طراحی و تحلیل نرم افزاری تیغه های دستگاه مکنده- خردکن برگ و چمن زن



دانشگاه اراک
دانشکده کشاورزی

طراحی و تحلیل نرم افزاری تیغه های دستگاه مکنده- خردکن برگ و چمن زن

گزارش سمینار کارشناسی گروه ماشین های کشاورزی

استاد راهنما

1393

Heidariaa66@yahoo.com

فهرست

چکیده 3
مقدمه 4
1- مواد و روش ها 7
1-1 تعیین ابعاد تیغه ها 7
1-2 تعیین جنس تیغه ها 8
1-3 آزمایش تعیین نیروی برش برگ 8
1-4 طراحی و تحلیل تیغه ها 10
1-4-1 طراحی و تحلیل تئوری 10
1-4-2 طراحی و تحلیل نرم افزاری 12
2- بحث و نتایج 15
2-1 تعیین ابعاد تیغه ها 15
2-1-1 تیغه خردکن برگ 15
2-1-2 تیغه چمن زن 16
2-2 تعیین جنس تیغه ها 17
2-3 تعیین اندازه بارگذاری روی تیغه ها 17
2-4 طراحی و تحلیل تیغه ها 18
2-4-1 طراحی 18
2-4-2 تحلیل تئوری 19
2-4-3 تحلیل نرم افزاری 19
3- نتیجه گیری و پیشنهادات 23
منابع 24
چکیده:
برای جمع آوری برگ ها ی درختان از سطح پارک ها و فضای سبز شهرها و بازیافت سریع و آسان آن، نیاز به یک دستگاه مکنده- خردکن داریم که در این تحقیق به طراحی و تحلیل تیغه خردکن آن پرداخته شده است. همچنین این پروسه برای تیغه چمن زن نیز طی شده است. ابتدا از بین انواع تیغه ها، تیغه ی خردکننده مخلوط کن برای دستگاه مکنده- خرد کن و تیغه مسطح برای تیغه چمن زن انتخاب شد؛ سپس به وسیله نرم افزار SolidWorks طراحی و اثر نیروهای برشی برگ ها و چمن روی تیغه ها در محیطSimulation آن نرم افزار، تحلیل و بررسی شد. طراحی با توجه به استانداردها و نیاز و با استناد بر طراحی اجزای ماشین، صورت گرفت و با توجه به اینکه دستگاه خرد کننده برگ دارای چهار تیغه است، هرچهار تیغه به طور همزمان تحلیل شد و این تحلیل برای تیغه چمن زن با توجه به نوع تیغه وشرایط کاری آن، فقط روی یکی از لبه های برنده آن صورت گرفت. تحلیل به صورت دینامیکی و شامل وارد کردن جنس تیغه، اعمال مش بندی، شرایط مرزی، سرعت دورانی تیغه(4000 دور بر دقیقه) و در نهایت بارگذاری روی تیغه ها به صورت گسترده روی لبه تیز تیغه بود. برای اعمال بارگذاری روی تیغه ها، باید ابتدا مقدار نیروی وارد به آن، از طریق آزمایش برای تخمین مقاومت برشی برگ ها محاسبه شود؛ به همین جهت این آزمایش در آزمایشگاه دانشکده کشاورزی دانشگاه شهرکرد طراحی گردید. طرح آن شامل یک تیغه بالایی(متحرک)، و یک تیغه پایینی(ثابت)، دو گیره نگهدارنده برگ ها و یک تکیه گاه در یک سمت و یک ترازو می شد. ترازو به یک رایانه که از طریق نرم افزار مخصوص ترازوی مورد نظر نیروی اعمال شده را ثبت می کند، متصل بود. تیغه بالایی برای حرکت رو به بالا و پایین به یک الکتروموتور و یک سیستم تسمه و پولی اتصال داشت. در آزمایش مورد نظر برگ های 5 گونه درخت شامل توت، چنار، نارون، بید و زبان گنجشک به عنوان درختان غالب در فضاهای شهری، آزمایش شد. بیشترین مقاومت برشی مربوط به برگ چنار با یک نیوتن نیرو بود و در مجموع با توجه به اینکه ممکن است به هرتیغه چند برگ برخورد کند، 10نیوتن نیرو برای بارگذاری روی تیغه ها اعمال شد. برای تیغه چمن زن باتوجه به اینکه امکان دارد تیغه به سنگ و مواد خارجی برخورد کند، 200 نیوتن نیرو به تیغه اعمال شد. برای جلوگیری از زنگ زدن تیغه ها ، جنس آنها از فولاد زنگ نزن AISI 304 انتخاب شد. خروجی تحلیل نرم افزار به صورت کانتورهای تنش محوری، کرنش و تغییر مکان در اثر اعمال نیرو، بدست آمد که بیشترین مقدار تنش در تیغه خردکننده ناشی از اعمال بار روی لبه تیغه ها به اندازه 67.97 MPa و کمترین آن 9.18 KPa بود و برای تیغه چمن زن بیشترین مقدار تنش 82.3 MPa و کمترین آن512 KPa بود و باتوجه به مقدار استحکام تسلیم فولاد انتخابی که برابر 206.8 MPa است، نتایج نشان داد تیغه ها دارای ضریب ایمنی مناسبی است و از حاشیه امنیت بالایی برخوردار است.
کلید واژه: برگ، چمن، تیغه خردکننده و برش، نیروی برشی، نرم افزار SolidWorks
مقدمه:
بسیاری از جوامع پیشرفته امروزه به علت تاکید ویژه ای که بر روی بازیافت و مدیریت بقایای طبیعی، جهت کاهش آلودگی های زیست محیطی دارند و از طرف دیگر، چون همواره بدنبال راهکارهایی برای کاهش هزینه های عملیات تولید کود کمپوست بوده اند، جهت جمع آوری برگهای ریزش شده و جداسازی آنها از روی سطح چمن پارک ها و سطوح دیگر، برنامه ریزی های وسیعی داشته اند. از این روی، مشاهده می شود، ماشین‎ ها و دستگاه های بسیاری برای جمع آوری، فشرده سازی و تجزیه کردن راحت تر و سریع تر بقایای طبیعی به مرور زمان ساخته شده و توسعه یافته است.
در ایران با توجه به ریزش انبوه برگ های پاییزی در مکان هایی از جمله پارک‎‎‎‎‎‎‎‎‎‎ ها و فضا های سبز و با توجه به نیاز سازمان های فضای سبز و بازیافت مواد به دستگاه هایی جهت جمع آوری آسان و سریع برگ ها و کمک به بازیافت آنها برای تولید کود کمپوست و همچنین عدم تولید ماشین ها و تجهیزاتی به طور انبوه در این زمینه در داخل کشور، ضروری است که متناسب با شرایط هرمنطقه دستگاه هایی طراحی و ساخته شوند. دستگاه مکنده- خرد کن برگ یکی از این دستگاه ها است.
استفاده از نیروی کارگر علاوه بر تحمیل هزینه زیاد نیاز به صرف وقت بیشتری هم دارد، لذا به نظر می رسد استفاده از ماشین هایی که برای این کار طراحی شده اند مفید باشد تا جایگزین نیروی کارگری شوند.
قسمت خرد کن دستگاه مکنده- خردکن که یکی از بخش های اصلی دستگاه به حساب می آید، بخشی است که در آن برگ های مکیده شده توسط قسمت مکنده، حین عملیات مکش و یا بعد از آن خرد و تکه تکه می شوند. انواع قسمت های خردکن در دستگاه مکنده- خردکن برگ معمولا به این صورت می باشد:
1- تیغه های خردکننده1:
تیغه های خردکننده در واقع صفحات فولادی از یک طرف تیز شده با مقطع مستطیلی شکل می باشند که در اثر چرخشی که حول محور خود دارند و برخوردی که بین لبه تیز آنها و برگ های جمع آوری شده ایجاد می گردد سبب برش، خردکردن و تکه کردن برگ ها می شوند:
الف) تیغه های خردکننده مسطح2:
این تیغه ها به صورت صفحاتی مسطح با لبه های تیز شده می باشند که دارای زاویه 90 درجه نسبت به محور گردنده تیغه هستند.تعداد تیغه ها دو تا هشت تیغه است. این تیغه ها بیشتر برای برش چمن در چمن زن ها استفاده می شود.
ب) تیغه های خردکننده مخلوط کن3:
این تیغه خردکننده بصورتی هستند که قسمت برش تیغه، موازی با محور گردنده بوده و بازوهای ارتباطی تیغه به صورت زاویه دار با قسمت برشی قرار گرفته اند. این تیغه ها که به صورت دوتایی یا چهارتایی می باشند، این مزیت را نسبت به بقیه تیغه ها دارند که حین عملیات برش و خردکردن برگ های مکیده شده، سبب مخلوط کردن آنها نیز می شوند که این کار به خرد شدن بهتر برگ ها، کمک خواهد کرد.
ج) تیغه های خردکننده سه تایی4:
همانطور که از اسمشان مشخص است به صورت سه تیغه با ساختار یک پارچه می باشند و از لحاظ عملکرد شبیه تیغه های مسطح هستند.
د) تیغه های دیسکی5:
این تیغه ها، دارای قسمت هایی به صورت برآمدگی و فرورفتگی بر روی یک صفحه دیسک مانند به عنوان بخش های خردکننده تیغه می باشند.
2- شبکه خرد کننده6:
در برخی از مکنده- خردکن های برگ به جای تیغه های خردکننده، صفحه فلزی سوراخ دار عملیات برش و خردکردن برگ ها را انجام می دهد، بدین صورت که این سوراخها در مسیر عبور جریان برگ ها قرار گرفته و سبب می شود که برگ ها پس از عبور از سوراخهای آن تکه تکه و ریز شوند. این صفحات معمولا قبل از مکنده قرار می گیرند.
با توجه به نیاز به یک فن مکنده با قدرت بالا برای دستگاه هایی که از این شبکه ها در آنها استفاده شده است، تیغه های خردکننده برای دستگاه مکنده- خردکن انتخاب می شود. همچنین به این علت که تیغه های خردکننده نوع مخلوط کن نسبت به بقیه تیغه ها دارای کاردهی بهتری برای برش برگ هاست، یک مجموعه تیغه چهارتایی مخلوط کن انتخاب گردید. همچنین برای تیغه چمن زن از یک تیغه مسطح دوتایی استفاده و به صورت نرم افزاری تحلیل شد.

