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Jul 11, 2023

Calibración de los parámetros de contacto de componentes típicos de labranza rotativa que cortan el suelo basándose en diferentes métodos de simulación

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5757 (2023) Citar este artículo 461 Accesos 1 Detalles de Altmetric Metrics Este informe analiza el problema de los patrones complejos de movimiento del suelo bajo la acción

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5757 (2023) Citar este artículo

461 Accesos

1 altmétrica

Detalles de métricas

Este informe analiza el problema de los patrones complejos de movimiento del suelo bajo la acción de fuerzas acopladas, como tensión y corte, en procesos agrícolas y tiene como objetivo mejorar la precisión de los parámetros de contacto utilizados en estudios de simulación de elementos discretos de las interacciones entre motocultor y suelo. Este estudio se centra en el suelo del campo de algodón de Shihezi en la octava división de Xinjiang e investiga el rodillo giratorio del timón como un componente de la maquinaria de labranza que toca el suelo. Se utiliza una combinación de simulaciones y pruebas físicas. Realizamos pruebas de ángulo de reposo y utilizamos detección de bordes, ajuste y otros métodos de procesamiento de imágenes para detectar de forma automática, rápida y precisa la acumulación de suelo y la calibración del ángulo de los parámetros de contacto con las partículas del suelo. Además, se realizan pruebas de deslizamiento del suelo para calibrar los parámetros de contacto entre el suelo y las palas giratorias. La optimización se logra basándose en simulaciones ortogonales y el método de superficie de respuesta de Box-Behnken utilizando valores medidos físicamente como objetivo. Se establece un modelo de regresión del ángulo de apilamiento y el ángulo de fricción de rodadura para determinar la combinación óptima de parámetros de contacto de simulación: entre suelo y suelo, el coeficiente de recuperación es 0,402, el coeficiente de fricción estática es 0,621 y el coeficiente de fricción de rodadura es 0,078; entre las partes en contacto con el suelo y el suelo, el coeficiente de recuperación es 0,508, el coeficiente de fricción estática es 0,401 y el coeficiente de fricción de rodadura es 0,2. Además, los parámetros de calibración se seleccionan como parámetros de contacto para la simulación de elementos discretos. Al combinar los dos métodos de simulación anteriores para analizar y comparar el proceso de simulación de corte de suelo desde partes de rodillos de motocultor hasta piezas de cuchilla única del motocultor, obtuvimos los cambios en la energía, la resistencia al corte y el movimiento de partículas del suelo a diferentes profundidades del proceso de corte del suelo. Finalmente, la resistencia promedio al corte se utilizó como índice para la validación en las pruebas de campo. El valor medido es 0,96 kN y el error de la simulación de elementos discretos es del 13%. Esto demuestra la validez de los parámetros de contacto calibrados y la precisión de la simulación, lo que puede proporcionar una referencia teórica y soporte técnico para el estudio de los mecanismos de interacción entre las partes de los equipos de labranza y el suelo, así como el diseño y optimización de estas interacciones. en el futuro.

La tecnología mecanizada de labranza y preparación del suelo es la tecnología mecanizada más básica para el trabajo agrícola. También es una herramienta importante para mejorar la calidad de la tierra cultivable1,2. Cabe destacar que el rodillo cortador giratorio está en contacto directo con el suelo, lo que incide en la calidad y eficiencia del funcionamiento en todo momento. Por lo tanto, es necesario mejorar la precisión de las simulaciones de corte para calibrar y optimizar los parámetros de contacto con el suelo.

