160 Toprak Kanalı Tasarımı ve Özellikleri * Mehmet TOPAKCI, Aziz ÖZMERZİ Akdeniz Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, ANTALYA e-posta: mtopakci@akdeniz.edu.tr Özet: Toprak-makine ilişkilerinde parametrelerinin belirlenmesinde kontrollü şartlar altında çalışmaların yapılması önemlidir. Tarla koşullarında yapılan denemelerde gerek heterojen toprak yapısı gerekse traktörlerin patinaj vb. özelliklerinden kaynaklanan olumsuzluklar bulunmaktadır. Anılan olumsuzlukların ortadan kaldırılması ve denemelerin daha hassas koşullarda yapılması için toprak kanalları kullanılmaktadır. Bu bağlamda kullanımı kolay yeni bir toprak kanalı oluşturulmuştur. Bu toprak kanalı, kademesiz hız kontrolü, mobil araç üzerinden kumanda edebilme olanağı sağlayan kullanımı kolay fonksiyonel bir sistemdir. Anahtar kelimeler: Toprak kanalı, kontrollü koşullar Design of a Soil Bin and Its Specifications Abstract: It is important to carry out under controlled conditions for determination of parameters of soilmachinery systems. Experiments caried out on the field conditions have negative effects because of heterogen soil texture and tractors. Soil bins are used in order to remove this negative effects and carry out the experiments accurately. Therefore a new soil bin is designed. The mobile vehicle mounted on the soil bin is a functional system that can be controlled remotely and its speed can be adjusted gradually. Keywords: Soil bin, Controlled conditons GİRİŞ* Toprak makine ilişkilerinin incelenmesinde, toprağa ilişkin özelliklerin, makina karakteristiklerinin ve her ikisinin ortak değişkenlerinin bilinmesi gerekmektedir (Kirişci ve Görücü, 1997). Tarla koşullarında toprak yapısı heterojendir. Traktörün ilerleme hızı, tarla çalışmalarında, patinaj vb. olumsuz özelliklerden dolayı sabit bir düzeyde olmamaktadır. İstenilen ve kontrol edilebilen ilerleme hızı, toprak kanalının kullanılmasıyla sağlanmaktadır Bu nedenle toprakla temas halinde olan alet, makina, tekerlek ve paletlerin, model veya tam boyuttaki örneklerinin toprak parametreleri ile olan ilişkileri ve kuvvet tahmin modellerinin doğrulanmasında toprak kanalları vazgeçilmez bir araç durumundadır. Toprak dinamiği alanında yapılacak çalışmalarda toprak kanalının kullanılmasıyla aşağıdaki yararlar sağlanabilir (Kirişci ve Görücü 1997). - Belirli bir yerde istenilen fiziksel ve mekanik özelliklere sahip toprakların meydana getireceği ortam sağlanır. - Konuyla ilgili farklı araştırmalar için değişik pek çok toprak parametreleri üzerinde çalışılabilir. Dinamik özelliklerle ilgili bilgilerle sağlanan artışla araştırma sonuçları daha iyi yorumlanabilir. - Taş ve yabancı maddelerden temizlenmiş olan topraklar, temel çalışmalar için daha güvenilir ve yeknesak araştırma ortamı sağlar. * Bu çalışma Akdeniz Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim birimince desteklenmiştir.