شکل 3. اجزای دستگاه مکنده- خردکن و محل قرارگیری تیغه
1-مواد و روش ها:
1-1 تعیین ابعاد تیغه ها:
ابعاد تیغه برای دستگاه مکنده- خردکن مطابق با استاندارد تیغه خردکن مواد طبیعی مانند برگ در شکل 4 نشان داده شده است:
A : پهنای تیغه
: Bطول قسمت برنده تیغه
C : ضخامت تیغه
D : فاصله قطری بین تیغه
: E قطر سوراخ وسط تیغه
F : قطر قسمت دایره ای تیغه
G : طول قسمت بازوی تیغه
 : زاویه برش تیغه
 : زاویه بین قسمت برشی تیغه و بازوی تیغه

در طراحی تیغه چمن زن که از یک تیغه مسطح دوتایی استفاده می شود، ابعاد آن شامل ضخامت تیغه، پهنای تیغه، طول تیغه، طول قسمت برنده تیغه، قطر سوراخ تیغه و زاویه برش تیغه است که در شکل 5 نشان داده شده است:

شکل 5. ابعاد تیغه چمن زن
1-2 تعیین جنس تیغه ها:
با توجه به اینکه تیغه ها در تماس با چمن و یا برگ هستند، می توان از ماده ای برای ساخت تیغه ها استفاده کرد که ضد زنگ باشد. همچنین باید فراوانی آن در بازار، قیمت مناسب و استحکام آن مدنظر قرار گیرد. با توجه به موارد ذکر شده جنس تیغه ها را میتوان از سری فولاد7 ها انتخاب نمود.
1-3 آزمایش تعیین نیروی برش برگ:
هدف از این آزمایش تعیین نیروی لازم ازطرف تیغه ی آزمایش به برگ تا مرحله برش کامل برگ است تا نیروی وارد به تیغه خردکن در شرایط واقعی کار تیغه خردکن بدست آید.
در سال 2001 سانسون8 و همکاران، تعدادی آزمایش را برای تعیین خواص فیزیکی برگ درختان طراحی کردند. یکی از این آزمایش ها، آزمایش تعیین مقاومت برشی و انرژی برشی برگ بود. در این آزمایش مطابق با شکل 6، برگ مورد ارزیابی، بر روی دو تکیه گاه عمودی قرار می گیرد، سپس در زیر برگ یک تیغه ثابت قرار می گیرد. در بالای سطح برگ نیز یک تیغه متحرک تیز شده با زاویه 45 درجه که حرکتی در جهت بالا و پایین دارد، قرار داده شده است ضخامت تیغه ها 4 میلیمتر و از جنس فولاد هستند تیغه متحرک بالایی به استرین گیج متصل شده است که خود استرین گیج نیز به یک داده نگار متصل است و حین حرکت به طرف پایین و بالا و با سرعت 84/0 میلیمتر بر ثانیه، نیروی برش برگ را ثبت می کند.

