T.C.
KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
AĞAÇ BUDAMA MAKĠNASI ĠMALATI
BĠTĠRME PROJESĠ
Ġlayda ÖZTÜRK Metehan EMĠRZEOĞLU
Gökay BOSTANCI Berk TÜTÜNCÜOĞLU
HAZĠRAN 2020 TRABZON
T.C.
KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
AĞAÇ BUDAMA MAKĠNASI ĠMALATI
Ġlayda ÖZTÜRK Metehan EMĠRZEOĞLU
Gökay BOSTANCI Berk TÜTÜNCÜOĞLU
DanıĢman: Doç. Dr. Recep GÜMRÜK
Bölüm BaĢkanı: Prof. Dr. Burhan ÇUHADAROĞLU
HAZĠRAN 2020 TRABZON
III ÖNSÖZ
Tasarım projeleri, yoğun ve zor bir çalıĢmanın sonucunda ortaya çıkan ürünlerdir. Bu tür bilimsel çalıĢmalar, Ġbn Haldun’un deyimiyle “hocalar ve üstatlar” olmadan yürütülemez. Böyle bir çalıĢmaya yönelmemizi sağlayan ve hazırlanması sırasında büyük anlayıĢ, yardım ve destek gördüğümüz hocamız Sayın Doç. Dr. Recep GÜMRÜK’e, fikir ve deneyimlerini bizlerle paylaĢan Sayın ArĢ. Gör. Altuğ UġUN’a Ģükranlarımızı sunuyoruz. Bu çalıĢmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğüne, Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Makina Mühendisliği Bölüm BaĢkanlığına içten teĢekkür ediyoruz.
Ayrıca, bizleri bugünlere yetiĢtiren, bizlerden sevgilerini ve desteklerini asla esirgemeyen ailelerimize, bize hayatlarıyla örnek olan tüm bölüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız.
Ġlayda ÖZTÜRK Metehan EMĠRZEOĞLU Gökay BOSTANCI Berk TÜTÜNCÜOĞLU Trabzon 2020
IV
ĠÇĠNDEKĠLER
Sayfa No ÖNSÖZ ... III ĠÇĠNDEKĠLER ... IV ÖZET ... VI SUMMARY ... VI ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ... VIII TABLOLAR DĠZĠNĠ ... IX SEMBOLLER DĠZĠNĠ ... X
1. GENEL BĠLGĠLER ... 11
1.1.GiriĢ ... 11
1.2. Endüstriyel Ar-Ge Ġçeriği ve Yenilikçi Yönü... 11
1.3. Yöntem ve AraĢtırma Teknikleri ... 14
2.YAPILAN ÇALIġMALAR ... 15
2.1. Ağaç Budama Makinesinin Test Edileceği Ağacın Belirlenmesi ... 15
2.2 Ağaç Budama Makinasının Hareket Aksamının Ġmalatı ve Gerekli Çizimlerinin Revize Edilmesi ... 19
2.2.1 Test Ağacının Ölçümlerinin Yapılması ve Ġrdelenmesi ... 20
2.2.2 Sistemde Kullanılacak Tekerleğin Ġmalatı ... 20
2.2.3 Sistemde Kullanılacak Motorun Belirlenmesi ... 22
2.2.4. Teker Desteğinin Çizimleri ve Ġmalatı ... 24
2.2.5 Sistemde Kullanılacak Olan Yayların Belirlenmesi ... 24
2.2.5.1 Tekerlek Baskı Yaylarının Belirlenmesi ... 24
2.2.5.2. Sönümleyici ve Destek Yaylarının Belirlenmesi... 28
2.2.6. Sistemin Kritik BileĢenlerinin Ġmalat Çizimlerinin OluĢturulması ... 29
2.2.6.1. Altıgen Kafesin Ölçülendirilmesi ve Malzemesinin Belirlenmesi ... 29
V
2.2.6.2. Yay Kuvvetlerinin Altıgen Kafes BileĢenlerindeki Etki Simülasyonları ... 33
2.2.6.3 Teker Milinin Malzemesi ve Formunun Belirlenmesi ... 40
2.2.6.4 Yay Kuvvetlerinin Teker Mili Üzerindeki Etkilerinin Simülasyonu ... 41
3. SĠSTEM PROTOTĠPĠNĠN ĠMALATI VE MONTAJI ... 48
3.1. Altıgen Kafesin Ġmalatı ... 48
3.2. Teker ve Yay Millerinin Ġmalatı ... 50
3.2.1. Teker Millerinin Ġmalatı ... 50
3.2.2. Yay Millerinin Ġmalatı ... 50
3.3 Hareket Mekanizmasının Montajı ... 52
3.4 Sistem Prototipinin Elektrik Montajı ve Kodlaması ... 53
4. ĠRDELEME ... 55
5. SONUÇLAR ... 56
6. ÖNERĠLER ... 57
7. KAYNAKLAR ... 58
8. EKLER ... 59
VI ÖZET
AĞAÇ BUDAMA MAKĠNASI ĠMALATI
Ağaçların verimini arttırmak, sağlıklarını iyileĢtirmek ve ömürlerini uzatmak amacıyla çeĢitli dalları budanmaktadır. Budama yöntemi, büyüme ve üretim için gerekli olmayan dalların kesilmesi ile gerçekleĢtirilmektedir. Bazı ağaçların yapısı veya konumu sebebiyle budanması için ağaca tırmanılması gerekmektedir. Gerekli tüm güvenlik önlemleri alınsa da yine de maddi ve manevi kayıplara sebep olan iĢ kazaları meydana gelebilmektedir. Bu sebeple taĢıt ve iĢ makinelerinin ulaĢımının zor veya imkânsız olduğu bölgelerde, budama iĢlemini gerçekleĢtirirken, kiĢilerin yerine bu iĢlemi yapabilecek modüler bir sisteme ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaç ile gerçekleĢtirilen çalıĢmalar günümüzde genellikle patent aĢamasında kalmakta veya tek bir ağaca özgün olacak Ģekilde üretilmektedir. Ayrıca bu tasarımların hareket kabiliyetleri de oldukça düĢüktür.
Bu projenin amacı ağaç gövdesi üzerinde doğrusal tırmanabilecek, sahip olduğu testereyi farklı açısal konumlara getirerek her türlü uzunluk ve kalınlıktaki dalların güvenli bir Ģekilde kesilmesini mümkün kılacak bir sistemin prototipinin tasarımının ve imalatının gerçekleĢtirilmesidir.
Ağaç budama makinesinin projesi, proje ekibinin oluĢturduğu iĢ planı bağlamında akademik ve sanayi danıĢmanlarının gözetiminde yürütülecektir. Bu araĢtırma olanakları kullanılarak ve risk faktörleri minimize edilerek projenin gerçekleĢtirilmesi hedeflenmektedir. Ağaç budama makinesi farklı iklim koĢullarında ve çalıĢmaya uyumlu olduğu geniĢ ağaç yelpazesi ile global pazarda ülkemize katma değer sağlayabilecek bir sistemdir. Bu sistemin imalatında yerli kaynakların kullanımının %95’in üzerinde olması hedeflenmektedir.
Anahtar Kelimeler: Ağaç budama, Ağaca otomatik tırmanma, Eğimli ağaç gövdesine tırmanma
VII SUMMARY
MAKING TREE PRUNING MACHINE
Various branches of trees are pruned in order to increase their yield, improve their health and prolong their life. Pruning is carried out by cutting off branches that are not necessary for growth and production. Some trees need to be climbed for pruning due to their structure or location. Although all necessary safety precautions are taken, occupational accidents that may cause material and moral losses can still occur. For this reason, in areas where transportation of vehicles and work machines are difficult or impossible, a modular system is needed to perform this process instead of human labor.
The studies carried out for this purpose generally remain at the patent stage or produced to be unique to a single tree. In addition, these designs have very low mobility.
The aim of this project is to design and manufacture the prototype of a system that can climb linearly on the tree trunk and make it possible to cut the branches of any length and thickness by bringing the saw to different angular positions.
The project of the Tree Pruning Machine will be carried out under the supervision of academic and industrial consultants in the context of the work plan of the project team. It is aimed to realize the project by using these research opportunities and minimizing the risk factors. Tree Pruning Machine is a system that can provide value to our country in global market with its wide range of trees in different climatic conditions. The use of domestic resources in the manufacture of this system is targeted to be over 95%.