161 - Kapalı toprak kanalları yıl boyunca bütün hava koşullarında çalışma imkanı sağlar. - Kapalı toprak kanalları uzun vadede atmosferik kirletme ve toz fırtınaları ile deney topraklarının kirlenmesini önler. - Sabit raylar üzerinde hareket eden taşıyıcı ünite, deney araçlarının daha kararlı çalışmasını sağlar - Modelleme yöntemleri, büyük ve pahalı prototiplerin çalışmalarını tahmin edecek daha küçük ve daha ekonomik makine modellerinden elde edilen güvenli verilerin kullanılmasına izin verir. - Laboratuardaki toprak kanalları tarlada kullanılanlara göre daha karmaşık kontrol ve veri elde etme sistemlerinin kullanımına imkan sağlar. Toprak kanalları, küçük toprak kanalları, toprak kapları, büyük toprak kanalları ve kapalı toprak kanalları şeklinde tasarlanabilir (Upadhyaya ve ark. 1994). Çalışma kapsamında, karşılaştırmalı verilerin elde edilmesi ve toprak koşullarına bağlı olmaksızın, kontrollü şartlarda çalışmaların yürütülmesi için kullanımı kolay ve fonksiyonel özelliğe sahip bir toprak kanalı oluşturulmuştur. serme ünitesi ve sıkıştırma işlemlerinde kullanılan sıkıştırma silindiri yer almaktadır. Sistemde, 0-9 km/h arasında kademesiz hız ayarı yapılabilmektedir. Hız kontrolü, araba üzerindeki kumanda kutusundan bir potansiyometre yardımıyla yapılmaktadır (Topakcı, 2004). Toprak kanalının tüm üniteleri, sökülüp takılabilir özellikte imal edilmiştir. Bu durum, sistemin herhangi bir yerinin deformasyonunda veya bozulmasında tamiri için kolaylıklar sağlamaktadır. Toprak kanalı 38 m uzunluğunda, 3.70 m genişliğinde ve 1 m yüksekliğindedir ( Şekil 1). Kanalın ön tarafında, toprak hazırlığının yapılmasında kullanılacak ön yükleyicinin ve çalışmalarda kullanılacak traktörlerin kanal içerisine girebilmesi için bir kapak bulunmaktadır. Toprak kanalı, elektrik panosu, hız kontrol ünitesi, elektrik motoru ve redüktörün içerisinde bulunduğu 6 x 4 x 3.5 m boyutlarında bir kontrol ve çalışma odası ile tamamlanmaktadır. MATERYAL Toprak kanalı, Akdeniz Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümünde oluşturulmuştur. Toprak kanalında, çalışılacak makinanın bağlandığı yatay ve düşey konumda ayarlamaların yapılmasına olanak sağlayan hareketli bir çeki arabası bulunmaktadır. Ana çatı üzerindeki bağlantı çatısı, yatay konumda sağ ve sol yana kaydırabilir ve düşey konumda iş derinliği ayarlanabilir özelliktedir. Çeki arabası üzerinde çeki arabasının ileri geri hareketini ve hızını kontrol eden bir kumanda kutusu ve sürücü koltuğu bulunmaktadır. Çeki arabası üzerinde toprak Şekil 1. Toprak kanalı Toprak kanalının yan görünüşü Şekil 2 de verilmiştir.
162 4 3 6 1 5 2 Toprak kanalı; 1- Çeki arabası 3- Bağlantı çatısı 5- Zincir gerdirme sistemi 2- Taşıma zinciri 4- Kumanda kutusu 6- Derinlik ayar sistemi Ray sistemi ve çeki arabası Bağlantı çatısı Hareket iletim sistemi Hız kontrol ünitesi, kumanda kutusu ve güvenlik sistemi Toprak serme, tesviye ve sıkıştırma üniteleri Hız ölçme sistemi ünitelerinden oluşmaktadır. Şekil 2. Toprak kanalı yan görünümü etmektedir. Aletin toprak kanalında çalışırken yürüme tekerleklerinin raydan çıkmaması için, I demirinin alt kısmında hareket eden, içerisinde bir adet rulman yerleştirilen destek tekerlekleri bulunmaktadır. Bu tekerleğin yüzeyi, I demirinin alt kısmındaki açıya göre imal edilmiştir. Bu ünitelere ait yapısal ve teknik özellikler aşağıda sırasıyla açıklanmıştır. Ray Sistemi ve Çeki Arabası Çeki arabasının, ray üzerinde düzenli ve kontrollü hareket etmesini sağlayan, dört adet yürüme ve destek tekerlekleri bulunmaktadır (Şekil 3). Yürüme tekerleklerinin içerisinde sürtünmenin azaltılması için iki adet rulman ve dış taraflarda iki adet keçe bulunmaktadır. Tekerleklerin içerisinden geçen mil çapı 20 mm dir. Her bir tekerlek üzerinde yağlanmanın sağlanması için gresörlük yuvaları bulunmaktadır. Yürüme tekerlekleri rayların üst kısmında hareket Şekil 3. Yürüme ve destek tekerlekleri Bağlantı çatısı Bağlantı çatısı, tarım makineleri ünitelerinin, çeki arabasına bağlantısını sağlayan ve kanal genişliği boyunca sağ ve sol yönde kolaylıkla hareket edebilir özellikte bir sistemdir (Şekil 4). Üzerinde çalışma derinliğini ayarlayan derinlik ayar sistemi bulunmaktadır. Bağlantı yeri, 100 x 100 mm boyutlarında kare profil olup, genel olarak tüm aletlerin bağlantısına olanak sağlamaktadır.
