۱۳۹۹/۰۸/۳۰
مقدمه
شاید اکثریت مردم با شنیدن کلمه تراکتور ذهنشان به کشاورزی و کاربرد وسیله در کشاورزی، معطوف گردد، لیکن لازم است بدانیم که تراکتورها دارای انواع گوناگونی میباشند. مثلاً تراکتورهایی با عنوان تراکتورهای صنعتی یا راهسازی وجود دارد. از نظر فنی، تراکتور یک ماشین خود گردان است. چون شامل موتوری برای تأمین توان میباشد و کار انجام میدهد .( M. Behrozi lar 1990 ) لذا تراکتور به ماشین خودگردان یا خودرو اطلاق میشود که از توان آن برای کشیدن ادوات و ماشینهای قابل حرکت و به کار انداختن ماشینهای ساکن یا متحرک با کمک پولی و تسمه، محور تواندهی و هیدرولیک استفاده میشود .(D. Mansori rad 2004) اکسل در یک تعریف ساده محوری است که جهت نصب چرخها مورد استفاده قرار میگیرد بنابراین انتظار نمیرود که پیچیدگی خاص در مکانیزم آن وجود داشته باشد ولی هنگامی که وظایف جنبی دیگری مانند مکانیزم فرمان انتقال قدرت، کاهش دور، تعدیل اثر جاده، آزادی حرکتی خاص و ... به عهده اکسل گذاشته شود طرح و ساختمان آن از پیچیدگی قابل توجهی برخوردار میشود، اکسل در واقع محور بین دو چرخ است که جزء جدایی ناپذیر از وسیله نقلیه چرخدار میباشد که وظیفه حفظ موقعیت چرخها نسبت به یکدیگر و بدنه خودرو را دارد وزن خود ماشین به همراه محموله و بار را باید تحمل کند اکسل بایستی شوکهای ناشی از بینظمیهای جاده را جذب و قادر به مقاومت در مقابل بارهای خمشی و گشتاورهای اعمال شده باشد. لذا میتوان برحسب وظایف مذکور اکسلها را به انواع مختلف طبقهبندی نمود: اکسلهای صلب یا ثابت (Rigid Axle)، اکسل جلو فرمانپذیر (Steered Rigid front Axle)، اکسل عقب محرک (Rear Axle Driven Rigid)، اکسل جلو محرک (Rigid Front Driven Axle)، اکسل مرده((Dead Axle و اکسلهای تعلیق مستقل (Independent Suspension .Axles) در تحقیقی تحت عنوان بررسی آماری علل خرابی و عیب یابی تراکتور مسی فرگوسن 285 مشخص نمودند که یکی از قطعاتی که با خرابی بیشتری مواجه است بعد از قطعات داخلی موتور و پمپهای فرمان و انژکتور اکسلهای این تراکتور میباشد . (Khdabkhshyan. B et al 2008 ) تحقیقی به منظور دستیابی به فنآوری و افزایش طول عمر و همچنین کاهش هزینهها، به روش مهندسی معکوس، به طراحی و ساخت کاهنده جدید پرداختند. مدلسازی نرمافزاری و تحلیل تنش انجام شد و پس از مشخص شدن جنس قطعات نسبت به ساخت اقدام کردند. ارزیابی با آنالیز روغن انجام گرفت، مقایسه تنش نشان داد که تنش در مجموعه جدید در مقایسه با نمونه اصلی کمتر است2011 ) Soltani Nejad et al ). در مطالعههای دیگر روشهای تجربی و عددی برای تحلیل تنش اکسل جلوئی کامیون به کار بردند. نتایج به دست آمده از روش اجزاء محدود به طور آزمایش با استفاده از تنش تصویری تحقیق و ثبت شد2000) .( Leon et al در تحقیقی دیگر تحلیلهای عددی و تجربی اکسل جلوی تراکتور را انجام دادند. براساس نتایج تحلیل اجزاء محدود برای اکسل جلو برای بهینهسازی وزن و توان ساخت آسان 5 مدل مختلف بر اساس سهولت ساخت و کاهش وزن پیشنهاد شد2001) .( Mahanty et al با استفاده از روشهای عددی و تجربی تغییراتی از ریختگری تا جوشکاری برای پوشش اکسل طراحی نمودند.