Keywords: Tree pruning, Self-Climbing to tree, Climbing an inclined body of the tree
VIII
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ
Sayfa No
ġekil 1. Mekanizmanın üstten (a), yandan (b) ve açılmıĢ halinin görünüĢü (c) ... 12
ġekil 2. Gövdeye göre uzaklığı ayarlanabilir kesim ünitesi ... 13
ġekil 3. Makina Mühendisliği çevresindeki ağaçların yerleĢim planı ... 15
ġekil 4. Ağaç Budama Makinasının ağaca tırmanma simülasyonu ... 16
ġekil 5. Ağaç yerleĢim planında bulunan 12-28-20 numaralı ağaçlar ... 17
ġekil 6. Sistem prototip testlerinin yapılacağı ağaç ... 19
ġekil 7. Hareket mekanizması bileĢenleri... 20
ġekil 9. Ağırlık kaldırma testinin serbest cisim diyagramı ... 22
ġekil 10. Sistemde kullanılacak motorun ağırlık kaldırma testi ... 23
ġekil 11. Ø100,04 mm için serbest cisim diyagramı ... 25
ġekil 12. CoilSpringDirect firmasına ait Code-170 yayının geometrik ve mekanik özellikleri ... 27
ġekil 13. CoilSpringDirect firmasının ait Code-185 yayının geometrik ve mekanik özellikleri ... 28
ġekil 14. Altıgen kafesin imalat taslak resimleri ve ölçüleri ... 29
ġekil 15. Profil numunesinden bir kesit... 30
ġekil 16. Profil kesitinin SolidWorks programında çizilmesi ve kesit ölçüleri ... 31
ġekil 17. Teker milinin konstrüksiyonu ... 41
ġekil 18. Altıgen kafesin imalat resimleri ... 49
ġekil 19. Teker ve yay millerinin iĢlem öncesindeki hali... 50
ġekil 20. Makinanın hareket mekanizması ... 51
ġekil 21. Yay millerinin imalatı öncesi ve sonrası ... 52
ġekil 22. Hareket aksamının montajı ... 52
ġekil 23. Motor ilavesiz hareket aksamı ... 53
ġekil 24. Sistem prototipinin elektrik Ģeması ... 54
IX
TABLOLAR DĠZĠNĠ
Sayfa No
Tablo 1. ASTM 500b 30x30x3 mm kare profilin toplam uzunluğu ve ağırlığı ... 16
Tablo 2. Alüminyum 6060- 30x30x3mm kare profilin toplam uzunluğu ve ağırlığı ... 17
Tablo 3. Ağaç yerleĢim planındaki ağaçların özellik ve uygunluk tablosunun bir bölümü 18 Tablo 4. Sekiz numaralı ağacın yükseklik-gövde çapı değiĢimi ... 20
Tablo 5. Tekerleğin teknik özellikleri ... 21
Tablo 6. Motor teknik özellik kataloğu ... 23
Tablo 7. Kafes malzemesinin fiziksel, mekanik ve kimyasal özellik tablosu ... 32
Tablo 8. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ olan model bilgisi ... 34
Tablo 9. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ büyüklüklerin birimleri ... 35
Tablo 10. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ malzeme bilgileri ... 35
Tablo 11. Altıgen kafes bileĢeninin maruz kaldığı yükler ve fikstürler ... 36
Tablo 12. SolidWorks statik etüdünde altıgen kafes bileĢeninin mesh bilgileri ... 36
Tablo 13. SolidWorks statik etüdünün yer değiĢtirme ve gerilim analiz sonuçları ... 38
Tablo 14. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ olan model bilgisi ... 42
Tablo 15. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ büyüklüklerin birimleri ... 42
Tablo 16. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ malzeme bilgileri ... 43
Tablo 17. Altıgen kafes bileĢeninin maruz kaldığı yükler ve fikstürler ... 43
Tablo 18. SolidWorks statik etüdünde altıgen kafes bileĢeninin mesh bilgileri ... 44
Tablo 19. SolidWorks statik etüdünün yer değiĢtirme ve gerilim analiz sonuçları ... 45
Tablo 20. Risk yönetimi tablosu ... 57
X
SEMBOLLER DĠZĠNĠ
W Ağırlık
Fyay Yayın uyguladığı kuvvet
Fn Tepki kuvveti
μs Statik sürtünme katsayısı
k Yay katsayısı
∆xmin Yayların maksimum yükseklikte sıkıĢma miktarı
∆xmax Yayın toplam sıkıĢma miktarı
X0 Yayın serbest boyu
X900 Maksimum çalıĢma yüksekliğindeki yayın boyu
d0 Test gövdesinde maksimum çap
d900 Test gövdesinde minimum çap
11 1. GENEL BĠLGĠLER
1.1.GiriĢ
Ormancılık, en eski çağlardan beri insanlar için önemli bir geçim kaynağı olmasına rağmen, en tehlikeli sektörler arasında yer almaktadır. Günümüzde ĠSG raporlarına ve istatistiklerine bakıldığında orman iĢçilerinin saha faaliyetlerinde, çeĢitli sebeplerden dolayı iĢ kazaları meydana geldiği görülmektedir. Kazalara; çalıĢma sistemi ve çalıĢılan araçların tehlikeli düzeni, iĢ aletlerinin durumu, güvenlik önlemleri ile koruyucu donanımın yetersiz oluĢu, çalıĢma sırasında iĢ elbiselerinin ve ayakkabılarının yeterli güvenlikte olmaması, iĢ metodunun iyi bilinmemesi, iĢ talimatlarının yeteri kadar açık olmaması, tehlike sırasında yanlıĢ hareketlerde bulunulması, orman içinde ağaç ve dal çarpmaları, çalıĢma sırasında balta ve motorlu testerenin sebep olduğu yaralanmalar gibi daha birçok neden olabilir. Bu kazaların önüne geçebilmek için yasal önlemler, organizasyon önlemleri ve iĢçi önlemleri alınmalıdır.
GeçmiĢ yıllarda konuyla ilgili yapılan çalıĢmalar genellikle patent aĢamasında kalmıĢtır. Söz konusu sistemler incelendiğinde makinaların, dalları budama metotları, ağaca tırmanma mekanizmaları ve tırmanma biçimleri, enerji destek sistemleri ve konumları, sistem güvenliği gibi konularda yetersiz olduğu görülmektedir.
Bu projenin amacı, ağaç gövdesi üzerinde doğrusal tırmanabilecek, sahip olduğu testereyi farklı açısal konumlara getirerek her türlü uzunluk ve kalınlıktaki dalların güvenli bir Ģekilde kesilmesini mümkün kılacak modüler bir sistemin tasarımını ve imalatını gerçekleĢtirmektir.
1.2. Endüstriyel Ar-Ge Ġçeriği ve Yenilikçi Yönü
Ağaç budama çalıĢmaları planlanırken, ağaçların kök-gövde-tepe tacı geliĢim oranlarını, sağlık durumlarını, gövde mukavemetlerini ve güncel durumlarını göz önünde bulundurarak ağaçların sağlıklı büyümesini ve daha verimli olmasını sağlamak amaçlanmaktadır. Fakat budama iĢleminin uygulanmasında iĢ makinelerinin giremeyeceği coğrafik bölgeler ve insan hayatını tehlikeye sokabilecek büyüklükteki ağaçlar için ergonomik bir tasarım gerekmektedir. Budanacak ağaçlar; gövde çapı, gövdeye oranla dal kalınlığı, düz veya eğri gövdeli gibi birbirinden farklı morfolojik özelliklere sahip
12
olabilmektedirler. Benzer amaç için kullanılan makineler incelediğinde [1-4], tasarımların özellikle budanması istenilen ağaç türü için tasarlanmıĢ olduğu görülmektedir. Bir ağaç türü için geliĢtirilmiĢ makinelerin [5] farklı tür ağaç gövdelerinde kullanılması imkânsız olduğundan bu sistemlerin kullanımı kısıtlı kalmaktadır.
Öncelikle tümüyle açılabilir olarak tasarlanan sistem, budanacak ağacın gövdesine uygun Ģekilde yerleĢtirilebilecektir. Makine yerleĢtirildikten sonra kolay sökülebilir pim yerine takılarak kafes birleĢtirilecek ve tek seferde ağacın gövdesine oturtulabilecektir.
Cihazın kontrolünü sağlayan kumanda mekanizması yardımıyla hareket baĢlayacaktır.
Gövde üzerinde yukarı doğru ilerlemeye baĢlayan sistemle beraber tekerleklerin arkasına yerleĢtirilen baskı yayları, gövde ile tekerlekler arasındaki teması maksimum seviyede tutacaktır. Ağaçların zamanla aĢınıp tümsek veya çukurlara sahip olması, ağaç morfolojisine göre gövdenin kesit alanının gittikçe azalması ve eğimli ağaçlarda sistem hâkimiyetinin kaybedilmesi nedeniyle süspansiyon sistemi önemli görevler üstlenmektedir.