163 Bağlantı çatısı iki bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm, çatının çeki arabasına sabitlenmesini sağlamaktadır. Bu ünite, bağlantı çatısının kanal genişliği boyunca, sağ ve sol yönde hareket etmesini sağlayan rulmanlarla desteklenmiş bir sistem üzerine monte edilmiştir. Bu kısımda çalışma derinlik ayarını sağlayan sonsuz vida dişi açılmış mil bulunmaktadır. İkinci bölüm ise, çalışılacak aletin bağlantısının yapıldığı ünitedir. Bu kısımda, kare vida dişi açılmış, 750 mm uzunluğunda ve 50 mm kalınlığında bir mil yardımıyla derinlik ayarı yapılmaktadır. Milin döndürülmesini kolaylaştırmak için, aksiyal çalışan rulmanlar kullanılmıştır. Şekil 4. Bağlantı çatısı Hareket İletim Sistemi Hareket iletim sistemi, elektrik motoru, redüktör, hareket mili, zincir-dişli sistemleri ve zincir gerdirme ünitelerinden oluşmaktadır (Şekil 5). Elektrik motoru ve redüktöre ait özellikler Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Elektrik motoru ve redüktöre ilişkin teknik özellikler Elektrik motoru Teknik özellikler Marka ve tipi Gamak / 6M 160 M4 Güç ve volt. 11 kw / 380 V Devir 1455 min -1 Cos 0.85 Frekans 50 Hz Akım şiddeti 22.6 A Redüktör Teknik özellikler Marka Yılmaz redüktör Tip Monoblok M52-160M/4 Güç 11 kw Çıkış Devri 113 min -1 Çıkış momenti 892 Nm Çevrim oranı 18.5 Güv. rad.. yük. 18362 N Servis faktörü 1.9 Mil çapı 60 mm Redüktörün çıkışında 18 dişli iki sıralı dişliden alınan hareket, iki sıralı 1.5 zincir ile kanal üzerine sabitlenmiş 4100 mm uzunluğundaki mile aktarılmaktadır. Milin ortasında yer alan ve üzerinde iki sıra 1.5 zincirin bağlandığı iki sıralı dişli redüktör çıkışındaki dişli ile aynı ölçülerdedir. Ana mil 60 mm kalınlığında ve 4100 mm uzunluğundadır. Beton duvar üzerine monte edilmiş bir çatıya, 4 adet rulmanlı yatakla sabitlenmiştir. Ana milin sağ ve sol yanında birer adet 3/4x32 dişlisi bulunmaktadır. Kanalın ön tarafında, gerdirme mekanizmasına bağlı iki adet 3/4x32 dişlisi vardır. Her iki dişli arasında bir sıralı 3/4 zincir bulunmaktadır. Zincirin gerginliğini sağlamak için, kanalın sağ ve sol yanına yirmidört adet 3/4x11 dişlisi yaklaşık 6 m arayla yerleştirilmiştir. Zincirin çeki arabasına bağlantısı, araba üzerinde bulunan bağlantı parçasına, bir adet iki sıralı zincir kilidi ile yapılmıştır (Şekil 6). Çeki arabası, yan kenarlardaki zincirler ile hareket ettirilmektedir. Şekil 5. Elektrik motoru ve redüktör Şekil 6. Çeki arabasında zincir dişli sistemi ve bağlantısı
164 Zincirlerin gerginliği, kanalın ön tarafında bulunan zincir gerdirme ünitesi aracılığıyla sağlanmaktadır (Şekil 7). Zincir gerginliği ayarlandıktan sonra, mekanizma dört adet civatayla sabitlenmektedir. Buradaki dişliler, iki adet rulman ve keçe ile yataklanmıştır. Şekil 7. Zincir gerdirme ünitesi Hız Kontrol Ünitesi, Kumanda Kutusu ve Güvenlik Sistemi Sistemdeki hareketli çeki arabasının ilerleme hızının kontrolü için ABB marka hız kontrol ünitesi kullanılmıştır (Şekil 8). Hız kontrol ünitesine ilişkin teknik özellikler Çizelge 2 de verilmiştir (Anonim, 2001). Şekil 8. Hız kontrol