Con el desarrollo del diseño de ingeniería asistido por computadora, los métodos de simulación numérica se han aplicado continuamente en diversos campos, incluida la ingeniería agrícola3,4. La principal ventaja de las simulaciones numéricas es su capacidad para producir predicciones rápidas sin necesidad de múltiples pruebas de campo5,6. En los últimos años, los métodos de elementos discretos (DEM)7,8 y de hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH)9 han mostrado ventajas únicas al revelar los mecanismos de interacción entre los componentes de las máquinas agrícolas y las partículas del suelo. Makange10 introdujo elementos de unión entre partículas DEM en el modelo de contacto para simular el suelo cohesivo real y estudió las fuerzas horizontales y verticales y la perturbación del suelo de un arado a diferentes velocidades y profundidades. Kim11 modeló suelos agrícolas y predijo fuerzas de tracción para diferentes profundidades de labranza, calibró el modelo de suelo DEM utilizando una prueba de corte de cuchilla virtual y realizó pruebas de campo con una precisión de predicción del 7,5 % para las fuerzas de tracción. AIKINS12 integró el modelo de resorte histerético y el modelo de cohesión lineal para calibrar los factores de fricción estática y de rodadura de suelos de alta viscosidad y verificó la precisión de la calibración de los parámetros comparándolos con pruebas de zanjas. MILKEVYCH13 estableció un modelo de desplazamiento del suelo causado por la interacción entre el suelo y los componentes en el proceso de deshierbe basado en el método discreto, y las pruebas simuladas y medidas de desplazamiento del suelo fueron consistentes. Uggul y Saunders14 simularon la interacción entre el arado de placa y el suelo utilizando el método DEM, y los resultados se compararon con pruebas experimentales, resultados analíticos de fuerza de tiro y mediciones del perfil de surco. Los resultados revelaron que DEM tiene el potencial de predecir la interacción suelo-arado de vertedera con una precisión razonable. Li15, Lu16, Kang17 y Niu18 realizaron simulaciones de corte del suelo que involucraban una dinámica suave de partículas para obtener la ley de cambio del movimiento del suelo y la energía de corte. Los parámetros estructurales se optimizaron para reducir el consumo de energía y, finalmente, se verificó la exactitud de la simulación mediante la prueba del canal de suelo. Liu19 comparó los métodos de simulación SPH y FEM en el proceso de corte del suelo. Los resultados de la simulación fueron similares cuando no hubo distorsión de la malla en la etapa inicial. Con la distorsión de la malla, el algoritmo FEM produjo errores. Por lo tanto, se propuso el método de acoplamiento FEM-SPH para aprovechar los beneficios respectivos y se verificó la viabilidad de este método.

DEM es un método de cálculo numérico para analizar sistemas discretos mecánicos dinámicos discontinuos complejos20. Puede simular eficazmente el movimiento microscópico y macroscópico entre materiales y tiene ventajas en el estudio de maquinaria agrícola. Además, FEM tiene alta eficiencia y precisión en el cálculo de la deformación mecánica de medios continuos21,22, mientras que SPH tiene una mayor ventaja en la simulación de grandes deformaciones, grandes daños y alta no linealidad23. Por lo tanto, este artículo utiliza pruebas físicas y de simulación, así como un diseño de optimización experimental, para calibrar los parámetros de contacto relacionados con el suelo y utiliza métodos de acoplamiento DEM y FEM-SPH para realizar análisis de simulación de corte. Entre ellos, la característica especial y la novedad del documento es que los dos métodos de simulación están integrados para realizar la simulación de la dinámica de corte del suelo del rodillo cultivador giratorio y la cuchilla de labranza giratoria única, respectivamente, y la precisión de la simulación se mejora al calibrar los parámetros de contacto. y, en última instancia, investigar las leyes del movimiento complejo del suelo y los cambios en el consumo de energía de los componentes durante el corte.

El modelo 3D del rodillo cortador giratorio se modela utilizando el software SOLIDWORKS. La estructura de la cuchilla giratoria adopta el estándar nacional de "cuchilla y asiento de cuchilla para maquinaria de labranza giratoria". El material de la hoja es acero para resortes de 65Mn. El modelo 3D de la prueba de simulación se basa en la cuchilla giratoria, el portacuchillas y el eje del rodillo del componente de labranza rotativa (modelo 1GQK-125). El modelo de montaje del rodillo de cuchillas giratorias se muestra en la Fig. 1.

