VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ HIDRAULIKUS TUSKÓLAZÍTÓ BERENDEZÉS ELMÉLETI ÉS KONSTRUKCIÓS KÉRDÉSEI

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ HIDRAULIKUS TUSKÓLAZÍTÓ BERENDEZÉS ELMÉLETI ÉS KONSTRUKCIÓS KÉRDÉSEI Doktori (PhD) értekezés Készítette: Czupy Imre okleveles gépészmérnök SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA GÉPEK ÉS SZERKEZETEK TERVEZÉSE TÉMATERÜLET MECHATRONIKAI RENDSZEREK TERVEZÉSE TÉMACSOPORT Doktori iskola vezetje: Dr. Páczelt István az MTA rendes tagja Témavezet: Dr. Lukács János a mszaki tudományok kandidátusa 25

TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS...3 1.1 A TÉMAVÁLASZTÁS INDOKLÁSA...3 1.2 A KUTATÁS CÉLKITZÉSEI...4 2. A KUTATÁS MÓDSZERE...6 2.1 ADATGYJTÉS...6 2.2 KÍSÉRLETEK...6 3. IRODALMI ÁTTEKINTÉS...8 3.1 A TUSKÓZÁS GÉPESÍTÉSE...8 3.2 A VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ HIDRAULIKUS HAJTÁS ÉS GYAKORLATI ALKALMAZÁSA...11 3.3 A VIBRÁCIÓ TOVÁBBI GYAKORLATI ALKALMAZÁSI LEHETSÉGEI...14 4. A KUTATÁS LEÍRÁSA, KUTATÁSI EREDMÉNYEK...15 4.1 A KIEMELER ÉS A TUSKÓÁTMÉR KÖZÖTTI ÖSSZEFÜGGÉS VIZSGÁLATA...15 4.2 A VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ HIDRAULIKUS KÍSÉRLETI BERENDEZÉS KIALAKÍTÁSA...25 4.3 A TUSKÓ BEFOGÁSÁNAK MECHANIKAI MODELLJE...3 4.4 A KÍSÉRLETI BERENDEZÉSSEL KELTETT REZGÉSEK ELEMZÉSE...31 4.4.1 Az egyszersített mechanikai modell... 31 4.4.2 Teljesítmény viszonyok... 42 4.5 TOVÁBBI FELHASZNÁLÁSI LEHETSÉGEK A GYAKORLATBAN...47 4.6 A KUTATÁS FOLYTATÁSA...49 5. ÖSSZEFOGLALÁS (TÉZISEK)...5 6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS...52 7. IRODALOM...53 2

1. BEVEZETÉS 1.1 A témaválasztás indoklása Teljes talaj-elkészítéssel végzett erdfelújítás során a talajban maradt tuskókat el kell távolítani. Az ezzel kapcsolatos elvárás többek között a gazdaságosság, valamint az, hogy a mvelet a környezetben és a talajban a lehet legkisebb kárt okozza. Ha az eltávolított tuskó egy területen nagyobb mennyiség, akkor összegyjtve tovább hasznosítható apríték készítésére, vagy energetikai célú felhasználásra. A kiemelt tuskók méretét és tömegét a gyökérzethez tapadt jelents mennyiség föld még tovább növeli, ez nehezíti az összegyjtésüket és elszállításukat. A tuskó eltávolítása többféle módon történhet. Közülük napjainkban legelterjedtebb a tuskókiemelés. A kiemelést különböz módszerekkel, különféle elven mköd gépek segítségével lehet elvégezni. A tuskókiemelésnek nagy er (több tízezer Newton), illetve nyomaték igénye van. Ezek nagyságrendjét több tényez befolyásolja. Nehezíti a mveletet az is, hogy a vágáslap alatti tömeg nagy és általában ismeretlen a gyökerek elhelyezkedése a talajban. A tuskó ellenállása igen széles határok között változik. Felmerül a kérdés, hogyan lehetne a munkafolyamatot megkönnyíteni és gazdaságosabbá tenni. Mivel az Alföldön nagy területeken kell a tuskózást elvégezni, a gyakorlat számára fontosak a mvelet könnyítését célzó kutatások. A téma jelentségét mutatja az is, hogy 1998-ban a VOLVO és a német OPITZ cég közösen végzett kutatásokat tuskókiemel gép fejlesztésére. Az er- és nyomatékszükséglet felteheten jelentsen csökkenthet, ha a tuskót kiemelés eltt megrázzuk, vagyis a gépészetben általában káros jelenséget, a rezonancia frekvencián történ rezgetést alkalmazzuk a tuskó kiemelésének megkönnyítésére. A rezgetés hatására lazul a tuskó kötdése a talajhoz, a gyökerek egy része elszakadhat, a gyökérzetrl a föld lerázódik. Ezáltal könnyebbé válhat a tuskó kiemelése. A hidraulikus energiaátvitel megvalósulhat a hidrodinamika elvén (ekkor a folyadék kinetikai energiája hasznosul), illetve hidrosztatikus úton (ez esetben a folyadék nyomási energiáját hasznosítjuk). A kétféle hidraulikus energiaátvitel (hidrodinamikus, hidrosztatikus) közül napjainkban a hidrosztatikus energiaátvitel alkalmazása lényegesen szélesebb kör, mint a hidrodinamikus energiaátvitelé. Ennek 3

alapvet oka a hidrosztatikus rendszerek jobb vezérelhetsége. A hidrosztatikus energiaátviteli rendszerek elterjedése annyira jellemz, hogy a mszaki gyakorlati nyelv hidraulikus energiaátviteli rendszerek alatt általában a hidrosztatikus energiaátviteli rendszereket érti. Tekintettel ezekre a mszaki nyelvben kialakult szokásokra, a késbbiek során általában az egyszerbb hidraulikus jelzt használjuk, értve ezalatt mindig hidrosztatikus energiaátvitelt és berendezéseket. A hidraulikus energiaátvitel egyik csoportját alkotják a váltakozó áramú hidraulikus hajtások. Jellemzjük, hogy az energia átalakítók (hidrogenerátor, illetve hidromotor) között a munkafolyadék alternáló mozgást végez, nincs szükség nagyméret folyadéktartályra. Fordulatszám változtatásuk a folyadékáram amplitúdójának és/vagy frekvenciájának az állításával történik. Számos elnyös tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek többféle gyakorlati alkalmazást tesznek lehetvé (Frész Harkai Kröell Dulay Lukács, 1986). Munkánk egy váltakozó áramú hidraulikus hajtással mködtetett, erdészeti tuskólazítóként alkalmazott kísérleti berendezés konstrukciós és elméleti kérdéseivel, valamint az elvégzett kísérletek eredményeinek feldolgozásával foglakozik. 1.2 A kutatás célkitzései A váltakozó áramú hidraulikus berendezés kialakításával kapcsolatos kutatások hatása elremutató: egyrészt vibráció létrehozásával irodalmi adatok szerint növelhet a tuskózás hatékonysága és gazdaságossága az erdészetben, másrészt a kutatások eredményei és gyakorlati tapasztalatai felhasználhatók más területeken, hasonló jelleg feladatok megoldására. A kutatási munka elkezdésekor a következ célokat tztük ki: a hazai és a kapcsolódó külföldi szakirodalom áttekintésével, rendszerezésével és értékelésével olyan ismeretanyag biztosítása, amely alapul szolgálhat a fejlesztési elképzelések megvalósításához, a tuskókiemeléshez szükséges er meghatározása, a kiemelert befolyásoló tényezk megállapítása, 4

összefüggés keresése különböz fafajok esetén a függleges irányú kiemeler és a tuskóátmér között, annak vizsgálata, milyen elnyökkel járhat a vibráció alkalmazása a tuskózásban, mechanikai modell megalkotása, amelynek segítségével a rezgés paraméterei (frekvencia és amplitúdó) optimalizálhatók, váltakozó áramú hidraulikus hajtással mköd, az adott erdészeti körülményeknek megfelel kísérleti modellhajtás elkészítése konstrukciós változatokon keresztül, mérések elvégzése annak megállapítására, hogy a vibrációs tuskólazítás segítségével milyen mértékben csökkenthet a függleges irányú kiemeler, az eredmények feldolgozása, összegzése, következtetések levonása, további, gyakorlati felhasználási lehetségek vizsgálata. 5