ünitesi ACS 400 serisi hız kontrol ünitesinin aşağıda belirtilen koruma özellikleri bulunmaktadır. - Aşırı Akım - Aşırı gerilim - Düşük gerilim - Aşırı sıcaklık - Çıkış topraklama hatası - Çıkış kısa devresi - Giriş faz kaybı - Çıkış aşırı yük koruması - Motor aşırı yük koruması -I/O terminal kısa devre koruması Çizelge 2. Hız kontrol ünitesinin teknik özellikleri Marka ve Tipi ABB / ACS 401001132 Kasa boyutları 3~ Giriş, U1 Nominal motor moment P N değişken moment Giriş akımı, I 1NSQ Çıkış akımı, I 2NSQ Maks. çıkış akımı, I 2NSQ Maks. akım (tepe noktası) Maks. sıcaklık Maks kablo uzunluğu 125x430x221 mm 380 V 480 V %10 50/60 Hz 11 kw 21,5 A 23 A 25,3 A 64 A 95 o C (soğutucu) 200 m Hız kontrol ünitesinin, uzaktan kumanda edilebilmesi için harici giriş ve çıkış uçları bulunmaktadır. Bu giriş ve çıkış uçları kullanılarak, çeki arabası üzerinden sistemin kontrolünü sağlayan sistem geliştirilmiştir. Sistemde, çeki arabasının toprak kanalının başlangıcında ve sonunda otomatik olarak durmasını sağlayan emniyet kontakları bulunmaktadır. Kumanda kutusu, hız kontrol ünitesi ve emniyet kontakları arasındaki elektronik veri transferini kontrol ederek, çeki arabasının hareketine kumanda etmektedir (Şekil 9). Kumanda kutusu ile hız kontrol ünitesi arasında veri iletişim kablosu bulunmaktadır. Data kablosu, çeki arabası hareket edince, gerdirilmiş bir tel üzerinde ileri geri hareket edebilir yapıdadır. Kumanda kutusunda, çalıştırma ve durdurma düğmeleri, ileri ve geri hareketin seçimi için yön kontağı, potansiyometre, kontaklar ve voltmetre bulunmaktadır.
165 Çeki arabasının hareketi için, kumanda kutusundan istenilen çalışma hızı ayarlanır, ilerleme yönü seçilir ve çalıştırma düğmesine basılır. Çeki arabası, kanalın son noktasına gelince, her iki uçta yer alan emniyet kontakları (Şekil 9) sayesinde otomatik olarak durmaktadır. Bu konumda çalıştırma düğmesine basıldığı durumda çeki arabası gittiği yönde hareket etmemektedir. Ancak ters yönde hareket olanağı vermektedir. Hareket sırasında sistem, çalışma hızını ve ilerleme yönünü değiştirmeye olanak sağlamaktadır. Kumanda sisteminin elektronik devresi Şekil 10 da verilmiştir. serme ünitesine doldurulur. Toprak serme ünitesi, 0.4 m 3 hacminde çatı üzerine yerleştirilmiş ve sağ ve sol yana kaydırılabilir özelliktedir (Şekil 11). Toprağın katmanlar halinde kanala serilmesini sağlayan kapak, hareketli bir kumanda kolu yardımıyla ve kramiyer mekanizma ile açılır kapanır yapıda tasarlanmıştır. Böylece toprak serme ünitesinin alt bölümünden kolayca boşalmaktadır. Kanala serilen toprak, daha sonra arkada bulunan tesviye küreği ile düzeltilmektedir. Tesviye küreği, derinliği ayarlanabilir özellikte olup bağlantı çatısına monte edilmiştir. Şekil 11. Toprak serme sistemi Şekil 9. Kumanda kutusu ve emniyet kontağı Kumanda Kutusu Hiz Kontrol Ünitesi Çeki arabası üzerinde, kanal içerisine kademeli olarak serilen toprağı sıkıştırmak için 240 mm çapında ve 3000 mm uzunluğunda bir sıkıştırma silindiri bulunmaktadır. Silindir içerisine ağırlığı arttırmak için su