Simulación numérica y optimización de parámetros de barrena de tierra en zona montañosa utilizando el software EDEM

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 19526 (2022) Citar este artículo

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Excavar en regiones montañosas es una medida importante para promover la forestación en sitios difíciles. En vista de las condiciones de trabajo para construir un pozo de escamas de peces en una pendiente, en este estudio se investigó el mecanismo de barrena para levantar y arrojar la tierra. Este estudio utilizó el software EDEM para establecer el modelo de operación de la barrena y realizar experimentos de simulación virtual DEM (Método de elementos discretos). Se implementó una prueba de combinación de centros ortogonales de rotación cuadrática estableciendo la eficiencia del suelo transportador (Y1) y la distancia del suelo arrojado (Y2) como índices de evaluación. Se realizaron análisis de varianza y optimización de la superficie de respuesta en los datos experimentales virtuales. Los resultados indicaron que el peso de los factores que afectaban a Y1 e Y2 eran velocidad de alimentación > ángulo de hélice > velocidad de rotación > ángulo de pendiente y sinfín de pendiente > velocidad de rotación > velocidad de alimentación > ángulo de hélice. Se obtuvo la combinación óptima de parámetros de cada factor influyente. Entre ellos, cuando se requería la preparación de la pendiente, la combinación óptima de parámetros operativos del sinfín fue: pendiente de 26,467°, ángulo de hélice de 21,567°, velocidad de alimentación de 0,1 m/s, velocidad de rotación de 67,408 r/min. Esta investigación proporciona referencias teóricas para la optimización del diseño de barrenas en regiones montañosas.

En el proceso de promover vigorosamente la ecologización de tierras a gran escala en toda la sociedad, el principal problema es que, en esta etapa, el terreno de las áreas forestales a desarrollar es complejo, los cambios de pendiente son diversos y las condiciones de forestación son difíciles. El nivel de mecanización de la forestación es muy bajo, lo que limitó la velocidad de expansión de la escala de forestación.

La preparación del suelo cavernoso, también conocida como excavación de pozos, es uno de los eslabones esenciales en el proceso de forestación. Es ampliamente utilizado en los procesos de producción y operación forestal, como la plantación de árboles, el aflojamiento de suelos y la fertilización profunda1. En esta etapa, la barrena de tierra desarrollada tiene buena adaptabilidad en áreas llanas y ha sido ampliamente popularizada2,3. Para áreas montañosas con terreno complejo, los sinfines existentes tienen problemas de baja eficiencia y bajo factor de seguridad en el proceso de aplicación4.

En las regulaciones de operación de forestación, para superar la capacidad inadaptada de las barrenas de tierra y otras máquinas y herramientas a las regiones montañosas, el problema se resolvería llevando a cabo con anticipación una preparación nivelada del terreno en la pendiente5. Sin embargo, el trabajo de preparación del terreno es intenso y el relieve original está gravemente dañado. Por otro lado, debido al estrecho espacio regional y a la complejidad del terreno, las máquinas grandes no pueden realizar la preparación del terreno. Evidentemente, la preparación horizontal del terreno no es la forma más eficiente de plantar árboles6. Cuando se plantan árboles en laderas, la formación de hoyos con escamas de peces es una de las formas efectivas de conservar el agua y el suelo. El pico de recolección de tierra en forma de abanico después de excavar en la pendiente tiene la misma forma que el pozo de escamas de pescado, como se muestra en la Fig. 1. Después de darle forma al suelo, solo necesita refuerzo manual7,8. Al investigar la tecnología de modelado artificial de hoyos de escamas de peces, este estudio explora la operación de excavación mecanizada en la pendiente para brindar ayuda para dar forma a los hoyos de escamas de peces.

Sitio boscoso de plantación tipo hoyo de escamas de peces.