Los modelos de bomba de manguera.

El suelo se utilizó a una profundidad de 0 a 50 cm en la aldea de Wugong, ciudad de Shihezi, provincia de Xinjiang, norte de China. La configuración de la textura del suelo estuvo compuesta principalmente por suelo suelto. La densidad del suelo se midió mediante un método de muestreo de cinco puntos utilizando una cuchilla de anillo (100 cm3) y una balanza electrónica (0,01 g), y la densidad promedio fue de 1250 kg/m3. El contenido de humedad promedio del suelo fue de 9,63%, medido con el medidor de humedad de suelo TDR300. La solidez promedio del suelo a 40 cm de profundidad fue de 2,14 MPa, medida con un medidor de solidez de suelo SC900. Para otros parámetros, consulte la referencia 24 y obtenga los parámetros del suelo y otros materiales de acero de 65 Mn como se muestra en la Tabla 1.

Los experimentos de calibración se realizaron según el método de optimización Box-Behnken en el software Design-Expert, construyendo modelos de contacto de elementos discretos y plantillas de partículas de suelo. La calibración se realizó mediante la prueba del ángulo de reposo del suelo y la simulación de deslizamiento del suelo se utilizó para medir los valores del ángulo de acumulación y del ángulo de fricción por deslizamiento. La optimización de la simulación tenía como objetivo predecir los resultados reales de las mediciones de los experimentos físicos. Luego, obtuvimos la solución de grupo más cercana al valor medido y la usamos como la combinación óptima para la calibración.

El suelo es una combinación compleja de partículas de suelo, agua y gas, y existen varios tipos de enlaces químicos. La existencia de agua en el suelo provoca la adhesión entre las partículas del suelo, formándose así agregados de partículas. Para simular con precisión las tensiones mecánicas sobre las partículas del suelo bajo acción mecánica, es necesario establecer un modelo de mecánica de contacto adecuado.

La deformación plástica de los materiales se ha utilizado para crear un modelo de elasticidad de contacto retardado basado en el tipo de suelo que se evalúa25,26 (modelo de contacto de resorte histerético, HSCM). El modelo permite agregar el comportamiento de deformación plástica a las ecuaciones de la mecánica de contacto, de modo que las partículas se comporten elásticamente bajo una tensión predefinida. La generalización física de las relaciones de contacto entre partículas y las relaciones fuerza-desplazamiento se muestra en la Fig. 2.

Modo de contacto HSCM del suelo.

En la Fig. 2, Oa y Ob son las posiciones centrales esféricas de dos partículas, Ra y Rb son los radios de dos partículas (mm), δn es la superposición normal de la colisión de partículas (mm), δ0 es la superposición residual entre partículas ( mm), Fs y Ft son la fuerza de contacto normal y la fuerza de amortiguación (N), fs y ft son la fuerza de contacto tangencial y la fuerza de amortiguación (N), y μ es el coeficiente de fricción.

La fuerza normal del HSCM FN se calcula mediante la siguiente ecuación:

donde, K1 y K2 son las rigideces de carga y descarga, respectivamente. Entonces, δn es el traslape normal y δo es el traslape residual.

La rigidez de carga K1 está relacionada con el límite elástico de cada material involucrado en contacto. La relación entre Y1 e Y2 se expresa de la siguiente manera:

donde, R* es el radio equivalente de dos partículas en contacto, e Y1 e Y2 son los límites elásticos de las partículas a y b, respectivamente.

La siguiente expresión para el factor de recuperación e se puede utilizar con K2 para determinar K1

La cantidad de superposición residual se actualiza en cada paso de tiempo de acuerdo con la siguiente ley:

El principal mecanismo de disipación de energía depende de la diferencia en la rigidez del resorte entre las fases cargada y descargada.