doldurulmaktadır. Silindir hacmi 120 l dir. İstenilen sıkıştırma düzeyine göre, silindir içerisine konulacak su miktarı değişmektedir. Hiz Ayar Potansiyometresi Limit Switch RL +12v Stop NO NO F 1 2 Start RL 1 2 NO NO Limit Switch Şekil 10. Kumanda sistemi elektronik şeması 2 Harici Referans 3 AGND 4 +10v 12 Ileri Geri 8 AGND 11 Start/Stop8 Toprak Serme, Tesviye ve Sıkıştırma Üniteleri Toprağın kanal içerisine serilmesi, kademeli olarak yapılmaktadır. Kanal dışındaki toprak, bir ön yükleyici aracılığıyla, çeki arabası üzerinde bulunan toprak Hız Ölçme Sistemi Çalışma hızının ölçülmesi için bir hız ölçme sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem, kronometre ve iki adet hız sensöründen oluşmaktadır. Hız sensörleri zincirleri taşıyan 3/4x11 dişlisinin bağlandığı çatıya monte edilmiştir (Şekil 12). İki sensör arası uzaklık 17.2 m dir. Çeki arabası üzerinde, hız sensör tekerleklerinin temas edeceği bir parça bulunmaktadır. Çeki arabası birinci sensörden geçince devre kapanmakta ve kronometre çalışmaya başlamaktadır. Araba ikinci sensöre geldiğinde, devre kapanmakta ve kronometre otomatik olarak durmaktadır. İki sensör arasındaki uzaklık ve süre dikkate alınarak ilerleme hızı belirlenmektedir.
Volt (V) 166 İleriki çalışmalarda, toprak kanalında mobil araç üzerinde çeki kuvveti ve tork ölçme sistemlerinin kurulması, bağlantı çatısının hem yatay düzlemde hem de düşey düzlemde hareketinin hidrolik sistem yardımıyla sağlanması ve yıl boyunca çalışmaların yapılması için kanalın kapalı hale getirilmesi faydalı olacaktır. Şekil 12. Hız sensörü İlerleme hızı ile voltmetre değerleri arasındaki ilişki Şekil 13 de verilen kalibrasyon eşitliği ile belirlenmiştir. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 y = 1.6213x - 0.027 R 2 = 0.9999 0 1 2 3 4 5 6 7 İlerleme hızı (km/h) KAYNAKLAR Anonim 2001. ABB User s Manual. ABB Oy AC drives, FINLAND Kirişci, V. ve S. Görücü, 1997. Toprak Kanalları ve Özellikleri. Tarımsal Mekanizasyon 17. Ulusal Kongresi, TOKAT. Topakcı, M., 2004. Çizel Ayağı İle Çalışmada Toprak Bozulma Alanının İyileştirilmesi Üzerine Bir Çalışma (Doktora Tezi). Akdeniz Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ANTALYA Upadhyaya, S.K., W.J. Chancellor, J.W. Perumpral, R.L. Schafer, W.R. Gill, G.E. VandenBerg 1994. Advances in Soil Dynamics. Volume1, ASAE, St. Joseph, Mich., 313. Şekil 13. Hız ölçme sistemi kalibrasyon eğrisi ve eşitliği İstenilen ilerleme hızına karşılık gelen voltmetre değeri bu eşitlikten belirlenerek kumanda kutusundan bir potansiyometre ile ayarlanmaktadır. SONUÇLAR ve ÖNERİLER Tarla şartlarında tarım makinalarıyla çalışmada ortaya çıkacak olumsuzlukları ortadan kaldırmak için kontrollü şartların sağlandığı kullanımı kolay, fonksiyonel bir toprak kanalı yapılmıştır. Toprak kanalı üniteleri herhangi arıza ve deformasyon halinde elemanların değiştirilmesine olanak sağlayacak şekilde sökülüp takılabilir özellikte imal edilmiştir. Sistemin hareketli çeki arabası üzerinden uzaktan kumanda edilebilme özelliği çalışmalar sırasında büyük kolaylıklar sağlamaktadır.