Чисельне моделювання процесу роботи ґрунтообробного модуля для передпосівного обробітку ґрунту

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Національної академії аграрних наук України

Чисельне моделювання процесу роботи ґрунтообробного модуля для передпосівного обробітку ґрунту

Е.Б. Алієв,

Г.В. Теслюк,

О.В. Бєлка,

О.М. Пацула

Анотація

Для аналізу нових конструкцій ґрунтообробного модуля і дослідження їх взаємодії із ґрунтом використано метод дискретних елементів (Discrete Element Method) у програмному пакеті Simcenter STAR-CCM+. У результаті чисельного моделювання процесу взаємодії різних конструкцій ґрунтообробних модулів (2 барабана + леміш, 1 барабан, 1 барабан + леміш, 1 барабан + леміш + кожух, 1 барабан + леміш + кожух + очисник) для передпосівного обробітку із ґрунтом отримано візуалізацію скалярної сцени і гістограми розподілу агрегатів за їх діаметром і глибиною розміщення. В якості базової (контрольної) конструкції обрано двобарабанний-лемішний сепаратор (конструкція Шевченка І.А., Крижачківського Р.М., Ковязина О.С. і Трачова В.В.), чисельне моделювання якого дозволило встановити, що після обробки у шарі 0-4 см вміст фракції розміром 10-20 мм складав 64,8 ± 0,3%, а фракції 20-30 мм - 24,5 ± 0,3% (загально - 89,3 ± 0,3%), у шарі 4-8 см вміст фракції розміром 0-10 мм складав 76,3 ± 0,3%. Отримані дані підтверджуються експериментом Шевченка І.А., що свідчить про адекватність створеної чисельної моделі в Simcenter STAR-CCM+ і правильності прийняття фізико-механічних властивостей ґрунтового середовища.

За результатами чисельного моделювання встановлено, що найбільш ефективною є конструкція, яка містить 1 барабан, леміш, кожух і очисник, так як вона виконує операцію сепарації і перерозподілу агрегатів ґрунту практично із такою ж самою ефективністю, як і базова (контрольна) конструкція. Про це свідчать значення вмісту фракції розміром 10-30 мм у шарі 0-4 см - 87,8 ± 0,3% і вмісту фракції розміром 0-10 мм у шарі 4-8 см - 83,5 ± 0,3%.

Annotation

Numerical simulation of the working process of the soil tillation module for pre-treatment of the soil

E. Aliiev, H. Tesliuk, O. Bielka, Institute of Oilseed Crops of the National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine

O. Patsula, Dnipro State Agrarian and Economic University

The Discrete Element Method in the Simcenter STAR-CCM+ software package was used to analyze the new designs of the tillage module and study their interaction with the soil. As a result of numerical simulation of the process of interaction of various designs of tillage modules (2 drums + ploughshare, 1 drum, 1 drum + plowshare, 1 drum + plowshare + casing, 1 drum + plowshare + casing + cleaner) for pre-sowing cultivation with the soil, a visualization of the scalar scene was obtained and histograms of the distribution of aggregates by their diameter and placement depth. As a basic (control) design, a two-drum-blade separator was chosen (design by I.A. Shevchenko,

Вступ

Дослідження (Pastukhov et al. 2014, Shevchenko 2016, Sereda et al. 2019) показують, що машини з активними робочими органами є найбільш ефективними при обробці важких ґрунтів при передпосівній обробці. Більшість зарубіжних компаній (RAU,Pottinger, Struik, Farmmaster, FPM

Agromehanika DOO) виготовляє різні ґрунтообробні агрегати з шириною обробки від 0,2 до 9 м і потужністю від 0,3 до 250 кВт. Ці машини дозволяють більш ефективно завантажувати трактор або інші енергетичні засоби навіть при незначній ширині захвату.

Для підготовки ґрунту під посів в основному використовують ґрунтообробні фрези з горизонтальним або вертикальним розташуванням осі обертання, що дозволяє підготувати ґрунт під посів та виконати ці операції у одному проході (Levchenko 2014, Toscano et al. 2022, Kalinitchenko et al. 2021, Sarkar et al. 2021).

Застосування ротаційних ґрунтообробних машин з активними робочими органами з приводом від механізму відбору потужності трактора дозволяє виконувати технологічні функції на швидкостях, що в 3-8 разів перевищують швидкість машино-тракторного агрегату. Це значно знижує витрати на переміщення маси агрегату, яка не бере участі у виконанні корисної роботи, і підвищує ефективність використання агрегату (Levchenko 2014).

