pełny artykuł (full article) - plik PDF

Artur Boguta∗
KONSTRUKCJA I ZASADA DZIAŁANIA
UKŁADU POMIAROWEGO DO OCENY
REAKCJI DYNAMICZNYCH NASION
PODCZAS ICH UDERZENIA
Streszczenie. Podczas maszynowego zbioru nasion roślin uprawnych i obróbki pozbiorowej często
dochodzi do ich uszkodzeń, uniemoŜliwiających dalsze ich wykorzystanie do siewu lub przetwórstwa. Dlatego waŜne jest podjęcie działań zmierzających do ustalenia sił działających na nasiona
oraz energii w nich wydzielonych podczas zderzenia. Praca zawiera próbę rozwiązania tego problemu poprzez innowacje konstrukcyjne i wykonanie urządzenia pozwalającego uzyskać niezbędne dane na temat właściwości uderzanego obiektu.
Słowa kluczowe: przetwornik piezoelektryczny, uderzenie, uszkodzenie nasion
WSTĘP
Podczas maszynowego zbioru nasion roślin uprawnych i obróbki pozbiorowej występuje problem ujemnych skutków stosowanej mechanizacji, przede wszystkim występowania uszkodzeń zbieranych nasion. Problem ten jest od lat przedmiotem zainteresowania hodowców oraz ośrodków naukowych związanych z dziedziną fizyki materiałów
roślinnych.
PoniewaŜ uszkadzalność nasion jest efektem oddziaływania sił mechanicznych,
najczęściej pochodzenia dynamicznego, głównym problemem staje się poznanie zjawisk
zachodzących podczas zderzenia się nasion z napotkaną przeszkodą, co komplikują
następujące utrudnienia:
– niejednorodność zbieranych nasion, wynikająca z ich budowy anatomicznomorfologicznej i związana z tym anizotropowość komplikująca eksperymenty
zmierzające do wyznaczenia takich właściwości mechanicznych jak: spręŜystość,
plastyczność, wytrzymałość; eksperymenty te w przypadku badań statycznych są
bardziej zaawansowane od badań dynamicznych;
– brak jest na rynku dostępnej aparatury pomiarowej pozwalającej prześledzić
i poddać analizie zjawiska zachodzące podczas procesów zderzenia.
∗ Dr inŜ. Artur Boguta, Katedra InŜynierii Komputerowej i Elektrycznej Politechniki Lubelskiej
36
Artur Boguta
PRZEBIEG ZJAWISKA UDERZENIA
Budowa i analiza modeli obliczeniowych procesów uderzeniowych (dynamicznych)
musi opierać się na znajomości właściwości fizycznych zderzających się ciał, co w
przypadku nasion jest rzeczą bardzo trudną. Dodatkową trudność w analizie zjawiska
sprawia to, Ŝe układy spręŜyste mają zawsze nieskończoną liczbę stopni swobody i obliczanie bez pewnych uproszczeń jest niemoŜliwe. Analiza rozpatrywanego niŜej układu o
jednym stopniu swobody, mimo załoŜonego pewnego marginesu błędu, pozwala w
przybliŜeniu poznać i ocenić przebieg zjawiska, a takŜe niekiedy uzyskać wartość napręŜeń i odkształceń podczas uderzenia. Na rys. 1 przedstawiony jest model układu dynamicznego o jednym stopniu swobody. Przedstawia on przebieg uderzenia nasiona o
masie m o przeszkodę o nieporównywalnie większej masie mp (m<<mp). Zakładamy
przy tym, Ŝe masa układu spręŜystego symbolizuje odkształcenie lokalne w analizowanym modelu i jest bardzo mała w porównaniu z masą m. Nasiono przemieszcza się i po
zetknięciu się ze spręŜyną ma prędkość Vo a jego dalsze przemieszczenie odbywać się
będzie po tej samej linii.
m
mp
k
F
Rys. 1. Model układu dynamicznego o jednym stopniu swobody: nasiono o masie m i prędkości
Vo, spręŜyna o współczynniku spręŜystości k, imitująca odkształcenie lokalne, przeszkoda
o masie mp
Fig. 1. Model of dynamic arrangement about one degree of free stage: the embryo with mass m
and speed Vo, a spring with coefficient of resilience k, imitating a local deformation, an obstacle
about mass mp
W chwili kiedy nasiono zatrzymuje się, cała energia kinetyczna zamienia się
w energię potencjalną spręŜyny, przy czym siła oddziaływania pomiędzy nasionem
a spręŜyną (w warunkach rzeczywistych pomiędzy nasionem a przeszkodą) osiąga maksimum. Następnie zaczyna się jego ruch w przeciwnym kierunku, zmniejsza się siła
oddziaływania spręŜyny i w momencie początkowego połoŜenia nasiona siła jej oddziaływania maleje do zera i odrywa się ono od przeszkody, mając tę samą prędkość Vo
(o ile nie uwzględnimy strat).