Consultando la base de datos de suelos china a partir de las muestras de suelo experimentales, se obtuvo el tamaño de las partículas y la forma del suelo. Se utilizó el metasoftware discreto EDEM para crear partículas de suelo que coincidan con el suelo utilizado en el experimento basado en un modelo esférico simplificado. Se modelaron un total de 3 partículas de suelo, como se muestra en la Fig. 3. (a) Modelo de bola única, con un radio de 6 mm; (b) modelo de dos esferas, con un radio de una sola esfera de 6 mm y un radio combinado de 8 mm; (c) modelo lineal de tres esferas, con un radio de una sola esfera de 5 mm y un diámetro combinado de 9 mm.

Plantilla de partículas del suelo.

Se generarán aleatoriamente tres partículas discretas de suelo de diferentes formas y tamaños en la planta de partículas del software EDEM para simular diferentes partículas de suelo en suelo real.

Establecimos una prueba de simulación del ángulo de acumulación del suelo para calibrar los parámetros de contacto entre las partículas del suelo (Fig. 4a), esperando a que todas las partículas del suelo se muevan al fondo del embudo para formar una acumulación estable y, después de la estabilización, medimos el ángulo. utilizar como valor de calibración en comparación con los datos experimentales.

Prueba del ángulo de reposo.

A continuación, realizamos pruebas físicas del ángulo de reposo (Fig. 4b). La medición del ángulo de acumulación de suelo se automaticó utilizando métodos de procesamiento de imágenes como la binarización, segmentación, inversión y detección de bordes del operador Canny27. La medición automática del proceso de procesamiento de imágenes específico se muestra en la Fig. 5. Para garantizar la precisión de la medición, la prueba se repitió 20 veces para tomar el valor promedio y el resultado final de la medición fue 34,98°, cuyo valor se utilizó como el valor objetivo para el método de superficie de respuesta.

Proceso de procesamiento de imágenes para la medición automática del ángulo de apilamiento.

Los parámetros de contacto entre el suelo y el material del componente de rotocultivo (acero de 65 Mn) se calibraron mediante pruebas de simulación de deslizamiento del suelo (Fig. 6a). Para controlar la condición de la prueba con mayor precisión y medir los resultados correspondientes, utilizamos el ángulo de fricción por deslizamiento obtenido cuando algunas de las partículas del suelo (> 30%) se deslizan hacia abajo por la placa inclinada como base para calibrar la prueba. Al mismo tiempo, realizamos la prueba física de deslizamiento del suelo (Fig. 6b), que se repitió 20 veces para tomar el valor promedio. El resultado final de la prueba es 26,98°, que se utilizó como valor objetivo para el método de la superficie de respuesta.

Ensayo de deslizamiento del suelo.

Utilizamos el método Box-Behnken en el software Desin-expert para el diseño experimental del ángulo de acumulación del suelo y la calibración de los parámetros de simulación de la prueba de deslizamiento. Los resultados del experimento físico del ángulo de apilamiento (39,98°), la escala de simulación (pequeña escala) y la densidad de apilamiento del material (1250 kg/m3) se ingresan en la base de datos genérica del modelo de materiales EDEM (GEMM) para obtener los parámetros relevantes. Los rangos se determinaron conjuntamente según la literatura28,29,30,31: coeficiente de recuperación suelo-suelo X1 (0,2–0,6), coeficiente de fricción de rodadura X2 (0,14–0,4) y coeficiente de fricción estática X3 (0,3–0,7). . Según la literatura32,33 también se determinaron los rangos entre el suelo y la cortadora rotativa (65 Mn): coeficiente de recuperación X4 (0,28–0,6), coeficiente de fricción de rodadura X5 (0,04–0,2) y coeficiente de fricción estática X6 (0,3–0,6). .