2. A KUTATÁS MÓDSZERE 2.1 Adatgyjtés A kutatási munkánk során tanulmányoztuk a tuskózásra vonatkozó hazai és külföldi szakirodalmat. A meglév berendezéseket értékeltük és az alapvet fejlesztési irányokat meghatároztuk. A tuskózás jellemzit, technológiáit és gépesítettségét vizsgáló helyszíni adatgyjtést végeztünk az erdgazdaságoknál. Tanulmányoztuk a váltakozó áramú hidraulikus energiaátvitel elméleti kérdéseivel foglalkozó szakirodalmat, valamint eddigi gyakorlati felhasználását. Vizsgáltuk a vibráció létrehozására alkalmas mszaki megoldásokat. Olyan megoldást kerestünk, amely az adott körülmények között jól alkalmazható. Áttekintettük, hogyan hasznosítható a vibráció hatása a gyümölcs betakarításban. 2.2 Kísérletek A függleges irányú kiemeler nagyságára vonatkozó adatokat nem találtunk az irodalomban. Az 197-es évek elején Pirkhoffer (1974) végzett méréseket a tuskózás erszükségletének meghatározására, az akkor használatos kiemelvillás tuskózógépeken. A kiemelvillát mozgató csörl kötélrendszerének egyik, a vízszintessel 3 fokos szöget bezáró ágába hidraulikus ermért kötött. Mérte a húzóert a tuskó kifordítása alatt, és ebbl következtetett a kiemeler nagyságára. Eredményei azt mutatták, hogy a kiemeler a tuskó átmérjével exponenciálisan emelkedett. Ennek az volt az oka, hogy a tuskó kifordításakor jelents vízszintes irányú erkomponens keletkezett. A napjainkban alkalmazott tuskózási technológia erszükségletét eddig senki nem vizsgálta. Ahhoz, hogy megítélhessük a vibrációs tuskólazítás eredményességét, ismernünk kell a kiemeler nagyságát. Ennek meghatározására méréseket végeztünk egy jelenleg használatos hidraulikus mködés, markolva kiemel tuskózógépen üzem közben, különböz fafajok esetén. A tuskózógép 6

hidraulikus rendszeréhez nyomásmér mszert csatlakoztatva mértük és rögzítettük a gém emeléséhez tartozó nyomásértékeket a kiemelés folyamata alatt. Ezt követen a gép geometriai méreteit és mechanikai jellemzit felhasználva meghatároztuk a függleges irányú kiemelert. Megalkottuk a tuskó talaj gyökér együttes mechanikai modelljét. Meghatároztuk, hogy mely tényezktl függ a kiemeléshez szükséges er. Összefüggést kerestünk a függleges irányú kiemeler nagysága és a tuskó vágáslap átmérje között, különböz fafajból származó tuskók esetén. A kísérleti váltakozó áramú hidraulikus tuskólazító berendezés tervezése és elkészítése után összehasonlító méréseket végeztünk. A tuskót a rezget berendezés segítségével megráztuk. A kísérletet különböz talajokon és különböz fafajokból (erdeifeny, akác, nyár) származó tuskókon végeztük el. A vágáslap átmérje és a tuskók földfelszín feletti magassága mindig közel azonos volt, az eredmények összehasonlíthatósága érdekében. Vizsgáltuk a tuskó lazulásának mértékét, miközben a rezgetés frekvenciáját és amplitúdóját változtattuk. Elemeztük a kapott eredményeket. Méréseket végeztünk a tuskó csillapítási tényezjének kiszámításához szükséges logaritmikus dekrementum meghatározására. Alkalmaztuk a kísérleti berendezést a gyümölcs betakarításban is. A gép rázószerkezetét mködtettük vele. 7

3. IRODALMI ÁTTEKINTÉS 3.1 A tuskózás gépesítése A tuskózás a legnehezebb és leginkább energiaigényes munkamveletek közé tartozik, gépesítése számos problémát vet fel. Az elmúlt évtizedek során többféle technológiát alkalmaztak, napjainkban a környezetkímél eljárások kerültek eltérbe. A tuskó eltávolítása a talajból történhet: robbantással, forgácsolással, illetve kiemeléssel. A robbantásos tuskózás lényege, hogy a tuskó tövébe helyezett robbanószerrel kirobbantják a talajból a tuskót. A robbantás helyén a talajban nagy kráter marad, ami nehezíti a további munkamveletek elvégzését. A tuskóforgácsolás gépei: a tuskókörülvágó, a tuskófúró-, valamint a tuskómaró gépek. A tuskókörülvágó gépek a tuskó tdarabját körülvágva leválasztják a gyökérzetrl. Kisebb átmérj tuskók eltávolítására alkalmazhatók. A maximális tuskóátmért a tuskókörülvágó henger bels átmérje határozza meg. Az eljárás hátránya, hogy a mvelet során mély gödrök keletkeznek, valamint a gyökérzet teljes egészében a talajban marad. A tuskófúrógépek nagyobb átmérj tuskók szétforgácsolására alkalmazhatók, ekkor azonban a fúrószerszámmal az ersebb oldalgyökerek irányában is ajánlatos megdolgozni a talajt. A fúrási mvelet megkezdése eltt a tuskó vágáslapjára központosan kell ráállni, ami megnöveli a mveleti idt. A gyökérzet szintén teljes egészében a talajban marad. 8

A tuskómaró gépek a tuskó föld feletti részét forgácsolják szét, a föld alatti részt és a gyökérzetet a talajban hagyva. A nagy átmérj tuskók teljes szétforgácsolása többhelyzet marást igényel, ami jelents mellékidvel jár (átállás stb.). A tuskókiemelés elvégezhet: tuskóirtásos döntéssel, valamint tolólemezes, emelvillás, húzóvillás és markolva kiemel gépek alkalmazásával. A tuskózás egyik legrégebbi módszere az ún. tuskóirtásos döntés, amikor a tuskót a fatörzzsel együtt távolítják el. Ekkor a kiemeléshez a fatörzs statikai erejét használják fel. Az erszükséglet annál kisebb, minél magasabban van az er támadási pontja. Legelterjedtebb a Matusz-Kreutzinger rendszer csörls-kerékpáros eljárás. A döntési mód lényege, hogy a fát a törzshöz rögzített kerékpárra döntik, amely így kétkarú emelként mködik. A mvelet elvégzéséhez traktorcsörl is szükséges. A tuskóirtásos döntési mód a viszonylag kisebb energiaszükséglet módszerek közé tartozik, hátránya, hogy a döntés során a fatörzsek eltörhetnek, feldolgozásuk nehézkes. A fatörzs döntése kevésbé irányítható, a kidlt törzs kárt tehet a környez faállományban. A módszer továbbfejlesztésére a Nyírségben folynak kísérletek. Ha a tuskózást nagy területen kell elvégezni, a módszert ritkán alkalmazzák. Tuskókiemelésére az alábbi gépek használatosak: A tolólemezes tuskókiemel gépek ergépe az útépítéshez is használt földmunkagép, a dózer. A munkavégz rész az ergép elejére szerelt tolólap, amelynek alsó szélére esetenként fogakat is elhelyeznek. Leggyakrabban hidraulikus, ritkán mechanikus mködtetés. A kisebb méret tuskókat egy menetben, a tolólemez alsó élét, illetve a fogakat a földfelszín alá nyomva kitolja. A nagyobb átmérj tuskókat els menetben kifordítja, majd a második menetben az oldalgyökerekkel együtt kiemeli. A módszer hátránya, hogy a tolólappal letolják a talaj fels termrétegét is. 9