Як зазначено в (Brian 2008, Yankov et al. 2015, Shevchenko 2016, Lemic et al. 2021), щоб забезпечити максимальний урожай в конкретних ґрунтово- кліматичних умовах, необхідно, щоб показники роботи машини для передпосівного обробітку ґрунту відповідали вимогам сільськогосподарських рослин щодо підпосівного, посівного та надпосівного шарів орного горизонту. Функцією агрегатів для передпосівного обробітку ґрунту є формування надпосівного шару з переважним розміром структурних агрегатів 10-20 мм, посівного шару - 0,25-5 мм, та щільністю ґрунту в шарі 0-8 см у межах 1,211,24 г/см³.

Спираючись на вищезазначене твердження, Шевченка І.А., Крижачківського Р.М., Ковязина О.С. і Трачова В.В., розробили ряд технологічних схем комбінованих ґрунтообробних агрегатів, що дозволяють виконувати сепарацію часток ґрунту в поверхневому його шарі (патент 41108 A, патент 64446, патент 64446 A). Більш детальні теоретичні і експериментальні дослідження щодо цих технологічних схем представлені в роботах зазначених авторів (Shevchenko 2016, Kryzhachkivskyi 2004, Kovyazyn 2006). Однак, навіть маючи високу ефективність використання подібних пристроїв, вони не отримали масового впровадження у виробництво. На нашу думку це спричинено складністю конструкції (присутність багатьох обертових вузлів) і низьким рівнем надійності (дуже точне виконання геометричних розмірів, відхилення яких під час роботи може призвести до руйнування знаряддя). Тому подальші дослідження направлені на удосконалення відомого ґрунтообробного модуля для передпосівного обробітку ґрунту шляхом спрощення його конструкції (тим самим підвищення його надійності) із збереженням заданої технологічної ефективності.

Для аналізу нових конструкцій ґрунтообробного модуля і дослідження їх взаємодії із ґрунтом використано метод дискретних елементів (Discrete Element Method - DEM) в програмному пакеті Simcenter STAR-CCM+ (власник ліцензії - Дніпровський державний аграрно-економічний університет).

Матеріали і методи досліджень

Для дослідження процесу взаємодії ґрунтообробного модуля із ґрунтом останній повинен бути формалізований у вигляді фізико-математичної моделі середовища таким чином, щоб властивості цієї моделі найбільш повно відповідали фізико-механічним властивостям реального ґрунту (Hutsol et al. 2016). У дослідженнях (Shevchenko 2016, Kryzhachkivskyi 2004, Kovyazyn 2006) отримано рівняння руху матеріальної точки (частинки ґрунту) на поверхні ґрунтообробного робочого органу і польоту її у двомірній системі координат. Насправді, ґрунт є досить складною системою агрегатів різного геометричного розміру, щільності, маси, які взаємодіють один із одним за пружно-в'язко- еластичною моделлю.

Власний досвід (Алієв 2019, Aliiev et al. 2019, Aliiev et al. 2022), пов'язаний із сепарацією насіння і фрезерування гноє-компостної суміші, показав, що в Simcenter STAR-CCM+ є можливість для моделювання середовищ методом дискретних елементів (DEM). Метод DEM - це числовий метод, який використовується для моделювання поведінки великої кількості дискретних твердих тіл, таких як частки ґрунту, піску або каменів. Він базується на використанні рівнянь руху твердих тіл та законів взаємодії між ними. При моделюванні процесу роботи ґрунтообробного робочого органу, метод DEM може бути використаний для моделювання взаємодії робочого органу з окремими частинками ґрунту, які мають різний розмір, форму і фізико-механічні властивості.

Для методу DEM в Simcenter STAR-CCM+ обрані наступні фізичні моделі: тривимірна, нестаціонарна неявна, Лагранжева багатофазність, багатофазна взаємодія, сила тяжіння. В якості Лагрнжевої фази обрано частинки DEM із наступними моделями: сферична частинка, суцільна, постійна щільність. В якості фізико-механічних властивостей частинок ґрунту згідно досліджень (Hutsol et al. 2016, Shevchenko 2016) прийняті наступні: щільність - 1230 кг/м³; коефіцієнт Пуассона - 0,41; модуль пружності Юнга - 1,5А0⁷. Для взаємодії частинка-частинка прийнято: коефіцієнт тертя спокою - 1,732; нормальний і дотичний коефіцієнти відновлення - 0,5; множник лінійного зчеплення - 1,5; робота когезії - 0,5 Н/м. Для взаємодії частинка-сталева стінка робочого органу прийнято: коефіцієнт тертя спокою - 0,61; нормальний і дотичний коефіцієнти відновлення - 0,5; лінійного зчеплення немає. Згідно досліджень (Shevchenko 2016) фракційний склад агрегатів ґрунту за геометричним розміром (від 1 мм до 30 мм) по шарах (0-40 мм, 40-80 мм, 80-120 мм, 120-160 мм, 160-200 мм) підпорядковувалася розподілу, який приведено на рисунку 1.