Los X1, X2, X3, X4, X5 y X6 mencionados anteriormente se seleccionaron como factores que influyen en la prueba, utilizando el ángulo de reposo suelo-suelo Y1 y el ángulo de fricción deslizante Y2 de la placa del suelo (acero 65 Mn) como índices de evaluación. Implementamos un total de 17 conjuntos de experimentos. Los códigos de nivel de factor de las pruebas de simulación se muestran en la Tabla 2, y los resultados de las pruebas de simulación de ángulo de reposo y deslizamiento del suelo se muestran en las Tablas 3 y 4, respectivamente.

Teniendo en cuenta el modo de corte de la herramienta y los requisitos de procesamiento de las condiciones límite, el modelo de canal de suelo se diseña como un cuerpo rectangular descubierto de 1200 mm × 600 mm × 250 mm, y se establece una superficie virtual encima. Establecimos la aceleración gravitacional a lo largo del eje Y en 9,81 m/s y generamos 1,8 × 106 partículas de suelo para llenar la cubeta y simular el entorno de corte del suelo con rotocultivo. Al mismo tiempo, definimos la cortadora rotativa con la misma velocidad de avance v = 800 m/h y velocidad de rotación, n = 110 r/min, y rotación en sentido antihorario para cortar el suelo, como se realizó en la prueba de campo posterior. El modelo establecido de la interacción rotocultor-suelo se muestra en la Fig. 7.

Modelo DEM de la interacción rotocultivo-suelo.

Combinando las ventajas y desventajas de los métodos FEM y SPH, el algoritmo SPH se usa en el área de deformación más grande, es decir, la parte del suelo, y el algoritmo FEM se usa para el área de deformación más pequeña, es decir, la parte giratoria del cultivador. Este método puede maximizar las ventajas de ambos métodos para proporcionar mayor precisión y eficiencia de la solución computacional.

El archivo K se importó del software ANSYS después de realizar el mallado y utilizar el software de elementos finitos LS-Prepost para modificar las palabras clave. Luego, convertimos todos los nodos del modelo de elementos finitos del suelo en partículas SPH correspondientes. Durante el proceso de conversión, nos aseguramos de que la cantidad de mallas durante el mallado sea la misma que la cantidad de partículas SPH generadas; el resultado de la conversión se muestra en la Fig. 8.

Modelo de transición de nodos FEM-SPH.

Entre ellos, se utilizó el algoritmo de integración de punto único tipo Lagrange para dividir la malla de elementos finitos del suelo con una longitud de borde de 10 mm. Se agregaron restricciones fijas al fondo y a los lados del modelo de suelo, y el factor de penalización de la interfaz de deslizamiento se definió como 0,2, el factor de fricción dinámica fue 0,18 y el factor de fricción estática fue 0,2. Mientras tanto, el modo de contacto entre la cultivadora rotativa y el suelo se estableció como contacto de erosión puntual en la superficie. Después de establecer todas las condiciones límite, los archivos K se guardaron y se importaron a LS-dyna Solver para su cálculo y solución.

Aquí, elegimos el material de modelo de suelo MAT No. 147 (*MAY_FHWA_SOLID) con un criterio de Mohr-Coulomb modificado34, que agrega tasa de deformación, efecto del contenido de agua y eliminación de células. La superficie de fluencia para este modelo F se expresa como:

donde, P es la presión (Pa), φ es el ángulo de fricción interna (°), J es el segundo invariante del tensor de polarización de presión, K(\(\theta^{2}\)) es una función de la ángulo del plano tensorial, c es la fuerza de cohesión y ahyp es la similitud de la superficie de fluencia del criterio de fluencia de Mohr-Coulomb modificado.