Az emelvillás tuskókiemel gépek munkavégz része a többnyire különböz típusú lánctalpas járószerkezet traktorra szerelt kiemelvilla, amely mechanikus, vagy hidraulikus mködtetés. A módszer lényege, hogy a gépek a kiemelvillát a tuskó alatt a talajba nyomják és a karokat, mint kétkarú emelket a tengelyük körül elforgatva kiemelik a tuskót (Horváthné Lajkó I., 1968). A mvelet elvégzéséhez a traktor tolóerejének és a villák emelerejének együttes alkalmazása szükséges. Kisebb átmérj tuskókat egy, nagyobb átmérjeket két három menetben lehet kiemelni. A kiemelvillák forgatását mechanikus mködtetés gépeken csörlvel végzik. A hidraulikus emelvillás tuskózógépeken csörl helyett hidraulikus munkahengereket alkalmaznak. Az eljárás hátránya, hogy a lánctalpas járószerkezet fként, ha a kiemelést több menetben kell elvégezni jelents talajkárosítást okozhat. A húzóvillás tuskókiemel gépek ugyancsak mechanikus vagy hidraulikus mködtetések. A tuskó kiemelése az emeler és a haladó mozgás együttes alkalmazásával történik. A traktor hátsó vonószerkezetéhez kapcsolt tuskókiemelgép vázát alkotó gerendelyen vágókéseket helyeztek el. Ezek a vágókések a traktor haladó mozgása közben elvágják az oldalgyökereket, a gerendely végére szerelt kiemelfogak pedig kihúzzák a tuskót a földbl. Az oldalgyökerek átvágása a kihúzás eltt az erszükséglet csökkenését eredményezi. A gép mozgató szerkezete csörlvel, illetve hidraulikus munkahengerrel mködtetett. Nagyobb átmérj tuskó három menetben húzható ki a talajból. A gép a kiemelt tuskót néhány méteren át magával vonszolja, ezalatt a tuskóval kiemelt föld nagy része lehullik. Az ergép járószerkezete és a tuskó vonszolása talajkárokat okoz. A markolva kiemeléses tuskózás a legkörnyezetkímélbb eljárás, mert a mvelet elvégzése közben a munkagép áll, a járószerkezet és a munkavégz rész által okozott talajkárosítás ekkor a legkisebb (Czupy Horváth B. Major, 1998). További elny, hogy a tuskó kiemelése közben a gép nem tolja le a talaj fels termrétegét. Napjainkban hazánkban az Alföldön, ahol a tuskózást a legnagyobb területen végzik, hidraulikus elven mköd, markolva kiemel tuskózógépeket alkalmaznak. Ezek lánctalpas járószerkezet földmunkagépek, speciális tuskómegfogó fejjel ellátva. A tuskókiemelésen kívül egy menetben elvégzik a bozót- és sarjirtást is (Czupy, 1998). 1

3.2 A váltakozó áramú hidraulikus hajtás és gyakorlati alkalmazása Az erdészeti- és a mezgazdasági gépeken széles körben elterjedt a hidraulikus elven történ energiaátvitel alkalmazása. Munkavégz szervek mködtetésére, járószerkezet hajtására, illetve szabályozási feladatok ellátására használják (Horváth B., 1993, 1999). A hidraulikus hajtások két nagy csoportba sorolhatók: egyenáramú hidraulikus hajtások, váltakozó áramú hidraulikus hajtások. Napjainkban az egyenáramú hajtások elve az általánosan ismert és alkalmazott. A váltakozó áramú hidraulikus energiaátvitel a hidraulikának egy viszonylag új területe, az ezzel kapcsolatban fellelhet irodalom kevés. Váltakozó áramú hidraulikus hajtásról akkor beszélünk, ha az energiaközvetít közeg (munkafolyadék) mozgása az energiaforrás és az energiafogyasztó között periodikusan váltakozó irányú. Magyarországon a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki Karának Szerszámgépek Tanszékén folynak a váltakozó áramú hidraulikus rendszerekkel kapcsolatos kutatások. A kutatási eredmények feldolgozásából számos diplomaterv, disszertáció és szabadalom készült. Lukács (1977, 1981, 2, 21, 22, 23, 24, 25) leírta a váltakozó áramú hidraulikus energiaátvitel jellemz tulajdonságait, meghatározta a hidraulikus teljesítményt valamennyi ellenállásfajtára. Megállapította, hogy a gyakorlat számára elnyös tulajdonságai miatt fként a két fázis és annak egész számú többszörösei alkalmazhatók. Foglalkozott a kétfázisú, váltakozó áramú hidromotorok üresjárási és terhelési vizsgálatával, valamint a hidraulikus váltakozó áramú körök be- és kikapcsolási jelenségeivel. Vizsgálta a szinkron rendszer, és a nem szinkron rendszer váltakozó áramú hidraulikus hajtások legfontosabb jellemzit, elemezte mozgás- és áramlásviszonyaikat. Foglalkozott a nem szinkron rendszer váltakozó áramú hidraulikus hajtások mozgás-átalakítóinak konstrukciós és méretezési kérdéseivel. Kutatta a váltakozó áramú hidraulikus transzformátorok mködését meghatározó törvényszerségeket. Hidraulikus váltakozó áramú hajtóm tervezésekor a méretezésnél ismernünk kell a hajtás jelleggörbéjét, hogy az adott munkaponthoz az optimális 11

hajtásteljesítményt meghatározhassuk. A jelleggörbe megrajzolásához üresjárási és terhelési vizsgálatokat kell elvégezni. Az üresjárási vizsgálatból meghatározható a hidromotor üresjárási fordulatszáma, a terhelési vizsgálat célja pedig annak megállapítása, hogyan változik a hidromotor terhelnyomatéka a fordulatszám függvényében (Lukács, 1981). Gyakorlati felhasználásként a Miskolci Mezgép Vállalat, a Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke és a gödölli MÉM Mszaki Intézet a 7-es évek végén foglalkozott váltakozó folyadékáramú hidraulikus hajtóm kialakításával és üzemtechnikai fejlesztvizsgálatával. Ennek eredményeképpen fejlesztették ki a VÁH- 18 típusú hidraulikus váltakozó áramú hajtómvet, amelyen laboratóriumi körülmények között mérték a felvett teljesítményt, a terhel nyomatékot, a kimen fordulatszámot, a fázisnyomást, valamint a rendszer hmérsékletét és meghatározták a hajtóm küls jelleggörbéit (MÉM Mszaki Intézet, Gödöll 198). A hidraulikus váltakozó áramú hajtás üzemi körülmények közötti kipróbálására elször 1979-ben került sor. Ekkor egy mezgazdasági gépen, az UFA fogadógaraton, kísérleti jelleggel a fenékszalag hajtására alkalmaztak váltakozó áramú hidraulikus hajtómvet (MÉM Mszaki Intézet, Gödöll 1979). A kísérleti idszakban üzemtechnikai vizsgálatokat és megfigyeléseket végeztek. A tapasztalatok alapján arra a következtetésre jutottak, hogy javasolható a korábban alkalmazott hajtóm kiváltása váltakozó áramú hidraulikus hajtómvel. További kísérletek folytak a Miskolci Egyetemen a váltakozó áramú hidraulikus hajtás alkalmazási lehetségeit illeten. Kialakítottak egy csörlzési és vonszolási feladatok ellátására szolgáló, váltakozó áramú hidraulikus hajtás elvén mköd hajtómvet (Lukács, 24). Külföldön fként Prokes (1968) foglalkozik a váltakozó áramú hidraulikus hajtások kutatásával. A váltakozó áramú hidraulikus mechanizmusokat villamos analógia alapján csoportosíthatjuk, például a frekvenciájuk nagysága szerint, vagy soros, párhuzamos, illetve vegyes kapcsolásuk alapján képezhetünk további csoportokat. A hidraulikus váltakozó áramú mechanizmusok egy különleges esete az úgynevezett hibrid mechanizmus, amely egyidejleg akár egyen-, akár váltakozó folyadékárammal is mködtethet (Prokes, 1982). Ez a mechanizmus felhasználható például áramirányítóként, transzformátorként, vagy egyenirányítóként (Prikryl, 1982). 12