En la década de 1870 comenzaron las investigaciones sobre el mecanismo de la barrena. Lian et al. Realizó una investigación preliminar y un resumen sobre la teoría del diseño de la barrena. Hasta el momento, muchas fórmulas empíricas han sido utilizadas como referencia para los investigadores9,10. Los académicos, Macphersonet et al., investigaron respectivamente el consumo de energía de operación y la vibración de flexión-torsión de las brocas, lo que contribuyó al diseño y la innovación de las excavadoras11,12. En los últimos años, para resolver los problemas de bloqueo y tasa de relleno excesiva en el proceso de transporte del suelo, muchos expertos han utilizado MATLAB, ADAMS, ANSYS y otros software de análisis de simulación para analizar la estática y dinámica del sinfín13,14,15 .

El desplazamiento espacial y la fluctuación del suelo y el mecanismo de interacción entre suelo-suelo y suelo-herramienta son los factores clave que afectan el consumo de energía y el efecto de operación de la barrena de tierra durante el proceso de corte y transporte del suelo. Aunque estos estudios son importantes para el diseño de la barrena y la optimización de parámetros, rara vez se documentan y publican. Por lo tanto, es particularmente importante investigar el mecanismo del proceso continuo de transporte de corte y la respuesta dinámica del suelo.

Mustafa, Kojo, Wang y otros expertos aplicaron el método de elementos discretos para simular la interacción entre los componentes de la labranza y el suelo, como el escarificador, el cultivador rotativo, el arado, etc. La distribución de la tensión y la tensión en el suelo, la respuesta dinámica del suelo (como la desplazamiento) y se obtienen parámetros físicos en la interfaz suelo-máquina (en particular, tiro y fuerzas verticales, consumo de energía, etc.)16,17,18. DEM es uno de los métodos numéricos comúnmente utilizados en el modelado y simulación completa del proceso agrícola (como la excavación de pozos)19. Jin et al., utilizando EDEM, investigaron el equipo de mezcla de suelo y fertilizante en espiral, analizaron la uniformidad de la mezcla de suelo y fertilizante y obtuvieron los mejores parámetros de operación de mezcla20. Por lo tanto, en este estudio, el modelado de suelo y pendiente se desarrolla utilizando EDEM, y se simula el proceso de corte con barrena y transporte de suelo en pendiente. A través de los resultados de la simulación, se analizan las características dinámicas del suelo y se optimizan los parámetros estructurales y de operación del sinfín.

La Figura 2 ilustra el modelo de barrena trabajando en pendiente. La barrena de tierra consta de hojas espirales, punta y punta de la barrena, junto con otros componentes clave. El suelo se corta mediante cuchillas en espiral y se extrae mediante el pozo para formar un cuerpo de pozo cilíndrico20.

Modelo de barrena trabajando en pendiente.

El proceso de movimiento del suelo en la superficie de las palas espirales se puede obtener mediante la observación de los fenómenos de campo previo al experimento y la simulación virtual. La perforación del suelo se puede dividir en tres procesos de trabajo según la profundidad de alimentación del sinfín.

El primer proceso es la pendiente de corte. Las dos cuchillas en espiral cortan alternativamente el suelo levantado. La primera posibilidad es que el suelo salga de las palas espirales directamente por la fuerza centrífuga, completando el movimiento del proyectil y alcanzando la superficie del suelo. Cuando el extremo de corte del suelo de la barrena abandona el lado de gran altitud de la pendiente y entra en el aire, el suelo se desliza hacia la superficie del suelo a lo largo de la superficie de las palas por su gravedad.

El segundo proceso es el proceso de excavación más profunda. El extremo del lado de corte de la hoja en espiral está completamente sumergido en el suelo y corta el suelo continuamente. Cuando el suelo llega a la superficie, la mayor parte drena del pozo en el lado de mayor elevación debido a las diferentes alturas de las paredes del pozo en la boca del pozo. Se genera un pico preliminar de recolección de suelo en forma de abanico.

El tercer proceso es la excavación de un pozo similar al de las regiones llanas. Cuando la altura del pico de recolección de suelo en el lado de baja altitud se acumula para quedar al mismo nivel que la del lado de gran altitud, el suelo se rociaría uniformemente después de llegar a la boca del pozo para formar una boca de pico de recolección de suelo circular horizontal.

