ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

АННОТАЦИЯ

Имитационное моделирование процесса поверхностной обработки почвы позволяет изучить и оптимизировать технологические операции, связанные с рыхлением почвы, что особенно важно для оценки эффективности различных типов почвообрабатывающих агрегатов, анализа энергоемкости процесса и выбора оптимальных режимов рыхления. Целью исследования является определение распределения напряжений, деформаций и сил сопротивления почвы на рабочих органах комбинированного агрегата. Проанализированы прочностные характеристики комбинированного агрегата при различных нагрузках и условиях работы. Основные аспекты моделирования: взаимодействие комбинированного агрегата с почвой, учет сопротивления и трения; оценка нагрузки на конструкцию при движении агрегата; исследование влияния скорости и свойств почвы на его работу. Имитационная модель почвы вкупе с агрегатом составлена с помощью пакета прикладных программ CОMSOL Multiphysics. Получены результаты исследования напряженно-деформированного состояния агрегата и почвы при рыхлении, определены критические зоны в конструкции рабочих органов, что позволит повысить их износостойкость и долговечность при дальнейшей оптимизации параметров агрегата.

ABSTRACT

Simulation modeling of the process of surface soil cultivation allows us to study and optimize technological operations related to soil loosening, which is especially important for assessing the efficiency of various types of soil-cultivating aggregates, analyzing the energy intensity of the process and selecting optimal loosening modes. The aim of the study is to determine the distribution of stresses, deformations and soil resistance forces on the working parts of the combined aggregate. The strength characteristics of the combined aggregate under various loads and operating conditions were analyzed. Key aspects of modeling: interaction of the combined aggregate with the soil, taking into account resistance and friction; assessment of the load on the structure during the aggregate’s movement; study of the influence of speed and soil properties on its operation. The soil simulation model together with the aggregate was compiled using the COMSOL Multiphysics application software package. The results of the study of the stress-strain state of the aggregate and soil during loosening were obtained; сritical zones in the design of working bodies have been identified, which will increase their wear resistance and durability with further optimization of the aggregate parameters.

Ключевые слова: имитационная модель, рыхление почвы, напряжение, деформация, агрегат, метод дискретных элементов.

Keywords: simulation model, loosening the soil, strain, deformation, aggregate, discrete element method.

Введение

Для теоретического обоснования параметров машинно-тракторных агрегатов необходимо точные данные об их взаимодействии с основными параметрами, как внешней среды, так и техническими показателями самих агрегатов. Согласно проведенному анализу можно утверждать, что для усовершенствования машинно-тракторных агрегатов необходимо проводить совместные исследования систем, которые работают совместно друг с другом, учитывая их динамические эксплуатационные режимы, условия внешней среды, технико-эксплуатационные показатели агрегатов.

Для того чтобы проанализировать технологический процесс, а также определить его агротехнические и энергетические показатели, следует разработать модели процесса взаимодействия рабочих органов с почвой. С точки зрения математического анализа, геометрии, а так же физики, процесс обработки почвы при помощи почвообрабатывающего орудия является достаточно сложным [1]. Структурно-механические свойства почвы и конструкция почвообрабатывающего орудия являются основными показателями, которые необходимо учитывать для адекватного представления модели процесса обработки почвы. Доказано, что для правильного воспроизведения почвы и формы рабочих органов, математическая модель должна обладать пространственным разрешением, а для адекватного описания перемещения почвы под воздействием рабочих органов - временным разрешением. Согласно классической земледельческой механике основная часть рабочих органов почвообрабатывающих орудий рассматривается как разновидность двугранного или трехгранного клина. Следовательно, изучение деформации почвы при воздействии на нее почвообрабатывающих орудий возможно проанализировав характер деформации почвы при воздействии на нее клина.

Физико-механические свойства почвы оказывают значительное влияние на агротехнические показатели и тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин. Известно, что физико-механические свойства почвы меняются в зависимости от погодных условий, севооборота культур, внесения в почву удобрений и т.д. [2].

Материалы и методы

В основу процесса разработки новых рабочих органов, а также оптимизации конструктивно - технологических параметров берутся математические модели и полученные закономерности. Согласно разработанной модели [3] процесс взаимодействия рабочих органов с почвой имеет вид системы уравнений состояния и изменения плотности почвенного пласта в процессе обработки. Использовав программный комплекс FiowVision построены, модели разрушения почвы с учетом строения почвенной среды, переменности массы, ее деформации и разрушения.