( Maly Bazza2003) در مطالعه دیگر به تجزیه و تحلیل اکسل جلو کمباین JD955 تحت بارگذاری استاتیکی که در این تحقیق با استفاده از روش المان محدود (نرم افزار انسیس نسخه(09 انجام گرفت. نتایج عددی نشان داد که محور جلو JD955 دارای فاکتور ایمنی بسیار پایین است و بایستی ترکیبی به اندازه کافی قوی به ترکیب اصلاح شده نصب شود . Jafari. S(2006 ) در تحقیقی به تحلیل دینامیکی و استاتیکی محفظه اکسل جلوی تراکتور با استفاده از روش اجزاء محدود پرداختند که طی این تحقیق تراکتور MT250 میتسوبیشی در نظر گرفته شده بود، انجام مدلسازی محفظه با نرمافزار Solid Works 2010 و برای استفاده از روش اجزاء محدود از نرم افزار Cosmos Works جهت تحلیلها استفاده شد. نتیجه تحلیل نشان داد که بیشترین تنش بر روی محفظه بالائی اعمال شده است با توجه به تئوری فان میسز حداکثر مقدار تنش اعمال شده و تنش مجاز، مقدار ضریب ایمنی1.05 به دست آمد که کمتر از مقدار مورد نیاز بود(. Taraghi . A,(2011 به دلیل اینکه چرخ دستیها یا پشتبندهای تراکتورها بدون در نظر گرفتن شرایط کاری و محاسبات استاتیکی و دینامیکی ساخته میشده اند مطالعات بر روی (طراحی مجدد اکسل پشتبند تراکتور توسط ANSYS در مرکز هند صورت دادند. در این تحقیق اکسل جدید با وزن کمتر در نرم افزار انسیس مدل و آنالیز گردید به طوری که اکسل طراحی شده دارای مقاومت بیشتر و وزن و هزینه ساخت کمتری بود Harish V.Kotro et .(2011) al مطالعات بر روی (تجزیه و تحلیل استاتیکی محفظه هوزینگ اکسل عقب انجام گرفت که طی آن در نرمافزار انسیس یک محفظه هوزینگ طراحی برای ارزیابی قدرت محصول و توانایی مقاومت در برابر همه نیروها و ارتعاشات و در نهایت تنش تغییر شکل و فرکانسهای طبیعی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. جنس قبلی محور از فولاد و جنس پیشنهاد شده از چدن میباشد که طبق تجزیه و تحلیل در انسیس نتایج زیر به دست آمد. حداکثر تنش فشاری 83Mpa برای چدن، ,برای فولاد 87.5Mpa به دست آمد. فرکانس طبیعی به دست آمده برای چدن کمتر از فولاد بود از این رو در مقایسه دو فرآیند، شرایط استفاده از چدن بهتر از فولاد نشان داده شد .(2011) babu G .Rajesh et al تحقیقی در موسسه فناوری Kharagpur هند صورت گرفت که به طراحی صفحه نمایش انتقال وزن برای تراکتورهای کشاورزی پرداختند. طی این تحقیق میکروکنترلری بر اساس واحد نمایشگر دیجیتال برای تراکتور 2WO بر روی اکسل جلو تراکتور نصب شد که این پردازشگر به راننده در زمان افزایش بار وارده بر تراکتور هشدار میدهد و از آسیب رسیدن به تراکتور جلوگیری میکرد.(2012) A. Kumar et al مطالعات بر روی (ارزیابی و مقایسه محور واگن (تریلر تراکتور) با استفاده از تجزیه و تحلیل المان محدود) صورت گرفت. طی این مطالعه یک محور موجود در عقب یدککش تراکتوری مورد بحث قرار گرفت و پس از آنالیز مواد شفت محور از جنس SAE1020 به دست آمد. تجزیه و تحلیل نقاط اصلی شکست و خستگی در نقاط مشخص نشان داده شد. با تغیر جنس در فرآیند، ریختگری از چدن نشکن 12-45-65) یا (12-450 محلهای ضعیف تقویت شد .(2012 ) Sanjy Aloni در تحقیق حاضر طراحی مجدد با استفاده از نرمافزار solid work و تحلیل مکانیکی قطعات تحت بارگذاری استاتیکی اکسل جلویی تراکتور MF285 ساخت تراکتورسازی ایران توسط نرمافزار ANSYS انجام گرفت. جهت شروع طراحی در مرحله اول نیازمند یک دید کلی از سیستم بود که این امر با مساعدت کارخانه تراکتور سازی ایران حاصل گردید چند دستگاه تراکتور MF285 به طور ظاهری بررسی شد. ضروری بود که نقشه تفکیکی قطعات تهیه گردد بدان جهت با استفاده از ایده مهندسی معکوس تک تک قطعات از هم جدا شده و مورد تحلیل قرار گرفت با در نظر گرفتن پیچها، بوشها و مهرهها تعداد قطعات به بیشتر از 40 قطعه رسید. نقشه و مواد ساختاری یک سری از قطعات توسط شرکت در اختیار قرار گرفت و بقیه آنها در شرکتهای مشاورهای خارج از کارخانه اندازهگیری شد و نقشه آنها نیز تهیه و سپس هر کدام از قطعات به طور جداگانه طراحی و تحلیل گردید.
