Toprak İşleme Derinliği ve Çeki Kuvveti Ölçme Sistemleri

Traktöre bağlı ekipmanların toprak işleme derinliklerini ölçmek için literatürde çeşitli yöntemler denenmiştir. Bu yöntemlerin bazılarında direkt olarak mesafe ölçümü yapan ultrasonic sensörlerden faydalanılmıştır (Arrivo ve Di Renzo, 1998; Suomi ve ark., 2009; Jafar ve ark., 2011; Kiani ve ark., 2012; Suomi ve Oksanen, 2015; Almaliki ve ark., 2016; Ranjbarian ve ark., 2017).

Yasin ve ark. (1992), ultrasonic sensörlerin çeşitli toprak koşullarında (anızlı, otlu vb.) yeterince doğru çalışmadığını belirtmişlerdir. Lee ve ark. (1996) da ultrasonic sensörlerin ortam sıcaklıkları değişimlerine karşı hassas olduklarını ve önemli ölçüde etkilendiklerini bildirmişlerdir.

Ultrasonic sensörlerin dezavantajları göz önüne alınarak geliştirilen diğer ölçüm tekniklerinde ise mekanik sistemler aracılığıyla elektronik sinyaller elde edilmiştir (Nielsen ve ark., 2018). Bu tür sistemlerde mekanik bir sistem ile toprak işleme ekipmanının toprağa batma miktarı algılanmış, çeşitli dönüştürücüler (potansiyometre, encoder vb.) vasıtasıyla da elektronik sinyaller elde edilmiştir (McLaughlin ve ark., 1993; Al-Janobi, 2000; Yahya ve ark., 2009; Al-Suhaibani ve Ghaly, 2013; Jia ve ark., 2016; Shafaei ve ark., 2019a; 2019b).

Al-Janobi (2000), üç nokta askı sistemine monte edilmiş ekipmanların çalışma derinliğini ve üç bağlantı noktasında meydana gelen çeki kuvvetlerini ölçmek ve veri toplamak için bir sistem geliştirmiştir. Sistemde çeki kuvvetlerinin belirlenmesi için üç nokta askı kolunun üst (orta) koluna 100 kN’luk bir yük hücresi bağlanmış, alt kollarda ise 30 kN dikey, 60 kN yatay kuvvet ölçebilen sekizgen halka şeklinde yük hücreleri kullanılmıştır. Üç nokta askı sistemine bağlanacak toprak işleme ekipmanının çalışma derinliğini ölçmek için bir döner pozisyon sensöründen faydalanılmıştır. Sensör, üç nokta askı sistemi alt bağlantı kollarının hareketini algılayacak şekilde monte edilmiştir. Denemeler 7, 12 ve 15 cm toprak işleme derinlikleri için bir çizel pullukla, 2 km h-1_’lik

ilerleme hızında gerçekleştirilmiştir. Denemelerde traktörün gerçek ilerleme hızı, traktörün arka tekerleğine bağlanan bir optik kodlayıcı ile belirlenmiştir. Denemeler neticesinde elde edilen yatay, dikey ve toplam çeki kuvvetleri; toprak işleme derinlikleri ve gerçek ilerleme hızları kaydedilmiştir. Değerler incelendiğinde, toprak işleme derinliğine bağlı olarak yatay çeki kuvvetinde belirgin bir pozitif ilişki gözlenmiştir. Dikey çeki kuvveti değerlerindeki değişim ise yatay çeki kuvveti değişimleri kadar net değildir. Toplam çeki kuvveti değerleri incelendiğinde ise, çalışma derinliği ile pozitif ilişkili bir değişim sergilendiği görülmüştür.

Al-Suhaibani ve ark. (2010), traktörde meydana gelen çeki kuvvetini, ön ve arka tekerleklerdeki tork kuvvetlerini, kuyruk mili tork kuvvetini, traktör gerçek ilerleme hızını, toprak işleme derinliğini, yakıt tüketimini, motor devrini ve sıvı (motor yağı, soğutma suyu vs) sıcaklıklarını ve ön tekerleklerin konumunu (dönme miktarını) ölçen bir sistem tasarlamışlardır. Çeki kuvveti ölçümü ve toprak işleme derinliğinin belirlenmesi için üç nokta askı sistemine sensörler bağlanmıştır. Traktörün gerçek ilerleme hızı beşinci bir tekerlekle ölçülmüştür. Bu tekerlekte hız ölçümü için bir encoder kullanılmıştır. Bu tekerlek aynı zamanda kat edilen mesafeyi de ölçmektedir. Sistemde yakıt tüketimini ölçmek için ise bir akış metre kullanılmıştır. Tarla denemeleri için kulaklı pulluk kullanmışlardır. Tüm deneme sonuçları incelendiğinde, ölçülen çeki

kuvveti ortalama değerlerinin, toprak işleme derinliği ve hız artışıyla birlikte arttığı görülmüştür. Ayrıca derinlik değişiminin, çeki kuvveti üzerinde hız değişimden daha fazla etkiye sahip olduğu belirtilmiştir (Şekil 2.7).