При составлении математической модели процесса взаимодействия клина с почвой получены аналитические зависимости для определения составляющих сил, действующих на двух и трехгранные клинья с учетом напряженно-деформированного состояния почвенного пласта [4]. Отмечено, что при обработке почвы ее напряженно-деформированное состояние можно анализировать, используя теорию Кулона-Мора.

Используя метод дискретных элементов, проведено исследование по оценке и моделированию износостойкости носка лемехов плуга и ножа сошников [5]. При помощи средств компьютерного моделирования была исследована и оценена степень влияния технологических факторов на износостойкость рабочих органов дисков борон [6]. Компьютерное моделирование условий работы дисков борон было проведено при помощи метода вычислительной гидродинамики посредством использования программы SOLIDWORKS Flow Simulation. Разработанная математическая модель [7], выполненная по методу МДЭ, позволяет представить процесс механической обработки почвы, определить тяговое сопротивление культиватора при различных параметрах, изучить напряженно-деформированное состояние рабочих органов культиватора и почвы, характер и направление движения почвы при обработке. Математическая модель функционирования системы внесения жидких удобрений в программном комплексе AFT Fathom позволяет определить расход удобрений, давление в системе с учётом свойств жидкости и оценить равномерность распределения раствора удобрений по ширине захвата.

Основные физико-механические свойства почвы включают:

Физические свойства: плотность грунта (), плотность в естественном состоянии (), истинная плотность частиц грунта (_s) и сухого грунта (_d); влажность (W); пористость (n); удельный вес грунта (γ);

Механические свойства: прочность на сжатие; сдвиговая прочность (угол внутреннего трения (φ) и сцепления(c)); модуль деформации (E); коэффициент сжимаемости (m), пластичность, усадка [8].

Характеристики грунта

Мелкозернистые грунты, основная часть почв сельскохозяйственных угодий, представляется частицами различного размера (глина, песок, супесь, суглинок) [9, 10]. Основное уравнение для напряжений в грунте:

,

где q - нагрузка, r и z — радиальная и вертикальная координаты соответственно.

При механической обработке почвы в сельском хозяйстве используются различные механические модели, которые описывают взаимодействие почвы с рабочими органами сельскохозяйственных машин (плуги, культиваторы, рыхлители и др.). Эти модели помогают прогнозировать сопротивление почвы, усилия на орудие, энергоемкость обработки и качество выполняемой работы.

Модель разрушения почвы (Мора-Кулона) - почва считается пластическим материалом, разрушающимся по сдвигу:

где τ - касательное напряжение, c - сцепление,  - угол внутреннего трения.

Определяет предельное состояние почвы при взаимодействии с орудием. Используется для расчета сил взаимодействия лемеха с почвой. Учитываются сопротивления резанию, трению и сдвигу.

Зависимость сил от угла атаки и скорости:

R=σ⋅A+τ⋅l⋅R

R - сопротивление, σ - нормальное напряжение, A - площадь контакта, τ - касательное напряжение, l - длина контакта.

Результаты и обсуждение

Для определения пористости, пластичности, сопротивления деформации и твёрдости почвы существует ряд математических моделей, которые применяются в почвоведении, механике грунтов и агрофизике. Рассмотрим ключевые модели для каждого из этих свойств.

Связь пористости почвы с плотностью

P=1

где:  - плотность почвы (объемная), - плотность твёрдого вещества почвы  = 2,65…2,75 г/см³.

Модель Проктора для твёрдости почвы:

где: A,B,C - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Пример расчёта свойств почвы по критерию Моора-Кулона: известны следующие параметры почвы: удельное сцепление c = 25 кПа; угол внутреннего трения = 30⁰; нормальное напряжение σ = 50 кПа.

Рассчитать касательное напряжение τ, при котором произойдёт сдвиг и устойчивость почвы под заданной нагрузкой:

τ = 25+50·tg30⁰=25+28,85=53,85 кПа.

Плотность почвы: = 1.3 г/см³, b = 1,3 г/см³. Содержание глины: C = 40%. Удельное сцепление: c=30 кПа, Угол трения:  = 25⁰.  Влажность: W = 15%; a = 10; b = 0,5; k = 0,1.

 Оптимальная влажность. Для предпосевной обработки:

=18%

Удельное сопротивление рыхлению

=100⋅1,3^1.5⋅0,15 ^0,8 ≈ 204 кПа

Итог

1. Оптимальная влажность для обработки - 18%.
2. Почва устойчива при касательных напряжениях до 53.3 кПа
3. Рекомендуемое тяговое усилие для техники рассчитывается исходя из удельного сопротивления 204 кПа.