A háromfázisú váltakozó áramú mechanizmusok megfelel elrendezéssel képesek akár a fogaskerék hajtómvek helyettesítésére is. Reihnold (1982) gyakorlati felhasználásként egy hidraulikus kalapács ütvefúró részének váltakozó áramú hidraulikus hajtómvét mutatja be. A vibrációtechnikában alkalmazva a hidraulikus váltakozó áramú mechanizmust, a rendszert a rezonanciafrekvencia közelében üzemeltetve jelents energia megtakarítást érhetünk el és a rezgmozgás nagy stabilitású lesz. A laboratóriumi körülmények között és a kísérleti üzemeltetés során végzett mérések és megfigyelések alapján megállapítható, hogy a váltakozó áramú hidraulikus hajtás elnye az egyenáramú hidraulikus hajtással szemben az, hogy a váltakozó áramú hajtóm nagy nyomaték leadására képes alacsony fordulatszámon. Alkalmazás szempontjából ez azzal az elnnyel jár, hogy közvetlen hajtás valósítható meg az ilyen paramétereket igényl munkavégz szerveknél. A hajtóm feleslegessé teszi a nyomatékváltó beépítését. A váltakozó áramú hidraulikus hajtás alkalmazása ott célszer, ahol az egyenáramú hajtással csak különböz nehézségek árán oldható meg a hajtás. Ezek a területek általánosan a következk, ahol: az áttétel pontosan meghatározott, a hajtó és hajtott oldal szinkronizált mozgása szükséges, meghatározott mozgást, transzformációt kell létrehozni, illetve nagy indítónyomaték és fokozatmentes fordulatszám állítási lehetség szükséges. Mezgazdasági- és erdészeti gépeken történ alkalmazás az alábbi területeken javasolható: célgépek járószerkezetének hajtása, ahol kis sebesség szükséges, kihordó szerkezetek hajtása, ahol kis haladási sebesség biztosítására van szükség, olyan munkavégz szervek hajtása, ahol magas a nyomatékigény és pontosan meghatározott áttételi viszonyt kell megvalósítani, továbbá rezgmozgás létrehozása nagy er, illetve nyomatékigény mellett (Czupy, 1999). 13

3.3 A vibráció további gyakorlati alkalmazási lehetségei A rezgések hatását számos területen felhasználják különböz munkafolyamatok elvégzésére, például az útépítésben (légkalapácsok, döngölk), a bányászatban (ktörk) stb. Mivel a Nyugat-Magyarországi Egyetem Erdmérnöki Karán dolgozom, további gyakorlati alkalmazási lehetségeket elssorban az erdészet, a mezgazdaság, és a kertészet területén kerestünk. A vibráció hatása felhasználható a gyümölcstermesztésben is. Meghatározott esetekben a betakarítandó gyümölcsök leválasztására gyümölcsfa rázógépeket alkalmaznak. A gépek rázószerkezetét egy bizonyos magasságban a fatörzshöz rögzítik, majd rezgést létrehozva a fatörzset vagy a vázágakat adott amplitúdóval megrezgetik. A mvelet elvégzésekor fontos szempont, hogy a rezgések hatására a gyümölcsfák gyökérzete ne sérüljön meg, ugyanakkor a gyümölcsleválasztás megfelel hatásfokú legyen. Az alkalmazott gyümölcsfa rázógépek esetében a vibráció létrehozása történhet egyenáramú hidraulikus berendezéssel, illetve mechanikus úton, ún. útgerjesztés forgattyús hajtómves rázószerkezetekkel. A gyümölcsfa rázógépek kialakításával, optimális üzemeltetési paramétereinek meghatározásával, a különböz elven mköd berendezések összehasonlításával kapcsolatos kutatások hazánkban a Budapesti Corvinus Egyetem Kertészettudományi Karán folynak (Láng, 24, 25; Horváth E., 1997, 23, 25). A kísérletek során vizsgálják a gyümölcsleválasztás hatékonyságát a különféle elven mköd farázó gépek alkalmazásakor. Vizsgálják és optimalizálják a különböz paramétereket a legjobb hatásfok elérése érdekében. Horváth E. és Sitkei kutatta az együttrezg földtömeg meghatározásának módszerét, valamint a rezgésgyorsulás változását a fatörzsön és a talajon (Horváth E. Sitkei, 25). 14

4. A KUTATÁS LEÍRÁSA, KUTATÁSI EREDMÉNYEK 4.1 A kiemeler és a tuskóátmér közötti összefüggés vizsgálata A vágáslap alatti nagy tömeg, a kiterjedt és szerteágazó gyökérzet (1. ábra), valamint a különböz talajkötöttségek miatt a kiemeléshez szükséges er Szepesi (1966) szerint átlagosan 1-6 N, de elérheti akár az 1 N-t is. 1. ábra. A kiemelt tuskók A kiemeler nagyságát befolyásoló tényezket Voronyin (1967) is vizsgálta, de matematikai összefüggéseket nem írt fel. Jegenyefeny, nyár és rezgnyár fafajokból származó tuskókkal foglalkozott. 15

Irodalmi utalások és kutatásaink alapján a tuskó kiemeléséhez szükséges er nagyságát az alábbi tényezk befolyásolják: a tuskózás módja, a fafaj (gyökérzet), a tuskó átmérje, a fa kivágása óta eltelt id, a talaj típusa és a talaj nedvességtartalma. Az Alföldön, ahol a tuskózást a legnagyobb területen végzik, napjainkban leginkább hidraulikus elven mköd, markolva kiemel tuskózógépeket alkalmaznak. Ezek lánctalpas járószerkezet földmunkagépek, speciális tuskómegfogó fejjel ellátva (2. ábra). A Kiskunsági Erdészeti és Faipari Részvénytársaság erdterületein üzemi körülmények között vizsgáltuk egy markolva kiemel tuskózógép munkáját. Méréseket végeztünk különböz fafajok esetén annak megállapítására, hogy a kiemeler és a tuskó átmérje között milyen összefüggés írható fel. Vizsgálataink szerint a függleges irányú kiemeler nagysága elssorban a fafajtól (gyökérzet) és a talaj típusától függ. A kiskunsági homoktalajok típusai kevéssé különböznek egymástól, ezért ezt változóként nem szerepeltettük az összefüggések meghatározásánál. A mérések elvégzéséhez olyan fafajokat választottunk, amelyek az Alföldön leggyakrabban elfordulnak (erdeifeny, akác, nyár), mivel ezek tuskóinak eltávolítására van leginkább szükség a gyakorlatban. Méréseink során a tuskózógép hidraulikus rendszeréhez csatlakozva mértük és rögzítettük a nyomásértékeket a kiemelés folyamata alatt, majd a gép geometriai méreteit (hidraulikus munkahengerek átmérje, a gém hossza) és mechanikai jellemzit (a fgém és a lengkar helyzete a kiemelés alatt) felhasználva meghatároztuk a függleges irányú kiemelert. Azt tapasztaltuk, hogy a tuskózógép egy megfogással 4 cm vágáslap átmérig képes a tuskókat kiemelni. Efölötti átmér esetén több megfogás, illetve az oldalgyökerek elvágása szükséges a kiemeléshez. Az összegyjtött adatok és mérési eredmények birtokában összefüggést kerestünk a tuskóátmér és a kiemeler között, homoktalajon, 2 százalékos átlagos termhelyi vízkapacitás mellett. A talajtömörséget és a talaj nedvességtartalmát 3T System típusú talajtömörség-mér mszerrel határoztuk meg. 16

