Vályogos homoktalaj terepprofil mérése

Járművek és Mobilgépek, III.évf. (2011) No.I .pp.152 - 161

Vályogos homoktalaj terepprofil mérése Pillinger György Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar Folyamatmérnöki Intézet, Járműtechnika Tanszék PhD hallgató, [email protected]

Összefoglalás A terepen haladó jármű mozgását a terep-jármű kapcsolat fizikai és mechanikai tulajdonságai határozzák meg. A járművek mozgását meghatározó fontosabb befolyásoló tényezők a talaj fizikai-, mechanikai tulajdonságai, a talaj-gumiabroncs kapcsolatban kialakuló tolóerő, valamint a makró és mikro akadályok [1., 2.]. E tanulmány a vontatási kísérletek során felvett terepprofil mérések módszerét és kiértékelésének eredményeit tárgyalja. Mivel a terepen haladó jármű mozgását a terep profilja jelentősen befolyásolja.

1. Bevezetés 2010 nyarán a Szent István Egyetem Járműtechnika Tanszéke szabadföldi vontatási vizsgálatokat végzett. E vontatási vizsgálat célja a jármű mozgásállapotát befolyásoló terepprofil hatásainak vizsgálata, valamint a gumiabroncs-talaj kapcsolat energetikájának tanulmányozása. A terepi egyenetlenségek által gerjesztett nem csillapított lengések jelentős hatással bírnak a jármű mozgásállapotára, és a létrejövő járműlengések számos járulékos energia veszteséget okoznak a haladás közben. Ebből adódóan a terepi közlekedés során a lengésekkel számolni kell. A véletlenszerű folyamatok elemzésére használják a sztochasztikus rendszerek elméletét. Így számos véletlenszerű folyamat elemezhetővé válik. Az útprofil diagramok is sztochasztikus függvények, látszólag semmiféle szabályosságot nem mutatnak. Az útprofilt háromféle képpen lehet méréssel meghatározni: gyorsulásméréssel (1. ábra), optikai úton, valamint elmozdulás-méréssel. A szintezőléc leolvasása geodéziai szintmérő műszerrel vagy közlekedőedénnyel oldható meg.

1


1.ábra: Útprofil meghatározása gyorsulás méréssel

Méréseink során a közlekedőedényes módszert alkalmaztuk. Az alkalmazott mérőműszert profilométernek nevezik. A módszer igen lassú és munkaigényes, ezért csak forgalommentes útszakaszon használható. Azonban gondos munkával 0,5cm-es pontosság érhető el. A 2. ábra szemlélteti a profilértékek által kialakított útprofil függvény elméleti esetét.

2. ábra: Útprofilfüggvény H- mérőszakasz hossza, h- a mintavétel lépésköze, m- adtatszám

2


Megkülönböztetünk [3.,5.] szűz-, ható- és visszamaradó profilt. Méréssel a szűz (taposás mentes) és a visszamaradó profil vehető fel. A hatóprofil kelti a függőleges irányú gyorsulásokat, azonban ez a profil méréssel nem határozható meg. A jármű lengéseket elsősorban a ható profil kelti. Keményebb talajoknál a szűz és ható profil közötti eltérés a kis talajdeformáció miatt elhanyagolható. Laza talajoknál, a nagyobb talajdeformáció miatt, a szűz és a ható profil már jelentősen eltér egymástól.

2. Anyag és Módszer A mérések alkalmával egy GAZ típusú járművet különböző talajállapotok és eltérő gumiabroncsnyomások mellet vontattunk. A vizsgált talajállapotok: gabonatarló, tárcsázott gabonatarló és kultivátorozott talaj. A beállított gumiabroncsnyomások: 1,5 bar, 1,8 bar, 2,1 bar és 2,4 bar. A terepprofilt minden talajállapot és minden beállított abroncsnyomás mellet közvetlen profilméréssel, áthaladás előtt (szűz), illetve áthaladás után a deformált nyomban is felvettük. A talajprofil értékeket Gedeon [6] módszer alapján értékeltük ki. A méréseket a h (=0,1m) mintavételi közök, valamint a mérőszakasz hossz H (=10m) megválasztásával kezdtük. Ezzel összesen 6464 db mérési pont adódik a három talajállapot és a négy abroncsnyomás mellet, egy talajállapotra pedig 1616 db. A minták elemzése A kijelölt terepszakaszon 10cm-es lépésközzel, a szintkülönbségeket 0,5 cm-es pontossággal vettük fel. A 3. ábra gabonatarlón felvett profilértékeket mutatja a jármű áthaladása előtt. A profilmagasság -21 cm és 3,5 cm között változik a 10m-es szakaszon. A két magassági érték alapján ez 24,5 cm-es szintváltozás, ami 1,4º -os lejtésszöget jelent, azaz 2,45%-os emelkedő. A terület lejtését kompenzálni kell, mert a mikro domborzat szempontjából nincs jelentősége. A felvett értékekre szükséges egy mozgó középérték (μ) függvényt illeszteni (4. ábra). A mozgó átlag enyhíti a profil hullámzásait, és könnyebbé teszi a trendek felismerését. Ezután kiszámítjuk a profilmagasság (xi) és a mozgó átlag (μ) különbségét, amely értéket felveszünk

xi = X i − µ

1.1

3


az y tengelyen (5.ábra). Az így kapott függvény nem tartalmazza a terep lejtését, csak a mikro profil értékeket, melyeket majd a továbbiakban használunk.