El análisis de varianza (ANOVA) se realizó utilizando el software Design-Expert, que muestra que la prueba P para los coeficientes de regresión de los modelos de ángulo de acumulación de suelo y ángulo de fricción de deslizamiento en el modelo de regresión de superficie de respuesta es significativa, mientras que el término de desajuste es insignificante. Además, la bondad de ajuste de los dos modelos de regresión es 0,91 y 0,92. Además, se obtuvo ANOVA para las pruebas de ángulo de acumulación de suelo y ángulo de fricción por deslizamiento, como se muestra en la Tabla 5. El modelo establecido se correlaciona con experimentos prácticos y puede predecir bien el experimento. A partir de la prueba F del coeficiente de recuperación se pueden obtener los coeficientes de fricción dinámica y estática entre las partículas del suelo, así como entre el suelo y la cortadora rotativa (acero 65Mn), utilizando las ecuaciones de regresión del ángulo de reposo del suelo Y1 y el deslizamiento del suelo. ángulo de fricción Y2 como sigue:

donde, X1, X2, X3 es el coeficiente de recuperación, coeficiente de fricción dinámica y coeficiente de fricción estática entre suelo y suelo. X4, X5, X6 son el coeficiente de restauración, el coeficiente de fricción dinámica y el coeficiente de fricción estática entre el suelo y la cuchilla rotatoria de labranza.

Las magnitudes de los coeficientes de regresión de cada factor del modelo se muestran en la Tabla 2, revelando la importancia de cada factor en el ángulo de reposo y el ángulo de fricción de deslizamiento del suelo: los términos de regresión X2, X3, X6, X42 y X62 exhibieron efectos altamente significativos, y X2X3 y X5X6 exhibieron efectos significativos. También observamos el orden de significancia de cada factor en los modelos del ángulo de reposo del suelo y del ángulo de fricción por deslizamiento, con X3 > X2 > X1 y X6 > X5 > X4, respectivamente.

A partir de los resultados obtenidos utilizando el método de superficie de respuesta, se determinaron los parámetros de contacto óptimos entre las partículas del suelo y entre el suelo y el cortador giratorio (acero de 65Mn), como se muestra en la Tabla 6. Para verificar la precisión de los parámetros de contacto calibrados, implementamos el valores de parámetros de contacto del suelo calibrados experimentalmente en el software EDEM. La simulación se repitió 10 veces más y medimos el valor promedio para obtener el ángulo de reposo y el ángulo de fricción de rodadura del suelo de 35,7° y 29,23°, respectivamente. En comparación con el ángulo de reposo y el ángulo de fricción de deslizamiento del suelo medidos mediante pruebas físicas, los errores con las pruebas físicas reales fueron del 2,01% y el 2,5%, respectivamente, y el cono del pilote de suelo obtenido de la prueba de simulación del ángulo de reposo del suelo era similar al cono de la prueba física. A partir de los resultados y perfiles de las mediciones, los parámetros calibrados del suelo permiten que el modelo de simulación de elementos discretos coincida más estrechamente con las partículas reales del suelo.

En el postprocesamiento EDEM, las partículas de suelo y los movimientos del cortador giratorio se indicaron mediante colores. Las cuchillas entran en contacto con las partículas del suelo y aumentan su velocidad, y el suelo cortado exhibe un movimiento ascendente a lo largo de la dirección de corte, como se muestra en la Fig. 9.

Proceso de simulación de corte.

A medida que el cortador giratorio ingresa gradualmente al suelo, el filo positivo del cortador primero hace contacto con el suelo y luego el suelo es triturado a lo largo de la dirección del cortador mediante la extrusión superior del filo en el costado y el área perturbada de el suelo aumenta gradualmente (Fig. 9a-c). Luego, el suelo se perturba aún más mediante la acción dual de los bordes de corte laterales y los bordes de las múltiples cuchillas de labranza giratorias, que aparecieron a lo largo de las cuchillas en la dirección de rotación en sentido antihorario, hasta que el rodillo de cuchillas se hundió completamente en el suelo, alcanzando el área de alteración del suelo. un máximo (Fig. 9d). Esta simulación también revela el efecto de empuje longitudinal del rodillo de cuchillas sobre el suelo durante el rotocultivo. Finalmente, cuando el rodillo de cuchillas abandona gradualmente el suelo, el área de alteración del suelo disminuye gradualmente (Fig. 9e,f).