Znając współczynnik spręŜystości k prędkość kątową drgań swobodnych będzie
wynosić:
ω=
k
m
(1)
KONSTRUKCJA I ZASADA DZIAŁANIA UKŁADU POMIAROWEGO...
37
a ogólne wyraŜenie dla przemieszczenia (odkształcenia) nasiona w dowolnej chwili
wyniesie:
ε = C1 cos ω t + C2 sin ω t
(2)
F
siła
F max
t
t’
0
t’’
czas
Rys. 2. Przebieg siły uderzenia nasiona o masie m, t’– czas deformacji, t’’– czas odbicia, t’+ t’’–
czas kolizji
Fig. 2. The impact force course for a seed of m mass, t’– time of deformation, t’’– reflection time,
t’+ t’’– collision time
Przyjmując za początek odczytywania czasu chwilę zetknięcia się masy m ze
spręŜyną otrzymamy warunki ruchu:
εt=0 = 0;
gdzie:
 dε 
 dt  = V0
(3)
V0 – początkowa prędkość nasiona o masie m,
stąd znajdujemy wartości stałych C1 = 0; C2 = V0··1/ω i wyraŜenie dla przemieszczenia
(odkształcenia) masy m:
ε=
1
V0 sin ωt
p
(4)
Z powyŜszego wzoru widać, Ŝe podczas uderzenia przemieszczenie nasiona
m zmienia się sinusoidalnie, przy czym jego prędkość w chwili odbicia równa się
prędkości początkowej i skierowana jest w przeciwną stronę:
 dε 
= −V0
 dt 
t = t ''
(5)
38
Artur Boguta
Największa siła oddziaływania między masą m występuje w chwili największego
odkształcenia (t = t’) i równa się:
Fmax = ε max ⋅ k =
V0
ω
⋅ k = 2 Ek ⋅ k
(6)
gdzie: Ek – energia kinetyczna nasiona
k – współczynnik spręŜystości.
Z otrzymanych zaleŜności dla największego przemieszczenia i największej siły przy
uderzeniu widać, Ŝe zaleŜą one tylko od energii kinetycznej masy nasiona w chwili
uderzenia Ek = m·V0/2 a nie zaleŜy od jego masy lub prędkości z osobna. Rozpatrywany
przypadek dotyczył uderzenia prostego i środkowego [Lejko 1997].
KONSTRUKCJA I ZASADA DZIAŁANIA UKŁADU DO ANALIZY
PROCESÓW ZDERZENIA ORAZ ZESTAW APARATURY
Głównym elementem zestawu do śledzenia przebiegu zderzenia jest odpowiednio
wykonany przetwornik piezoelektryczny (2), który reaguje na uderzenie nasiona.
Wytwarzany sygnał w przetworniku jest podawany na układ wzmacniający i
wyzwalający (3) oraz do oscyloskopu (4) sprzęŜonego z komputerem (6) za
pośrednictwem sieci komputerowej (rys. 3).
6
4
5
1
3
V
h
2
Rys. 3. Schemat blokowy układu pomiarowego siły i czasu uderzenia: 1 – uderzający obiekt, 2 –
przetwornik piezoelektryczny, 3 – wzmacniacz pomiarowy i układ wyzwalający, 4 – oscyloskop
cyfrowy, 5 – koncentrator sieciowy (HUB), 6 – komputer
Fig. 3. Flow chart diagram of the measuring system and impact time: 1 – impact object, 2 – piezoelectric converter, 3 – measuring amplifier and starting system, 5 – network concentrator,
6 – digital oscilloscope, 6 – computer PC
KONSTRUKCJA I ZASADA DZIAŁANIA UKŁADU POMIAROWEGO...
39
Zastosowany przetwornik wytwarza impuls napięciowy w chwili kontaktu nasiona
z jego powierzchnią. PoniewaŜ wartość napięcia wytwarzanego przez przetwornik nie
pozwala na odpowiednie wyzwolenie oscyloskopu, opracowano odpowiedni układ, który
wzmacnia i wyzwala oscyloskop odpowiednim sygnałem elektrycznym (3). Dane
zajrejestrowane przez oscyloskop były przesyłane do komputera celem dalszej obróbki.