(a) (b)
(c)
ġekil 1. Mekanizmanın üstten (a), yandan (b) ve açılmıĢ halinin görünüĢü (c)
13
Ġncelenen sistemlerde, mekanizmanın üzerinde bulunan sabitlenmiĢ testerenin açısal konumlandırılmasını sağlamak için kullanılan spin atma metodu [3], sistem üzerinde gerilmelere, budama iĢleminin uzun sürmesine, karmaĢık kodların kullanılmasına, mekanik ve elektronik sistemlerin eklenmesiyle de ağırlığının artmasına neden olmaktadır. Bununla birlikte eğri gövdeli ağaçlarda da iĢe yaramamaktadır. Çözüm olarak kesim ünitesinin ağaç etrafında açısal konumlandırılmasını sağlayabilecek bir tasarım geliĢtirilmiĢtir. Testere konumlandırıcısının üzerine yerleĢtirilen testere, gövdede konumlandırılmıĢ olan dala paralel olacak Ģekilde kumanda ünitesiyle ayarlanacaktır. Ġnce ve kısa dalların kesilmesinde testerenin ayrılabilir yol üzerinde dönüĢ hareketi yeterli olacaktır. Fakat daha uzun ve kalın dalların kesilmesinde söz konusu hareket, testerenin sıkıĢmasına ve dalın kopup sisteme zarar vermesine neden olmaktadır. Bu tip dalların kesiminde testere konumlandırıcısı içerisine yerleĢtirmiĢ olan hareketli testere sabitleyicisi ile eĢ çalıĢan diĢli mekanizması ve robotik kol üzerinde çalıĢan testere devreye girmektedir.
Hareketli testere sabitleyicisinde bulunan diĢli mekanizması sayesinde testerenin gövdeye olan mesafesi ayarlanabilecektir. Uzun ve kalın bir dalın kesimi sırasında önce testere gövdeden uzaklaĢarak, dal en dıĢtan kesilecektir. Serbest kalan dal, dal tablası olarak nitelendirdiğimiz, ağaçtan da destek alan sönümleyici yüzeye çarparak aĢağıya düĢecektir. Bu tabla sayesinde dalın mekanizmaya çarparak sisteme hasar vermesi engellenecektir. Gövde üzerinde kalan dal kesitinin kesimi ise testerenin diĢli mekanizması yardımıyla tekrardan gövdeye yaklaĢmasıyla gerçekleĢecektir.
ġekil 2. Gövdeye göre uzaklığı ayarlanabilir kesim ünitesi
Kesim ünitesinde bulunan dal kesme mekanizması, programlanabilir, mekanik parçaların bütünü veya karmaĢık bir robotun bir parçası olarak nitelendirebilir. Büyük
14
dalların kesim iĢleminin aĢağıdan yukarıya doğru olması, testere zincirinin, iki parçaya ayrılmakta olan dalın arasında sıkıĢarak tüm makinenin arızalanmasına sebep olacaktır.
Robotik kolun üzerindeki testere, açısal olarak dönmekte ve dalı yukarıdan aĢağıya doğru kesmektedir. Böylece testerenin dal kesitinde sıkıĢmasının önlenebileceği düĢünülmektedir. Kesim sırasında etrafa yayılan talaĢ, toz vb. partiküller, mekanizmanın hareket aksamlarında birikerek, tekerleklerin dönmemesi, kayıĢın veya diĢlilerin görevini yerine getirememesi gibi sorunlara neden olabilir. Tasarlanan mekanizmada tekerleklerin kauçuk olması, ağaca olan tutunma ve hareket iĢlevlerinin daha etkili bir Ģekilde gerçekleĢmesini sağlayacaktır. Açısal konumlandırma sisteminde bulunan kayıĢın iĢlevini kesintisiz yerine getirebilmesi için ayrılabilir yolun alt bölgesine delikler açılarak partiküller bu deliklerden tahliye edilebilecektir.
1.3. Yöntem ve AraĢtırma Teknikleri
Daha önce genel özellikleri ve çalıĢma prensibi verilen ağaç budama mekanizmasının parçaları SolidWorks programı yardımı ile tasarlanmıĢtır. Mekanizma 35- 50 cm çaplı bir ağaç gövdesi yüzeyine tırmanabilecektir. Bu çap aralığı için öncelikle mekanizmanın ana gövdesi altıgen kafes sistemi Ģeklinde, açılır kapanır olarak tasarlanacaktır. Kafes sisteminin ağaç gövdesi üzerinde hem hareket etmesini hem de gövdeye tutunmasını sağlayacak yay kuvveti hesaplanarak, uygun tekerlek-yay sistemi tasarıma dâhil edilecektir. Kafes sisteminin dairesel yüzeylere kolayca montajlanabilmesi için uygun bir açılıp kapanma mekanizması tasarlanmıĢtır. Dairesel parçanın testere sabitleyicisi, hareketli testere taĢıyıcı, dal tablası ve dal tablası konumlandırıcısı gibi elemanları, üç boyutlu yazıcılar ile üretilebilecek geometride tasarlanması gerçekleĢtirilmiĢtir.
Mekanizma için gerekli parçaların üretiminde çeĢitli talaĢlı imalat yöntemleri ve 3D yazıcı kullanılacaktır. GeliĢtirilecek olan tasarımın modelinin, temsili veya gerçek bir ağaç geometrisi üzerinde test edilmesi planlanmaktadır. Sistemin tabi tutulacağı testler;
mekanizmanın düz ve eğimli yüzeylere tırmanıĢı, testere mekanizmasının kontrolü, testerenin kesme iĢlemi olarak özetlenebilir. Testlerin sonuçlarından yola çıkılarak, mekanizmanın aksaklıklarının giderilmesi ve sistemin daha verimli çalıĢmasının sağlanması amacıyla tasarım üzerinde düzenlemelerin gerçekleĢtirilmesi planlanmaktadır.
15 2.YAPILAN ÇALIġMALAR
2.1. Ağaç Budama Makinesinin Test Edileceği Ağacın Belirlenmesi
Ağaç budama makinası, tasarım ilkelerinde belirtildiği gibi çok çeĢitli kullanım alanına sahip olsa da prototip testleri için uygun bir ağaç ya da ağaçların belirlenmesi gerekmektedir. Ağacın belirlenmesinde aĢağıdaki kriterler söz konusudur:
• Elektrik ve güç kaynaklarına kolay eriĢim,
• Ağaç gövdesinde sarmaĢık vb. bitkilerin yaĢam faaliyeti sürdürmemesi,
• Ağaç gövdesinde sincap vb. hayvanların yuvasının olmaması,
• Ağaç gövdesinin çapının bir prototip imalatı için uygun bir değerde olması.
Bu kriterler eĢiğinde Makine Mühendisliği bölümünün çevresindeki ağaçlar incelenerek numaralandırılmıĢ ve ağaç yerleĢim planı AUTOCAD’de oluĢturulmuĢtur.
Ağaç yerleĢim planı oluĢturulurken ağaçlar bölgelerine göre renklerle kategorize edilmiĢtir.
ġekil 3. Makina Mühendisliği çevresindeki ağaçların yerleĢim planı
Mekanizmanın sahip olduğu altıgen kafesin iç daire çapı; teste tabi tutulacağı ağaç veya ağaçların gövde çapından daha büyük olacaktır. Bu yüzden makina prototipinin test aĢamalarını gerçekleĢtirecek olduğu ağaç ya da ağaçların gövde çaplarının da imalat için uygun bir değerde olması gerekmektedir.
16
ġekil 4. Ağaç Budama Makinasının ağaca tırmanma simülasyonu
Ağaç Budama Makinası ağaç gövdesinde tırmanma faaliyeti gerçekleĢtirerek yerçekimine karĢı iĢ yapmaktadır. Bu nedenle sistemin prototip ağırlığının uygun bir değerde olması gerekmektedir. Tablo 1 ve Tablo 2’de görüldüğü üzere altıgen kafesin iç daire çapı arttıkça altıgen kafesin toplam ağırlığı da artmaktadır.
