CC BY
1
Научная статья
УДК 004.942; 631.3
doi: 10.47737/2307-2873 2024 48 11
ПАРАМЕТРЫ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕКЦИИ ПОЛОСОВОГО КУЛЬТИВАТОРА ПО КРИТЕРИЮ ТЯГОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
©2024. Салават Гумерович Мударисов1, Ильдар Мавлиярович Фархутдинов2, Рамиль Фаилевич Хабибуллин3, Венер Ханифович Имангулов4
1,2,3,4 Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, Россия 1 salavam@gmail. com
Аннотация. В связи с развитием инструментов инженерного проектирования и расчета при обосновании конструктивных схем и параметров новых сельскохозяйственных машин наиболее перспективными являются их цифровые двойники. Обзор литературных источников показал, что для процессов обработки почвы наиболее подходящим и перспективным является метод дискретных элементов. Для получения адекватных результатов при реализации цифрового двойника процесса обработки почвы орудиями методом дискретных элементов необходимо обосновать размеры виртуального почвенного канала и параметры используемой контактной модели. Размеры почвенного канала обоснованы из условия отсутствия взаимодействия моделируемой почвы с его стенками в процессе обработки. Параметры принятой контактной модели Герца-Миндлина с JKR приняты из предыдущих авторских исследований. Для исключения воздействия моделируемой почвы на стенки виртуального канала минимальное расстояние от рабочих органов секции культиватора до стенки канала должно быть не менее 200 мм, а расстояние от нижней кромки рабочего органа до дна канала - не менее 125 мм. Для исключения взаимного влияния рабочих органов и снижения общего тягового сопротивления секции культиватора расстояние между рыхлителями вдоль движения должно быть не менее 250 мм, а расстояние между рыхлителем и лаповым рабочим органом - не менее 160 мм.
Ключевые слова: полосовая обработка почвы, модель контакта, моделирование обработки почвы, тяговое сопротивление, виртуальный почвенный канал
Введение. Создание цифровых двойников различных технологических процессов, в основе которых лежит компьютерное моделирование, в настоящее время получает все большее развитие, в том числе для решения задач
сельскохозяйственного профиля, в частности, при обосновании параметров почвообрабатывающих машин. Из многообразия существующих методов реализации моделей для процесса обработки почвы большую популярность приобретает метод дискретных элементов. Для широкого применения данного метода необходимо отметить существующие ограничения, связанные с обоснованием параметров используемых контактных моделей, решаемые в большинстве путем калибровки сопоставлением результатов простых тестов с реальной почвой и моделью. При правильной калибровке параметров контактной модели построенный на этой
основе цифровой двойник процесса обработки почвы можно использовать для обоснования конструктивно-
технологических параметров орудий.
В работах [1-8] представлены результаты моделирования различных рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин на основе метода дискретных элементов. В основу моделей приняты усовершенствованные модели контакта, которые учитывают силы адгезии между частицами почвенной среды. Калибровка параметров контактных моделей в этих работах произведена по углу естественного откоса. В результате калибровки параметров контактной модели точность прогноза тягового сопротивления рабочих органов достигла 82.. .96 %. Однако, на результат моделирования кроме параметров контактной модели влияют еще геометрические параметры виртуального почвенного канала. Размеры виртуального
почвенного канала должны выбираться из условия отсутствия взаимодействия моделируемой почвы с его стенками в процессе деформации и перемещения рабочим органом.
Нами было предложено выполнить калибровку контактной модели на основе сопоставления составных частей тягового сопротивления корпуса плуга [9]. На основе собственных исследований и на основании данных литературных источников нами в работе [9] в качестве контактной модели выбрана модель Герца-Миндлина с JKR. На основании оценки значимости параметров в качестве основных параметров контактной модели для калибровки были приняты поверхностная энергия и диаметр частиц. В результате экспериментов обоснована поверхностная энергия 270...400 Дж/м2 для почв супесчаного и суглинистого механического состава.