3. ábra: Tarló profil értékek

4. ábra: Mozgó átlag (running mean) felvétele

4


Ezek után a módosított regisztrátum paramétereit határozzuk meg. Amelyek állandó értékű jelzők, függetlenek a felvett koordináta rendszertől és egyéb tényezőktől. Így alkalmasak a terep egyértelmű jellemzésére.

5. ábra: A mozgó átlag eltolása a vízszintes tengelyre

Fontos az a kiindulási feltételezés, hogy a folyamat stacionárius, vagyis a profilok középértéke a helytől függetlenül állandó, tehát egy „ζ” helyen ugyanannyi, mint egy „ζ+k” helyen. Valamint feltételezzük, hogy a folyamat ergodikus, ami azt jelenti, hogy a hasonló útprofilok megfelelő hibahatáron belül ugyanazt az eredményt (gerjesztő függvényt) hozzák létre. A következő lépésben elvégeztük a minták statisztikai elemzését. Szórásnégyzet számítása: 1 m 2 σ 2 = lim ∑ xi m→ ∞ m + 1 i = 0

1.2

Vizsgáltuk a ζ = ζ1 és ζ= ζ+k helyen felvett mérések közötti korrelációt, melynek eredménye az autokorrelációs függvény. Korreláció vizsgálat:

5


1 m ∑ xi ⋅ x( i + k ) lim m→ ∞ m i = 1

Rx (ζ ) =

6. ábra: Valós

1.3

autokorrelációs függvény

Az autokorrelációs függvényt (6.ábra) integrálva megkaptuk az L léptékparamétert, amely megmutatja, hogy milyen távolságon belül tekinthető homogénnek a függvény. Az L az útprofil egyik statisztikai mérőszáma. A szórásnégyzetre normált autokorrelációs függvény:  1  Rx∗ =  2  ⋅ Rx ( ζ σ x 

) 1.4

Integrál lépték:

L=

∞

∫R

∗ x

(ζ ) dζ

1.5

0

6


Végül elvégeztük Fourier sorba fejtéssel a frekvenciavizsgálatot. A spektrumot közvetlenül a regisztrátum transzformálásával is meg megkapjuk. Ez az úgy nevezett direkt spektrum, amely az alábbi módon számítható: 2

 2⋅ h m 2⋅ π ⋅ l ⋅ i   2⋅ h m 2⋅ π ⋅ l ⋅ i  G( n ) =  ⋅ ∑ xi ⋅ cos ⋅ ∑ xi ⋅ sin  +  m   m + 1 i= 0 m   m + 1 i= 0

2

6. ábra: Gabonatarló spektrális sűrűségfüggvénye

Az útprofil spektrum modellezésére a (1.7) képletet alkalmaztam, amely magában foglalja mind a négy független útprofil paramétert. G x ( n) = σ

2

⋅

4⋅ L 4    1 + α − 1 ⋅ L ⋅ n 

α

1.7

3. Eredmények A 1. táblázat szemlélteti a vizsgált talaj – vályogos homok – három állapotán végzett mérések eredményeit a gépjármű áthaladása előtt és után. A talaj három állapota: gabonatarló, tárcsázott gabonatarló és kultivátorozott. A vizsgált paraméterek a talaj térfogat tömege Ts, ami a talaj bolygatatlan állapotban vett mintájából számított sűrűség érték; továbbá a

7


regisztrált profil értékekből számított szórásnégyzet σ2; illetve az integrál lépték L, ami megmutatja, hogy milyen távolságon belül tekinthető homogénnek a profil függvény; valamint az α úttípustól függő állandó. A táblázat áthaladás előtti részében az értékek csak a talaj állapotára vonatkoznak, míg az áthaladás utáni felében minden abroncsnyomáshoz tartoznak az útprofil jellemzésére szolgáló paraméterek. Az ergodicitásból következik, hogy az áthaladás előtti útszakaszokat össze lehet vonni, mivel azoknak csak a térbeli elhelyezkedése változott meg, de az út profilja – jelen esetben például gabonatarló – változatlan maradt. Az áthaladás után ezt már nem lehet megtenni, hiszen a gumiabroncs keménysége befolyással bír a kialakult profil szórásnégyzetére és ezzel a többi terep- jellemzőre. 1. táblázat: Mért és számított talaj és útprofil paraméterek

4. Következtetések A vizsgált terület talajfizikai paramétereit elemezve megállapítható, hogy a legnagyobb térfogat tömeg értéket tarlón kaptuk. A megmunkálás lazított a talaj szerkezetén, ezért tárcsázás után kisebb mértékben, míg kultivátorozás után nagyobb mértékben csökkent a talaj térfogattömege. A tarlón való egyszeri áthaladás tömörítő hatása olyan csekély volt, hogy ezt mérési módszerrel nem tudtuk kimutatni.