Se puede concluir que en términos de movimiento y distribución del suelo, las operaciones de barrena en áreas montañosas son diferentes a las de áreas planas, como se muestra en la Fig. 3. Debido a la existencia de pendiente, existen las siguientes diferencias en el proceso de excavación. Los extremos cortantes de las dos cuchillas espirales rompen el suelo alternativamente durante el proceso de corte en pendiente. La forma del pozo debajo del suelo es un cilindro irregular y el movimiento del suelo no se ve afectado uniformemente por la pared del pozo. En un determinado instante, la tierra sobre la barrena se distribuye de manera desigual, con mayor distribución en el lado de mayor elevación. Después de que el suelo alcanza la superficie de la colina, se movería a lo largo de la superficie hasta la baja altitud, formando un pico de recolección de suelo en forma de abanico.

Diagrama del proceso de excavación. (a) El primer proceso. (b) El segundo proceso. (c) El tercer proceso.

Según el experimento previo, el área del fondo y los parámetros de altura del pico de recolección de suelo en forma de abanico son muy importantes para la construcción del pozo de escamas de pescado. Si el área inferior del pico de recolección de suelo es demasiado grande, la capa superficial de suelo sería demasiado delgada y será difícil recolectar el suelo. Un rendimiento deficiente de la descarga (demasiada tierra en el pozo) da como resultado un volumen de tierra superficial muy pequeño.

La distancia máxima de lanzamiento del suelo depende principalmente del movimiento del proyectil. El suelo se desliza hacia abajo una cierta distancia y luego deja de moverse bajo la acción de la fricción, como se muestra en la Fig. 4. De acuerdo con este proceso de movimiento, la distancia de lanzamiento-suelo se puede deducir, como se muestra en las Ecs. (1)–(12).

Diagrama esquemático del proceso de lanzamiento de tierra.

Según el teorema del momento, se puede deducir que la velocidad absoluta21 del suelo al salir de las palas espirales es la siguiente. La Explicación de los símbolos como se muestra en la “Tabla del Apéndice”.

Con

Después de que el suelo abandona las palas espirales, se ve afectado principalmente por la gravedad G = mg y la influencia de la resistencia del aire \({F}_{d}=km \nu\). Según la ecuación diferencial de movimiento, la fórmula se obtiene de la siguiente manera. La Explicación de los símbolos como se muestra en la “Tabla del Apéndice”.

Movimiento ascendente del proyectil del suelo:

Movimiento descendente del proyectil del suelo:

El suelo se desliza hacia abajo por la pendiente:

La distancia del suelo arrojado:

El análisis se realizó sin considerar el material de la barrena y el tamaño de la punta, varilla de la barrena. Según la fórmula anterior, la distancia del suelo arrojado está relacionada principalmente con la pendiente de la superficie, el ángulo de hélice de la barrena, la velocidad de rotación de la barrena y la resistencia del aire. En las mismas condiciones, cuanto mayor sea la pendiente de la superficie, mayor será el tiempo de la etapa de movimiento de lanzamiento del suelo. La velocidad de rotación y el ángulo de hélice del sinfín están relacionados principalmente con la fuerza centrífuga, que determina la velocidad inicial (energía cinética) del movimiento del proyectil.

El proceso de movimiento del suelo entre las palas espirales fue ignorado temporalmente. Concéntrese en el proceso de excavar la tierra en el hoyo y en el proceso de descargar la tierra fuera del hoyo. La condición importante para evitar que la tierra se obstruya en el espacio compuesto por palas espirales es que el proceso de excavación y descarga de tierra sea continuo. Cuando la profundidad de excavación alcanza H1, después de que la barrena haya girado el ángulo \(\varphi \), la cantidad de suelo en cada posición debe cumplir las siguientes condiciones, expresadas en la ecuación. (13).