Megmértük a tuskók vágáslap átmérjét (pontosság: 1 cm) majd kiszámoltuk a hozzájuk tartozó kiemelert (pontosság: 1 N). Erdeifeny esetén 15 db mérési eredménnyel rendelkeztünk, az azonos vágáslap átmérkhöz tartozó kiemeler értékeknek nagy volt a szórása (1. táblázat). A 3. ábrán a különböz átmérkhöz tartozó kiemeler értékek, valamint az átlagos kiemelerhöz tartozó egyszeres szórás sugarú intervallum ( F ± S) látható. A mérési eredmények között azonos adatok is vannak, emiatt az ábrán bejelölt átlag nem feltétlenül középen helyezkedik el. 2. ábra. Markolva kiemel tuskózógép 17

1 9 8 kiemeler [N] 7 6 5 4 3 F±S mért értékek 2 1 2 3 4 tuskóátmér [cm] 3. ábra. A különböz átmérj erdeifeny tuskók kiemelésekor mért erk 1 kiemeler [N] 8 6 4 2 1 2 3 4 tuskóátmér [cm] 4. ábra. A különböz átmérj erdeifeny tuskók kiemelésekor mért erk háromtagú mozgóátlagolása 18

1. táblázat. A mérési eredmények szórása erdeifeny tuskók esetén átmér [cm] átlagos kiemeler [N] szórás [N] 15 418 316 16 4424 651 17 44691 3839 18 43977 5123 19 49928 4895 2 49431 1981 21 5372 5169 22 54642 5151 23 54692 56 24 6193 632 25 5623 592 26 61357 952 27 63376 12148 29 7152 9585 3 7784 8825 31 74576 8538 32 79 11172 33 74655 7887 34 79 * 35 8216 * 36 82476 956 38 8655 8561 átlagos szórás [N]: 6317 * Csak 1 adat áll rendelkezésre A kiemeler tuskóátmértl való függésének szemléletesebbé tételéhez az azonos átmérkhöz tartozó erértékeket átlagoltuk, majd 3-3 szomszédos adat mozgóátlagát képeztük, aminek eredménye a 4. ábrán látható. A kiemeler tuskóátmér összefüggést leíró regressziós függvényt logikai szempontok (pl. az f () = és lim f (x) = + x + feltételek teljesülése), továbbá statisztikai szempontok (illeszkedéshiány vizsgálat pl. F-próbával, megbízhatóság vizsgálata) alapján több lehetséges egyenlet felírása után következ alakúnak feltételeztük: f (x) = a (x b + e c x 1), (1) 19

ahol: x a tuskóátmér cm-ben, f(x) a tuskó kiemeléséhez szükséges er N-ban, e a természetes logaritmus alapja, a, b, c ismeretlen paraméterek, amelyeket meg kell határoznunk. A függvény akkor illeszkedik a mérési adatokra a legjobban, ha a mért és a regressziós függvénnyel számított kiemelerk négyzetes eltérése a lehet legkisebb (legkisebb négyzetek elve). Az (1) függvény két ismeretlen paramétert tartalmazó, nem linearizálható függvény, a normálegyenletekbl álló egyenletrendszer egzakt módon nem megoldható. Közelít eljárást kell alkalmazni, erre alkalmas például a Taylor-sorba fejtés módszerével történ iteráció, amely során az (1) függvényt Taylor-sorba fejtéssel lineárisan közelítjük. (Egy függvény ily módon csak akkor írható fel lineáris közelítéssel, ha a Taylor-sorban szerepl ε maradéktag tart nullához. Ez akkor teljesül, ha a másodrend vegyes parciális deriváltak egyenlk. Az (1) függvény eleget tesz ennek a feltételnek.) Az iteráció els lépése: megbecsüljük az ismeretlenek érétkeit: a, b és c. Ezt követen Taylor-sorba fejtjük az f (xi, a, b, c) háromváltozós függvényt az (x i, a, b, c ) hely körül, a lineáris tagokig megyünk: f ( xi,a,b,c) = f ( xi,a,b,c ) + f ' a ( xi,a,b,c ) ( a a ) + f ' b ( xi,a,b,c ) ( b b ) + f ' ( x,a,b,c ) ( c c ) + ε, c i (2) ahol a maradéktag és i=1,2, n (a mérési eredmény sorszáma). Átrendezve: + ŷ i = f + f ' ( xi,a, b,c) f ( xi,a,b,c ) = f ' a ( xi,a,b,c ) ( a a ) ( x,a,b,c ) ( b b ) + f ' ( x,a,b,c ) ( c c ) + ε. b i c i + (3) Ezt a kifejezést helyettesítjük a legkisebb négyzetek elvében használt négyzetösszegbe, és az így kapott háromváltozós függvény minimumát keressük. A minimalizálandó négyzetösszeg a, b és c szerinti elsrend parciális deriváltjait nullával egyenlvé tesszük (normálegyenletek). Vezessük be a (4)-(6) mátrixalgebrai jelöléseket, ahol a 2

index a kiindulási, becsült paraméter-értékekhez tartozó vektorokat, illetve mátrixokat jelöli. y Z ŷ1 ŷ 2 = ŷ n f ' f ' = f ' a a a, ( x1,a,b,c ) f ' b ( x1,a,b,c ) ( x,a,b,c ) f ' ( x,a,b,c ) 2 ( x,a,b,c ) f ' ( x,a,b,c ) n b b 2 n f ' f ' f ' c c c ( x1,a,b,c ) ( x,a,b,c ) 2, ( x,a,b,c ) n a a x = b b. (4)-(6) c c Ezek segítségével a normálegyenletek mátrixegyenlettel is felírhatók (7), amelyben a Z T a Z mátrix transzponáltja: Z =. (7) T T y Z Z x T Ebbl a Z Z mátrix inverzével balról beszorozva a valóságos paraméterek és a kezd értékek különbsége ( x ) az alábbi módon becsülhet: x T 1 T ( Z Z ) Z = y, (8) ahol T a mátrix transzponáltját, a ( 1) kitev a mátrix inverzét jelöli. A kapott x vektor megfelel koordinátáival a paraméterek kezd értékeit módosítjuk, így megkapjuk a paraméterek a 1, b 1 és c 1 új, finomított értékeit. Az iteráció második lépése: az eljárást az új kezdértékekkel megismételjük (valamennyi vektor és mátrix 1-es indexszel szerepel): 21

x T 1 T ( Z1 Z1 ) Z1 1 1 = y. (9) Az x 1 vektor megfelel koordinátáival a paraméterek kezd értékeit ismét módosítjuk, így megkapjuk az a 2, b 2 és c 2 új, finomított értékeket. Az iterációt addig folytatjuk, amíg a paraméterek értékei határozott konvergenciát nem mutatnak. A módszer konvergenciája bizonyított (Hartley, 1961). A számítás bonyolultsága miatt a MAPLE számítógép-algebrai rendszer, vagy egyéb számítógépes segítség használata javasolt. A 4. ábrán látható adatokra becsléssel illesztettünk (1) alakú függvényt, az ebben szerepl paraméter-értékekkel indítottuk az iterációt. Az elzekben részletezett eljáráshoz szükséges mátrix-mveletek elvégzésére egy Maple-programot írtunk. Az iterációt addig folytattuk, amíg a paraméterek értékeiben a kívánt pontosságnak megfelel helyiérték számjegyek már nem változtak tovább (a kapott paramétersorozatok konvergensek). Az iterációval számított paraméter-értékek a 2. táblázatban találhatók. 1 8 kiemeler [N] 6 4 2 Fmozgátl becsült számított 1 2 3 4 tuskóátmér [cm] 5. ábra. A becsült és számított regressziós görbe erdeifeny tuskók esetére 22

2. táblázat. Az iteráció kezdértékei, és az egyes lépésekben kapott paraméter-értékek a b c. 42,,879,35 1. 5964,4973,6433,5449 2. 661,445,6293,42248 3. 6543,7354,6368,41236 4. 6541,5993,6369,41189 5. 6541,6217,6369,41189 6. 6541,6226,6369,41189 7. 6541,6226,6369,41189 A kapott kiemeler tuskóátmér függvény erdeifeny esetében tehát a következ (r 2 =,9982; átlagos szórás 6317 N): f (x) = 6541,6226 (x,6369 + e,41189 x 1). (1) A fent leírt lépéseket hasonló módon elvégeztük nyár és akác fafajok esetén is. A jelölések megegyeznek az (1) függvénynél felsoroltakkal. Az illesztett kiemeler tuskóátmér függvény nyárra (r 2 =,9978; átlagos szórás 5879 N): f (x) = 5432,1293 (x,7399 + e,38392 x 1) (11) és akácra (r 2 =,9985; átlagos szórás 641 N): f (x) = 6288,8911 (x,6526 + e,38167 x 1). (12) Ezek képét a 6. és 7. ábra mutatja. 23