Tak wykonany i skompletowany zestaw był gotowy do uzyskiwania zaleŜności
F = f(t), gdzie F – siła działająca w momencie uderzenia, t – czas występowania siły
[Boguta 1999].
BADANIA WSTĘPNE
Na rys. 4a, b, c przedstawiono wyniki reakcji układu na uderzenie kulistych
materiałów takich jak: stal, drewno i masa plastyczna przy stałej energii uderzenia.
a)
b)
F/F
1
ma x
F/Fmax
1
0.5
0.5
t
0
0
5
10
15
c)
t
0
20 [µs]
0
5
10
15
0
0
0
[µs ]
F/F ma x
1
0 .5
t
0
0
0 .2
0.4
0.6
0.8
1. 0
[ms ]
Rys. 4a, b, c. Reakcja czujnika na uderzenie kulką: a) stalową, b) drewnianą, c) plastyczną.
Fig. 4a, b, c. The reaction of sensor on a knock of a ball: a) steel, b) wooden, c) plastic.
Daje się zauwaŜyć zróŜnicowaną odpowiedzi przetwornika na rodzaj uŜytego
(uderzającego) materiału. Rys. 5. przedstawia przebieg siły w czasie F = f(t) dla nasiona
grochu uderzonego w powierzchnie boczne liścieni.
40
Artur Boguta
F/F max
1
Czas odbi icia
Czas odkształce nia
0,5
a
b
c d
t
0
0
2
4
6
8
10
[µs]
Rys.5. Reakcja czujnika na uderzenie nasionem grochu
Fig.5. The reactions of sensor on a knock of a pea's embryo
MoŜna na tym modelu wyszczególnić następujące odcinki czasowe:
a – odkształcenie się okrywy nasiennej, b – odkształcenie się okrywy nasiennej wraz
z przemieszczeniem się liścienia od strony siły oddziaływania F do środka nasiona, c –
doleganie liścieni powierzchniami wewnętrznymi (maksymalne zbliŜenie się do siebie
liścieni), d – po złączeniu liścieni nacisk całego nasiona na przeszkodę (przetwornik).
WNIOSKI
Przeprowadzone badania wstępne wykazują, Ŝe wykonany układ pomiarowy
prawidłowo reaguje na obciąŜenia dynamiczne materiałów o róŜnych właściwościach
mechanicznych (spręŜystość, współczynnik restytucji).
W przyszłości, po dopracowaniu jego konstrukcji i funkcjonalności moŜe znaleźć
wszechstronne zastosowanie przy okazji badań udarnościowych nasion roślin
uprawnych, m.in. takich jak:
– precyzyjne określanie współczynnika restytucji badanych nasion, jego zaleŜność od
wilgotności, energii (prędkości) uderzenia, geometrii nasion itp.; wielkości te są
niezbędne do jakichkolwiek obliczeń dynamicznych;
– ocena stopnia uszkodzenia nasiona; dotyczy to tak uszkodzeń biologicznych
(mikroorganizmy, szkodniki), jak teŜ uszkodzeń pochodzących od oddziaływań
mechanicznych; zasada działania układu moŜe stanowić przesłankę do opracowania
aparatury diagnozującej (sortującej) nasiona, np. fasoli zdrowej od nasion
uszkodzonych;
– precyzyjne określenie wielkości energii uszkadzającej nasiono danej odmiany.
KONSTRUKCJA I ZASADA DZIAŁANIA UKŁADU POMIAROWEGO...
41
PIŚMIENNICTWO
1.
2.
Boguta A., 1999: Konstrukcja systemu pomiarowego z czujnikiem piezoelektrycznym do
pomiaru sił zmiennych w czasie. ZKwE’99 Poznań/Kiekrz, 389.
Lejko J., 1997: Mechanika ogólna. Dynamika. PWN, Warszawa.
A CONSTRUCTION AND OPERATING PRINCIPLES OF A UNIT FOR GRAINS DYNAMIC
REACTION MEASUREMENT DURING THEIR COLLISION
Summary. A machine grain harvesting and further machine processing lead to frequent grain
damage. The damaged grain is useless in sowing or later processing. Therefore, it is necessary to
determine forces and energy acting on grain during grain collision. The paper describes the
construction of a test stand providing collision parameters measurement. The presented results of
laboratory tests show that the constructed test stand can be a good way of resolving a collision
problem.
Key words: the piezoelectric transducer, knock, seeds damage.
Rercenzent: prof. dr hab. Leszek Mościcki