En la ecuación. (13), las siguientes relaciones también se incluyen como se muestra en las Ecs. (14)–(17):

con

Según referencias y Ecs. (13)–(17), el espesor del suelo h afectaría la interacción de las fuerzas de perforación y el tamaño del espacio de movimiento del suelo22. Para Q1, el valor está relacionado principalmente con el espesor h del suelo excavado por unidad de tiempo. El valor debe aumentarse tanto como sea posible para mejorar la eficiencia de la excavación. Sin embargo, si h es demasiado grande, la congestión se produciría debido a la limitación de espacio de dos palas espirales Q3.

En cuanto a Q2, la suavidad de la descarga del suelo determina el suministro constante de la fuerza posterior del suelo y el tamaño del espacio de la barrena. Para evitar obstrucciones, se debe aumentar el Q2 tanto como sea posible. Para Q2, el valor está relacionado principalmente con la velocidad v0, cuando el suelo alcanza el borde superior de la abertura del pozo y sale de la paleta espiral.

Para Q3, la barrena en el proceso de excavación profunda generalmente utiliza una hoja en espiral de doble cabeza con mejor estabilidad. El espacio de movimiento del suelo en una pala doble es la mitad que en una simple. Por lo tanto, si los bloques de tierra son demasiado gruesos, es probable que la superficie superior del suelo toque la superficie inferior de la cuchilla espiral, lo que no favorece la mejora del suelo.

En conclusión, el desempeño del trabajo del sinfín en la pendiente se puede evaluar monitoreando la eficiencia del transporte de tierra y la distancia de lanzamiento de tierra.

The effect of auger geometric features and operating parameters on the performance was evaluated by simulating the operation of the auger in a virtual soil bin using DEM, as shown in Fig. 5. The virtual soil bin was filled with spherical particles of nominal radius 7 mm. Input parameters used to describe the DEM particles and tool material properties are presented in Table 117, 40 cm) with drag reduction and lower soil disturbance characteristics. Adv. Eng. Softw. 119, 30–37. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2018.02.001 (2018)." href="/articles/s41598-022-23833-2#ref-CR23" id="ref-link-section-d300934715e2580">23.

Descripción del contenedor de tierra virtual (tome 35°, por ejemplo. Todas las dimensiones están en mm).

El modelo 3D del talud fue establecido mediante el software SOLIDWORKS y importado al software EDEM como fábrica de pellets. Las partículas de DEM se empaquetaron hasta un vacío total del 33,37 % según lo medido para el suelo en el campo. La Tabla 1 también enumera los parámetros de entrada utilizados para definir las interacciones suelo-suelo y suelo-herramienta.

El modelo de contacto es una base importante para analizar la adhesión entre piezas mecánicas y partículas del suelo. Durante la operación de excavación, la partícula de suelo está sometida a una variedad de fuerzas compuestas24,25. De acuerdo con la segunda ley de Newton, la ecuación de movimiento lineal y rotación de la partícula de suelo p se puede expresar como las ecuaciones. (18)–(21). La Explicación de los símbolos como se muestra en la “Tabla del Apéndice”.

El suelo de las tierras de forestación generalmente tiene un mayor contenido de humedad. Aquí existe un carácter cohesivo y adhesivo entre el suelo-suelo y el suelo-herramienta. La fuerza cohesiva \({F}_{coh,pq}\) de las partículas del suelo se establece principalmente de acuerdo con sus características de cohesión interna. Se adoptó un Hertz-Mindlin con JKR y un modelo de contacto delimitador de modelo adicional como modelo de contacto principal para las interacciones partícula-partícula y partícula-herramienta. Este modelo es adecuado para simular materiales que tienen una evidente adhesión y aglomeración entre partículas debido a la electricidad estática, la humedad y otras razones. La Tabla 2 enumera los parámetros de entrada requeridos para los modelos de contacto26,27.