Tablo 1. ASTM 500b 30x30x3 mm kare profilin toplam uzunluğu ve ağırlığı
Ġç Çap Malzeme Profil Bilgisi
Toplam Uzunluk
(mm) Ağırlık (g)
250 ASTM 500b 30x30x3mm 2147,76 5133,1464
260 ASTM 500b 30x30x3mm 2217 5298,63
280 ASTM 500b 30x30x3mm 2355,6 5629,884
300 ASTM 500b 30x30x3mm 2494,2 5961,138
320 ASTM 500b 30x30x3mm 2632,68 6292,1052
340 ASTM 500b 30x30x3mm 2771,28 6623,3592
360 ASTM 500b 30x30x3mm 2909,88 6954,6132
380 ASTM 500b 30x30x3mm 3048,36 7285,5804
400 ASTM 500b 30x30x3mm 3186,96 7616,8344
420 ASTM 500b 30x30x3mm 3325,56 7948,0884
440 ASTM 500b 30x30x3mm 3464,04 8279,0556
460 ASTM 500b 30x30x3mm 3602,568 8610,13752
17
Tablo 2. Alüminyum 6060- 30x30x3mm kare profilin toplam uzunluğu ve ağırlığı
Ġç Çap Malzeme Profil Bilgisi Toplam Uzunluk (mm) Ağırlık(g)
250 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 2147,76 1885,73328
260 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 2217 1946,526
280 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 2355,6 2068,2168
300 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 2494,2 2189,9076
320 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 2632,68 2311,49304
340 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 2771,28 2433,18384
360 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 2909,88 2554,87464
380 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 3048,36 2676,46008
400 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 3186,96 2798,15088
420 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 3325,56 2919,84168
440 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 3464,04 3041,42712
460 Alüminyum 6060- 30x30x3mm 3602,568 3163,054704
BelirlenmiĢ olan kriterler ve sistem gereksinimleri doğrultusunda prototip testleri için uygun bir ağaç ya da ağaçların tercih edilmesi kapsamında Makina Mühendisliği binasının çevresindeki otuz dört ağaç için ölçümler yapılmıĢ, veriler resim ve özellik tabloları olarak düzenlenmiĢtir.
(a) (b) (c) ġekil 5. Ağaç yerleĢim planında bulunan 12-28-20 numaralı ağaçlar
18
Tablo 3. Ağaç yerleĢim planındaki ağaçların özellik ve uygunluk tablosunun bir bölümü
Ağaç No Yüksekliğe Bağlı Çaplar (mm) Açıklamalar
1 0mm-331mm 300mm-318mm Uygundur
2 0-280 300-None Bodur Gövde Tırmanmaya ElveriĢsiz
3 0-111,46 300-98,76 Uygundur
4 0-85,98 300-66,87 Uygundur
5 0-145 300-138 Yer Seviyesi Uygun Değil
6 0-89,17 300-79,61 Uygundur
7 0-283,43 300-248,40 Uygundur
8 0-127,38 300-121,01 Uygundur
9 0-184,71 300-149,68 Uygundur
10 None Yeni dikilmiĢ fidan
11 0-None 300-146,49 Sıfır seviyesinde üçlü kök ve bitki var
12 0-152,86 300-124,20 Uygundur
13 0-414,01 300-385,35 Uygundur
14 0-356,68 300-337,57 Uygundur
15 0-359,87 300-343,94 Uygundur
16 0-497 300-485 Çap 460mm’den büyük
Yapılan tüm incelemelerin ve değerlendirmelerin sonucunda yerleĢim planında bulunan sekiz numaralı ağacın, mekanizmanın prototip testleri için uygun olduğuna kanaat getirilmiĢtir.
19
ġekil 6. Sistem prototip testlerinin yapılacağı ağaç
2.2 Ağaç Budama Makinasının Hareket Aksamının Ġmalatı ve Gerekli Çizimlerinin Revize Edilmesi
Ağaç Budama Makinası prototipinin, ağaç gövdesi üzerindeki bir noktaya hareketini ve dalı budama sırasında bir kesitte statik denge koĢulunu sağlayabilmesi için proje ekibi bir hareket mekanizması tasarlamıĢtır. Hareket mekanizması ġekli 7’de görüldüğü gibi aĢağıdaki bileĢenlerden oluĢmaktadır:
• Tekerlek
• Teker Desteği
• Motor
• Baskı Yayları
• Yay Mili
• Altıgen Kafes (Prototipin Temel Ġskeleti)
Bu mekanizma bileĢenlerinin ön hesaplarının yapılması, ölçülendirmesi ve bilgisayar destekli analiz ile statik etütlerinin yapılması gerekmektedir.
20
ġekil 7. Hareket mekanizması bileĢenleri
2.2.1 Test Ağacının Ölçümlerinin Yapılması ve Ġrdelenmesi
Sistem prototipinin imalatının, testlerin yapılacak olduğu ağaca göre sorunsuz bir Ģekilde gerçekleĢmesi için test ağacı üzerinde detaylı ölçümlerin yapılması ve altıgen kafes ile test ağacının ortasında konumlandırılacak hareket aksamlarının ölçülerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu kapsamda test ağacının detaylı ölçümleri Tablo 4’te verilmiĢtir.
Tablo 4. Sekiz numaralı ağacın yükseklik-gövde çapı değiĢimi
h,yükseklik [mm] Ø, gövde çapı [mm]
0 127,38
300 121,01
600 110,50
900 100,04
Ağaç morfolojisine göre gövdenin kesit alanı, gövde yerden yükseldikçe azalmaktadır. Tablo 4’te bu morfolojik gerçekliği teyit etmektedir.
2.2.2 Sistemde Kullanılacak Tekerleğin Ġmalatı
Ağaç Budama Makinasının ağaç gövdesindeki hareketi tekerlekler aracılıyla gerçekleĢtirilecektir. Söz konusu tekerlerin, sistemin dal budama esnasındaki statik dengesini sağlayabilecek bir sürtünme kuvveti oluĢturması ve hareket esnasında patinaj
21
yapmaması gerekmektedir. Tekerlek ve jantın malzemesi, yay milinde eğilme gerilmesi oluĢturmayacak kadar hafif, baskı yayları ve ağaç gövdesi üzerinde oluĢan etki-tepki kuvvet çiftlerinin oluĢturduğu gerilmelere mukavemetli olmalıdır. Ġlgili kriterler göz önünde bulundurulduğunda EMES firmasının MKT100x32 Plastik Jantlı Termoplastik Kauçuk Kaplı Burçlu Tekerleği uygun görülmüĢtür.
Tablo 5. Tekerleğin teknik özellikleri
Kasnak (Jant) Malzemesi Polipropilen Kaplama Malzemesi Termoplastik Kauçuk
Yataklama Tipi Burçlu
Ürün Özelliği Ġz bırakmaz, Paslanmaz
Teker Çapı (mm) 100
Tekerlek GeniĢliği (mm) 32
TaĢıma Kapasitesi (Kg) 80
Delik Çapı (mm) 12
Porya Uzunluğu (mm) 35
Kaplama Özelliği YumuĢak Taban
ÇalıĢma Sıcaklığı -20/+60 °C
Ağırlık (gr) 138
ġekil 8. Tekerleğin perspektif görünüĢü
22
2.2.3 Sistemde Kullanılacak Motorun Belirlenmesi
Ağaç Budama Makinasının ağaç üzerinde istenilen konuma hareketini sorunsuz bir Ģekilde gerçekleĢmesini sağlayacak motorlar ağırlık kaldırma testi sonucunda belirlenecektir. Söz konusu testte ipin bir ucuna toplamı 5 kg olan metal kütleler diğer ucu ise motor miline sarılarak sabitlenmiĢtir.
ġekil 9. Ağırlık kaldırma testinin serbest cisim diyagramı
Motorun çalıĢma esnasında ağırlığın yukarı yönde hareket etmesi için test motorunun döndürme momenti kütlenin mil merkezinde oluĢturduğu momentten büyük olmalıdır.
Sistem prototipi için Tablo 6’da teknik özellikleri verilen motorun baĢarı ile tamamlanmıĢ testinin aĢamaları ġekil 10’da görülmektedir.
23
Tablo 6. Motor teknik özellik kataloğu
ÇalıĢma Voltajı 12V
Hız 90rpm
BoĢta Çektiği Akım 130mA
Zorlanma Akımı 2.4A
Güç 28W
Motor Çapı 36mm
Redüktör Çapı 42mm
Mil Çapı 7mm Alttan D tipi
Mil Uzunluğu 17mm
Uçtan Uca Uzunluk 86mm
Ağırlık 245gr
ġekil 10. Sistemde kullanılacak motorun ağırlık kaldırma testi
24 2.2.4. Teker Desteğinin Çizimleri ve Ġmalatı
Mekanizmada hareket aksamlarının hepsi ġekil 7’de görüldüğü üzere teker desteğine monte edilmiĢtir. Bu nedenle teker desteğinin imalatı, sistemin güvenliği ve çalıĢma kararlılığı bakımından büyük bir önem taĢımaktadır.
Teker desteğinin malzemesi, yay milinde eğilme gerilmesi oluĢturmayacak kadar hafif ve sistemin çalıĢması sırasında kendisine monte edilmiĢ bileĢenlerin iĢlevlerini sağlıklı bir Ģekilde yerine getirecek alaĢımlı çelik seçilmiĢtir.
Teker desteğinin ölçülendirmesi ve imalat resimleri Bölüm 2.2 ve 2.3’te kararlaĢtırılmıĢ prensiplere ve ölçülere göre düzenlenmiĢtir.
Çelik alaĢımdan imal edilen 350x300x5 mm’lik saçtan ekte verilen teknik resme göre, her bir tekerin teker desteği kesilir. Daha sonra kesilmiĢ olan saçlar, iki ucundan 90°
bükülerek temel formu verilir ve temel form üzerinde teker ve yay millerinin yataklanacak olduğu delikler CNC torna ile açılır.