Рис. 1. Фракційний склад агрегатів ґрунту за геометричним розміром за шарами

Загальний вигляд області моделювання із зазначеними геометричними розмірами наведено на рисунку 2. Схематично область розділена на дві скалярні сцени: перша - розподіл агрегатів за геометричними розмірами (3 групи); друга - розподіл агрегатів за шарами (5 шарів). Геометричні розміри області моделювання (2,0 м х 0,6 м х 0,2 м) обрано з аналізу досліджень (Hutsol et al. 2016, Shevchenko 2016).

Першим етапом досліджень, а саме, перевіркою і верифікацією моделі в Simcenter STAR-CCM+, було чисельне моделювання конструктивно-технологічної схеми, яка запропонована Шевченком І.А., Крижачківським Р.М., Ковязиним О.С. і Трачовим В.В. (патент 41108 A, патент 64446, патент 64446 A). Усі геометричні розміри (рис. 3) і режими роботи (частота обертання барабанів - 70 об/хв, глибина обробітку - 0,08 м, швидкість руху - 1 м/с) комбінованого ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту взяті з монографії (Shevchenko 2016).

Рис. 2. Загальний вигляд області моделювання із зазначеними геометричними розмірами

Рис. 3. Геометричні розміри комбінованого ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту (складено на основі досліджень Шевченка І.А. та ін.)

Базова (контрольна) конструкція ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту містить 2 барабани із прутками і леміш. Низька надійність машини спричинена наявністю ланцюгової передачі між двома барабанами, яка може зруйнуватися при великих навантаженнях. Окрім цього, наявність невеликих зазорів між прутками першого і другого барабанів (5-9 мм) може спричинити їх руйнування за потрапляння каміння або появі значного люфту у виконавчих механізмах.

Для аналізу процесу спрощення конструкції ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту розглянемо її дефініцію, яка приведена на рисунку 4.

Рис. 4. Конструкції комбінованого ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту

конструкція ротаційний ґрунтообробний ґрунт посів

Так, від однобарабанного робочого органу ґрунтообробного агрегату шляхом додавання окремих елементів (леміш, кожух, очисник) будемо рухатися до ускладнення конструкції. Тому другим етапом досліджень є чисельне моделювання процесу взаємодії запропонованих конструкцій із ґрунтом. В Simcenter STAR-CCM+ SD-моделі робочих органів були перетворені у об'ємно-поверхневу сітку. В якості сіткових моделей було обрано: генератор поверхневої сітки і тример. Модель тримірної сітки використовує шаблонну сітку, яка побудована з шестигранних комірок цільового розміру, з яких вона вирізає або обрізає основну сітку за допомогою початкової поверхні введення. Базовий розмір сітки був прийнятий 0,01 м.

Результати досліджень та їхнє обговорення

Сутність результатів моделювання відображена на рисунках 5-9.

У результаті виконання першого етапу досліджень, а саме моделювання базової (контрольної) конструкції ґрунтообробного агрегату (2 барабана + леміш), отримано візуалізацію скалярної сцени відображення розподілу агрегатів за їх діаметром і глибиною розміщення (рис. 5).

Сила контактної взаємодії агрегатів. Чисельне моделювання процесу взаємодії ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту (2 барабана + леміш) із ґрунтом

Рис. 5. Фракційний склад агрегатів ґрунту за геометричним розміром за шарами після обробки. Загальний вигляд області моделювання

Наочний аналіз показує, що базова конструкція ґрунтообробного агрегату виконує перерозподіл агрегатів по Е.Б. Алієв, Г.В. Теслюк, О.В. Бєлка, О.М. Пацула глибині ґрунту. Це підтверджується гістограмою фракційного складу агрегатів ґрунту за геометричним розміром по шарах після обробки (рис. 5). Так встановлено, що після обробки у шарі 0-4 см вміст фракції розміром 10-20 мм складав 64,8 ± 0,3%, а фракції 20-30 мм - 24,5 ± 0,3% (загально - 89,3 ± 0,3%), у шарі 4-8 см вміст фракції розміром 0-10 мм складав 76,3 ± 0,3%.