Se llevaron a cabo experimentos virtuales sobre la combinación de centros ortogonales giratorios cuadráticos con cuatro factores y cinco niveles para evaluar el rendimiento de trabajo de la barrena. Con base en estudios experimentales previos, experiencia práctica y análisis de mecanismos, se establecieron los niveles apropiados de los factores experimentales como se indica en la Tabla 3. En la producción real, algunas laderas demasiado empinadas y complejas deben prepararse para la tierra o el suelo. El ángulo de pendiente se optimizó para que sirviera de referencia para el proceso de preparación del terreno. El ángulo de pendiente X1, el ángulo de hélice del sinfín X2, la velocidad de alimentación X3 y la velocidad de rotación del sinfín X4 se seleccionaron como factores experimentales, mientras que la eficiencia del transporte de tierra Y1 y la distancia de lanzamiento de tierra Y2 se establecieron como indicadores experimentales. Según la precisión en la aplicación práctica, el valor en el experimento virtual conserva dos dígitos significativos. Como se muestra en la Fig. 6, en el módulo de análisis del software EDEM, se agregan el grupo Grid Bin y el plano de recorte para medir la cantidad de tierra fuera del pozo y la distancia de la tierra arrojada.

Adquisición de índices de simulación.

Los resultados del experimento de simulación basados ​​en el esquema de diseño se presentan en la Tabla 4, incluidos 24 factores de análisis y 7 experimentos de punto cero para estimar los errores. El análisis de regresión múltiple cuadrática de los resultados de la Tabla 4 se realizó utilizando el software Design-Expert, y los modelos de regresión entre los factores influyentes y los índices de evaluación se establecieron de la siguiente manera:

La relación entre los valores reales de la eficiencia del transporte de tierra y la distancia de lanzamiento del suelo y los valores predichos del modelo de regresión se muestra en la Fig. 7. En la Fig. 7 se puede ver que los valores reales están básicamente distribuidos. en la curva predicha, consistente con la tendencia de los valores predichos y distribuida linealmente.

Gráfico de dispersión. (a) Diagrama de dispersión de la distancia real y prevista del suelo arrojado. (b) Diagrama de dispersión de la eficiencia real y prevista del suelo transportador.

Se realizaron la prueba F y el análisis de varianza (ANOVA) sobre los coeficientes de regresión en los modelos de regresión de los índices de evaluación Y1 e Y2, y los resultados se muestran en la Tabla 5. Según los valores de significancia P de la falta de ajuste en los modelos de regresión de las funciones objetivo Y1 e Y2 en la Tabla 5, PL1 = 0.1485 > 0.05 y PL2 = 0.2337 > 0.05 (ambos no fueron significativos), lo que indica que no existía ningún factor de pérdida en el análisis de regresión, y el modelo de regresión exhibió un alto grado de ajuste.

Según el ANOVA se pudieron determinar los valores de significancia P de cada factor influyente en la prueba28. Para el índice de evaluación Y1, los factores X1, X2, X3, X4, X3X4, X22, X42 tuvieron influencias extremadamente significativas, mientras que los factores X1X4, X2X4 tuvieron influencia significativa. Para el índice de evaluación Y2, los factores X1, X3, X4, X1X4, X12, X32, X42 tuvieron influencias extremadamente significativas, y los factores X2, X1X4 tuvieron influencia significativa. Dentro del rango de nivel de los factores seleccionados, de acuerdo con el valor F de cada factor como se muestra en la Tabla 5, el peso de los factores que afectan la eficiencia del transporte de tierra es velocidad de alimentación > ángulo de hélice del sinfín > velocidad de rotación del sinfín > pendiente ángulo. Y el peso de los factores que afectan la distancia de lanzamiento del suelo es pendiente del sinfín > velocidad de rotación del sinfín > velocidad de alimentación > ángulo de hélice del sinfín.

Además, es obvio que existen interacciones entre la velocidad de alimentación y la velocidad de rotación del sinfín, el sinfín de pendiente y la velocidad de rotación del sinfín, el ángulo de hélice del sinfín y la velocidad de rotación del sinfín en la eficiencia del transporte de suelo Y1. Para la distancia de lanzamiento de tierra Y2, existe una interacción entre el ángulo de pendiente y la velocidad de rotación de la barrena.