Целью работы является обоснование конструктивно-технологических параметров рабочих органов секции культиватора для полосовой обработки почвы в цифровом двойнике почвенного канала методом дискретных элементов. Задачи: обосновать размеры виртуального почвенного канала для моделирования процесса работы секции
культиватора методом дискретных элементов; обосновать взаимное
расположение рабочих органов секции культиватора для полосовой обработки почвы.
Методика. Для моделирования технологического процесса обработки почвы методом дискретных элементов
исследователями применятся прямоугольный ящик, заполненный частицами. Толщина слоя частиц выбирается с учетом глубины обработки исследуемого рабочего органа (рис. 1). Однако, минимальные размеры почвенного канала должны быть такими, чтобы деформация, распространяемая от исследуемого рабочего органа, не доходила до стенок.
Трехмерные твердотельные модели исследуемых рабочих органов (рыхлители и лапы) были выполнены идентичными натурным образцам и сохранены в текстовом формате STL для дальнейшей загрузки их в программу Rocky Dem, где проводились модельные эксперименты по определению оптимальных размеров почвенного канала, целью которых было изучение влияния расстояния от боковой стенки l и от дна k почвенного канала до рыхлителя на его тяговое сопротивление.
Рис 1. К обоснованию размеров почвенного канала 1 - рыхлители; 2 - лаповый рабочий орган; B - ширина почвенного канала; L - длина почвенного канала; k - расстояние от лезвия лемеха рыхлителя до дна почвенного канала; l - расстояние от края рыхлителя до стенки почвенного канала; d - расстояние от рыхлителя до лапового рабочего органа; e - толщина почвенной среды.
Fig. 1. To substantiate the size of the soil channel 1 - rippers; 2 - paw working body; B - width of the soil channel; L - length of the soil channel; k -distance from the blade of the ripper ploughshare to the bottom of the soil channel; l - distance from the edge of the ripper to the wall of the soil channel; d - distance from the ripper to the paw working body; e - thickness of the soil medium.
В качестве параметров были приняты минимальное расстояние между
рыхлителями вдоль движения с и расстоянием от грани рыхлителя до лапового рабочего органа й (рисунок 2). Глубина хода рыхлителей а, глубина укладки семян ас, расстояние между рыхлителями Ь были заложены технологически [10].
Для моделирования процесса обработки почвы методом дискретных
элементов принята контактная модель Герца-Миндлина с JKR, ранее обоснованная нами в [9], в которой для описания контакта нормальных сил используется модель Герца, для тангенциальных сил - Миндлина-Дересевича, а для учёта сил сцепления -модель сцепления Johnson-Kendall-Roberts (ЖЯ).
Рис 2. Схема расположения рабочих органов секции культиватора на раме орудия (фрагмент для нарезания одной полосы) Fig. 2. Layout of the working bodies of the cultivator section on the tool frame (fragment for cutting one strip)
В таблице 1 представлены усредненные значения параметров принятой
контактной модели, принятые предыдущему исследованию [9].
Параметры контактной модели
согласно
Таблица 1
Показатели Среднее значение
Модуль Юнга Е, МПа 1,4
Коэффициент Пуассона V 0,33
Коэффициент статического трения почвы о почву . ^ 0,35
Коэффициент динамического трения почвы о почву /й 0,25
Поверхностная энергия 0$, Дж/м2 250
Диаметр частиц й, мм 10
Коэффициент статического трения/кк 0,6
Коэффициент динамического трения /й.к 0,15
На рисунке 3 представлена реализация модели технологического процесса обработки почвы полосовым культиватором в программном комплексе Rocky Dem.
Рис 3. Модель процесса обработки почвы полосовым культиватором (фрагмент программы Rocky Dem) Fig. 3. Model of the tillage process with a strip cultivator (fragment of the Rocky Dem program)
Результаты. На рисунке 4 сопротивления рыхлителей от расстояния до представлена зависимость тягового стенки почвенного канала.