2.2.5 Sistemde Kullanılacak Olan Yayların Belirlenmesi
2.2.5.1 Tekerlek Baskı Yaylarının Belirlenmesi
Ağaç Budama Makinasının, budama iĢlemi sırasında statik denge durumunda olması zorunludur. Statik denge, ağaç gövdesindeki bir kesit üzerinde yer alan baskı yayları ile sıkıĢtırılmıĢ tekerlekler yardımıyla sağlanmaktadır. Baskı yayları karakteristikleri gereği belirli bir uzama veya sıkıĢtırma aralığında çalıĢabilmektedir. Bu nedenle sistemin çalıĢma aralığının ve mekanizmada kullanılacak olan baskı yaylarının belirlenmesi gerekmektedir.
Test ağacında yapılan ölçümler sonucunda mekanizmanın çalıĢabileceği minimum çap değeri 100,04 milimetre olarak belirlenmiĢtir.
Ağaç morfolojisine göre gövdenin kesit alanının yerden yükseldikçe azalması söz konusudur.100,04 mm gövde çapındaki kesit, zeminden itibaren sistemin çalıĢabileceği maksimum yüksekliktir (h=900 mm). Bu kesitte baskı yayları, sistemin statik denge konumunu koruyabilmesi için gerekli sıkıĢtırma ve sürtünme kuvvetini sağlamalıdır. Statik durumda her tekerin, emniyet tedbiri olarak, taĢıyabileceği ağırlığın iki kat fazlasını taĢımasına karar verilmiĢtir.
25
ġekil 11. Ø100,04 mm için serbest cisim diyagramı
∑
∑
⃗⃗
Yukarıdaki denklemlerde ∆xmin yayların maksimum yükseklikte sıkıĢma miktarını, X0 yayın serbest boyunu, X900 ise sistemin maksimum çalıĢma yüksekliğindeki (h=900 mm) yayın boyunu sembolize etmektedir.
Sistem ağaç üzerindeki hareketini gerçekleĢtirdiği sırada ağacın çapı 1 mm değiĢirken, altıgen kafesin üzerinde 120 derecelik açısal farkla konumlanmıĢ yaylar 0,5 mm Ģekil değiĢtirir. Bu nedenle ∆xmin ifadesi yayların boy farkının yarısına eĢittir.
26
Statik hesapların sonucunda sistem prototipinin yaylarının seçiminde iki ayrı kriter ortaya çıkmıĢtır. Bunlar:
1.Sistemin maksimum yükseklikte (h=900 mm) statiğini korumak için k.∆xmin >
70,07 N Ģartını sağlayabilecek Ģekilde k yay katsayısına sahip olmak ve ∆xmin mesafesi kadar sıkıĢabilmek,
2.Sistem maksimum yükseklikten yer seviyesine kadar ∆xmax mesafesi kadar sıkıĢtırıldığında elastik deformasyona uğramamak.
Ġkinci koĢulda belirtilmiĢ olan ∆xmax mesafesi, sistemdeki yayların ∆xmin sıkıĢmasına ilaveten prototipin maksimum yükseklikten yer seviyesine iniĢi esnasındaki yayların sıkıĢma miktarını da içermektedir. 1 denklemi düzenlenip test ağacının maksimum çap değiĢimine göre yayların Ģekil değiĢtirme miktarı ilave edilerek 2 denklemi türetilmiĢtir.
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
⌊ ⌋
Sistem prototipinde belirlenmiĢ kriterler doğrultusunda CoilSpringDirect firmasının Code-170 yayının kullanılması uygun bulunmuĢtur.
27
ġekil 12. CoilSpringDirect firmasına ait Code-170 yayının geometrik ve mekanik özellikleri
ġekil 12’de özellikleri verilen yay için gerekli denklemler hesaplanırsa (1 ve 2 numaralı denklemler), iki koĢulu da sağladığı gözlemlenir.
1 numaralı denklem için;
[ ]
[ ] [ ]
[ ]
[ ]
[ ] [ ]
[
]
2 numaralı denklem için;
[ ]
[ ]
⌊ ⌋
28
2.2.5.2. Sönümleyici ve Destek Yaylarının Belirlenmesi
Ağaç Budama Makinası, dal budama iĢlemi sırasında çok yönlü kuvvetlere maruz kalabilir. Bu kuvvetlerin sebep olduğu titreĢimlerin sistem bileĢenleri üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak için titreĢim sönümleme özelliğine sahip makina elemanlarının mekanizma üzerinde kullanılması zorunludur. Ayrıca söz konusu makina elemanının, altıgen kafes yapısının katları arasında destek görevini mükemmel Ģekilde yerine getirmesi de gerekmektedir.
Söz konusu iĢlevleri, hidrolikler veya konstrüksiyona uyumlu olacak Ģekilde özel imal edilmiĢ damperler yerine getirebilir. Ancak sistem maliyetinin yanı sıra sistemin ağırlık artıĢı büyük bir sorun teĢkil etmektedir. Bu sebepten dolayı altıgen kafes yapısının katları arasındaki yayların, tasarım amaç ve ilkelerine uyumlu olacak Ģekilde tercih edilmesi gerekir.
Sistem prototipinde belirlenmiĢ kriterler doğrultusunda CoilSpringDirect firmasının Code-185 yayının kullanılması uygun bulunmuĢtur.
ġekil 13. CoilSpringDirect firmasının ait Code-185 yayının geometrik ve mekanik özellikleri
29
2.2.6. Sistemin Kritik BileĢenlerinin Ġmalat Çizimlerinin OluĢturulması
Sistem prototipinin testlerin yapılacak olduğu ağaca göre imalatının sorunsuz bir Ģekilde gerçekleĢmesi için test ağacının detaylı ölçümleri yapılmıĢ ve daha sonrasında altıgen kafes ile test ağacının ortasında konumlandırılmıĢ hareket aksamlarının bazılarının imalatı veya tedariki gerçekleĢtirilmiĢtir.
Bu imalat ve tedarik sürecinin ardından mekanizmanın kritik alt bileĢenleri olan teker mili ve altıgen kafesin Bölüm 2.5.1’te hesaplanmıĢ olan kuvvetlere göre dayanım simülasyonlarının gerçekleĢtirilmesinden önce parçaların boyutlandırılması ve malzeme seçiminin yapılması gerekmektedir.
2.2.6.1. Altıgen Kafesin Ölçülendirilmesi ve Malzemesinin Belirlenmesi
Altıgen kafesin iç daire çapı, test ağacının gövde çapı ile altıgen kafes üzerinde 120 derecelik açısal farkla konumlanmıĢ olan üç hareket aksamından iki tanesinin uzunluklarının toplamına eĢittir. Hareket aksamına ait bileĢenlerin imalat ve tedarikinden sonra altıgen kafesin ölçülerinin belirlenmesi ve tasarlanması SolidWorks programında gerçekleĢtirilmiĢtir. ġekil 14’te görüldüğü üzere altıgen kafesin iç daire çapı 587,95 mm’dir. Buna bağlı olarak kafes kenarının iç uzunluğu 339,48 mm, dıĢ uzunluğu 385,67 mm olarak hesaplanmıĢtır.
ġekil 14. Altıgen kafesin imalat taslak resimleri ve ölçüleri
30
Ağaç Budama Makinası, ağaç gövdesinde tırmanma faaliyeti gerçekleĢtirerek yerçekimine karĢı iĢ yapmaktadır. Bu sebepten dolayı sistemin prototip ağırlığının uygun bir değerde olması gerekmektedir.
Tablo 1 ve Tablo 2’ de görüldüğü üzere aynı iç daire çapına sahip olan alüminyum kafes yapısının çelik kafes yapısından 2,7 kat daha hafif olduğu ortaya çıkmaktadır. Buna göre altıgen kafes malzemesinin imalat proseslerine uyumlu (kaynak, torna, vb.) alüminyum alaĢımlarından seçilmesi gerekmektedir.
Proje ekibi tarafından belirlenmiĢ olan kütle, maliyet ve imal usullerine uygunluk kriterleri doğrultusunda alüminyum alaĢımları için saha ve literatür araĢtırmaları gerçekleĢtirilmiĢtir. Yapılan araĢtırmalar neticesinde altıgen kafesin malzemesi için Aydınal Alüminyum firmasına ait 40x40x1.5 mm özel imalat profilleri seçilmiĢtir.
Firmanın malzeme mühendisleri tarafından profil malzemesinin Alüminyum-6060T4 serisi alaĢım olduğuna yönelik bilgi ve ithalatçı belgeleri proje ekibine iletilmiĢtir.