El coeficiente de ajuste de la eficiencia del transporte de tierra es R2 = 0,9714, R2adjust = 0,9263, R2pred = 0,8082, la diferencia entre R2adjust y R2pred es inferior a 0,2. El coeficiente de ajuste de la distancia del suelo arrojado es R2 = 0,9873, R2adjust = 0,9742, R2pred = 0,9355, la diferencia entre R2adjust y R2pred es menor que 0,2. Se indica que las superficies de respuesta de los dos modelos establecidos tienen buena consistencia y previsibilidad para los resultados experimentales29.

La superficie de respuesta se crea directamente utilizando el software Design-Expert. Después de ingresar los datos, seleccione el módulo “Análisis”. En la barra de menú “Modelo-Gráfico”, seleccione “Superficie 3D” para cambiar a la vista 3D. Para expresar la influencia interactiva de cada factor sobre la eficiencia del suelo transportador Y1 y la distancia del suelo arrojado Y2, las dos ecuaciones de regresión cuadrática anteriores de los índices de evaluación se sometieron al tratamiento de reducción de dimensionalidad. Dos de los factores se establecieron en el nivel 0, mientras que los otros dos se sometieron a un análisis del efecto de interacción para estudiar la ley de influencia en los índices de evaluación Y1 e Y2, y se generaron las superficies de respuesta correspondientes, como se ilustra en la Fig. 8.

Efecto del diagrama de respuesta 3D de los índices de evaluación. (a) Efecto de la interacción entre X1 y X2 sobre la eficiencia del transporte de tierra. (b) Efecto de la interacción entre X2 y X4 sobre la eficiencia del transporte de tierra. (c) Efecto de la interacción entre X3 y X4 sobre la eficiencia del transporte de tierra. (d) Efecto de la interacción entre X3 y X4 sobre la distancia del suelo arrojado.

Se puede ver en la Fig. 8a, cuando el ángulo de pendiente era constante, la eficiencia del transporte de tierra aumentó con la velocidad de rotación del sinfín hasta un cierto valor, luego el aumento de eficiencia cambió más suavemente. Las razones de este fenómeno se describen a continuación. Por un lado, cuanto mayor es la energía cinética del suelo al abandonar la posición original, y cuanto más fino es el suelo cortado, menor es la probabilidad de bloqueo en el espacio de la cuchilla espiral. Por otro lado, la fuerza centrífuga del suelo que llega a la boca del pozo es mayor, por lo que no obstruye la boca del pozo. Sin embargo, si la velocidad de rotación de la barrena fuera demasiado alta y la capa de suelo cortada fuera demasiado delgada, el efecto posterior de conducción del suelo hacia el frente se debilitaría, o incluso se interrumpiría el flujo, por lo que la velocidad de ascenso vertical del suelo disminuiría. ser reducido. Cuando la velocidad de rotación del sinfín era constante, la eficiencia del transporte de tierra disminuyó con el aumento de la pendiente y luego aumentó ligeramente. Con el aumento de la pendiente, el tiempo del proceso de corte de la pendiente aumentó y hubo más relleno de suelo en el lado de mayor altitud, lo que llevó a la reducción de la eficiencia de descarga del suelo. Sin embargo, con el aumento de la pendiente, la cantidad de tierra deslizada en la boca del pozo aumentó, mejorando la eficiencia de la descarga del suelo. Un análisis más detallado demostró que la superficie de respuesta para Y1 cambió más rápidamente en la dirección de la velocidad de rotación que en la del ángulo de pendiente, lo que indica que la velocidad de rotación del sinfín X4 tuvo una influencia más significativa que el ángulo de pendiente X1.