.2 مواد و روش ها
در یک مسئله طراحی که قرار است از محیط مجازی استفاده گردد، در مرحله ابتدائی پروژه، پایگاه داده و اطلاعات پروژه را بایستی تهیه نمود . تنظیمات اولیه محیط نرمافزار انجام میگیرد سپس هندسه سیستم با جزئیات کافی (اتصالات، نوع سازه ها و ...) مدلسازی میشود و بعد مدل طراحی شده به محیط تحلیلی نرمافزار انتقال مییابد. پس از طراحی تک تک قطعات در محیط پارت نرمافزار solid work، باتوجه به نمونه اصلی قطعات درمحیط Assembly نرم افزار به هم مونتاژ گردیدند.
2-2 مونتاژ قطعات
پس از طراحی تک تک قطعات در محیط پارت نرم افزار، با توجه به نمونه اصلی قطعات درمحیط Assembly نرم افزار Solid Works به هم مونتاژ گردیدند.
3-2 خصوصیات مکانیکی قطعات مهم اکسل
جنسهای اصلاح شده برخی از قطعات اکسلMF285 توسط کارخانه تراکتور سازی ایران جهت مقاومت در برابر شکست به صورت جدول ذیل میباشد.
.3 تحلیل مکانیکی اکسل
1-3 روش اجزائ محدود
به طور کلی برای حل مسائل فیزیکی 3 روش موجود است : حل تحلیل دقیق (Exact Solution) ، حل عددی
(NumericalSolution) و روش تجربی . (Experimental Method )
درحل دقیق همان طوری که از نام آن پیداست به محاسبه دقیق پارامتری معادلات دیفرانسیل حاکم بر میدانهای فیزیکی هم چون میدان الکتریکی، میدان تنش، میدان جریان، میدان مغناطیسی، میدان حرارتی و... میپردازند. در حالی که در روش دوم به حل تقریبی و عددی این مسائل میپردازند. روش اجزاء محدود از روشهای حل عددی میباشد. روش حل دقیق قالباً از تحلیل مدل با هندسه پیچیده عاجز است و تنها روش حل عددی به خصوص اجزاء محدود در این زمینه کار گشا است، به عنوان مثال محاسبه تنش ماکزیمم در میل لنگ اتومبیل و ... در حل سیستمهای با شرایط مرزی اولیه کمی پیچیده نیز حل دقیق ناتوان است و تنها روش مرسوم عددی در حل این مسائل به کار میرود . در روش اجزاء محدود کل مدل هندسی به اجزاء ریزتری با نام المان تقسیمبندی شده و تحلیل بر اساس المانهای قرار گرفته بر روی مدل انجام میشود، هر المان خود از گره هایی تشکیل شده است که مقادیر ورودی و خروجی به آنها اختصاص داده میشود. هر المان با یک تابع شکل معرفی میشود، که این تابع شکل میتواند خطی(درجه یک)یا غیر خطی(درجه2 یا بالاتر)باشد. در هنگام تحلیل یک مدل با روش اجزاء محدود، تعداد معادلات بسیار زیادی که در بعضی از مدلها به بیش از 2000 معادله میرسد هم زمان باید حل شود. تعداد این معادلات بستگی مستقیم با تعداد گرهها و المانهای قرار گرفته روی مدل دارد. به همین دلیل به هنگام مدلسازی میبایست تا حدی که به دقت جوابهای خروجی لطمه نزند از تعداد المانهای کمتری در مدل مسئله استفاده نمود. با توجه به موارد فوق مشخص است که باید دید درستی از مسئله داشت تا بتوان با توجه به نوع مسئله، درجات آزادی مدل، شرایط مرزی، شرایط اولیه، بارگذاریها و... مدل هندسی مسئله را به تعدادی المان تقسیمبندی و یا به اصطاح شبکهبندی کرد.