Şekil 2.7. Kulaklı pulluk için toprak işleme derinliği ve gerçek ilerleme hızının çeki kuvvetine etkisi

Jia ve ark. (2016), toprak işleme ekipmanına bağlanan ve toprak işleme derinliğini ölçen bir sistem geliştirmişlerdir. Sistemde toprak işleme ekipmanına döner bir tekerlek bağlanmıştır. Tekerleğin toprak işleme ekipmanına bağlantısı uzayıp kısalabilen bir çubukla gerçekleştirilmiştir. Çubuğun bu şekilde ayarlanabilir olması, değişik yükseklikteki ekipmanlarda da kullanılabilir olması için düşünülmüştür. Çubuğun toprak işleme aletine bağlandığı hareketli eklem noktasına ise bir algılayıcı (optik encoder) bağlanmıştır (Şekil 2.8). Toprak işleme ekipmanının çalışma derinliğine göre hareketli eklem noktasındaki açı değişmiş ve meydana gelen açının ölçümüyle derinlik tahmin edilmiştir. Sisteme gelen veriler LabVIEW programı ile işlenmiş ve elde edilen sonuç verileri hem anlık olarak gösterilmiş hem de geçmiş veri kaydı tutulmuştur. Sistem denemeleri öncelikle laboratuvar ortamında bir deney düzeneğinde gerçekleştirilmiş, daha sonra tarlada yapılmıştır. Laboratuvar ortamında gerçekleştirilen denemelerde maksimum hata, 500 mm toprak işleme derinliğinde 6.2 mm olarak bulunmuştur. Tarlada gerçekleştirilen denemelerin sonuçlarında ise hem yatay yüzeylerde hem de eğimli yüzeylerde sistemin ölçüm yapabildiği; ortaya çıkan bağıl hataların, düz zeminde ortalama %3.89, yukarı eğimli zeminlerde ortalama %4.59 ve aşağı eğimli zeminlerde ortalama %4.42 olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar neticesinde geliştirilen ölçüm sisteminin, gerçek toprak işleme derinliğinin izlenmesinde uygulanabilir olduğu belirtilmiştir.

Şekil 2.8. Ölçüm tekerleği ve bağlantı noktası

Bauer ve ark. (2017), pullukla gerçekleştirilen toprak işleme faaliyetleri esnasında, pullukla traktör arasında meydana gelen çeki kuvveti nedeniyle traktör arka tekerleklerine aktarılan yük miktarlarını incelemişlerdir. Denemelerde 1.5 metre iş genişliğine sahip bir döner pulluk kullanılmış ve 25 cm toprak işleme derinliğinde çalışılmıştır. Çalışma süresince çeki kuvvetleri, yakıt tüketimi ve toprak işleme derinliği bilgileri kaydedilmiştir. Üç nokta askı sisteminde meydana gelen kuvvetleri ölçmek için 60 kN’luk 3 adet strain gauge kullanılmıştır. Denemelerde kullanılan döner pullukla hem sağa doğru hem de sola doğru toprak işleme yapılmış ancak benzer sonuçlar elde edildiği için sadece sağa doğru toprak işleme sonuçları verilmiştir. Çalışmada işlenmiş toprakta (çizide) hareket eden tekerleğin, işlenmemiş toprakta hareket eden tekerlekten daha fazla yüklendiği ve bu nedenle işlenmiş toprağın (çizinin) daha fazla sıkıştığı belirlenmiştir. Bununla ilgili olarak, üç nokta askı sisteminin üst kol uzunluğu değiştirilerek (70 cm, 66.5 cm ve 63.5 cm), arka tekerleklerin farklı yüklenmesi problemini ortadan kaldırmaya yönelik analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda sol ve sağ arka tekerlekler arasındaki yük farkının, üç nokta askı sisteminin üst kol uzunluğunun ayarlanmasıyla azaltılabildiği ve bu sayede yakıt tüketiminde %13,7 oranında azalma ortaya çıktığı bildirilmiştir.

Shafaei ve ark. (2019b), toprak işleme faaliyeti gerçekleştiren bir traktörün performans parametrelerinin yüksek hassasiyetle ölçülmesi ve kaydedilmesi için bir enstrümantasyon sistemi geliştirmişlerdir. Geliştirilen sistem traktörün muharrik tekerleklerindeki patinaj miktarını, gerçek ilerleme hızını, yakıt tüketimini, üç nokta askı sistemine bağlı ekipmanın toprak işleme derinliğini ve ekipmanla traktör arasındaki çeki kuvvetini ölçebilmektedir. Tasarlanan sistemde gerçek ilerleme hızının ölçümü için

beşinci bir tekerlek ve patinaj miktarlarının belirlenmesi için muharrik tekerleklere bağlanan encoderler kullanılmıştır. Traktörün yakıt tüketimini belirlemek için enjektörlere giden yakıtı ve depoya dönen yakıtı ölçecek iki akış metre, çeki kuvvetini ölçmek için yük hücreleri ve toprak işleme derinliğini ölçmek için bir kayar potansiyometre (Şekil 2.9) kullanılmıştır. Traktörün 2WD durumunda çalıştırılarak gerçekleştirilen denemeler sonucunda; arka tekerleklerde meydana gelen patinaj miktarları minimum %10.70, maksimum %20.27 ve ortalama %15.11; toprak işleme ekipmanı ile traktör arasında oluşan çeki kuvveti minimum 9.70 kN, maksimum 12.08 kN ve ortalama 11.15 kN; yakıt tüketimi minimum 18.50 L ha-1, maksimum 23.21 L ha-

1 _{ve ortalama 20.39 L ha}-1_{; traktörün gerçek ilerleme hızı minimum 2.75 km h}-1_,

maksimum 3.10 km h-1 _{ve ortalama 2.94 km h}-1_{; toprak işleme derinliği minimum 11.50}

cm, maksimum 15.50 cm ve ortalama 13.50 cm olarak ölçülmüştür. Elde edilen sonuçların %5’ten daha az hataya sahip olduğu bildirilmiştir. Bu sistemin kabul edilebilir olduğunu göstermiştir.

Şekil 2.9. Çalışma derinliği ölçme sistemi