Ял, н
2000 • 1950 1900 1S50 1S00 1750 1700 1650
Рис 4. Зависимость тягового сопротивления от расстояния рыхлителей до стенки почвенного
канала
Fig. 4. Dependence of the traction resistance on the distance of the rippers to the wall of the
soil channel
1 1 V-0,0081x! , « - 3,8241* ♦ 2155,2 '-0,949
—--
100 150 200 /,..»,
Из представленного графика видно, что при близком расстоянии рыхлителей друг от друга тяговое сопротивление увеличивается. Это связано с тем, что почвенный пласт между рыхлителями сгруживатеся, и происходит заклинивание почвы, что приводит к увеличению объема деформируемой почвы и, как следствие, тяговому сопротивлению. При расстоянии
более 200 мм тяговое сопротивление стабилизируется.
Обоснование расстояния от дна почвенного канала до нижней кромки рыхлителей производили по вертикальной составляющей тягового сопротивления рыхлителей На рисунке 5 представлена зависимость вертикальной составляющей тягового сопротивления рыхлителя от расстояния к.
R:,H
-125 -130 -135 -140 -145 -150 -155 -160 -165 -170
V ■ 1Е-06Г - U.UOOoX + 0.10MX' - B.733X 113,3 R'-l
50 75 100 125 к, MM
Рис 5. Зависимость вертикальной составляющей тягового сопротивления рыхлителя от расстояния от дна почвенного канала до нижней кромки рыхлителя Fig. 5. Dependence of the vertical component of the traction resistance of the ripper on the distance from the bottom of the soil channel to the lower edge of the ripper
При выполнении технологического процесса на вертикальное составляющее тягового сопротивления рыхлителя влияет масса почвенного пласта, которая действует по направлению силы тяжести, а также силы со стороны деформируемого пласта, силы инерции, и в силу геометрии долота рыхлителя, составляющая силы трения почвы о долото. Исходя из результатов, можно сделать вывод о том, что с увеличением расстояния от нижней кромки рыхлителя до дна почвенного канала вертикальная составляющая тягового
сопротивления увеличивается и
стабилизируется на расстоянии более 125 мм, то есть перестает влиять подпор со стороны дна почвенного канала через частицы.
Для определения оптимального расстояния между рыхлителями с были произведены модельные эксперименты по определению тягового сопротивления, результаты которых представлены на рисунке 6. Эксперименты проведены без лапового рабочего органа на трех скоростях.
Rx, Н 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500
у - 0,0037K2 -1,OB91H :+lW5
R- = L-,99DE
Y=0,0063jf- 3,411 Sx R*=0_»27 + 1553,6
' -4 ^ -1
у = 0,0062л2 - .2,7541к * 1234,7
RJ=0,№57
50
100
150
200
250
Рис 6. Зависимость тягового сопротивления от расстояния между рыхлителями вдоль движения
(без лапового рабочего органа) 1 - V=1 м/с; 2 - V=1,5 м/с; 3 - V=2 м/с Fig. 6. Dependence of the traction resistance on the distance between the rippers along the movement
(without the foot working body) 1 - V = 1 m/s; 2 - V=1.5 m/s; 3 - V=2 m/s
Расстояние между рыхлителями влияет уменьшении расстояния возможно забивание на тяговое сопротивление секции. При пространства между рыхлителями и
сгруживание почвы, что особенно характерно при обработке увлажненных почв. Из графика (рис. 6) видно, что тяговое сопротивление уменьшается с увеличением расстояния между рыхлителями вдоль движения. При скорости движения 1 м/с тяговое сопротивление стабилизируется на расстоянии не менее 200 мм, при скорости 1,5 и 2 м/с - не менее 250 мм. Исходя из полученных результатов, примем минимальное расстояние 250 мм. Дальнейшее увеличение расстояния между рыхлителями приведет к увеличению металлоемкости конструкции.
Г7*1 - 11,587* + 2979,3 Е*= 0,9477
--3
- 4,294* + 2075,4 R*= 0,9551
—---. 2
у = -0,7425* + 150Б;6 R*= 0,5422
—>-| 1
1200
1000
100 120 1411 160 (1, ММ
Для определения оптимального расстояния между рыхлителями и лаповым рабочим органом й провели аналогичные эксперименты на виртуальном почвенном канале, результаты которых приведены на рисунке 7.
Согласно полученным результатам при скорости движения 1 м/с тяговое сопротивление стабилизируется при расстоянии более 140 мм; при скорости движения 1 м/с и 2 м/с - при расстоянии более 160 мм.