Модель общего сопротивление почвы В.П.Горячкина. Эта классическая модель основывается на балансе сил и деформации почвы. Формула для силы сопротивления:

F=k⋅b⋅h⋅(ρ_b⋅g⋅h+c+σ⋅tg

где: F - общее сопротивление почвы, Н; k - коэффициент поправки на геометрию рабочего органа; b - ширина захвата корпуса плуга, м; h - глубина обработки, м. Модель Горячкина учитывает как физические свойства почвы, так и рабочие параметры почвообрабатывающего орудия, например плуга.

Имитационная модель рыхления почвы

Составим имитационную модель рыхления почвы комбинированным агрегатом для полосной обработки почвы, имеющим дисковые и универсально - стрельчатые рабочие органы [10]. Экспериментальный комбинированный агрегат, четыре секции которого оснащены рабочими органами с обоснованными конструктивными параметрами, рабочие органы на грядилях установлены по рациональной схеме (Рис.1.).

Рисунок 1. Секция рабочих органов комбинированного агрегата

Принцип работы. При движении агрегата центральный дисковый рыхлитель в один след разрезает сухую твердую почву и перерезает пожнивные остатки, два дисковых рыхлителя, расположенных симметрично по ширине обрабатываемой полосы, разрезают сухую твердую почву, перерезают пожнивные остатки, разбивают комья, отрезают пласт в вертикальной плоскости с целью получения ровной стенки борозды и чистого ее дна. После этого, универсальная стрельчатая лапа, рыхлит почву до требуемой глубины, разбивает комья, перерезает и перемешивает пожнивные остатки и выравнивает почву по ширине обрабатываемой полосы.

Обработка почвы производится при определенных условиях, в частности при определенной вязкости, твердости почвы, пористости грунта и т.д. Эти условия соответствуют определенным климатическим условиям. Задаемся следующими значениями параметров:

• агрегат должен работать на почвах различного механического состава с удельным сопротивлением до 0,08 МПа (8 Н/см²);
• влажность обрабатываемого слоя до 16%;
• твердость почвы - до 5 МПа;
• вид обрабатываемого поля - после уборки надземной части зерновых и других культур, высота оставшейся стерни не более 25 см; уклон поля не более 8°; гребнистость поверхности поля до 5 см.

Для моделирования процесса рыхления почвы агрегатом вкупе с учетом физико-механических свойств почвы воспользуемся методом конечных элементов на пакете комплексных программ CОMSOL Multiphysics. Для этого рассматриваемый агрегат и почва разбиваются на конечные элементы (Рис. 2.), из Рис.2. следует, что конструкция под внешним воздействием от почвы и от силы тяги трактора работает как единый механизм.

Рисунок 2. Расчетная сетка взаимодействия рабочих органов комбинированного агрегата с почвой

На рис. 3. показаны деформация рабочего органа, в основании (пятке) стрельчатой лапы, а на Рис. 4. - распределение деформации в стойке стрельчатой лапы:

Из полученных симметричных графиков следует, что наибольшее проникновение в почву наблюдается на крыльях стрельчатой лапы, с переходом к середине рабочего органа уровень проникновения существенно уменьшается (Рис. 3). Результаты не зависят от места расположения стоек обрабатывающего рабочего органа. На данном снимке видно, что деформация увеличивается в задней части пятки стрельчатой лапы. Это важное наблюдение, которое свидетельствует о том, что задние элементы конструкции подвергаются значительным нагрузкам. Такое распределение деформаций может быть вызвано рядом факторов, связанных как с конструкцией самой лапы, так и с внешними воздействиями.

Рисунок 3. Распределение деформации в основании (пятке) стрельчатый лапы

а - график распределения деформации в пятке стрельчатый лапы; б - модель комбинированного агрегата; в - фрагмент имитационной модели распределения деформации в конструкции лапы; 1; 2; 3; 4 - стрельчатые лапы

Рисунок 4. Распределение деформации в стойке стрельчатой лапы:

а - в передней части стойки; б - в задней части стойки; I - график распределения деформации в стойке стрельчатый лапы; II- модель комбинированного агрегата; III- фрагмент имитационной модели распределения деформации в конструкции лапы; 1; 2; 3; 4 - стрельчатые лапы

Как видно из Рис. 3. и Рис. 4. деформация увеличивается в месте соединения стрельчатой лапы со стойкой. Это наблюдение указывает на наличие значительных концентраций напряжения в данной области, что связано с особенностями передачи усилий от лапы к стойке. Это место является критическим, так как именно через соединение передаются нагрузки, вызванные сопротивлением почвы и динамическими воздействиями при движении.