12 1 kiemeler [N] 8 6 4 2 1 15 2 25 3 35 4 tuskóátmér [cm] 6. ábra. A számított regressziós görbe akác tuskók esetére 14 12 kiemeler [N] 1 8 6 4 2 1 15 2 25 3 35 4 tuskóátmér [cm] 7. ábra. A számított regressziós görbe nyár tuskók esetére 24

A három fafajra kapott regressziós függvényeket összehasonlítás céljából a 8. ábrán egy koordináta-rendszerben ábrázolva is bemutatjuk. 25 kiemeler [N] 2 15 1 5 erdeifeny akác nyár 2 4 6 8 tuskóátmér [cm] 8. ábra. Regressziós görbék A 8. ábrán látható, hogy a három fafaj között a kiemelerátmér összefüggést tekintve nincs jelents különbség. Összehasonlítva a fenti adatokat Pirkhoffer adataival megállapítható, hogy a függleges kiemelés erszükséglet szempontjából jóval kedvezbb, különösen a nagyobb vágáslap átmérj tuskók esetében. 4.2 A váltakozó áramú hidraulikus kísérleti berendezés kialakítása A tuskókiemelés erszükségletének csökkentésére számos kísérlet történt. Szepesi (1966) megemlíti, hogy vibráció alkalmazásával az erszükséglet 35 %-kal csökkenthet és a tuskót teljesen tisztán, földréteg nélkül lehet kiemelni, azonban a vibráció paramétereinek (optimális frekvencia, amplitúdó, az együttrezg tömeg nagysága) megállapítására részletes kutatómunkára van szükség. Célul tztük ki ezeknek az optimális paramétereknek a meghatározását különféle fafajok és különböz talajtípusok mellett. A gyakorlatban alkalmazott függleges irányú kiemeléshez képest irodalmi adatok szerint a tuskó vízszintes irányú elmozdítása 25

58 %-kal kevesebb ert igényel (Szilajev, 1989). Ennek az lehet a magyarázata, hogy a vízszintes irányú húzóer kifejtésekor a gyökerek nem egyidejleg szakadnak el. Tehát vibráció alkalmazásával, vagyis a tuskó vízszintes irányú rázásával a kiemeléshez szükséges er vélheten jelentsen csökkenthet. A vibráció alkalmazása a tuskózás munkafolyamatában a következ elnyökkel járhat: csökkentve a kiemeléshez szükséges ert, a feladat ellátására kisebb tömeg alapgép is megfelel lehet, a tuskó kiemeléséhez szükséges idt lerövidítheti, ezáltal növelhet a termelékenység, csökkentve a fajlagos költségeket, a kiemelt tuskón a vibráció hatására várhatóan kevesebb föld marad, így a tuskók további hasznosítása esetén a tisztítás ideje és költségei is csökkenthetk. A vibrációs mozgás legfontosabb jellemzi: amplitúdó, frekvencia, csillapítás és adott frekvenciához és amplitúdóhoz tartozó gerjesztési teljesítmény. A rezgmozgás paramétereinek beállítása tehát a fent felsorolt jellemzk változtatásával lehetséges. A kísérleti berendezést mindezek figyelembevételével kell megtervezni és kivitelezni. A rezgmozgás többféleképpen létrehozható. Így a kísérleti berendezés lehet: mechanikus, elektromos, hidraulikus elven mköd, illetve hibrid rendszer (az elbbiek kombinációjából). A gyakorlat számára ezek közül mindig az adott feladatnál legkönnyebben kezelhet és kivitelezhet megoldást kell választani. A nagy vibrációs teljesítmény, a viszonylag széles frekvenciatartomány, valamint a frekvencia és az amplitúdó 26

fokozatmentes állíthatóságának igénye miatt célszer a tuskó lazításához alkalmazandó rezget berendezést a váltakozó áramú hidraulikus technika elvén létrehozni. A hidraulikus energiaátvitel általában az erdészetben használatos ergépek mindegyikén rendelkezésre áll, ezért a rendszer táplálása könnyen megoldható (Czupy Horváth B. Lukács, 2). A rezgmozgást kétfázisú lineáris mozgású váltakozó áramú hidraulikus hajtással állítjuk el. A 9. ábrán látható a hajtás mködési elvét bemutató vázlat. Q g =Q 1 +Q 2 Q 1 Q 2 VHG Φ n g D 1 VHM D 2 T B p max SZ r p 4-5 bar 9. ábra. Váltakozó áramú hidraulikus hajtás A hajtás fbb egységei: VHG osztott fázister változtatható folyadékáramú hidrogenerátor, VHM váltakozó áramú lineáris mozgású hidromotor, B biztonsági szelep, SZ r résveszteség pótló szivattyú, T túlfolyó szelep, D 1, D 2 hidraulikus diódák. A hidrogenerátor folyadékáramának amplitúdója és frekvenciája fokozatmentesen változtatható a két excentertárcsa Φ szöghelyzetétl és fordulatszámától függen. A 27

hidromotorban a fázisdugattyú löketét és mozgásának frekvenciáját a hidrogenerátor folyadékáramának amplitúdója és frekvenciája határozza meg. A biztonsági szeleppel a fázisterek maximális nyomását lehet beállítani. A túlfolyó szelep a résveszteség pótló szivattyú p töltnyomását szabályozza. A kísérleti berendezés kialakításánál a következ szempontokat tartottuk szem eltt: egyszer kezelhetség, fokozatmentes szabályozhatóság és alkalmazhatóság erdei körülmények között. Erdész szakemberekkel konzultálva a gyakorlati alkalmazhatóság céljait figyelembe véve fontos, hogy a berendezés: teljesítményigénye ne haladja meg a használatos univerzális traktorok maximális teljesítményét, a használatos univerzális traktorokkal szállítható és mozgatható legyen, és meghajtása a szállító traktorról megoldható legyen. A tervezés során különböz konstrukciós változatokat készítettünk és elemeztünk. A berendezés egy lehetséges kialakításának vázlata a 1. ábrán látható. 1. ábra. A kísérleti berendezés kialakításának egy változata 28

Az elemzések eredményeképpen kivitelezésre került egy olyan, traktorra szerelhet kísérleti berendezés, amely: tuskómegfogó keretbl, váltakozó áramú hidrogenerátorból (VHG) és lineáris mozgású, váltakozó áramú hidromotorból (VHM) áll. A tuskómegfogó keret zártszelvénybl készült, hegesztett szerkezet. Csavaros szorítópofák segítségével tetszleges helyzetben a tuskóra rögzíthet. Alkalmas 15 5 cm vágáslap átmérj tuskók befogására. A váltakozó áramú hidrogenerátor és a hidromotor függesztkeretre szerelt, amelyen keresztül a traktor hárompontfüggeszt berendezéséhez csatlakoztatható. A hidrogenerátor szerkezeti kialakítása és mködése szabadalmi bejegyzés eltt áll. A hidromotor gömbcsuklón keresztül kapcsolódik a tuskómegfogó keretre szerelhet csapokhoz. A csapok a kerület mentén több helyre is felszerelhetk annak érdekében, hogy a tuskómegfogó keret és a VHM egymáshoz viszonyított helyzete az erkifejtés szempontjából optimális legyen. Rázáskor az er hatásvonala áthalad a tuskó középpontján. A VHG a traktor teljesítményleadó tengelyérl kardántengelyen keresztül kapja a hajtást (11. ábra). A kialakított váltakozó áramú hidraulikus berendezés alkalmas arra, hogy a rezgések amplitúdója és frekvenciája fokozatmentesen állítható legyen. 11. ábra. A kísérleti berendezés (bemutatási helyzetben) 29