ЙЛ, н
1600
Рис 7. Зависимость тягового сопротивления секции от расстояния от рыхлителей до лап (1 -
V=1 м/с; 2 - V=1,5 м/с; 3 - V=2 м/с.) Fig. 7. Dependence of the traction resistance of the section on the distance from the rippers to the paws
(1 - V=1 m/s; 2 - V=1.5 m/s; 3 - V=2 m/s.)
Заключение. Для моделирования процесса обработки почвы методом дискретных элементов с контактной моделью Герца-Миндлина JKR,
позволившим создать цифровой двойник почвенного канала, для исключения воздействия моделируемой почвы на его стенки минимальное расстояние от рабочих органов секции культиватора до стенки канала должно быть не менее 200 мм, а
расстояние от нижней кромки рабочего органа до дна канала - не менее 125 мм.
Для снижения тягового сопротивления секции культиватора расстояние между рыхлителями вдоль движения должно быть не менее 250 мм, а расстояние между рыхлителем и лаповым рабочим органом - не менее 160 мм.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-7610070, https://rscf.ru/proiect/23-76-10070/
Список источников
1. Li X. et al. Investigation on tillage resistance and soil disturbance in wet adhesive soil using discrete element method with three-layer soil plough coupling model // Powder Technology. 2024. Т. 436. С. 119463.
2. Zhang J. et al. Simulation analysis and experiments for blade soil straw interaction under deep ploughing based on the discrete element method // Agriculture. 2023. Т. 13. №. 1. С. 136.
3. Milkevych V. et al. Modelling approach for soil displacement in tillage using discrete element method // Soil and Tillage Research. 2018. Т. 183. С. 60-71.
4. Liu L. et al. The impact of ,T, shaped furrow opener of no tillage seeder on straw and soil based on discrete element method // Computers and Electronics in Agriculture. 2023. Т. 213. С. 108278.
5. Pasthy L. et al. Development of a multi way coupled discrete finite element method simulation procedure for modelling soil passive vibration tool interaction // Computers and Electronics in Agriculture. 2024. Т. 216. С. 108459.
6. Wu P., Chen Y. Discrete element modelling of the effect of disc angle and tilt angle on residue incorporation resulting from a concave disc // Computers and Electronics in Agriculture. 2024. Т. 224. С. 109222.
7. Zhu D. et al. Tool straw paddy soil coupling model of mechanical rotary-tillage process based on DEM-FEM // Computers and Electronics in Agriculture. 2023. Т. 215. С. 108410.
8. Foldager F. F. et al. Modeling soil aggregate fracture using the discrete element method // Soil and Tillage Research. 2022. Т. 218. С. 105295.
9. Mudarisov S. et al. Justification of the soil dem model parameters for predicting the plow body resistance forces during plowing // Journal of Terramechanics. 2023. Т. 109. С. 37-44.
10. Мударисов С. Г., Фархутдинов И. М., Хабибуллин Р. Ф., Валиулин И. Э. Экспериментальный анализ расхода топлива и тягового сопротивления орудия при полосовой обработке почвы // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2022. № 4(64). С. 117-122.
PARAMETERS OF THE MUTUAL ARRANGEMENT OF WORKING BODIES OF THE STRIP CULTIVATOR SECTION BY THE CRITERION OF TRACTION
RESISTANCE
©2024. Salavat G. Mudarisov1, Ildar M. Farkhutdinov2, Ramil F. Khabibullin3, Vener Kh. Imangulov4
1>2'3'4 Bashkir State Agrarian University, department of mechatronic systems and machines of agricultural production, Ufa, Russia 1 salavam@gmail. com
Abstract. In connection with the development of engineering design and calculation tools, when substantiating the design schemes and parameters of new agricultural machines, their digital twins are the most promising. A review of literary sources showed that the discrete element method is the most suitable and promising for soil cultivation processes. To obtain adequate results when implementing a digital twin of the soil cultivation process with tools using the discrete element method, it is necessary to substantiate the dimensions of the virtual soil channel and the parameters of the contact model used. The dimensions of the soil channel are substantiated based on the condition of no interaction between the simulated soil and its walls during cultivation. The parameters of the adopted Hertz-Mindlin contact model with JKR are taken from previous author's studies.To exclude the impact of the simulated soil on the walls of the virtual channel, the minimum distance from the working bodies of the cultivator section to the channel wall should be at least 200 mm, and the distance from the lower edge of the working body to the bottom of the channel - at least 125 mm. To eliminate the mutual influence of the working bodies and reduce the overall traction resistance of the cultivator section, the distance between the rippers along the direction of travel should be at least 250 mm, and the distance between the ripper and the paw working body should be at least 160 mm.