ġekil 15. Profil numunesinden bir kesit
31
ġekil 16. Profil kesitinin SolidWorks programında çizilmesi ve kesit ölçüleri
Tablo 2’de profil malzemesi Alüminyum-6060T4 serisi alaĢımın akma mukavemeti 60 MPa olarak belirtilmiĢtir. Kafes bileĢenlerinin birbirine alın alına kaynak edilebilmesi uygun elektrot veya TIG-MIG kaynakları ile mümkündür.
32
Tablo 7. Kafes malzemesinin fiziksel, mekanik ve kimyasal özellik tablosu
33
2.2.6.2. Yay Kuvvetlerinin Altıgen Kafes BileĢenlerindeki Etki Simülasyonları
Sistem prototipinde kullanılan yaylar, sıkıĢmaya maruz kaldıklarında etki-tepki kuvvet çifti oluĢtururlar. Bu kuvvetlerden birisi yayların tekerleklere uyguladığı sıkıĢtırma kuvveti iken diğeri ise yayların altıgen kafese yapmıĢ olduğu baskı kuvvetidir. Baskı kuvvetinin altıgen kafes bileĢenlerinde yapmıĢ olduğu etkilerin gözlenmesi için bilgisayar destekli statik analizinin yapılması gerekmektedir. Söz konusu analizler SolidWorks yardımıyla gerçekleĢtirilmiĢtir.
Statik etüdün gerçekleĢtiği koĢullar ve statik analizin sonuçları SolidWorks programının hazır rapor formatında düzenlenmiĢtir. Statik etüde dair kapsamlı veriler aĢağıdaki tablolarda verilmiĢtir.
34
Tablo 8. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ olan model bilgisi
Model adı: Aydınal Alüminyum Profil Geçerli Konfigürasyon: Varsayılan
Katı Gövdeler
Belge Adı ve Referansı Şöyle Davran Hacimsel Özellikler Belge Yolu/Değiştirilme Tarihi
Yükseklik-Ekstrüzyon2
Katı Gövde
Kütle:0,32804 kg Hacim:0,000121499 m^3 Yoğunluk:2.699,93 kg/m^3
Ağırlık:3,21479 N
C:\Users\Emirzeoglu\Des ktop\Ağaç Budama Makinesi\Yardımcı Kaynaklar\Profi\Aydınal
Alüminyum Profil- 6060T4\Aydınal Alüminyum Profil.SLDPRT
35
Tablo 9. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ büyüklüklerin birimleri
Birim sistemi: SI (MKS)
Uzunluk/Yer Değiştirme mm
Sıcaklık Kelvin
Açısal hız Rad/sn
Basınç/Gerilim N/m2
Tablo 10. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ malzeme bilgileri
Model Referansı Özellikler Bileşenler
Ad: 6060-O (SS) Model tipi: İzotropik Doğrusal
Elastik Analizi Varsayılan hata kriteri: Bilinmeyen
Akma mukavemeti: 6,20528e+07 N/m^2 Gerilme mukavemeti: 1,25e+08 N/m^2
Elastik modül: 6,9e+10 N/m^2 Poisson oranı: 0,33
Kütle yoğunluğu: 2.700 kg/m^3 Yırtılma modülü: 2,6e+10 N/m^2 Termal genleşme
katsayısı:
2,4e-05 /Kelvin
SolidBody 1(Yükseklik- Ekstrüzyon2)(Aydınal Alüminyum Profil)
Eğri Verisi:N/A
36
Tablo 11. Altıgen kafes bileĢeninin maruz kaldığı yükler ve fikstürler
Fikstür adı Fikstür Resmi Fikstür Detayları
Sabitlenmiş-1
Objeler: 1 kenarlar, 2 yüzler Tip: Sabit Geometri
Sonuç Kuvvetleri
Bileşenler X Y Z Sonuç
Tepki kuvveti(N) 417,708 -0,457631 0,192031 417,709
Tepki Momenti(N.m) 0 0 0 0
Yük adı Resim Yükle Yük Detayları
Kuvvet-1
Objeler: 2 yüzler
Tip: Normal kuvvet uygula Değer: 208,88 N
Tablo 12. SolidWorks statik etüdünde altıgen kafes bileĢeninin mesh bilgileri
Mesh tipi Katı Mesh
Kullanılan Meshleyici: Standart
Otomatik Geçiş: Kapalı
Mesh Otomatik Döngülerini Ekle: Kapalı
Jakoben noktalar 4 Noktalar
Eleman Boyutu 4,25421 mm
Tolerans 0,21271 mm
Mesh Kalitesi Grafiği Yüksek
37
Toplam Düğüm 60854
Toplam Elemanlar 30729
Maksimum En Boy Oranı 14,083
En-Boy oranı < 3 olan elemanların % oranı 45,1 En-Boy oranı > 10 olan elemanların % oranı 0,00976 Şekli bozulmuş elemanların (Jakoben) % oranı 0
Mesh tamamlama süresi (sa;dk;sn): 00:00:09 Bilgisayar adı:
38
Tablo 13. SolidWorks statik etüdünün yer değiĢtirme ve gerilim analiz sonuçları
Ad Tip Min Maks.
Stres1 VON: von Mises Stresi 9,399e+04 N/m^2 Düğüm: 15496
5,374e+07 N/m^2 Düğüm: 59721
Aydınal Alüminyum Profil-Static 4-Stres-Stres1
Ad Tip Min Maks.
Yer değiştirme1 URES: Sonuç Yer Değiştirmesi 0,000e+00 mm Düğüm: 298
9,518e-02 mm Düğüm: 191
39
Ad Tip Min Maks.
Aydınal Alüminyum Profil-Static 4-Yer değiştirme-Yer değiştirme1
Ad Tip Min Maks.
Gerinim1 ESTRN: Eşdeğer Gerilme 7,714e-07 Eleman: 20645
3,790e-04 Eleman: 218
Aydınal Alüminyum Profil-Static 4-Gerinim-Gerinim1
40
Tablo 12’de verilen yer değiĢtirme ve gerilim analiz sonuçları proje ekibi tarafından değerlendirmeye tabi tutulmuĢ ve yay milinin yataklanacak olduğu deliklerin çevresinde Von-Mises Stresi ve eĢdeğer gerilmenin maksimum değerine ulaĢtığı gözlenmiĢtir. Yay milinin yataklanacak olduğu deliklerde açığa çıkan Von-Mises Stresinin ve eĢdeğer gerilmenin değerleri Tablo 2’de verilmiĢ olan maksimum akma mukavemetinin (60 MPa) altında kaldığı için söz konusu alaĢım profil kafes imalatına uygun bulunmuĢtur.
2.2.6.3 Teker Milinin Malzemesi ve Formunun Belirlenmesi
Teker milinin monte edileceği tekerleklerin ağaç gövdesi üzerinde genel düzlem hareketi için gerekli olan döndürme momentini elektrik motorundan sorunsuz bir Ģekilde iletmesi gerekir. Teker mili ve tekerlekler moment iletimi için birbirine sıkı geçme olacak Ģekilde monte edilse bile zaman içerisinde aĢınma gerçekleĢebilir. Söz konusu aĢınma mil- teker burcu arasındaki sıkı geçme montajını olumsuz etkileyebilir. Genel konstrüksiyon literatürü incelendiği zaman mil-göbek montajlarında aĢınmaya neden olabilecek bazı sebepler aĢağıda verilmiĢtir.
Ġzafi çizgisel ve açısal hız farkları
Boyut faktörü
Mil ve Yatak arasındaki eksenel kaçıklıktan ötürü oluĢan küçük genlikli tam değiĢken zorlamalar
Yetersiz yağlama
Mil ve Yatak malzemelerinin sertlik değerlerinin birbirine yakın olmaması
Sistem prototipi için aĢınma kriterleri konstrüksiyonel açıdan incelendiğinde teker milinin burç ile sıkı geçme montajında eksenel kaçıklık oluĢmaması için mil ve burca hassas yüzey iĢleme yapılır. Metalürjik açıdan incelendiğinde mil malzemesinin Al 6061T6 serisi alaĢımdan imal edilmesi sertlik değerine bağlı aĢınmaların önüne geçer.
Teker milinin konstrüksiyonu ġekil SKT’de verilmiĢtir.
41
ġekil 17. Teker milinin konstrüksiyonu
2.2.6.4 Yay Kuvvetlerinin Teker Mili Üzerindeki Etkilerinin Simülasyonu
Sistem prototipinde kullanılan yaylar, sıkıĢmaya maruz kaldıklarında etki-tepki kuvvet çifti oluĢtururlar. Bu kuvvetlerden birisi yayların tekerleklere uyguladığı sıkıĢtırma kuvveti iken diğeri ise yayların altıgen kafese yapmıĢ olduğu baskı kuvvetidir. Bölüm 2.2.6.3’de bu etki-tepki çiftinin altıgen kafes bileĢenlerinde yapmıĢ olduğu etkilerin gözlenmiĢtir. Ancak sistem prototipi için bu kuvvet çiftinin Teker mili üzerindeki etkilerinin gözlenmesi ve bilgisayar destekli statik analizinin yapılması gerekmektedir. Söz konusu analizler SolidWorks yardımıyla gerçekleĢtirilmiĢtir.