شکل 6. نمایی از دیاگرام آزمایش انجام شده توسط سانسون و همکاران

برای انجام این تحقیق، آزمایشی توسط مهندس شیرنشان و همکاران و با استفاده از تجهیزات آزمایشگاه گروه ماشین های کشاورزی دانشگاه شهرکرد و با در نظرگرفتن شبیه سازی آزمایش بالا انجام شده است که در شکل 7 نشان داده شده است. طرح شامل یک تیغه بالایی(متحرک) و یک تیغه پایینی(ثابت)، دو گیره که برگ ها را به طور ثابت نگه داشته اند و روی یک تخته چوبی قرار گرفته اند و یک تکیه گاه در یک سمت و یک ترازو در سمت دیگر، می شود. دقت ترازو در حد یک دهم گرم و به یک رایانه که از طریق نرم افزار مخصوص ترازوی مورد نظر نیرروی اعمال شده را ثبت می کند، متصل است. زاویه تیغه بالایی و ضخامت آن، به ترتیب 45 درجه و 5 میلیمتر در نظر گرفته شده است. تیغه بالایی برای حرکت رو به بالا و پایین به یک الکتروموتور و یک سیستم تسمه و پولی متصل است. سرعت حرکت تیغه تقریبا برابر با 1/0 میلیمتر بر ثانیه انتخاب گردیده است. لازم به توضیح است که برگ کاملا محکم توسط گیره های دو طرف نگه داشته شده تا از برش برگ در اثر خمش جلوگیری می کند.

شکل 7. نمایی از طرح آزمایش انجام شده برای تعیین مقاومت برشی برگ

با توجه به شکل، نیرویی که بر روی کفه ترازو اعمال می شود، مبنای محاسبه نیروی برشی برگ در نظر گرفته می شود که در شکل 8 نشان داده شده است:
معادله 1
F1 = F3 , F2 = 2 × F1
F1 : نیروی اعمالی از تخته چوبی کفه ترازو
F2 : نیروی برشی برگ
F3 : نیروی اعمالی از تکیه گاه به تخته چوبی

بنابراین طبق معادله 1 نیروی برشی برگ، دو برابر نیروی اندازه گیری شده توسط ترازو است.

شکل 8. سیستم تعادل نیرویی در آزمایش مقاومت برشی برگ

در این آزمایش برگ های 5 درخت شامل توت، نارون، چنار، بید و زبان گنجشک به عنوان درختان غالب فضای سبز در شهر های بزرگ استفاده شد. برگ به گونه ای در گیره قرار گرفت که عرض و طول برش برگ به ترتیب 5 و 3 سانتیمتر شد. آزمایش برش به وسیله تیغه بالایی دستگاه، برای هر نوع برگ با سه بارتکرار انجام شد. سپس مقدار نیروی اندازه گیری شده توسط ترازو توسط نرم افزار ثبت گردید و از این داده ها به عنوان نیروی وارد شده به تیغه ها برای تحلیل نرم افزاری استفاده شد.

شکل 9. تصاویری از آزمایش تعیین نیروی برشی برگ

1-4 طراحی و تحلیل تیغه ها:
1-4-1 طراحی و تحلیل تئوری:
نظریه انرژی واپیچش پیش بینی می کند که تسلیم هنگامی رخ می دهد که انرژی کرنش واپیچش در یک حجم واحد ماده، به انرژی کرنش واپیچش حجم واحد در تسلیم کشش یا فشار ساده همان ماده برسد یا بیش از آن شود. برای رسیدن به این نظریه با توجه به شکل 10 یک حجم واحد، زیر حالت تنش سه محوری σ_3 ، σ_2 ، σ_1 است، در نظر بگیرید:
تنش تسلیم طبق معادله 2 ، به این شکل پیش بینی می شود:
معادله 2
[((σ_1-σ_2 )^2+(σ_3-σ_1 )^2+(σ_2-σ_3 )^2)/2]^(1⁄2)≥s_y

این تنش موثر را تنش ون میسز9، σ^' گویند که به نام دکتر ون میسز10 که درپدید آمدن این نظریه شرکت داشته است، نامگذاری شده است. پس می توان برای تنش تسلیم چنین نوشت:
σ^'≥s_y
که تنش ون میسز برابر است با:
〖 [((σ_1-σ_2 )^2+(σ_3-σ_1 )^2+(σ_2-σ_3 )^2)/2]〗^(1⁄2)=σ^'
بنابراین ضریب ایمنی برای این معادله برابر است با:
معادله 3
n = s_y/σ^'

