi:1'4 Olçii ııı Ba şlama Durdurma ()dalal ım Oul Fonksiyon _J Şekil 2. Titreşim analizörünün şematik görünüşü Üst paralel kol A Yay Bas ınc ı Yay Alt paralel kol w ı = 450,78 rad/s F ı = 71,744 Hz w2 =2825,2 rad/s F2 = 449,65 Hz w3 = 7911,438 rad/s F3 = 1259,15 Hz wa= 15503,43 rad/s F4 = 2467,47 Hz w5 = 25625,8 rad/s F5 = 4078,51 Hz K ızak B ıçak K ızak ( 4 Tarak tipi (düz lamal ı ) / ayar düzeni / B ıçak bileme aç ıs ı 21 * A-A Kesiti Şekil 3. Ba şkesme düzeni ve aç ı l ı ba ğlanm ış düz b ıçak (2) Şekil 4. Titreşim biçme sistemi

4 YILDIZ Y. ve A. ÇOLAK, " Şekerpancar ı hasat makinalar ındaki başkesme b ıça ğı titreşimlerinin belirlenmesi" 87 Bulgular ve Tart ışma Piezoelektrik ivme dönü ştürücü ba ş kesme b ı ça ğı üzerine de ğ i ş ik konumlarda yerle ştirilerek yer de ğ i ştirme ve h ız sinyalleri ile frekans da ğı l ı mlar ı ölçülmü ştür. Böylece hasat makinas ı çal ışı rken al ı nan titre şim sinyalleri ile sistemin rezonansa gelip gelmeyece ğ i ara şt ı r ı lm ışt ı r. 4' Y Şekil 5. Bir ucundan ankastre olarak mesnetlenmi ş ba şkesme b ıça ğı Ba şkesme b ıça ğı doğal frekanslar ı n ı n deneysel yolla bulunmas ı için b ı çak laboratuvarda bir ucundan ankastre olarak mesnetlenmi ştir. Ivme dönü ştürücü b ıçak üzerindeki herhangi bir yere konumland ı r ı larak, b ı ça ğ a bir çekiç ile verilen darbe sonucunda olu şan serbest titre şimler analizörde kaydedilmi ştir. B ı ça ğın doğrudan analizörden al ınan do ğ al frekanslar ı Şekil 6' da verilmi ştir. Şekil 6'da görüldü ğ ü gibi sistem 72 Hz frekansta bir tepe noktas ı olu şturmaktad ı r. Ölçülen bu tepe noktas ı nda ivme 16,6 mm/s2 olarak bulunmu ştur. Bu konumdaki do ğal frekans ise; 72 x 2.rr = 452,38 rad/s olarak hesaplanabilmektedir. Analitik yöntemle hesaplanan do ğal frekans 450,78 rad/s ile deneysel olarak ölçülen 452,38 rad/s aras ı nda çok küçük bir fark bulunmaktad ır. Bu fark hesaplamalar ın ba şkesme b ı ça ğı n ı n kesit boyutlar ı n ı n eksen boyunca sabit oldu ğ u kabul edilerek yap ı lmas ı ndan ileri gelmektedir. Oysa ba ş kesme b ıça ğı n ı n iki ucu aras ı ndaki geni şlik lineer olarak de ğ i şim göstermektedir. Bu amaçla gerek rölantide gerekse tarladaki normal (3 km/h) çal ışma h ız ı nda hem ba şkesme b ı ça ğı üzerinden hem de ana ba ğlant ı aksi üzerinden titre şim sinyalleri al ı nm ışt ı r. Traktörün normal çal ışma koşullar ı nda ba şkesme b ı ça ğı üzerinden analizörle al ı nan yer de ğ i ştirme sinyalleri şekil 7'de görülmektedir. Şekil 7'den de anla şı ld ığı gibi ortalama yer de ğ iştirme 325 pm olarak bulunmu ştur. Ayn ı şekilde traktör rolantide çal ışı rken frekans düzleminde b ı çak üzerinden al ı nan yer değ i ştirme sinyali ise şekil 8'de görülmektedir. Grafı kten de anla şı ld ığı gibi 2,8 Hz frekans noktas ı nda yer değ i ştirme 1,19 mm olarak elde edilmi ştir. Ortalama yer de ğ i ştirme ise 1,33 mm dir. Traktör rölantide çal ışı rken frekans düzleminde, ana ba ğ lant ı aksi üzerinden al ı nan yer de ğ i ştirme sinyalleri de şekil 9'da verilmi ştir. Şekil 9'dan da anla şı ld ığı gibi ortalama yer de ğ iştirme 490,2 pm olarak bulunmu ştur. 2,8 Hz frekansta olu şan yer de ğ i ştirme ise 395 pm olarak bulunmu ştur. Sonuç Ba şkesme b ı ça ğı ve bağl ı oldu ğ u mekanizmay ı tahrik eden d ış kuwet, makinan ı n çal ışma frekans ı ndad ı r. B ı çak ve sistemin rezonansa gelmemesi için sistemin do ğ al frekanslar ı n ı n makinan ı n çal ışma h ız ı na kar şı l ı k gelen doğal frekansla çak ışmamas ı gerekmektedir. Bilgiler direkt analizörden 100 ı.ıfs^2 konunnuida I Iz frekansta; Ivme 16.6 nun/s 2 100u rfi'h.v' O 0 1k Hz Şekil 6. Başkesme b ıça ğı doğal frekanslar ı