У свою чергу із гістограми фракційного складу агрегатів ґрунту за геометричним розміром по шарах до обробки (рис. 1) видно, що у шарі 0-4 см вміст фракції розміром 1030 мм - 41,3 ± 0,3%, а у шарі 4-8 см вміст фракції розміром 0-10 мм - 48,5 ± 0,3%. Це свідчить про перерозподіл агрегатів по глибині ґрунту в результаті виконання процесу сепарації.

Як зазначено в експериментальних дослідженнях (Shevchenko 2016) вміст фракцій у шарах ґрунту поля №1 (практично однорідного сухого ґрунту) та поля №2 (зволоженого та неоднорідного ґрунту) після їх обробки базовою (контрольною) конструкцією ґрунтообробного агрегату (2 барабана + леміш) відповідав очікуваному. Для поля №1 були отримані наступні результати: вміст фракції розміром 10-30 мм у шарі 0-5 см - від 81,4% до 83,6%, вміст фракції розміром 0,25-5 мм у шарі 5-8 см - від 80,6% до 84,2%. Для поля №2 були отримані наступні результати: вміст фракції розміром 10-20 мм у шарі 0-5 см - від 79,4% до 84,7%, вміст фракції розміром 0,25-5 мм у шарі 5-8 см - від 78,3% до 82,6%.

Рис. 6. Чисельне моделювання процесу взаємодії ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту (1 барабан) із ґрунтом

Порівнюючи експериментальні дослідження (Shevchenko 2016) і результати чисельного моделювання бачимо, що фракційний склад агрегатів ґрунту за геометричним розміром по шарах після обробки знаходиться в допустимих межах. Це свідчить про адекватність створеної чисельної моделі в Simcenter STAR-CCM+ і правильності прийняття фізико-механічних властивостей ґрунтового середовища.

Рис. 7. Чисельне моделювання процесу взаємодії ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту (1 барабан + леміш) із ґрунтом

За другим етапом досліджень встановлено візуалізацію скалярної сцени відображення і гістограми розподілу фракційного складу агрегатів за їх діаметром і глибиною розміщення після обробки запропонованими конструкціями (рис. 6-9). Наочний аналіз скалярних сцен дозволив виявити недоліки окремих запропонованих конструкцій. Так, під час обробки ґрунту однобарабанним ґрунтообробним агрегатом спостерігається недостатня завантаженість барабана і велика висота підкидання агрегатів над орним горизонтом (рис. 6). Це призводить до неефективного використання конструкції. Додавання до конструкції леміша (рис. 7) і кожуха (рис. 8) дозволило досягти рівномірного завантаження і отримати керовану траєкторію польоту агрегатів.

Рис. 8. Чисельне моделювання процесу взаємодії ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту (1 барабан + леміш + кожух) із ґрунтом

Однак це конструктивне виконання містило також недолік, який пов'язаний із відсутністю очищення зазорів між прутками барабану від агрегатів. У базовій конструкції ця проблема вирішувалася шляхом додавання другого барабану. З метою спрощення конструкції другий активний барабан був замінений пасивним очисником (рис. 9).

Для більш детального порівняння результатів чисельного моделювання складемо відповідну таблицю зміни фракційного складу агрегатів за геометричним розміром по шарах ґрунту після його обробки запропонованими конструкціями (табл. 1). Додатково в таблиці 1 зведені дані максимальної сили контактної взаємодії агрегатів ґрунту із робочими органами ґрунтообробної машини.

Рис. 9. Чисельне моделювання процесу взаємодії ґрунтообробного агрегату для передпосівного обробітку ґрунту (1 барабан + леміш + кожух + очисник) із ґрунтом

Аналізуючи таблицю 1 можна стверджувати, що конструкція із 1 барабаном, лемішем, кожухом і очисником виконує операцію сепарації і перерозподілу агрегатів ґрунту із практично такою ж самою ефективністю, як і базова конструкція із 2 барабанами та лемішем. Про це свідчать значення вмісту фракції розміром 10-30 мм у шарі 0-4 см - 87,8 ± 0,3% і вмісту фракції розміром 0-10 мм у шарі 4-8 см - 83,5 ± 0,3%. Для поліпшення ефективності запропонованої конструкції ґрунтообробного модуля для передпосівного обробітку ґрунту необхідно дослідити його конструктивно-режимні параметри, що буде зроблено в подальших дослідженнях.

Таблиця 1

Фракційний склад агрегатів за геометричним розміром за шарами ґрунту після його обробки запропонованими конструкціями