قطعات ماشین به فراوانی در اثر تنش های نوسانی می شکنند، حال آنکه از تحلیل های بسیار دقیق آشکار است که بیشترین مقادیر تنش های عملی،کمتر از مقاومت نهایی ماده و در بسیاری حالات حتی کمتر از مقاومت تسلیم است.گویا ترین ویژگی این شکست ها تکرار تنش به دفعات بسیار زیاد است. از این رو شکست را شکست خستگی گویند و طبق معادله 4 مقاومت خستگی11 برابر است با:
معادله 4
s_f=aN^b
a=(〖fs〗_ut )^2/s_e
b=-1/3 log⁡(〖fs〗_ut/s_e )
N: تعداد نوسان (1≤ N≤10^7 و N=0.5 در آزمون کشش ساده)
:s_ut مقاومت کششی
:〖 s〗_e حد دوام یا حد خستگی
:f کسری ازs_ut
معادله 5
■(s_ut≤212 kpsi(1460 MPa)@s_ut>212 kpsi@s_ut>1460 MPa)
s_e={█(0.504s_ut kpsi or MPa@107 kpsi@704 MPa)┤

جدول 1. تقریب زنی f نسبت به s_ut
1380
630
620
415
s_ut
0.77
0.82
0.86
0.93
f

در نرم افزار SolidWorks از تنش ون میسز برای تحلیل استفاده می کنیم و ضریب ایمنی و مقاومت خستگی را به صورت تئوری محاسبه می کنیم.
1-4-2 طراحی و تحلیل نرم افزاری:
نرم افزارهای متنوعی برای مدل سازی و تحلیل قطعات در دنیا وجود دارد که تعدادی از آنها مانند ANSYS، ABAQUS، Inventor، CATIA، SolidWorks و… به صورت حرفه ای در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد.
دو ویژگی منحصر به فرد در SolidWorks همچون داشتن رابطه خوب با کاربر12 و نزدیکی بسیار با واقعیت در ترسیم ها، تحلیل ها وهمه موارد13، این نرم افزار را از دیگر نامداران در این عرصه متمایز ساخته است و تمام خواسته های ما را برای استفاده از این نرم افزار در طراحی و تحلیل برآورده ساخته است. شاید نرم افزارهای ABAQUS و ANSYS در بخش تحلیل پرطرفدار باشد و بطور گسترده در صنعت اتومبیل سازی، هوا فضا و صنایع ساخت کالاهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد، اما SolidWorks نیز در این بخش در سالهای اخیر پیشرفت های قابل ملاحظه ای داشته و به جد می توان آن را رقیبی سرسخت برای بزرگان این عرصه به شمار آورد و این پیش بینی را کرد که در سال های نچندان دور صاحب صنایع را به خود جلب کرده واز تمام رقبای خود پیشی خواهد گرفت.
بخش تحلیل در این نرم فزار بر عهده ی Simulation قرار دارد که این بخش نیزدارای ویژگی های برجسته ای است همچون:
1- به طور کامل در محیط SolidWorks کار می کند و کاربر به منظور استفاده از آن نیاز ندارد با محیط جدیدی آشنا شود .
2- توانایی تحلیل قطعات مونتاژ شده که در بین اعضا فضای خالی یا تماس با اصطکاک باشد را داراست.
3- قابلیّت تعریف ورودی ها از قبیل جنس مادّه، قیدها، بارگذاری ها،اندازه مش ها و…
4- قابلیّت بهینه سازی شکل اجسام و قطعات مونتاژ شده وقتی که مدل دارای قیدهایی از قبیل قیــدهای استاتیکی ، حرارتی یا کمـانش بوده و یا مـواردی که بهینه سازی ویژگی هایی چون جرم ، جسم یا ضرایب شکل مدّ نظر باشد .
5- وجود مش بند AccuStress . این مش بند مناطق بحرانی را پیدا کرده و در این نواحی مش بندهای بهتری را به طور خودکار قرار می دهد تا این اطمینان حاصل شود که محاسبات تنش دقیق خواهیم داشت .
6- با پشتیبانی گرافیک سه بعدی بر پایه ی Open Gl نتایج را به صورت گرافیکی و سریع در اختیار کاربر قرار می دهد.