2-3 شبکه بندی (مشبندی)
نخستین مرحله در روش اجزاء محدود، تقسیم جسم یا سازه به المانهای کوچکتر میباشد این کار معادل آن است که یک سیستم با تعداد درجات آزادی محدود، جایگزین سیستمی با تعداد درجات آزادی نامحدود شود. هدف از شبکهبندی صحیح افزایش دقت، حل بدون افزایش محاسبات و زمان تحلیل میباشد. به منظور شبکهبندی سازه مکانیکی نکاتی در مورد نوع المان، اندازه المان و تعداد المان ها مورد توجه قرار گرفت.
1-2-3 نوع المان
نوع المان ها SOLID 186 با تعداد 20 گره انتخاب گردید. این المان دارای 3 درجه آزادی میباشد و از اکثر عنصرها پشتیبانی مینماید، شکلپذیری خوبی را داراست و برای مدلسازی شبکه های نامنظم مناسب است.
2-2-3 نوع بارگذاری
نوع بارگذاری ها از نوع BEARING LOAD که به صورت شعاعی طبق شکل((21 بر قطعه وارد میشود انجام گرفت، به طوری که نرمافزار دقیقا سطح بار وارده را تشخیص میدهد.
4 .نتایج و بحث
1-4 تئوری گسیختگی انرژی واپیچشی
این تئوری که به آن تئوری فان میسز نیز اطلاق میشود از مشاهده رفتار مواد شکلپذیر تحت تنش هیدرواستاتیک سرچشمه میگیرد که مقاومت تسلیم آنها خیلی بیشتر از مقادیری است که از آزمایش کشش ساده به دست میآید. بنابراین مسلم شد که عامل ایجاد تسلیم را نباید به هیچ وجه یک پدیده کشش یا فشار ساده دانست ، بلکه باید آن را به گونهای به واپیچش زاویههای جزء تحت تنش ربط داد. این تئوری پیشبینی میکند که زمانی تسلیم رخ میدهد که انرژی واپیچش در یک حجم واحد با انرژی واپیچش در همان حجم که تحت تنش محوری تا مقاومت تسلیم قطعه قرار گرفته است، برابر باشد. این تئوری مستلزم تعریف واژه تنش فان میسز میباشد که با نماد σ’2 نشان داده میشود تنش فان میسز برای حالت تنشهای اصلی سه محوری به صورت زیر تعریف میشود:
که در آن σ1 ،σ2 وσ 3 تنشهای اصلی در راستای محورهای اصلی میباشند.
2-4 تئوری کولمب-مور برای مواد شکننده
در مواد شکننده مانند چدنهای خاکستری استحکام نهایی در حالت فشار 3 تا 4 برابر بیشتر از استحکام نهایی کششی آنهاست، تئوری اصطکاک داخلی یا تئوری کلمب مور که شکل تغییر یافته تئوری مور میباشد مطمئنترین تئوری است که میتوان از آن برای به دست آوردن ضریب اطمینان در مواد شکننده استفاده کرد.
در این روابط استحکامهای کششی و فشاری هستند که به صورت کمیتهای مثبت بیان میشوند. بیشترین و کمترین مقدار تنشهای اصلی میباشند.
3-4 ضریب اطمینان
بر اساس تئوری فان میسز، مقدار ضریب اطمینان طراحی که برابر با نسبت تنش مجاز به حداکثر تنش معادل فان میسز میباشد،از رابطه زیر محاسبه میشود:
ضریب nsاطمینان در حالت استاتیکی و syتنش تسلیم است.