La resistencia de trabajo de la cuchilla giratoria se muestra en la Fig. 10. Durante el proceso de corte, la resistencia de corte es 0 cuando la cuchilla giratoria no está en contacto con el suelo. Con la rotación del eje del rodillo, la cuchilla giratoria entra en contacto y penetra gradualmente en el suelo, y la resistencia al corte aumenta gradualmente. Con la cuchilla girando continuamente, el área de contacto con el suelo de la cuchilla giratoria y el volumen de corte del suelo aumentan, y su profundidad de arado también aumenta gradualmente. Después de alcanzar el valor máximo de profundidad de arado, la resistencia de corte del rodillo de cuchillas correspondiente también alcanza el máximo. Además, el rodillo de cuchillas gira 720° en 1 s, por lo que la resistencia de corte del rodillo de cuchillas giratorio presenta dos cambios periódicos.

Curva de resistencia al corte.

Para estudiar los cambios de energía en el proceso de corte del suelo para la cuchilla giratoria y el movimiento microscópico del suelo, simplificamos el cortador giratorio seleccionando una única pieza del cortador giratorio para modelar la simulación, lo que acortó el tiempo de simulación y mejoró la precisión de la simulación. El proceso de simulación se muestra en la Fig. 11.

Proceso de simulación de corte del método de simulación FEM-SPH.

La variación del consumo de energía (energía interna) de la operación de corte del suelo utilizando un solo cortador giratorio se muestra en la Fig. 12. Al aumentar el área de contacto entre el suelo y el cortador, el consumo de energía interna del cortador giratorio aumenta gradualmente, y cuando la cortadora rotativa abandona el suelo, el consumo total de energía permanece en un nivel estable (es decir, deja de aumentar).

Cambio de energía interna de una sola cuchilla giratoria durante el corte.

Mostrar el movimiento de las partículas del suelo de forma más intuitiva. Seleccionamos diferentes superficies de suelo, incluida la capa superior (partícula A; Nodo: 128544), la capa intermedia (partícula B; Nodo: 125758) y la capa profunda (partícula C; Nodo: 120172). Luego, obtuvimos las curvas de velocidad de una partícula SPH en cada profundidad, como se muestra en la Fig. 13. En el proceso de corte (50–1000 ms), el orden de las velocidades de movimiento de las partículas del suelo de mayor a menor fue partículas superficiales, partículas intermedias y partículas profundas. Cuando el cortador giratorio abandona el suelo, las partículas del suelo todavía tienen velocidad, pero el grado de movimiento disminuye gradualmente, lo que es consistente con el análisis mostrado en la Fig. 10 y las condiciones de trabajo reales de una cuchilla curva giratoria.

Velocidad del movimiento de las partículas del suelo a diferentes profundidades de capa.

Para verificar la precisión de las simulaciones y los parámetros de contacto calibrados, se realizó una prueba de campo (mayo de 2022 en la aldea de Wugong, ciudad de Shihezi, Xinjiang). El suelo tenía una firmeza promedio de 2,16 MPa y un contenido de agua de 10,64%. Se utilizó el tractor TN654 para la labranza y el equipo de prueba incluyó un dispositivo de labranza rotativo, un tacómetro mecánico (rango de 0 a 400 r-min-1) y un sistema de telemetría dinámica NJTY3. Imágenes del equipo de medición y prueba de labranza del campo se muestran en la Fig. 14.

Prueba de corte en campo.

La resistencia de trabajo y el consumo de energía se midieron mediante telemetría inalámbrica, adoptando la solución técnica de soportar un sensor de torsión integrado en el eje de salida de potencia y un sensor de tracción de suspensión de tres puntos sin marco. Configuramos los parámetros de movimiento para que sean consistentes con la simulación de elementos discretos para las pruebas de campo. Es decir, la velocidad de avance v = 1100 m/h, velocidad n = 120 r/min. La fuerza de corte promedio medida fue de 0,92 kN, lo que revela un error del 15 % para la simulación de elementos discretos. La fuerza de corte en la práctica fue mayor que el valor de simulación porque la operación real estuvo sujeta a un consumo adicional causado por raíces, escombros y otras fricciones y desgaste en el suelo.