Statik etüdün gerçekleĢtiği koĢullar ve statik analizin sonuçları SolidWorks programının hazır rapor formatında düzenlenmiĢtir. Statik etüde dair kapsamlı veriler aĢağıdaki tablolarda verilmiĢtir.
42
Tablo 14. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ olan model bilgisi
Model adı: Parça1 Geçerli Konfigürasyon: Varsayılan
Katı Gövdeler
Belge Adı ve Referansı Şöyle Davran Hacimsel Özellikler Belge Yolu/Değiştirilme Tarihi
Döndür3
Katı Gövde
Kütle:0,0256783 kg Hacim:9,51048e-06 m^3 Yoğunluk:2.700 kg/m^3
Ağırlık:0,251647 N
Tablo 15. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ büyüklüklerin birimleri
Birim sistemi: SI (MKS)
Uzunluk/Yer Değiştirme mm
Sıcaklık Kelvin
Açısal hız Rad/sn
Basınç/Gerilim N/m^2
43
Tablo 16. SolidWorks statik etüdünde tanımlanmıĢ malzeme bilgileri
Model Referansı Özellikler Bileşenler
Ad: 6061-T6 (SS) Model tipi: İzotropik Doğrusal
Elastik Analizi Varsayılan hata kriteri: Bilinmeyen
Akma mukavemeti: 2,75e+08 N/m^2 Gerilme mukavemeti: 3,1e+08 N/m^2
Elastik modül: 6,9e+10 N/m^2 Poisson oranı: 0,33
Kütle yoğunluğu: 2.700 kg/m^3 Yırtılma modülü: 2,6e+10 N/m^2 Termal genleşme
katsayısı:
2,4e-05 /Kelvin
SolidBody 1(Döndür3)(Pa rça1)
Eğri Verisi:N/A
Tablo 17. Altıgen kafes bileĢeninin maruz kaldığı yükler ve fikstürler
Fikstür adı Fikstür Resmi Fikstür Detayları
Sabitlenmiş-1
Objeler: 2 yüzler Tip: Sabit Geometri
Sonuç Kuvvetleri
Bileşenler X Y Z Sonuç
Tepki kuvveti(N) 0,0646977 0,0127511 266,439 266,439
Tepki Momenti(N.m) 0 0 0 0
Yük adı Resim Yükle Yük Detayları
Kuvvet-1
Objeler: 1 yüzler
Tip: Normal kuvvet uygula Değer: 418 N
44
Tablo 18. SolidWorks statik etüdünde altıgen kafes bileĢeninin mesh bilgileri
Mesh tipi Katı Mesh
Kullanılan Meshleyici: Standart
Otomatik Geçiş: Kapalı
Mesh Otomatik Döngülerini Ekle: Kapalı
Jakoben noktalar 16 Noktalar
Eleman Boyutu 1,35119 mm
Tolerans 0,0675593 mm
Mesh Kalitesi Grafiği Yüksek
Toplam Düğüm 38921
Toplam Elemanlar 25612
Maksimum En Boy Oranı 20,534
En-Boy oranı < 3 olan elemanların % oranı 98,1 En-Boy oranı > 10 olan elemanların % oranı 0,804 Şekli bozulmuş elemanların (Jakoben) % oranı 0
Mesh tamamlama süresi (sa;dk;sn): 00:00:02 Bilgisayar adı:
45
Tablo 19. SolidWorks statik etüdünün yer değiĢtirme ve gerilim analiz sonuçları
Ad Tip Min Maks.
Stres1 VON: von Mises Stresi 1,224e+05 N/m^2 Düğüm: 35046
2,904e+08 N/m^2 Düğüm: 38293
Parça1-Teker Mili Statik Etüt-Stres-Stres1
Ad Tip Min Maks.
Yer değiştirme1 URES: Sonuç Yer Değiştirmesi 0,000e+00 mm Düğüm: 37
7,607e-02 mm Düğüm: 1319
46
Ad Tip Min Maks.
Parça1-Teker Mili Statik Etüt-Yer değiştirme-Yer değiştirme1
Ad Tip Min Maks.
Gerinim1 ESTRN: Eşdeğer Gerilme 2,086e-06 Eleman: 6673
1,944e-03 Eleman: 4850
Parça1-Teker Mili Statik Etüt-Gerinim-Gerinim1
47
Tablo 19’da verilen yer değiĢtirme ve gerilim analiz sonuçları proje ekibi tarafından değerlendirmeye tabi tutulmuĢ ve teker milinin yataklanacak olduğu burcun eksenel merkezinde Von-Mises Stresi ve eĢdeğer gerilmenin maksimum değerine ulaĢtığı gözlenmiĢtir. Teker milinin yataklanacak olduğu burçta açığa çıkan Von-Mises Stresinin ve eĢdeğer gerilmenin değerleri simülasyonda tepki kuvvetlerinin daha iyi gözlenebilmesi için imalat teknik resimlerinde olmayan yardımcı sanal konstrüksiyon yüzeylerinde maksimum değerine ulaĢmıĢtır. Söz konusu gerilme değeri verilmiĢ olan maksimum akma mukavemetinin (275 MPa) üstündedir. Ancak imalat bölgesinde söz konusu değerler akma mukavemetinin altında kaldığı için söz konusu alaĢım teker mili imalatına uygun bulunmuĢtur.
48
3. SĠSTEM PROTOTĠPĠNĠN ĠMALATI VE MONTAJI
3.1. Altıgen Kafesin Ġmalatı
Altıgen kafesin ölçüleri belirlenmeden önce, test ağacının detaylı ölçümleri yapılmıĢ ve test ağacının ortasında konumlandırılmıĢ hareket aksamlarının bazılarının imalatı veya tedariki gerçekleĢtirilmiĢtir. Söz konusu imalat ve tedarik süreçlerinin yanı sıra sistem bileĢenleri simülasyon ortamında çeĢitli kuvvetlere maruz bırakılarak bileĢenler statik etüde tabi tutulmuĢtur.
Bölüm 2.6.1’de bahsedildiği gibi altıgen kafesin ölçüleri ve malzemesi belirlendikten sonra Bölüm 2.6.2’de kapsamlı bir Ģekilde yay kuvvetlerinin, altıgen kafes bileĢenlerindeki etkilerinin simülasyonu anlatılmıĢtır. Bu ölçülendirme ve simülasyon süreçlerinin ardından imalat resimleri düzenlenmiĢ, imalat aĢamasına geçilmiĢtir.
Altıgen kafesin imalatında, altı metrelik Aydınal Alüminyum firmasına ait 40x40x1.5 mm özel imalat profilleri, teknik resimler doğrultusunda on iki eĢ bileĢene bölünmüĢtür. Altıgen kafesin iki katlı montajını yapmak için kafes bileĢenlerinin hepsinin tam ortasından delik açılmıĢtır. Sonra hareket aksamının bulunacağı altı tane bileĢene, yay millerinin konumlandırılacak olduğu delikler açılmıĢtır. Statik analizlerde de görüldüğü üzere yay milinin yataklanacak olduğu deliklerin çevresinde, Von-Mises Stresi ve eĢdeğer gerilmenin (ESTRN) maksimum değere ulaĢtığı gözlemlenmiĢtir. Gerilme etkilerini azaltmak için deliklere sıkı geçme ile burç takılmıĢtır. Daha sonra kafes bileĢenlerinden üç tanesi birbirlerine alın alına kaynak metodu ile kaynatılmıĢtır.
49 (a)
(b)
(c)
ġekil 18. Altıgen kafesin imalat resimleri
50 3.2. Teker ve Yay Millerinin Ġmalatı
3.2.1. Teker Millerinin Ġmalatı
Bölüm 2.2.6.3’de belirtildiği üzere teker milinin monte edileceği tekerleklerin ağaç gövdesi üzerinde genel düzlem hareketi için gerekli olan döndürme momentini elektrik motorundan sorunsuz bir Ģekilde iletmesi gerekir. Söz konusu mil moment iletimi esnasında eĢ zamanlı olarak etki-tepki kuvvet çiftine maruz kalmaktadır. Bu kuvvetlerin teker mili üzerindeki simülasyonları gerçekleĢtirilmiĢ ve Bölüm 2.2.6.4’te sonuç doğrultusunda söz konusu milin üretimine onay verilmiĢtir.