Keywords: strip tillage, contact model, soil tillage modeling, traction resistance, virtual soil channel
References
1. Li X. et al. Investigation on tillage resistance and soil disturbance in wet adhesive soil using discrete element method with three, layer soil plough coupling model, Powder Technology, 2024, Vol. 436, pp. 119463.
2. Zhang J. et al. Simulation analysis and experiments for blade soil straw interaction under deep ploughing based on the discrete element method, Agriculture, 2023, Vol. 13, No. 1, pp. 136.
3. Milkevych V. et al. Modelling approach for soil displacement in tillage using discrete element method, Soil and Tillage Research, 2018, Vol. 183, pp. 60-71.
4. Liu L. et al. The impact of ,T, shaped furrow opener of no tillage seeder on straw and soil based on discrete element method, Computers and Electronics in Agriculture, 2023, Vol. 213, pp. 108278.
5. Pasthy L. et al. Development of a multi way coupled discrete finite element method simulation procedure for modelling soil passive vibration tool interaction, Computers and Electronics in Agriculture, 2024, Vol. 216, pp. 108459.
6. Wu P., Chen Y. Discrete element modelling of the effect of disc angle and tilt angle on residue incorporation resulting from a concave disc, Computers and Electronics in Agriculture, 2024, Vol. 224, pp. 109222.
7. Zhu D. et al. Tool straw paddy soil coupling model of mechanical rotary tillage process based on DEM FEM, Computers and Electronics in Agriculture, 2023, Vol. 215, pp. 108410.
8. Foldager F. F. et al. Modeling soil aggregate fracture using the discrete element method, Soil and Tillage Research, 2022, Vol. 218, pp. 105295.
9. Mudarisov S. et al. Justification of the soil dem model parameters for predicting the plow body resistance forces during plowing, Journal of Terramechanics, 2023, Vol. 109, pp. 37-44.
10. Mudarisov S. G., Farkhutdinov I. M., Khabibullin R. F., Valiulin I. E. Eksperimental'nyi analiz raskhoda topliva i tyagovogo soprotivleniya orudiya pri polosovoi obrabotke pochvy (Experimental analysis of fuel consumption and traction resistance of the implement during strip tillage), Vestnik Bashkirskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2022, No. 4(64), pp. 117-122.
Сведения об авторах С. Г. Мударисов1 - доктор технических наук, профессор; И. М. Фархутдинов2 - кандидат технических наук, доцент; Р. Ф. Хабибуллин3 - младший научный сотрудник; В. Х. Имангулов4 - младший научный сотрудник.
1,2,3,4 Башкирский государственный аграрный университет, кафедра мехатронных систем и машин аграрного производства, Уфа, Россия 1 salavam@gmail. com
Information about the authors
S. G. Mudarisov 1 - Dr. Tech. Sci., Professor; I. M. Farkhutdinov2 - Cand. Tech. Sci., Associate Professor; R. F. Khabibullin3 - Junior Researcher; V. Kh. Imangulov4 - Junior Researcher.
1,2,3,4 Bashkir State Agrarian University, Department of mechatronic systems and machines of agricultural production, Ufa, Russia
1 salavam@gmail. com
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest: the authors declare that they have no conflicts of interest.
Статья поступила в редакцию 03.10.2024; одобрена после рецензирования 01.11.2024; принята к публикации 10.11.2024. The article was submitted 03.10.2024; approved after reviewing 01.11.2024; acceptedfor publication 10.11.2024.