4-4 نتایج حاصل از تحلیل خیز (مقدارجابجایی)قاب:
حداکثر جابهجایی به دست آمده برای قاب 2.3995e-5m میباشد که در ورودی محور مرکزی صورت گرفت .
5-4 نتایج تحلیل تنش در قاب:
با توجه به تحلیل نرمافزار حداکثر تنش فان میسز برای قاب در محل پیچها برابر با 2.1646e7 پاسگال است.
6-4 ضریب اطمینان در قاب:
برای به دست آوردن ضریب اطمینان بایستی مقدار تنش تسلیم و حداکثر تنش فان میسز را داشته باشیم. بنابراین ضریب اطمینان برای قاب خواهیم داشت:
7-4 تحلیل خیز در بازویی و پوسته شفت:
میزان خیز به دست آمده بسیار جزیی و در ناحیه پایین غلاف شفت و به مقدار 0.0002m بوده است.
8-4 تحلیل کرنش در بازویی و پوسته شفت:
مقدار کرنش به دست آمده در اثر اعمال نیرو در مجموعه بازویی و پوسته شفت برابر با 0.0002624mm بوده است.
9-4 تحلیل تنش ونمیسز مجموعه بازویی و پوسته شفت:
جواب برای ماکزیمم تنش این قطعه برابر با 5.2498e7 pa و محل آن با توجه به شکل داخل سوراخ پیچها مشاهده شد.
10-4 ضریب اطمینان مجموعه بازویی و پوسته شفت:
ضریب اطمینان به دست آمده برای این قطعه
11-4 نتایج خیز(جابهجایی) به وجود آمده در اسپیندل:
ماکزیمم خیز بسیار جزیی در نوک سگدست به مقدار 1.7041e-5m به دست آمد.
12-4 تحلیل کرنش اسپیندل:
مقدار کرنش در اثر اعمال نیرو در اسپیندل برابر با 0.0001537m بوده است.
13-4 تحلیل تنش ون میسز اسپیندل:
مقدار ماکزیمم تنش در این قطعه برابر با 3.1816e7 pa به دست آمد.
14-4 ضریب اطمینان در اسپیندل:
برای ضریب اطمینان اسپیندل خواهیم داشت.
15-4 میزان خیز(جابهجایی) به وجود آمده در توپی:
خیز بسیار جزیی، در سطح سوراخها در سمتی که به محیط خارجی توپی نزدیک است به مقدار 1.8428e-6m به دست آمده است.
16-4 تحلیل کرنش توپی:
مقدار کرنش توپی در اثر اعمال نیرو برابر با 8.9993e-5mm شده است.
17-4 تحلیل تنش های اصلی توپی:
بیشترین تنش در ماکزیمم تنش اصلی برابر با5.8749e6 pa و کمترین مقدار برای تنش اصلی در مینیمم تنش اصلی مقدار-4.565e6 pa به دست آمد.
18-4 ضریب اطمینان در توپی:
با توجه به روابط ارایه شده در بالا ضریب اطمینان در توپی 24 به دست آمده است.
19-4 خیز(جابهجایی) به وجود آمده در مجموعه اکسل:
ماکزیمم خیز که در محور مرکزی قاب صورت پذیرفته برابر با 0.00029684m به دست آمده است.
20-4 تحلیل تنش ون میسز اکسل:
جواب برای ماکزیمم تنش مجموعه اکسل برابر با 9.7029e7 پاسگال به دست آمد و محل آن سمت پایین زانویی اسپیندل میباشد.
21-4 ضریب اطمینان در کل مجموعه اکسل:
ضریب اطمینان در کل مجموعه تحت بار 13087 N برابر با3.35 بدست آمد.
22-4 خیز در اکسل تحت بار گذاری با نیروی دو برابر:
ماکزیمم خیز که در محور مرکزی قاب صورت پذیرفته برابر با0.00059369m بوده است.
