در راس خاک ورزی اولیه، شخم قرار دارد. هدف از شخم، به وجود آمدن تغییرات فیزیکی مطلوب در خاک به‌منظور بهبود شرایط رشد گیاهان زراعی است. رابطه‌ی بین شرایط فیزیکی خاک با رشد گیاه «قابلیت کشت‌پذیری خاک» نامیده می‌شود. گاو‌آهن در طول هزاران سال وسیله‌ای بوده است که به وسیله‌ی آن شخم انجام می‌گرفته‌ است و بستر بذر و بستر ریشه تهیه می‌شده است. گاوآهن های برگردان دار امروزی و گاوآهن های قدیمی که هنوز در بعضی از کشورهای توسعه‌نیافته مورد استفاده قرار می‌گیرند، از تکامل چنگک‌های چوبی به‌وجود آمده‌اند که توسط کشاورزان اولیه و دام‌هایشان کشیده می‌شدند.

مهمترین ادوات خاک‌ورزی اولیه عبارتند از: گاوآهن برگردان دار، گاو آهن بشقابی، گاو آهن بشقابی عمودی (تیلر بشقابی)، گاو آهن چیزل (گاوآهن شفره‌ای)، زیرشکن (گاوآهن اسکنه‌ای یا ساب‌سویلر)، گاو آهن دوار، پشته ساز، نهرکن و سایر ادواتی که سطح خاک را ناهموار به جای می‌گذارند.

بررسی کامل گاوآهن برگردان دار

تارخچه

خاکورزی عبارت است از عملیات مکانیکی که به منظور آماده سازی زمین برای زراعت روی خاک انجام می شود. هدف از خاک ورزی مطلوب ایجاد محیط مناسب برای جوانه زنی بذر، رشد ریشه، کنترل گیاهان هرز، کنترل فرسایش خاک و کنترل رطوبت خاک است. بشر طی هزاران سال برای افزایش میزان تولید مبادرت به خاک ورزی کرده است. از ابزارهای ابتدایی خاک ورز می توان گاو آهنی سبک و چوبی را نام برد که 3000 سال قبل از میلاد مسیح در زمینهای ساحل رودخانه های فرات و نیل مورد استفاده قرار می گرفت.

از زمان های گذشته همواره انسان ها برای بقای زندگی به غذا و کشاورزی برای تهیه غذا نیاز داشته اند.

انسان ها برای تصحیل در عملیات های کشاورزی و افزایش راندمان تولید به دنبال اختراع ادواتی بوده اند تا کاربران کشاورزی را در این راه یاری کند.

انسان ها همواره به دنبال راه هایی برای آسان شدن عملیات خاکورزی بوده اند و همواره بشر از زمان های ابتدا در حال اختراع و استفاده از ابزار ها  ادوات خاکورزی بوده است.

یکی از این ادوات که برای خاکورزی مورد نیاز اصلی کاربران کشاورزی از زمان های گذشته تا به امروز بوده گاوآهن است.

نخستین گاوآهن مجهز به نوک آهنی که ابتدا با دست کشیده می شدٰ بیش از 2000 سال قبل در چین ساخته شد. در طول نخستین قرن میلادی از گاومیش برای کشیدن ابزارهای خاک ورز استفاده شد و پس از آن گاوآهن های سه تیغهٰ ابزارهای شخم-کاشت و چنگه ها تکامل یافتند.

تیغه های آهنی حدود 2000سال قبل در روم ساخته شد و گاوآهن مجهز به این نوع تیغه با هشت گاو نر و روی خاکهای سخت و سنگین کشیده می شد.

تکامل چرخ، پیش بر و صفحه برگردان در ساختار گاوآهن در اوایل قرن چهاردهم در اروپا صورت گرفت.

ظهور ابزارهای خاکورزی شبیه انواع امروزی از اوایل قرن شانزدهم با عرضه گاوآهنی به نام روترهام در انگلستان و اسکاتلند آغاز شد. اصول طراحی این گاوآهن هنوز معتبر است.

رویدادهای تاریخی مهم دیگری که با ساخت ابزارهای خاک ورز از ابتدای قرن هیجدهم به بعد ارتباط داشتند عبارت اند از:

;عرضه گاوآهن چرخدار با تیغه چدنی و صفحه برگردان مدور.1372

ساخت صفحه برگردان خمیده. 1760

طراحی یک گاوآهن برگردان دار با محاسبات ریاضی به وسیله توماس جفرسون. 1798

اختراع گاوآهن برگردان دار چدنی با تیغه، صفحه برگردان و کفش جداگانه. 1813

عرضه کولتیواتور اسبی بیلچه دار برای خاک ورزی و دفع گیاهان هرز بین ردیف کشت. 1820

1836- ساخت گاوآهن فولادی با تیغه و صفحه برگردان یکپارچه به وسیله جان دیر، آهنگر اهل ایلی نوی آمریکا. این گاوآهن شخم در خاکهای چسبنده را عملی ساخت.