Como se puede ver en la Fig. 8b, cuando se fijó el ángulo de hélice del sinfín, la eficiencia del transporte de tierra continuó aumentando con el aumento de la velocidad de rotación. Cuando se fijó la velocidad de rotación del sinfín, la eficiencia del transporte de tierra aumentó con el aumento del ángulo de la hélice y tiende a disminuir cuando alcanzó un cierto valor. El espacio de las palas espirales era el canal del movimiento del suelo. Este fenómeno fue causado por el aumento de la brecha entre las dos palas espirales con el aumento del ángulo de hélice de la barrena, no era fácil que el suelo produjera un bloqueo. Mientras tanto, la distancia de movimiento del suelo era más corta y el suelo con mayor energía cinética se descargaba más rápidamente del pozo. Al llegar a la boca del pozo, el ángulo de lanzamiento de tierra fue mayor y se redujo la tasa de relleno de tierra. Sin embargo, si el ángulo de hélice del sinfín fuera demasiado grande, se reduciría la capacidad de soporte hacia arriba y la fricción de la superficie de la hoja en espiral con el suelo. Un análisis más detallado demostró que la superficie de respuesta para Y1 cambió más rápidamente en la dirección del ángulo de hélice que la velocidad de rotación de la barrena, lo que indica que el ángulo de hélice de la barrena X2 tuvo una influencia más significativa que la velocidad de rotación de la barrena X4.

Cuando se fijó la velocidad de alimentación, la eficiencia del lanzamiento de tierra continuó aumentando con el aumento de la velocidad de rotación. Cuando se fijó la velocidad de rotación del sinfín, la eficiencia del lanzamiento de tierra aumentó con el aumento de la velocidad de alimentación (ver en la Fig. 8c). El fenómeno fue causado porque cuanto más rápida era la velocidad de alimentación del sinfín, aumentaba el espesor del suelo cortado por unidad de tiempo. Además, la fuerza motriz posterior del suelo aumentó y la energía cinética del suelo aumentó. Sin embargo, en la producción real, una velocidad de alimentación excesiva provocaría un bloqueo del suelo en la superficie de las hojas espirales. La razón se debe a que en el proceso de simulación, el suelo no dejaba de moverse debido al bloqueo. Un análisis más detallado demostró que la superficie de respuesta para Y1 cambió más rápidamente en la dirección de la velocidad de rotación que en la de la velocidad de alimentación, lo que indica que la velocidad de rotación del sinfín X4 tuvo una influencia más significativa que la velocidad de alimentación X3.

Cuando se fijó la pendiente, la distancia del suelo arrojado aumentó con el aumento de la velocidad de rotación de la barrena, y el aumento de la amplitud aumentó gradualmente, como se muestra en la Fig. 8d. La razón de este fenómeno fue que el suelo tenía más energía cinética al salir de su posición original y la fuerza centrífuga que recibía al llegar a la boca del pozo es mayor. Cuando la velocidad de rotación era demasiado baja, la capa de suelo era delgada y la fuerza impulsora del suelo posterior era insuficiente, lo que resultaba en que la masa de suelo por unidad de área en la boca del pozo era liviana y luego la energía cinética era pequeña. Cuando se fijó la velocidad de rotación de la barrena, la distancia del suelo arrojado aumentó continuamente con el aumento de la pendiente. A medida que aumentó la pendiente, aumentó el tiempo del proceso de barrido del suelo hacia abajo y luego aumentó la distancia de rodadura en la pendiente. Un análisis más detallado demostró que la superficie de respuesta para Y2 cambió más rápidamente en la dirección del ángulo de pendiente que en la de la velocidad de rotación del sinfín, lo que indica que el ángulo de pendiente X1 tuvo una influencia más significativa que la velocidad de rotación X3.

Como la importancia relativa y las reglas de influencia de varios factores experimentales en los índices de evaluación eran diferentes entre sí, los índices de evaluación deben tomarse en consideración integral30. La ecuación de optimización se obtiene mediante el método de optimización multiobjetivo del software Design-Expert con Y1 e Y2 como función objetivo de optimización.

En la práctica, es necesario seleccionar la mejor combinación de parámetros según la pendiente del terreno. Cuando se arregló la pendiente, se aplicó el software Design-Expert para optimizar y resolver el modelo matemático anterior. La combinación óptima de parámetros de trabajo que afectan la eficiencia del transporte de tierra Y1 y la distancia de lanzamiento de tierra Y2 para el sinfín se obtuvieron y se muestran en la Tabla 6. Si se requirió la preparación del terreno antes de la operación de excavación, se pueden diseñar los parámetros de excavación. según valores del Grupo 6 en la Tabla 6.