Establecimos modelos de regresión para el ángulo de reposo del suelo y el ángulo de fricción por deslizamiento, que revelaron valores de bondad de ajuste de 0,91 y 0,9, respectivamente. También obtuvimos la magnitud y el orden de significancia de los efectos de los tres factores e interacciones, revelando el siguiente orden: coeficiente de fricción deslizante > coeficiente de fricción estática > coeficiente de recuperación.

Utilizamos la detección de bordes del operador Canny y otros métodos de procesamiento de imágenes para lograr la medición automática del ángulo de acumulación de suelo, mejorando efectivamente la eficiencia y precisión. Utilizando el método de optimización de la superficie de respuesta, obtuvimos la combinación óptima de parámetros de contacto entre el suelo: coeficiente de recuperación de 0,48, coeficiente de fricción de rodadura de 0,56 y coeficiente de fricción estática de 0,24. También se obtuvo la combinación óptima de parámetros de contacto entre el suelo y la herramienta: coeficiente de recuperación de 0,5, coeficiente de fricción de rodadura de 0,1 y coeficiente de fricción estática de 0,31. Para verificar la precisión de los parámetros de contacto simulados calibrados, los parámetros de contacto óptimos obtenidos se sometieron nuevamente a pruebas de simulación de ángulo de acumulación de suelo, y los errores en comparación con los valores medidos físicamente fueron 2,01% y 2,5%, los cuales estaban dentro del rango aceptable, lo que indica que los parámetros de contacto calibrados han mejorado la confiabilidad.

Utilizando los parámetros de calibración como parámetros de contacto en la simulación DEM, podemos observar de manera efectiva e intuitiva el proceso de rotura del suelo, los cambios en el área de perturbación del suelo y obtener las curvas del cambio periódico de la fuerza de corte para la cortadora.

A partir de las pruebas de campo, utilizando la resistencia al corte como índice para verificar las simulaciones, la fuerza de corte promedio del rodillo de cuchilla medido fue de 0,98 kN y la fuerza de corte del proceso de corte fue mayor que el valor de la simulación. Se observó un error promedio en la fuerza de corte del 13% para la simulación DEM. Además, el efecto de los dos suelos rotatorios es casi el mismo para resultados experimentales y simulados.

Este trabajo puede funcionar como referencia teórica y soporte técnico para determinar los mecanismos de interacción entre el suelo y los componentes de equipos, como gradas de discos y rejas de arado, así como ayudar en el diseño y optimización de equipos relacionados.

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

El software del modelo numérico durante el estudio actual está disponible del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el Proyecto de construcción de una plataforma de demostración para la producción y aplicación nacional de nuevos materiales: Plataforma de demostración para la producción y aplicación de materiales en equipos de maquinaria agrícola (número de subvención TC200H01X-5).

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Shihezi, Beisi Road, Shihezi, 832003, Xinjiang, China

Xiongye Zhang, Lixin Zhang, Xue Hu, Huan Wang y Xuebin Shi

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Investigación: XZ, XH Metodología: XZ Software: HW, XZ Estudios experimentales: XZ, XH, XS Adquisición y análisis de datos: XZ, XH, HW Escritura—borrador original: XZ Escritura—revisión y edición: XH, XZ Aprobación de la versión final del manuscrito : LZ Administración del proyecto: LZ Adquisición de financiación: LZ Todos los autores aceptan la publicación del manuscrito.

Correspondencia a Lixin Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, X., Zhang, L., Hu, X. et al. Calibración de los parámetros de contacto de componentes típicos de labranza rotativa que cortan el suelo basándose en diferentes métodos de simulación. Representante científico 13, 5757 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32881-1

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Recibido: 24 de junio de 2022

Aceptado: 04 de abril de 2023

Publicado: 08 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32881-1

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