ġekil 19’da görülen ∅20mm Al6061T6 serisi mil torna tezgahında talaĢ kaldırma iĢlemine tabi tutulduktan sonra milin motor ile temas halinde olacak kesitine motor mili ile uyumlu olacak Ģeklide U kanalı freze tezgâhı ile açılmıĢtır. Tekerleğin genel düzlem hareketi sırasında mil üzerindeki eksenel konumunu koruyabilmesi için mil üzerinde fatura ve vida diĢleri CNC tezgahlarında iĢlenmiĢtir.
ġekil 19. Teker ve yay millerinin iĢlem öncesindeki hali
3.2.2. Yay Millerinin Ġmalatı
Makinanın, budama iĢleminde statik denge durumunda olması zorunludur. Bu esnada sistemin statik dengesi, ağaç gövdesi üzerinde yer alan baskı yayları ile sıkıĢtırılmıĢ
51
tekerlekler yardımıyla sağlanmaktadır. SıkıĢtırma sonucu oluĢan tepki kuvvetinin yüzeye ve kafes bileĢenine dik etki etmesi, sistemi kararlı çalıĢtırmaktadır.
Baskı yaylarının merkezinin, yüzeylere temas eden iki dairesel kesitin merkezleri ile aynı eksen çizgisinde olması ya da eksenel kaçıklığın en az olması gerekir. Genel konstrüksiyon örnekleri incelendiğinde, yayın iç daire çapına çok yakın değerlerde bir milin imal edilmesi ve imal edilen milin, yayın iç dairesinde konumlandırılarak sabitlemeye yönelik konstrüksiyon çözümleri uygulandığı görülmektedir.
ġekil 20. Makinanın hareket mekanizması
ġekil 20’de görülen hareket mekanizmasına ilave olarak, yay millerinin uçlarına vida diĢi açıldıktan sonra somun ile teker desteğine montaj edilmiĢtir. Sistemde yay mili için Alüminyum 6061T6 alaĢım kullanılmıĢtır. Söz konusu alaĢım, talaĢlı imalata uygunluğunun yanı sıra hafifliği ile de ön plana çıkmaktadır.
ġekil 19’da ilk hali verilmiĢ olan yay milleri, torna tezgahında sırasıyla talaĢ kaldırma ve diĢ açma proseslerinden geçmiĢtir. Ġmalat süresince toplam on sekiz tane yay mili imal edilmiĢtir. Bunların on iki tanesi hareket mekanizması için, geri kalan altı tanesi ise iki altıgen kafes arasındaki sönümleme ve destek mekanizmasında kullanılmıĢtır. ġekil 21’de yay millerinin iĢlem sonrasındaki hali görülmektedir.
52
ġekil 21. Yay millerinin imalatı öncesi ve sonrası
3.3 Hareket Mekanizmasının Montajı
Ağaç Budama Makinesinin ağaç gövdesi üzerindeki istenilen bir noktaya hareketinin sorunsuz bir Ģekilde gerçekleĢmesi için hareket mekanizmasının oldukça dayanıklı ve zorlu koĢullarda bile çalıĢması gerekir. Bu doğrultuda Bölüm 2’de belirtildiği gibi hareket mekanizmasına ait bileĢenler belirli kriterler eĢiğinde deney ve bilgisayar destekli analizlere tabi tutulmuĢtur. Yapılan test ve analiz sonucunda uygun görülen parçalar ile ġekil 22’de gösterilen hareket aksamının montajı oluĢturulmuĢtur.
ġekil 22. Hareket aksamının montajı
53
Sistem prototipinde motor montajı üst altıgen kafesteki üç tekerleğe uygulanacaktır.
Alt altıgen kafesteki üç tekerlek için motor ilavesiz hareket aksamı ise ileride yapılması muhtemel ilave motor montajına uygunluk açısından ġekil 23’deki gibi tasarlanmıĢtır.
ġekil 23. Motor ilavesiz hareket aksamı
3.4 Sistem Prototipinin Elektrik Montajı ve Kodlaması
Ağaç Budama Makinesi sahip olduğu elektrik motorları sayesinde iĢlevlerini yerine getirebilmektedir. Bu sebepten ötürü sistem prototipinin elektrik sistemi ġekil 24’te verilen elektrik Ģeması doğrultusunda kurulmuĢtur.
54
ġekil 24. Sistem prototipinin elektrik Ģeması
Sistem prototipinin kararlı bir çalıĢma performansı sergilemesi için sistemin input giriĢine karĢılık output zamanlamasının oldukça düĢük olması gerekir. Söz konusu iĢlev Arduino Uno mikro iĢlemcili devre kartı ile sağlanacaktır. Bahsedilen devre kartı açık kaynaklı kodlama ile kodlanabilmektedir.
55 4. ĠRDELEME
Muadil sistemler incelendiğinde, eğimli gövdelerde tırmanma kabiliyetlerinin olmaması dezavantaj olarak değerlendirilmektedir. Bu sistemlerin eğimli yüzeylerde harekete zorlanması sonucunda birbirinden bağımsız tahrik mekanizmaları ve gövdeden bağımsız süspansiyonları olmadığı için sıkıĢması veya taĢıyıcı profillerin gövdeye zarar vermesi gibi maddi hasarlar meydana gelmektedir.
Var olan sistemler iĢlevsel olarak incelendiğinde testerenin sistemde tek bir noktada sabitlenmesinden ötürü farklı açısal konumlardaki dalları kesemeyeceği görülmektedir.
Ağaçlar morfolojik olarak incelediğinde gövde üzerindeki bir kesitin radyal düzleminde birden fazla dalın olabilmesi muhtemeldir. SabitlenmiĢ testerenin efektif menzili dıĢında kalan dallar ve açısal konum olarak testerenin tersi yönündeki dallar kesilemeyeceği için sistemin üst bir kesite tırmanması imkânsız hale gelmektedir. Sistemde tek noktada sabitlenmiĢ testerenin; bir gövde kesitinde farklı açısal konumlardaki dallara ulaĢmasının alternatif bir seçeneği ise sistemin spin atarak tırmanma hareketini gerçekleĢtirmesidir.
Ġncelenen sistemlerde, spin hareketi için ilave mekanik ve elektronik donanımın yanı sıra kontrol ünitesinde kompleks kodların kullanılması gerekmektedir. Mekanik ve elektronik ekipmanların eklenmesi ile sistemin ağırlığı artmakla beraber yazılımsal komplekslikten ötürü kontrol ünitesinin çıktı (output) zamanlamasında istenmeyen gecikmeler yaĢanabilir.
Muadil sistemler güvenlik açısından incelendiğinde, mekanizmayı koruyan herhangi bir ekipman bulunmamaktadır. Bu sistemlerden farklı olarak tasarlanacak olan cihazın temel amacı her türlü kalınlık, uzunluk ve ağırlıktaki dalları kesmektir. Çok ağır olan dalların kesilmesi veya kesilmenin sonunda serbest kalan dalın düĢmesi esnasında sisteme çarpması sonucu mekanizma üzerinde maddi hasara yol açabilir veya cihazı kullanılamaz hale getirebilir.
56 5. SONUÇLAR
• Tasarlanan hareket sistemi ve gövde tasarımı değiĢken çaplı çoğu ağaç türüne uyum sağlamaktadır.
• Güç kaynağının mekanizma üzerinde konumlandırılmamasıyla sistemde oluĢacak dengesizlikler önlenmektedir.
• Ağaç etrafındaki açısal hareketin (spin atma metodu) gerçekleĢmesi için çeĢitli mekanik ve elektronik ekipmanların eklenmesi gerekmektedir. Bu durum sistemin ağırlığının artmasına, sistem üzerinde gerilmelerin oluĢmasına ve dengesizliğe yol açmaktadır. Bunları önlemek üzere hareketli testere sabitleyici, uzaktan kumanda kullanılarak dal kesimi için en uygun pozisyona ayarlanabilmektedir.
• Çok ağır olan dalların kesilmesi esnasında veya kesilmesinin sonunda, serbest kalan dalın düĢerek sisteme çarpmasını önlemek amacıyla sönümleyici özelliğe sahip bir dal tablası sisteme eklenmiĢtir.
• Muadil sistemlerdeki kesim iĢlemi, gerek ağaç türüne gerekse kesilecek dalın kalınlığına göre testerenin sıkıĢması gibi bir iĢlevsizlik, sıkıĢan testerenin gövdeden ayrılması sırasında maddi ve manevi kazalar meydana getirmektedir. Kesim iĢlemi en uygun Ģekilde, dalı yukarıdan aĢağıya doğru kesecek Ģekilde ayarlanmaktadır.
• Kesim sırasında oluĢacak talaĢ, toz vb. partiküller, mekanizmada aksaklığa ya da bozulmaya neden olabileceğinden hareketli partiküllerin sistemden tahliyesi için ayrılabilir yolun uygun noktalarına tahliye delikleri açılmıĢtır.
• Ormancılık sektöründe meydana gelen iĢ kazaları minimum düzeye inmektedir.