A kísérleti berendezés fontosabb mszaki jellemzi: a rezgetés legnagyobb amplitúdója: a rezgetés frekvenciája: felhasznált maximális teljesítmény: a legnagyobb lökethossza: a rendszer maximális nyomása: a = 4 mm, f= 1 17 Hz, P max = 3 kw, R = 2a = 8 mm, p = 1 bar = 1 7 Pa. 4.3 A tuskó befogásának mechanikai modellje A lazítási folyamat leírásához a talaj-gyökér kapcsolat mechanikai modelljének megalkotása szükséges. A kísérleti berendezéssel a tuskót megrázva azt tapasztaltuk, hogy annak környezetében a talaj egy adott pontjának rezgésgyorsulása jelents. A rezgések a tuskó közelében állva érezhetek, illetve az avar mozgása révén látható. Így megállapíthatjuk, hogy a tuskó nem tekinthet a talajba mereven befogott tartónak, hanem azt egy képzeletbeli csuklópont körül elmozdíthatónak gondoljuk. Csillapítatlan rugalmas rendszerek esetén a rázással bevitt mozgási energia és a rugalmas energia folyamatosan egymásba alakul át. A rezgés fenntartása nem igényelne jelentsebb teljesítmény bevitelt. A gyökérzet és a vele együtt mozgó földtömeg azonban jelents csillapító hatást fejt ki. A tuskó, a gyökérzet és a talaj közötti kapcsolat mechanikai modelljét a 12. ábra mutatja. A talaj és a gyökérzet hatása rugókkal és csillapító elemekkel modellezhet. A tuskó, a gyökérzet és a rázáskor rezgésbe jöv talaj együttes tömegét redukált tömegként (m) jelöltük az ábrán. F g c L m t k 12. ábra. A tuskó befogásának mechanikai modellje 3

A 12. ábrán a jelölések a következk: k a talaj csillapítási tényezje [Ns/m], c a tuskó rugómerevségi tényezje [N/m], L az erkar [m], m t redukált tömeg (a tuskó, a gyökérzet és az együttmozgó föld tömege) [kg], F g a gerjeszt er [N]. További problémát jelent, hogy a rezgrendszer jellemzi (tömeg, csillapítás, rugómerevség) a rezgetés hatására az id függvényében változnak, mivel a gyökerek egy része elszakadhat, illetve a föld lerázódik. A paraméterek változásával viszont változik a rendszer sajátfrekvenciája is, tehát a rezgmozgás frekvenciájának fokozatmentes változtathatósága nagyon lényeges. A 12. ábrán vázolt módon a gerjesztés többféleképpen létrehozható. 4.4 A kísérleti berendezéssel keltett rezgések elemzése 4.4.1 Az egyszersített mechanikai modell A kísérleti berendezéssel különböz átmérj tuskókat rezgettünk, miközben a rezgés frekvenciáját fokozatmentesen változtattuk. Azt tapasztaltuk, hogy bár a tuskó környezetében a talaj egy adott pontjának rezgésgyorsulása érzékelheten jelents, a tuskó elmozdulása nagyon kis mérték, lazító hatás gyakorlatilag nem mutatható ki. A rezgések bizonyos frekvenciákon visszahatottak az ergépre. A jelenség okainak vizsgálatára és a kísérleti berendezés továbbfejlesztésére megalkottuk a rendszer modelljét, amely alapján elemezhetk a rezgésjellemzk. Ha a rezgrendszer jellemzi (tömeg, csillapítás, rugómerevség) az id függvényében változnak, az ún. rheolineáris rendszer (Ludvig, 1983) szabad mozgását leíró differenciálegyenlet általános alakja az alábbi: ( t) x + k( t) x + s( t) x m =. (13) 31

A traktor, a traktorra függesztett kísérleti berendezés és a lazítandó tuskó együttese által alkotott rezgrendszer mechanikai modellje a 13. ábrán látható. A VHM dugattyújának elmozdulása kényszermozgást hoz létre, elmozdítva az m t tömeg tuskót, illetve az m tr tömeg traktort. Az elvégzett kísérletek során azt tapasztaltuk, hogy a traktor (x 1 ) és a tuskó (x 2 ) elmozdulása ellentétes irányú, csakúgy, mint ahogy az a gyümölcsfa rázószerkezetek mködése közben is megfigyelhet (Horváth E. 1997). A modell vizsgálatakor a rendszer jellemzinek idbeli változásától eltekintettünk. rsint c m tr m t k x 1 x 2 13. ábra. A rezgrendszer mechanikai modellje A mozgásegyenletek felírásának szintetikus módszerével és a D Alembert-elv felhasználásával vizsgáljuk meg a rezgrendszer elemeinek mozgását. Az 13. ábra alapján figyelembe véve, hogy x 1 iránya x 2 -vel ellentétes, a következ egyenletek írhatók fel: m x = m x + kx + cx, (14) tr 1 t 2 2 2 r sin ω t = x 2 + x 1, (15) 2 1 2 ω x = x rω sin t. (16) A (16) kifejezést behelyettesítve a (14) differenciálegyenletbe és célszeren csoportosítva: 2 ( + m ) x + m rω sin ωt + kx + cx. (17) mtr t 2 tr 2 2 = 32

Átrendezve az alábbi mozgásegyenlethez jutunk: 2 ( m + m ) x + kx + cx = m rω sinωt tr t, (18) 2 2 2 tr ahol: m tr a traktor tömege [kg], m t a tuskó és az együttrezg talaj tömege [kg], x 1 a traktor x irányú elmozdulása [m], x 2 a tuskó x irányú elmozdulása [m], c a tuskó rugómerevségi tényezje [N/m], k a talaj csillapítási tényezje [Ns/m], r a gerjesztést létrehozó VHM dugattyújának amplitúdója [m]. A tuskó amplitúdóját, sebességét és gyorsulását az id függvényében a következ összefüggések írják le, ahol A t a tuskó amplitúdója: x = A sin t, (19) 2 t ω x = A ωcos t, (2) 2 t ω 2 2 t ω x = A ω sin t. (21) Behelyettesítve a (19) (21) kifejezéseket a (18) differenciálegyenletbe és rendezve: m 2 2 ( r A ) ω sin ωt + ca sin ωt + ka ωcosωt m A ω sin ωt. (22) tr t t t t t = A tuskó amplitúdója (22) alapján: t 2 2 ( m + m ) ω c) + ( kω) 2 tr t 2 mtrrω A =. (23) 33

A kísérleti berendezéssel erdeifeny tuskót mozgattunk meg, amely horizontális és vertikális irányban is kiterjedt gyökérzettel rendelkezik. A számításokhoz az alábbi adatokat vettük alapul. A tuskó: vágáslap átmérje: d t = 25 cm, földfelszín feletti magassága: l t = 2 cm, együttmozgó tömege: m t = 7 kg, rugómerevségi tényezje: c = 1,31 6 N/cm. A tuskó rugómerevségi tényezje (c) két részbl tevdik össze. Egyik komponense a tuskó rugalmas hajlításából származó összetev, amely a c 1 4 t 3 I E t 3 d π E t = = (24) 3 3 l t 64 l t képlettel számítható. (E t = 18 N/cm 2, a tuskó hajlító rugalmassági modulusa.) Másik komponense pedig a talaj rugalmasnak tekinthet deformációjából származik, mivel a tuskó önmagával párhuzamosan, a talajrészekkel együtt mozdul el. Az ered rugómerevségi tényez komponenseibl 1 1 1 = + (25) c c 1 c 2 módon határozható meg. A kísérleti berendezés: dugattyúrúdjának átmérje: dugattyúrúdjának hossza: amplitúdója: d d = 3,2 cm, l d = 5 cm, r = 4 cm. 34