در این تحقیق از SolidWorks Premium نسخه 2012 برای مدل سازی و تحلیل تیغه ها استفاده شد. ابتدا نقشه سه بعدی تیغه ها ترسیم و هر 4 تیغه ی خردکننده ی دستگاه مکنده- خردکن به طور همزمان و یکی از دو تیغه دستگاه چمن زن در محیط Simulation SolidWorks به صورت دینامیکی آنالیز شد. در بخش تحلیل ابتدا نوع حل مسئله(استاتیکی، گرمایی، فرکانسی، دینامیکی و…) جنس تیغه ها، بارگذاری روی لبه تیغه ها، شرایط محل اتصال تیغه ها به محور دوران و شرایط اولیه(سرعت دورانی تیغه ها) مشخص و سپس اندازه و نوع مش بندی مدل تعیین شد و نتایج مورد نظر به صورت کانتورهای تنش محوری14، کرنش15 و جابه جایی16 بدست آمد.

شکل 10. نمایی از طراحی نرم افزاری تیغه خردکننده برگ

شکل 11. نمایی از المان بندی و بارگذاری تیغه چمن زن در محیط SolidWorks Simulation

2- بحث و نتایج:
2-1 تعیین ابعاد تیغه ها:
بدست آوردن ابعاد مناسب هر قطعه کاری دشوار و نیازمند اطلاعات در بسیاری از زمینه ها اعم از دانش طراحی اجزاء، مقاومت مصالح و … است. در این تحقیق سعی شده که ابعاد تیغه ها بر اساس نیاز، استانداردها، تحلیل های تئوری و نرم افزاری و آزمون و خطا بدست آیند و خواسته های ما را برای داشتن تیغه ای با ابعاد و کارکردی مناسب برآورده سازد.
2-1-1 تیغه خردکن برگ:
طول قسمت برشی تیغه طبق استاندارد های تیغه های برشی برگ، از4 تا 10 سانتیمتر است که در این طرح با توجه به ابعاد محفظه خردکننده، 5 سانتیمتر در نظر گرفته شد.
قطرسوراخ وسط تیغه ها با توجه به اینکه مجموعه تیغه ها از طریق یک پیچ استاندارد، به شفت گرداننده متصل می شود، 15 میلیمتر در نظر گرفته شد.
قطر قسمت دایره ای تیغه، با توجه به ابعاد قسمتی که تیغه های خردکنننده قرار می گیرد، 4سانتیمتر، ضخامت آن باتوجه به اینکه تنش بیشتری به این قسمت وارد می شود، 4 میلیمتر در نظر گرفته شد.
ضخامت تیغه در ابتدا 4 میلیمتردر نظر گرفته شده بود که پس از تحلیل و بررسی نتایج به 2میلیمتر کاهش داده شد.
پهنای تیغه به منظور کاهش تمرکز تنش در محل اتصال تیغه به قسمت دایره ای آن، 2 سانتیمتر در نظر گرفته شد.
طول قسمت بازوی تیغه به اندازه محل قرارگیری تیغه در زیر فن مکنده، 5/5 سانتیمتر در نظر گرفته شدکه در شکل به علت ایجاد فیلت17 در بالا و پایین آن در طراحی به حدود 3/5 سانتیمتر نشان داده شده است.
زاویه بین قسمت برشی تیغه و بازوی تیغه،135 درجه در نظر گرفته شد تا فاصله قطری بین تیغه ها به اندازه مورد نظر برسد.
زاویه قسمت برنده تیغه 45 درجه در نظر گرفته شد.

شکل 12. ابعاد تیغه خردکن برگ(برحسب میلیمتر)

2-1-2 تیغه چمن زن:
تیغه های چمن زن از نظر ابعاد بسیار متنوع هستند. در این تحقیق سعی شده است ابعاد آن با تیغه های چمن زن درواقیعت تناسب داشته باشد.
طول قسمت برنده تیغه، 6 سانتیمتر و زاویه آن 27 درجه درنظر گرفته شد.
طول کل تیغه طبق استاندارد از 20 سانتیمتر تا 100سانتیمتر است که در اینجا 30سانتیمتر و عرض آن 6 سانتیمتر در نظر گرفته شد.
طول قسمت پرتاب کن 3 سانتیمتر و زاویه آن نسبت به سطح رویه 25 درجه در نظر گرفته شد.
سوراخ تیغه شامل یک قسمت دایره ای با شعاع 3/6 میلیمتر در وسط و چهار چهار ضلعی نامنظم به طول و عرض به ترتیب 45/5 و 20/4 میلیمتر است. این طراحی به نصب راحت تر و لغزش کمتر حین چرخش کمک می کند.