- اختراع گاوآهن بشقابی. 1847

به کارگیری تراکتورهای غول پیکر بخاری برای شخم از این سال به بعد-1850

ارائه طرح صفحه برگردان سه لایه که هنوز رواج دارد به وسیله جان لین- 1868

 اختراع چنگه دندانه فنری.-1869

اختراع دیسک(چنگه بشقابی) دارای پره های مقعر. 1877

عرضه نخستین تراکتور بنزینی در ایالات متحده و جایگزینی تدریجی دام با آن. 1892

ساخت ماشین شخم یا گاوآهن خودگردان در آلمان. 1907

شتاب گیری مکانیزاسیون به دلیل کاهش نیروی کار و افزایش تقاضا برای تولیدات کشاورزی. 1914تا 1918

ارائه طرح هاری فرگوسن برای اتصال چهار نقطه مکانیکی گاوآهن. 1920

ساخت دیسک یک زانویی(آفست)1924

عرضه خاکورزهای دوار ساخت سوییس در ایالات متحده. 1930

توسعه گاوآهن سوار قابل اتصال به سیستم اتصال سه نقطه(ابتدا در انگلستان)دهه 1930تا 1945- 

 شتاب روند مکانیزاسیون کشاورزی بر اثر جنگ جهانی دوم. 1941

تکامل مکانیسم ایمنی گاوآهنها. 1953

عرضه کولتیواتورهای دوار و تنک کنهای انتخابی.دهه 1960

پس از جنگ جهانی دوم، در نتیجه پژوهش های مراکز عملی و آموزشی طرحهای جدیدی از گاوآهن و سایر ابزارهای خاک ورز ارائه شد. این پژوهش ها بر اساس درک صحیح فرایند خاک ورزی و در راستای اصلاح کیفیت کار ابزارهای خاک ورز؛ کاهش مقاومت خاک در برابر این ابزارها؛ و دستیابی به ویژگیهایی چون سبکی، مقامت و دوام زیاد، سهولت سرویس و نگهداری، کارایی بالا و سایر مشخصات مطلوب برای سازندگان بود.

از آن زمان تا کنون اختاراعات و نوآوری های زیادی در ضمینه فناوری ادوات و ماشین آلات کشاورزی صورت گرفته است تا علاوه بر تامین نیاز کاربران کشاورزی باعث افزایش ضریب بتزده زمین های کشاورزی و افزایش کمی و کیفی محصولات کشاورزی شود.

در اینجا به بررسی اجمالی گاوآهن برگردان دار میپردازیم. 

 

کار گاوآهن برگردان دار چیست؟

گاوآهن برگردان دار که ممکن است فقط گاوآهن نامیده شود، خاک شیاری را که ایجاد می‌کند از زمین جدا کرده، آن را بلند می‌کند و بر می‌گرداند و بدین ترتیب اعمال زیر را انجام می‌دهد

 

1-تمام یا قسمتی از خاشاک و بقایای گیاهی را زیر خاک می‌کند.

2-شخم به وسیله‌ی گاوآهن موجب تهویه‌ی خاک می‌گردد.

3-موجب افزایش نفوذ و جریان آب در خاک می‌شود.

4-بخشی از علف های هرز را از بین می‌برد. (در اثر بریدن، یا از جاکندن ریشه یا مدفون کردن گیاه).

5-برخی از حشرات، یا تخم و لارو آنها را از بین می‌برد.

6-موجب مخلوط شدن  کودهای شیمیایی، دامی و سبز خاک می‌شود.

7-بستر مناسبی برای بهتر سبز شدن بذر به‌وجود می‌آورد.

این اعمال دارای مزیت های زیادی برای افزایش بازده محصولات و افزایش کاربری زمین ها دارد.                                   

مخلوط شدن بقایای گیاهی و تهویه خاک به رشد میکروارگانیسم ها کمک کرده، و میکرو ارگانیسم ها به نوبه‌ی خود باعث پوسیدگی و تجزیه‌ی خاشاک و سایر مواد آلی داخل خاک می‌شوند. تجزیه‌ی سریع مواد آلی باعث ازدیاد تولید ازت، فسفر و پتاس و سایر مواد غذایی گیاهی در خاک می‌شود. میکروارگانیسم های خاک همانقدر به شرایط مناسب گرما، رطوبت و هوا نیاز دارند که برای سبز شدن سریع بذر مورد نیاز است.

 

وقتی گاوآهن وارد خاک می‌شود، موارد زیادی به وقوع می‌پیوندد. نتایج در صورتی رضایت بخش خواهد بود که فرد شخم کننده، شرایط خاکی را که می‌خواهد برای رشد محصول آماده کند، بشناسد. انجام یک شخم خوب، میزان عملیات خاک ورزی ثانویه را که برای آماده سازی خاک جهت رشد محصول لازم است، کاهش می‌دهد.