A traktor: tömege: m tr = 35 kg, súrlódási együtthatója: =,8. A tuskó csillapítási tényezjének értékét kísérleti úton határoztuk meg. Vízszintes irányú ütést mértünk a tuskóra, amelyre tapintón keresztül Brüel&Kjaer 4332 típusú rezgésgyorsulás érzékelt rögzítettünk. Larson Davis HVM 1 típusú rezgésmér mszerrel mértük a rezgésgyorsulást, valamint a kitérést (a mszerrl mindkét jellemz közvetlenül leolvasható). Meghatároztuk a logaritmikus dekrementum értékét, amely = 2,8 nagyságúra adódott. A tuskó csillapítási tényezjét az alábbi módon számítottuk: 2mt k = Λ, (26) T T = 2π, (27) ω mt k = Λω. (28) π Fentiek alapján a csillapítási tényez (k) és a tuskórezgés amplitúdójának (A t ) értékeit a 3. táblázatban foglaltuk össze. A traktor amplitúdójának számításához meg kell határoznunk a járószerkezet és a talaj között fellép súrlódás csillapító hatását. A traktor járószerkezete és a talaj közötti súrlódási er elméleti és gyakorlati értékét a 14. ábra szemlélteti. Az eltérést az okozza, hogy a gyakorlatban a kerék alatti talajrétegek elcsúsznak egymáson (Sitkei, 1996). 35

3. táblázat. A csillapítási tényez (k) és a tuskó amplitúdójának (A t ) értékei frekvencia f [Hz] szögsebesség [1/s] csillapítás k [Ns/m] tuskó amplitúdó A t [m] 1 6,28 3921,4 2 12,57 7841,17 3 18,85 11762,39 4 25,13 15683,69 5 31,42 1964,11 6 37,7 23524,16 7 43,98 27445,222 8 5,27 31366,296 9 56,55 35286,384 1 62,83 3927,487 11 69,12 43128,68 12 75,4 4748,75 13 81,68 5969,915 14 87,96 5489,111 15 94,25 58811,1339 16 1,53 62731,1612 17 16,81 66652,1939 18 113,1 7573,2335 19 119,38 74493,2822 2 125,66 78414,3431 Fs elméleti [N] Fs gyakorlati [N] traktor amplitúdója [m] traktor amplitúdója [m] 14. ábra. A járószerkezet és a talaj közötti súrlódási er elméleti és gyakorlati értéke 36

A súrlódási er hatását helyettesítsük egy virtuális tömeggel (m s ), melynek nagysága az F s s tr 2 = m A ω (29) m s Fs = (3) 2 A ω tr összefüggés alapján határozható meg, ahol A tr a traktor mozgásának amplitúdója. A súrlódási er gyakorlati értéke a 14. ábra alapján: F (,6,7) m g = (31) s µ tr nagyságú (Sitkei, 1986), melyet a traktor tömegéhez hozzáadva figyelembe vettük a traktor járószerkezete és a talaj közötti súrlódásból adódó csillapító hatást. A tr értékét a (15) összefüggés alapján határozhatjuk meg, x 1 = A tr helyettesítéssel, továbbá figyelembe véve azt, hogy a holtponton r = x 2 + x 1. A 4. táblázatban a súrlódási ert helyettesít virtuális tömeg (m s ), valamint a traktor (A tr ) és a tuskó (A tuskó ) amplitúdójának értékei szerepelnek a frekvencia függvényében. A rezgrendszer elemeinek amplitúdóját a 15. ábra mutatja arra az esetre, amikor a traktor járószerkezete és a talaj közötti súrlódásból adódó csillapító hatást is figyelembe vettük. Amint azt (24) és (25) alapján megállapíthatjuk, a tuskó rugómerevségét több tényez is befolyásolja, c értékének változása pedig hatással van a tuskó amplitúdójára. Meghatároztuk, hogyan változik f = 9 Hz frekvencián a tuskó kitérésének amplitúdója, ha c értékét a [;) intervallumon vesszük (16. ábra). A 16. ábrán látható, hogy a tuskó rezgésének amplitúdója a rugómerevségi tényez csökkentésével növelhet. A (24) és (25) összefüggések szerint c értéke a tuskó földfelszín feletti magasságának (l t ) növelésével csökken. A gyakorlatban azonban a fakitermeléskor a lehet legkisebb tuskómagasságra törekednek. 37

4. táblázat. A virtuális tömeg (m s ), a traktor (A tr ) és a tuskó amplitúdójának értékei frekvencia f [Hz] szögsebesség [1/s] virtuális tömeg m s [kg] traktor amplitúdója A tr [m] tuskó amplitúdója A tuskó [m] 1 6,28 146,3983,17 2 12,57 2623,397,3 3 18,85 1172,3948,52 4 25,13 665,3917,83 5 31,42 43,3876,124 6 37,7 32,3825,175 7 43,98 226,3763,237 8 5,27 176,3688,312 9 56,55 143,3599,41 1 62,83 119,3494,56 11 69,12 12,3371,629 12 75,4 89,3228,772 13 81,68 8,359,941 14 87,96 74,286,114 15 94,25 7,2625,1375 16 1,53 68,2344,1656 17 16,81 7*,23,1997 18 113,1 77*,1582,2418 19 119,38 98*,141,2959 2 125,66 184*,221,3779 * A kerék többé nem mozdul el a talajon, mivel az elmozdulást a gumiabroncs deformációja felveszi. Ezért a veszteség csökken.,4 amplitúdó [m].,3,2,1 tuskó amplitúdója traktor amplitúdója, 5 1 15 2 frekvencia [Hz] 15. ábra. A tuskó és a traktor amplitúdója 38

amplitúdó [m].,25,2,15,1,5 tuskó amplitúdója,e+ 2,E+7 4,E+7 6,E+7 8,E+7 1,E+8 rugómerevség [N/m] 16. ábra. A tuskó amplitúdója a rugómerevség függvényében (f = 9 Hz) A tuskó amplitúdójának nagysága (23) alapján az ellentömeg, vagyis esetünkben a traktor tömegének változtatásával is befolyásolható. A 17. ábrán a tuskó amplitúdójának változását ábrázoltuk az ellensúly (m tr ) függvényében, f = 9 Hz esetén. Az ábra alapján megállapíthatjuk, hogy a jelenlegi traktortömeg tizenötszöröse mellett érhet el jelents amplitúdó növekedés, ennek azonban gyakorlati haszna nincsen. Ekkora tömeg traktorral a tuskót rezgetés nélkül is ki lehet emelni.,2 amplitúdó [m].,15,1,5 tuskó amplitúdója, 1 2 3 4 5 ellensúly [t] 17. ábra. A tuskó amplitúdója a traktortömeg függvényében (f = 9 Hz) 39

A (17) - (22) egyenletek alapján meghatározható a tuskót ér erhatások nagysága. Az er összetevket a frekvencia függvényében az 5. táblázatban foglaltuk össze. A 18. ábra a tuskó mozgását gátoló erkomponensek változását mutatja be a frekvencia függvényében. 5. táblázat. A tuskóra ható erkomponensek a frekvencia függvényében frekvencia f [Hz] csillapító er F cs [N] rugóer F r [N] tehetetlenségi er F t [N] gerjeszt er F g [N] F F r cs 1 4 22143 5 553 5277 2 3 392 33 21942 1319 3 115 67393 129 4998 586 4 327 1777 367 86599 33 5 762 1679 855 13392 211 6 1551 227345 174 19272 147 7 2865 3862 3214 25475 18 8 4924 4651 5524 32615 82 9 86 521585 8981 4278 65 1 12461 6576 13979 48283 53 11 18736 817133 2118 563674 44 12 27398 1462 3735 64228 37 13 39179 1223388 43951 71436 31 14 5531 1481658 61733 774622 27 15 76218 1787616 8551 81665 23 16 14458 2153284 117181 8293 21 17 142168 2595984 159483 799882 18 18 192968 3142956 21647 78391 16 19 263176 3847134 295229 51995 15 2 372389 491288 417744 1227 13 4