شکل 13. ابعاد تیغه چمن زن

2-2 تعیین جنس تیغه ها:
با توجه به اینکه زنگ نزدن تیغه ها مد نظر بود، بنابراین در این تحقیق فولاد زنگ نزن AISI 304 مطابق با استاندارد انجمن چدن و فولاد آمریکا (با توجه به دسترسی راحت به آن در بازار آهن آلات ) برای هر دو تیغه چمن زن و خردکننده انتخاب گردید. مشخصات این فولاد از نرم افزار SolidWorks در جدول 1 آورده شده است:
جدول2. مشخصات مکانیکی فولاد زنگ نزن
Name:
AISI 304
Model type:
Linear Elastic Isotropic
Default failure criterion:
Max von Mises Stress
Yield strength:
2.06807e+008 N/m^2
Tensile strength:
5.17017e+008 N/m^2
Elastic modulus:
1.9e+011 N/m^2
Poisson's ratio:
0.29
Mass density:
8000 kg/m^3
Shear modulus:
7.5e+010 N/m^2
Thermal expansion coefficient:
1.8e-005 /Kelvin

2-3 تعیین اندازه بارگذاری روی تیغه ها:
نتایج حاصل از آزمایش تعیین مقاومت برشی برگ توسط مهندس شیرنشان و همکاران در جدول 2 آورده شده است:
جدول3. مقدار نیروی برشی اندازه گیری شده
مقدار نیروی برش برحسب گرم
نوع برگ
تکرار سوم
تکرار دوم
تکرار اول

75
82
85
توت
58
63
70
نارون
98
102
93
چنار
22
26
23
بید
35
31
32
زبان گنجشک

با توجه به جدول بیشترین مقدار نیروی برشی مربوط به برگ چنار با مقدار 102 گرم یا 02/1 نیوتن است.
با توجه به اینکه ممکن است چند برگ به طور همزمان به تیغه برخورد کند ویا علاوه بر برگ ها ساقه های کوچک و مانده های دیگر نیز مکیده شود، مقدارنیروی وارد به هر تیغه 10 نیوتن در نظر گرفته شد. نکته ای که در اینجا حائز اهمیت است، این است که با توجه به سرعت بسیار کم تیغه برش دهنده ی دستگاه آزمایش برش برگ، نیروی برشی در حالت تقریبا استاتیکی بدست آمده است، اما برگ ها در دستگاه مکنده- خردکن برگ به علت چرخش تیغه خردکننده، دارای یک برش دینامیکی خواهد بود که با توجه به اینکه مقدار نیروی مورد نیاز در حالت دینامیکی کمتر است، در نتیجه اعداد مورد استفاده در تحلیل و طراحی تیغه، از حاشیه امنیت خوبی برخوردار است.
چمن ها به نیروی بیشتری نسبت به برگ برای برش نیازمندند؛ به همین خاطر به تیغه ی چمن زن نیروی بیشتری وارد می شود. از طرف دیگر ممکن است تیغه به سنگ، جسم خارجی و یا ساقه خشکیده شده گیاهان کوتاه برخورد کند. در این تحقیق به طور پیش فرض 200 نیوتن نیرو را روی لبه تیغه بارگذاری می کنیم که با توجه به موارد ذکر شده نیروی مناسبی می باشد.
2-4 طراحی و تحلیل تیغه ها:
2-4-1 طراحی:
مجموعه تیغه خردکننده برگ شامل چهار تیغه برنده و بازوی آن وقسمت رویه که در محیط اسمبلی به هم متصل شده است. در طراحی از گزینه فیلت برای انحنای بیشترقسمت ها استفاده شد.
تیغه چمن زن به صورت یک تکه ساخته شده و در محل اتصال شفت موتور به بدنه تیغه از یک سوراخ شامل نیم دایره ها و چند ضلعی های نامنظم برای ساخت آن استفاده شد.
2-4-2 تحلیل تئوری:
بیشترین تنش وارد به تیغه خردکننده 68 MPa است و مقاومت تسلیم فولاد206 MPa می باشد که با توجه به معادله 3 ضریب ایمنی ون میسز برابر است با:
برای تیغه خردکننده:
n=206/68=3.02
برای تیغه چمن زن:
n=206/82.3=2.49

حد دوام و مقاومت خستگی برای این تیغه بر اساس معادله های به ترتیب 4 و 5 و جدول های 1 و 2 وتعداد نوسان 10^7 برابر است با:
s_ut=517 MPa
s_e=0.504×517=260.56 MPa

f=0.895
a=(0.895×517)^2/260.56=821.71 MPa
b=-1/3 log⁡((0.895×517)/260.56)=-0.08313
→s_f=〖821.71×10000000〗^(-0.08313)=215.18 MPa

2-4-3 تحلیل نرم افزاری:

شکل 15. تحلیل تنش و مکان های بیشترین و کمترین مقدار تنش
پس اعمال شرایط اولیه (سرعت 4000 دور بر دقیقه)، نقطه ثابت و نیروها وارد بر تیغه ها، مش بندی با اندازه ی 2 در 1/0 میلیمتر وبا کیفیت بالا در قطعه اعمال شد.
نتایج تنش محوری در شکل 15 نشان داده شده است بیشترین تنش در محل اتصال بازوی تیغه و قسمت دایره ای آن و کمترین تنش در پایین ترین قسمت پشت تیغه ها است. در شکل 15 نیروها با رنگ بنفش و حرکت تیغه ها با زنگ سبز نشان داده شده است.
در شکل 16 تنش ها در چهارگره نشان داده شده است و شکل 17، نمودار اندازه تنش به مدت زمان اعمال نیرو در آن چهار نقطه نشان داده شده است.
تحلیل بعدی مقدار تغییر مکان است که در شکل 18 نشان داده شده است. همانطور که پیش بینی می شد بیشترین تغییر مکان در انتهای تیغه ها به اندازه 4/0 میلیمتر و کمترین آن به اندازه 10^(-30) میلیمتر در قسمت سوراخ تیغه است.
آخرین تحلیل، بررسی اندازه کرنش است که در شکل 19 نشان داده شده است. بیشترین کرنش 2.25×10^(-4) و کمترین آن3.95×10^(-8) اندازه گیری شد.
تا اینجا تحلیل تیغه خردکننده برگ بررسی شد ودر ادامه تیغه چمن زن را تحلیل می کنیم.
شرایط کار تیغه چمن زن شبیه به تیغه خردکننده برگ است. در اینجا از دو تیغه چمن زن، یکی از آن را بارگذاری و تحلیل می کنیم.
در تحلیل تنش محوری در شکل20 ، بیشترین تنش 82.3 MPa و کمترین تنش 512 Pa است. شکل21 مقدارهای تنش و بیشترین تنش را در اطراف سوراخ نشان داده است.
در تحلیل جابه جایی بیشترین جابه جایی 0.07 میلیمتر و کمترین آن تقریبا 0 است.
کمترین و بیشترین کرنش نیز به ترتیب 0.000229 و 2.7×10^(-9) اندازه گیری شده است.

شکل 21. نمایی از بیشترین تنش در اطراف سوراخ شکل 20. تحلیل تنش در تیغه چمن زن

شکل 22. تحلیل کرنش

شکل 23. تحلیل جابه جایی

3- نتیجه گیری و پیشنهادات:
با توجه به بیشترین تنش های وارد به تیغه ها،آنها وارد فاز پلاستیک نشده اند و از حاشیه امنیت بالایی برخودار هستند.با توجه به نتایج حاصل از تحلیل نرم افزاری، بیشترین تنش در تیغه ی چمن زن در اطراف سوراخ حاصل شد که نتیجه شکل سوراخ است. در کل طراحی هر دو تیغه خوب ارزیابی می شود، ولی در تیغه چمن زن میتوان ضخامت را در دو انتهای تیغه برنده کمتر کرد.
پیشنهاد می شود جنس های متفاوتی در تیغه ها استفاده کرد وآنها را تحلیل کرد و بهترین آن انتخاب شود. همچنین به جای استفاده از تیغه مسطح در دستگاه چمن زن، از تیغه سه تایی استفاده و تحلیل شود و فرکانس های حاصل ازآنها با هم مقایسه شود.
منابع:
1- شیرنشان، ع. و همکاران.1387 . انتخاب، طراحی و تحلیل نرم افزاری قسمت خردکن یک دستگاه مکنده- خردکن، پنجمین کنگره ماشین های کشاورزی، مشهد
2- جمشیدی، ن.1390. راهنمای کاربردی SolidWorks 2012، انتشارات عابد. تهران
3- شادروان، ا.1390. طراحی اجزای ماشین(ترجمه). انتشارات نورپردازان، تهران.
4- Shirneshan, A. 2012. Design of vacuum section of a leaf collector machine, International journal of engineering

1 Shredder blades
2 Flat shredder blades
3 Mixing shredder blades
4 Trial shredder blades
5 Disk form shredder blades
6 Shredder screen
7 steel
8 sanson
9 Von Mises
10 R .Von Mises
11 Fatigue strength
12 user friend
13 real time
14 Stress
15 Strain
16 Displacement
17 fillet
—————

————————————————————

—————

————————————————————

0