В связи с высокой точностью, расчеты на пакете прикладных программ CОMSOL Multiphysics принято считать квази экспериментами. Оригинальные эксперименты планируется провести в дальнейших исследованиях.

Заключение

В ходе проведенного исследования разработана имитационная модель процесса рыхления почвы комбинированным агрегатом, оснащенным дисковыми и универсально-стрельчатыми рабочими органами. С использованием метода конечных элементов в программном комплексе COMSOL Multiphysics проведен анализ напряженно-деформированного состояния агрегата и почвы при различных условиях эксплуатации.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

–Разработанная модель адекватно описывает механическое взаимодействие рабочих органов агрегата с почвой, обеспечивая точное распределение напряжений и деформаций в зоне обработки.

–Исследованы основные параметры напряженно-деформированного состояния почвы и конструкции агрегата. Установлено, что наибольшие деформации и напряжения возникают в местах соединения стойки с рабочими органами, что необходимо учитывать при проектировании и оптимизации конструкции.

–Определены критические зоны в конструкции рабочих органов, что позволит повысить их износостойкость и долговечность при дальнейшей оптимизации параметров агрегата.

–Полученные данные могут быть использованы при проектировании и совершенствовании сельскохозяйственных машин, что способствует повышению эффективности почвообрабатывающих процессов и снижению энергозатрат.

Таким образом, предложенная имитационная модель может служить надежным инструментом для дальнейших исследований динамических процессов обработки почвы, а также для разработки инновационных сельскохозяйственных агрегатов, адаптированных к различным почвенно-климатическим условиям.

Список литературы:

1. Свечников П. Г. Модернизация почвообрабатывающих рабочих органов на основе исследования процесса их взаимодействия с почвой // Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.октора технических наук: 05.20.01. Челябинск, 2013. 44 с.
2. Платонов В.А., Чудновский А.Ф. Моделирование агроклиматических условий и оптимизация агротехники.-Л. Гидрометиздат, 2004. -28- с.
3. С.Г.Мударисов. Повышение качества обработки почвы путем совершенствования рабочих органов машин на основе моделирования технологического процесса, дис. докт. техн. наук: 05.20.01. Челябинск, 2007. - 334 c.
4. И.Р.Рахимов. Совершенствование рабочих органов машин для основной обработки почвы на основе моделирования процесса, дис. кан. техн. наук: 05.20.01. Челябинск, 2006. - 196с.
5. J.Listauskas, V.Jankauskasa, A.Zunda et al. Estimation and modelling the wear resistance of plough points and knife coulters by discrete element method. Wear journal homepage: www.elsevier.com/locate/wear Wear 556-557 (2024) 205508
6. V.V. Afanasiev, D.V. Brazhnichenko, V.I. Gaiduk, S.A. Kalitko, Information technologies as a driver for the development of the economy of organizations, Economics and Entrepreneurship, 10 (99), 699-701 (2018)
7. Аминов Р. И. Обоснование параметров и разработка культиватора для полосовой обработки почвы и объемного внутрипочвенного внесения удобрений Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства Автореферат дис. канд. техн. наук, Уфа – 2020
8. Bayat, Alimova FA Ali. "Saidova MT Primqulov B. Atadjanova M. Substantiation of Parameters and operating modes of the pneumatic sowing apparatus for cluster sowing of cotton seeds." Solid State Technology 63.6: 11876-11885.
9. Богданов Е.Н. О механических свойствах глинистых грунтов. Грунтоведение № 1, 2012, с. 62-70.
10. Примкулов, Б.С., Алимова, ФА, Саидова, М.Т., Алланазаров, А.А., и Хуррамов, Р.Дж. (2024, декабрь). Исследование рабочих сред для рабочих органов с низкой обработкой почвы. В серии конференций IOP. Науки о Земле и окружающей среде (т. 1420, № 1, стр. 012027). Издательство IOP.
11. Prakhar Patidar, Peeyush Soni , Achala Jain, Vijay Mahore. Modelling soil-rotor blade interaction of vertical axis rotary tiller using discrete element method (DEM) Agricultural and Food Engineering Department, Indian Institute of Technology Kharagpur, West Bengal 721302, India Contents lists available at ScienceDirect Journal of Terramechanics journal homepage: www.elsevier.com/locate/jterra