5 88 TARIM B İ L İ MLER İ DERG İ S İ 2001, Cilt 7, Say ı 2 Çak ışmas ı halinde rezonans nedeniyle büyük genlikli titre ş imler meydana gelmektedir. Böyle bir durumun olu şmamas ı için sistemin çal ışma h ız ı na karşı l ı k gelen do ğal frekans veya sistemin do ğal frekans ı değ i şmelidir. Bu da boyut ve geometrideki değ i şiklikler ile mümkündür. Şekerpancar ı hasat makinas ı n ı n tarlada çal ışmas ı s ı ras ı nda ba şkesme b ı ça ğı ve çevresinden al ı nan sinyallere göre 2,8 Hz'de bir tepe noktas ı olu şmaktad ı r. Bu frekans ba ş kesme b ı ça ğı n ı n normal çal ışma h ızı ndaki do ğ al frekans ı olmaktad ı r.bu do ğal frekans değeri (2,8 Hz x 2 Tr = 17,59 rad/s); laboratuvarda ölçülen (72 Hz x 2 IT = 452,38 rad/s ) ve analitik olarak hesaplanan (450,78 rad/s) do ğal frekans değ erlerinden çok küçük oldu ğ undan rezonansa gelme olas ı l ığı bulunmamaktad ı r. Denemelerde, b ı ça ğı n optimum ba ş kesme noktas ı ndan 0,325 mm uzakla şt ığı tespit edilmi ştir. Bu uzakla şma az miktarlarda olmakla birlikte hem yüzeysel hem de derinden kesilmelere neden olabilecektir. Bilgiler direkt analizörden al ınmışt ır. konumunda 31.6u- lu 2.8 Hz frekansta;... ''''''''' -Yerde ğiştinne 237 tim Ortalama 325 gni.1 r h I ) Ilz Şekil 7. Traktörün normal çal ışma koşullar ı nda frekans düzleminde ba şkesme b ıçağı üzerinden al ı nan yer de ğ i ştirme sinyalleri. Bilgiler direkt analizörden al ınmıştır konumunda 31.6u lk 2.8 Hz frekansta; 395?tut Ortalama i t ım j Hz Şekil 8. Traktör rölantide çal ışı rken frekans düzleminde ba şkesme b ıça ğı üzerinden al ı nan yer değ iştirme sinyalleri. 3.16n Bilgiler direkt analizörden al ınm ışt ır konumunda _2.8 Hz frekansta;_ 1.19 mm Ortalama 1.33 mm 3.1.6)u BO 100 Hz Şekil 9. Traktör rölantide çal ışı rken frekans düzleminde ana ba ğlant ı aksi üzerinden al ı nan yer de ğ iştirme sinyali

6 YILDIZ Y. ve A. ÇOLAK, " Şekerpancar ı hasat makinalar ındaki ba şkesme b ıça ğı titreşimlerinin belirlenmesi" 89 Kaynaklar Broch, J, T Mechanical Vibration and Shock Mesurements.Brüel and Kjaer, Denmark. Çolak, A Şekerpancar ı Başkesme B ıçaklar ı Çal ışma Koşullar ı n ı Etkileyen Temel Karakteristiklerin Tarla Koşullar ında Saptanmas ı na Ilişkin Yöntem Geli ştirilmesi. Doktora Tezi, Tar ımsal Mekanizasyon Anabilim Dal ı, Ankara. Dokumac ı, E Vibrasyon, Dizayna Etkileri ve Tar ı m Traktörlerinde Uygulanmas ı. S ınai Eğitim ve Geliştirme Merkezi Genel Müdürlüğü, Yay ın No: 84, Ankara. Kanafojsk ı, C. Z. and T. Karwowski, 1976 Agricultural Machines Theory and Construction. Department of Agriculture Warsaw, Poland. Steidel, Jr.F. R An Introduction to Mechanical Vibrations, University of Oxford, England. Toprak, T., ve T. Belek, Endüstriyel Tesislerde Makine Performans ı n ın izlenmesi ve Bilgisayar Destekli Bak ı m Planlamas ı, Istanbul Teknik Üniversitesi Vakf ı Yay ı nlar ı, İstanbul. Tse, S.F., E.I. Morse and T.R., Hinkle, Mechanical Vibrations Theory and Applications, Germany. Y ı ld ız,y Şekerpancar ı Hasat Makinalar ında Başkesme B ıça ğı Titreşimlerinin Belirlenmesi. Yüksek Lisans Tezi. Tar ı m Makinalar ı Anabilim Dal ı, Ankara. Saral, A Şekerpancar ı hasad ı n ı n mekanizasyonunda görülen t ı kanmalar ı gidermek için baz ı öneriler. Tar ı msal Mekanizasyon 9.Ulusal Kongresi, Bildiri Kitab ı, Adana.