8


A huzamosabb ideig háborítatlan gabonatarló profilja a korábbi megmunkálások valamint az időjárás hatásainak következményeképpen alakult ki. Az ilyen típusú talaj felülete általában igen kemény. Az áthaladás okozta deformáció a méréseink során ezen a talajon még 2,4 bar abroncslégnyomásnál is csak 1-2 cm volt. Ebből adódóan a profil hatása jelentősebb a járműre, nagyobb lengés gyorsulások alakultak ki. A tárcsázott talaj profiljának a szórása kisebb a tarlón felvett profilnál. A tárcsázással egységesebb lett a profil, majd a kultivátorozás és simítás művelete még jobban elegyengette a talaj egyenetlenségeit. Míg a tárcsázás a talajnak csak a legfelső rétegét alakítja át, addig a kultivátorozás a mélyebb rétegeket is megmunkálja. A jármű áthaladása ismét csökkenti a nyom profiljának szórását, így a felület még simább lesz. A felületi megmunkálás következtében az alsóbb keményebb rétegeknek még jelentős hatása lehet a jármű gerjesztésére. Nem úgy, mint a mélyebb megmunkálásnál, ahol a jármű gumiabroncsa alatt mélyebben fellazított talaj van. Ekkor a talaj fizikai tulajdonságaitól függően kialakuló ható profil kelti a gerjesztést. Ez azért fontos, mert a felvett szűz profillal ellentétben – főleg, ha az frissen alakult ki – az alatta lévő keményebb réteg gerjesztése fog érvényesülni. Minél mélyebb rétegekben történik a talaj megmunkálása, annál kisebb hatása van a szűz profilnak a gerjesztésre. Ilyenkor inkább a ható profil hozza létre a jármű lengéseit. A visszamaradó profil függ a rajta áthaladó jármű abroncstípusától és annak légnyomásától. Továbbá függ az áthaladás számától. E jelenség különösen jármű konvoj (multipass hatás) áthaladása esetén lehet számottevő. Ekkor az organikus profil gerjesztése csak az első járműre hat, a másodikra már az első által módosított profil gyakorol hatást. Az organikus profil hatása annál inkább érvényesül, minél keményebb a talaj, és minél kevesebbszer haladtak át a szakaszon. Minél lazább, annál inkább érvényesül a hatóprofil, valamint az előző jármű profilmódosító hatása.

5. Ősszegzés

9


A terepi méréseket vályogos homoktalajon, gabonatarló, tárcsázott gabona tarló és kultivátorozott talaj állapotok mellet végeztük. Minden talajállapothoz rögzítettük az áthaladás előtti, valamint az áthaladás után kialakult talaj profilt. Meghatároztuk a profilok L léptékparaméterét valamint az α úttípustól függő állandóit. A kiszámolt független talaj paraméterek jól kiegészítik a talajadatbázist.

6. Irodalom

[1] Laib L. Terepen mozgó (off-road) jármű áthaladásának elemzése nagyméretű (makro) terepakadályokon. (Jármű akadályleküzdő képességének modellezése.) Járművek és Mobil Gépek online folyóirat, www.vehilces.hu domain név alatt, 2009 II. évf. 5.szám, pp. 425-440 [2] Kiss P. Az off-road jármű és a talaj kapcsolata, mint a jármű sebességét és a balesetek bekövetkezését befolyásoló tényező, Járművek és Mobil Gépek online folyóirat, www.vehilces.hu domain név alatt, 2009 II. évf. 5.szám, pp. 459-47 [3] Kiss, P.: Determination of Soil Deformation Energy. In: Proceedings of the International Scientific Conference Innovation and Utility in the Visegrad Fours, p. 541-546. ISBN 963 86918 08Ö, ISBN 963 86918 24, Nyíregyháza, Hungary, 2005. [4] Laib, L. Kiss, P. G. Antos, Ernyei, P.: The Effects of the Off-Road Vehicle on the Soil Cohesion and Internal Friction. In: Proceedings of the 10th European Coference of ISTVS, CD Session 3/26. ISBN 963 06 08324, Budapest, Hungary, 2006 [5] Kiss, P. Laib, L.: Determination of rolling resistance components. In: Proceedings of the Joint North America, Asia-Pacific ISTVS Conference and Annual Meeting of Japanese Society for Terramechanics, CD Session Paper no: 2007-52-0339, Fairbanks, Alaska, USA, 2007 [6] Gedeon, J.: On Some Basic Problems of Stohasztic Modeling, Periodica Polytechnica, Trasp. Eng., 1993., 89-100. p.

10

Vályogos homoktalaj terepprofil mérése

Recommend Documents