 

لایه‌ای از خاک که توسط گاوآهن شخم زده می‌شود، بستر بذر و قسمت عمده‌ای از بستر ریشه را می‌سازد که مورد استفاده گیاه قرار می‌گیرد. گیاه حدود ۹۵ درصد از سیکل عمر خود را در بستر ریشه و فقط ۵ درصد آن را در بستر بذر می‌گذراند. قسمت‌های مهم تشکیل دهنده‌ی یک گاوآهن برگردان دار عبارتند از: خیش، ساقه، ضمایم گاوآهن و شاسی یا قاب

بررسی اجمالی اجزای گاوآهن برگردان دار

از آنجا که بیشترین مصرف انرژی در بخش کشاورزی مربوط به خاکورزی اولیه است که اکثراً با گاوآهن های برگرداندار انجام می شود و این گاوآهن ها باعث برهم خوردن تسطیح زمین، زمان زیاد برای اجرای عملیات شخم و فشردگی خاک مزرعه میشوند. با تغییراتی در طراحی شاسی و خیش گاوآهنهای برگرداندار معمول، میتوان با استفاده از یک سری خیش که روی تیرکی نصب شده اند و گردش این تیرک در صفحه ی افقی به سمت چپ و راست، عمل برگردان کردن خاک را در دو جهت (راست و چپ ) انجام داد .

این گاوآهن ها به گاوآهن های دوطرفه ی مستطیلی یا استوانه ای معروف شده اند . از جمله قسمت های این گاوآهن که از لحاظ نیرویی در حالت بحرانی قرار دارد ساقه و شاسی این گاوآهن ها می باشند و در این پژوهش، با استفاده از روش اجزاء محدود به تحلیل آن پرداخته شده است. مؤلفه های بار و گشتاور وارد بر گاوآهن از نتایج آزمون های ارائه شده توسط برناکی و همکاران بر گرفته شده است و تحلیل هر قسمت با رعایت شرایط مرزی حاکم به صورت جداگانه صورت پذیرفته است .

نتایج تحلیل حاکی از آن است که بیشترین تنش ها به طول بار اصلی که محل نصب ساقه ها می باشد وارد می شود . ضریب اطمینان به دست آمده بالاتر از 2 می باشد که با توجه به شرایط کاری سخت وسایل خاک ورزی، مخصوصاً گاوآهن ها ضریب اطمینان قابل قبولی نیست و پیشنهاد می شود که این قسمت از شاسی در محل اتصال پین وسط آن به قسمت v شکل جلویی و نیز محل تکیه گاه جلویی آن مسلح شود.

در ساقه نیز شاهد محدوده تنش های آبی رنگ هستیم که نشان دهنده ضریب اطمینان بالای این قطعه در برابر نیروهای وارد بر آن است.

 

مقایسه عملکرد گاوآهن دو طرفه مستطیلی سه خیش با گاوآهن برگردان دار یک طرفه سه خیش

 

شاسی گاوآهن برگرداندار دو طرفه مستطیلی به منظور بررسی استحکام قسمت های مختلف آن توسط روش اجزای محدود مورد بررسی قرار گرفت. برای تحلیل از نرم‌افزار انسیس 9 استفاده گردید. نیروهای وارد شده بر خیش های گاوآهن با استفاده از روابط ارائه شده توسط گوریاچکین و با در نظر گرفتن شرایط سنگین کاری در دو عمق مختلف 20 و 25 سانتی متری شخم محاسبه شد. محل اعمال نیروها نیز با جمع بندی پیشنهادهای مراجع مختلف موجود و با توجه به خصوصیت های مختلف شاسی شامل ساقه، دیرک تراز عرضی، دیرک اصلی، دیرک اصلی به همراه قسمت v شکل و شاسی گاوآهن به صورت کامل، در دو عمق ذکر شده انجام شد. ضرایب اطمینان در تمام تحلیل ها در عمق 20 سانتی متری بالاتر از دو، وبرای عمق 25 سانتی متری کمتر از دو بدست آمد که با توجه به شرایط سنگین در نظر گرفته شده، نشان می دهد که شاسی در شرایط معمول کاری از استحکام قابل قبولی برخوردار است ولی در شرایط بسیار سنگین، بایستی در مصالح مورد استفاده و ابعاد شاسی تجدید نظر گردد. با تغییر فولاد ساختمانی St 37 به کار گرفته شده به فولاد St 52 و St 60 ضرایب اطمینان اجزای مختلف شاسی به ترتیب 5/1 و 78/1 برابر شد. ضرایب اطمینان دیرک تراز عرضی در هر دو عمق پایین تر از یک بدست آمد و برای بالا بردن امنیت این قطعه، دو قطعه مهار به این قسمت اضافه و در این حالت ضرایب اطمینان 3/2 برابر بهبود یافتند. مقادیر پنج فرکانس‌های طبیعی اول مدل ارائه شده برابر 086/87، 74/93، 12/210، 7/267 و 94/277 هرتز محاسبه شد که بالاتر از فرکانس های طبیعی شاسی می-باشند. تحلیل خستگی پین های ساقه و پین دیرک اصلی نیز نشان دهنده عمر بالای این پین ها بود. به منظور بررسی دقت نتایج تحلیل، مقادیر کرنش محاسبه شده توسط روش عددی با مقادیر کرنش اندازه‌گیری شده توسط کرنش‌سنج‌های نصب شده بر روی ساقه گاوآهن مورد بررسی قرار گرفت. مقادیر کرنش محاسبه شده به روش عددی دارای انطباق کاملاً قابل قبولی با داده‌های آزمایشگاهی بود