شکل((6 میزان خیز در اکسل با نیروی اعمالی دو برابر
23-4 تحلیل تنش ون میسز اکسل تحت اعمال نیروی دو برابر:
جواب برای ماکزیمم تنش مجموعه اکسل با افزایش نیروی اعمال شده نیز افزایش یافته که برابر با 1.9406e8 Pa به دست آمد و محل آن سمت پایین زانویی اسپیندل نشان داده شد.
24-4 ضریب اطمینان در اکسل تحت بارگذاری نیروی دو برابر:
ضریب اطمینان در کل مجموعه با افزایش نیروی اعمال شده کاهش یافته و به عدد 1.67 رسید.
شکل((7 ضریب اطمینان در کل مجموعه با افزایش نیروی اعمالی Fig (7) by increasing the safety factor of the whole actions
.5 نتیجه گیری:
ضریب اطمینان به دست آمده برای قاب اصلی (frame Center Beam) و اسپیندل حدود 11 حاصل شد که ضریب اطمینان بسیار مناسبی است. همچنین ضریب اطمینان برای بازویی (Arm Axle) در حدود 6 بود که مقدار قابل قبولی است. از آنجایی که برای قطعات چدنی که جزء مواد شکننده میباشد بحث فشار و کشش پیش میآید با توجه به تئوری کلمب مور در مواد شکننده ضریب اطمینان برای توپی((Hub-Front تقریبا 24 به دست آمد. در نتیجه، این قطعات در برابر بارهای استاتیکی، مقاومت مناسبی را دارا میباشند.
در کل مجموعه اکسل، حداکثر تنش روی Spindle در حدود 97Mpa به دست آمد. ضریب اطمینان به دست آمده برای کل مجموعه 3.35 است که ضریب اطمینان مناسبی میباشد. با افزایش نیروی وارده تا دو برابر نیروی محاسبه شده بر کل مجموعه برای حصول اطمینان بیشتر از استحکام اکسل، بیشترین تنش در کل مجموعه در اسپیندل به مقدار 194Mpa و ضریب اطمینان1.67 به دست آمد که این ضریب نیز به 2 نزدیک بوده و به نظر ضریب اطمینان منطقی میباشد.
در کل، با توجه به مواد به کار رفته در کارخانه سازنده، اکسل تراکتور MF 285 دارای مقاومت مناسبی در برابر بارهای استاتیکی میباشد.
.6 منابع
1) A. Ashok Kumar, K. P. Pandey and A. Srinivasarao. ”Design of digital weight transfer display for agricultural tractors” (2012 ) African Journal of Agricultural Research Vol.3
2) Behrozi lar. M. (1990). Usage and recognition tractor.vol.1
3) Department The technical documentation Tractor,Iran-Tabriz
4) G. Rajesh Babu and N. Amar NageswaraRao . STATIC AND MODAL ANALYSIS OF REAR AXLE HOUSING OF A TRUCK .(2011 ). International eJournals
5) Harish V. Katore G. H. RaisoniSantosh B. Jaju(2011) REDESIGNING OF TRACTOR TROLLEY AXLE
USING ANSYS International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST)× 6) Jafari. S, (2006). “Statistical analyses of front axle combine JD 955”. Fifth congress engineering agricultural machinery.
7) Khdabkhshyan, b. Shakeri, M. Brothers, c.(2008 ) “Statistical analysis of failure and troubleshooting Massey Ferguson 285 tractor”. Third Conference of machinery condition monitoring and diagnostics.
Sharif.
8) Leon, N., P.O. Martinez and P. Adaya, (2000). Reducing the Weight of a Frontal Axle Beam Using Experimental Test Procedures to Fine Tune FEA, 2nd Worldwide MSC Automotive Conference, Dearborn,Michigan
9) Mansouri Rad, d. (2004). Tractors and farm machinery.Vol.1. Eleventh edition.
10)Mahanty, K. D., V. Manohar, B.S . Khomane and S. Nayak, (2001). Analysis and Weight Reduction of a Tractor’s Front Axle. Tata ConsultancyServices, India, SwarupUdgata, International Auto Limited, India
11) Soltani Nejad, M.. Sanei, a. Farsi. M. A.S. (2011 ) “Optimal design of the front axle lowering Valtra tractor 8400 model”. Fourth National Conference on Mechanical engineering.