Calibrazione dei parametri di contatto dei tipici componenti della lavorazione rotativa che tagliano il terreno sulla base di diversi metodi di simulazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5757 (2023) Citare questo articolo

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Questo rapporto analizza il problema dei complessi modelli di movimento del suolo sotto l’azione di forze accoppiate, come tensione e taglio, nei processi agricoli e mira a migliorare la precisione dei parametri di contatto utilizzati negli studi di simulazione di elementi discreti delle interazioni rototiller-suolo. Questo studio si concentra sul terreno del campo di cotone di Shihezi nell’ottava divisione dello Xinjiang e indaga il rullo rotante della fresa come componente a contatto con il suolo delle macchine per la lavorazione del terreno. Viene utilizzata una combinazione di simulazioni e test fisici. Eseguiamo test sull'angolo di riposo e utilizziamo il rilevamento dei bordi, l'adattamento e altri metodi di elaborazione delle immagini per rilevare automaticamente, rapidamente e accuratamente l'accumulo di terreno e la calibrazione dell'angolo dei parametri di contatto con le particelle di terreno. Inoltre, vengono condotti test di scorrimento del suolo per calibrare i parametri di contatto tra il terreno e le lame rotanti. L'ottimizzazione viene ottenuta sulla base di simulazioni ortogonali e del metodo della superficie di risposta Box-Behnken utilizzando valori misurati fisicamente come target. Viene stabilito un modello di regressione dell'angolo di impilamento e dell'angolo di attrito volvente per determinare la combinazione ottimale dei parametri di contatto della simulazione: tra terreno e suolo, il coefficiente di recupero è 0,402, il coefficiente di attrito statico è 0,621 e il coefficiente di attrito volvente è 0,078; tra le parti a contatto con il suolo e il suolo, il coefficiente di recupero è 0,508, il coefficiente di attrito statico è 0,401 e il coefficiente di attrito volvente è 0,2. Inoltre, i parametri di calibrazione vengono selezionati come parametri di contatto per la simulazione degli elementi discreti. Combinando i due metodi di simulazione di cui sopra per analizzare e confrontare il processo di simulazione del taglio del terreno dalle parti dei rulli della motozappa alle parti della lama singola della motozappa, abbiamo ottenuto i cambiamenti di energia, resistenza al taglio e movimento delle particelle di terreno a diverse profondità del processo di taglio del terreno. Infine, la resistenza media al taglio è stata utilizzata come indice per la validazione nei test sul campo. Il valore misurato è 0,96 kN e l'errore della simulazione degli elementi discreti è del 13%. Ciò dimostra la validità dei parametri di contatto calibrati e l'accuratezza della simulazione, che può fornire un riferimento teorico e un supporto tecnico per lo studio dei meccanismi di interazione tra le parti dell'attrezzatura per la lavorazione e il terreno, nonché la progettazione e l'ottimizzazione di tali interazioni in futuro.

La tecnologia della lavorazione meccanizzata e della preparazione del terreno è la tecnologia meccanizzata più basilare per il lavoro agricolo. Si tratta inoltre di uno strumento importante per migliorare la qualità dei terreni coltivabili1,2. In particolare, il rullo di taglio rotante è a diretto contatto con il terreno, il che influisce costantemente sulla qualità e sull'efficienza del funzionamento. Pertanto, la precisione delle simulazioni di taglio deve essere migliorata per calibrare e ottimizzare i parametri di contatto con il suolo.

Con lo sviluppo della progettazione ingegneristica assistita da computer, i metodi di simulazione numerica sono stati continuamente applicati a vari campi, inclusa l’ingegneria agricola3,4. Il vantaggio principale delle simulazioni numeriche è la loro capacità di produrre previsioni rapide senza la necessità di molteplici test sul campo5,6. Negli ultimi anni, i metodi degli elementi discreti (DEM)7,8 e dell’idrodinamica delle particelle levigate (SPH)9 hanno mostrato vantaggi unici nel rivelare i meccanismi di interazione tra i componenti delle macchine agricole e le particelle del terreno. Makange10 ha introdotto elementi di legame tra le particelle DEM nel modello di contatto per simulare il terreno coesivo reale e ha studiato le forze orizzontali e verticali e il disturbo del suolo di un aratro a diverse velocità e profondità. Kim11 ha modellato i terreni agricoli e ha previsto le forze di trazione per diverse profondità di lavorazione, ha calibrato il modello del terreno DEM utilizzando un test di taglio virtuale della lama ed ha eseguito test sul campo con una precisione di previsione del 7,5% per le forze di trazione. AIKINS12 ha integrato il modello della molla isteretica e il modello di coesione lineare per calibrare i fattori di attrito statico e volvente dei terreni ad alta viscosità e ha verificato l'accuratezza della calibrazione dei parametri confrontandoli con le prove di scavo. MILKEVYCH13 ha stabilito un modello di spostamento del suolo causato dall'interazione tra suolo e componenti nel processo di diserbo basato sul metodo discreto, e i test simulati e misurati di spostamento del suolo erano coerenti. Uggul e Saunders14 hanno simulato l'interazione tra l'aratro a piastre e il terreno utilizzando il metodo DEM, e i risultati sono stati confrontati con test sperimentali, risultati analitici della forza di sforzo e misurazioni del profilo del solco. I risultati hanno rivelato che il DEM ha il potenziale per prevedere l’interazione terreno-versoio con ragionevole precisione. Li15, Lu16, Kang17 e Niu18 hanno eseguito simulazioni di taglio del suolo che coinvolgono la dinamica delle particelle uniformi per ottenere la legge di cambiamento del movimento del suolo e dell'energia di taglio. I parametri strutturali sono stati ottimizzati per ridurre il consumo energetico e, infine, la correttezza della simulazione è stata verificata utilizzando il test del canale artificiale. Liu19 ha confrontato i metodi di simulazione SPH e FEM nel processo di taglio del terreno. I risultati della simulazione erano simili quando non vi era alcuna distorsione della mesh nella fase iniziale. Con la distorsione della mesh, l'algoritmo FEM ha prodotto errori. Pertanto, è stato proposto il metodo di accoppiamento FEM-SPH per sfruttare i rispettivi vantaggi ed è stata verificata la fattibilità di questo metodo.