Una perturbación del suelo se define como el aflojamiento, movimiento y mezcla del suelo causado por el paso de una barrena a través del suelo16. En la interfaz de EDEM Analyst, agregue un "Plano de recorte" para mostrar el movimiento del sinfín dentro del pozo. La energía cinética, el vector de velocidad de las partículas del suelo y el valor de la velocidad de las partículas del suelo se observan cuando la barrena está en el medio del contenedor de suelo31,32, como se muestra en la Fig. 9.

La perturbación del suelo por efecto de cuchilla espiral.

La tierra se elevó a la superficie y luego se dejó caer hacia el lado inferior. Además del volumen ocupado por las palas espirales, el área perturbada también incluyó el área perturbada fuera del pozo causada por la compresión del extremo cortante de la pala espiral, como se muestra en la esquina inferior izquierda del sinfín.

La energía cinética y la velocidad del suelo disminuyeron primero y luego aumentaron en la dirección opuesta a la alimentación del sinfín. El extremo cortante de la barrena y la sección de lanzamiento de tierra ocurrieron en la región con alta energía cinética y velocidad. Esto se debía a que la máxima energía cinética se obtenía en el extremo cortante del sinfín, que se consumía gradualmente en el proceso de ascenso. Después de llegar al vertedero, el suelo perdió la sujeción de la pared del pozo. Cuando la fuerza centrífuga del suelo perdió la fuerza de reacción, la energía cinética del suelo aumentó. Sin embargo, demasiada energía cinética puede hacer que el suelo se extienda demasiado, provocando problemas posteriores. La energía cinética del suelo en el extremo de corte estaba relacionada con la velocidad de rotación de la barrena. El ángulo en espiral afectó el ángulo entre la fuerza y ​​la gravedad, y luego aumentó el consumo de energía cinética en el proceso de excavación del suelo.

Para verificar la precisión del modelo de optimización para el trabajo con sinfín, así como para evaluar la racionalidad de la combinación de parámetros de trabajo optimizados por el experimento virtual, se llevaron a cabo pruebas de verificación del rendimiento en el software EDEM. Según la prueba de configuración de parámetros del proceso optimizado (como se muestra en la Tabla 6), se obtuvo el error relativo entre el valor teórico y el valor experimental. Los resultados de la prueba de verificación se resumen en la Tabla 7. Los errores relativos promedio de la eficiencia del suelo transportador y la distancia del suelo arrojado entre el valor teórico y el valor textual fueron solo del 4,4%, 9,1%. El modelo de simulación es bastante preciso. Los experimentos de verificación del desempeño en campo se llevaron a cabo en pendiente. La Figura 10 ilustra la prueba de campo y las condiciones de trabajo.

Diagrama de funcionamiento en el sitio del experimento.

Este artículo tiene como objetivo el mecanismo y método de construcción de pozos de escamas de peces en regiones montañosas. Mejorar la eficiencia y el rendimiento en el trabajo. El modelado de suelo y pendientes se desarrolla utilizando EDEM, y se simula el proceso de corte con barrena y transporte de suelo en la pendiente. A través de los resultados de la simulación, se analizan las características dinámicas del suelo y se optimizan los parámetros estructurales y de operación del sinfín.

En el proceso de excavación de pozos en regiones montañosas para ayudar en la construcción de pozos de escamas de pescado:

El rendimiento del sinfín que trabaja en pendiente se puede evaluar monitoreando la eficiencia del transporte de tierra y la distancia del lanzamiento de tierra.

El peso de los factores que afectan la eficiencia del transporte de tierra es la velocidad de alimentación > ángulo de hélice del sinfín > velocidad de rotación del sinfín > ángulo de pendiente. El peso de los factores que afectan la distancia de lanzamiento del suelo es pendiente del sinfín > velocidad de rotación del sinfín > velocidad de alimentación > ángulo de hélice del sinfín.

Según los resultados de la optimización, se puede obtener la combinación óptima de parámetros en diferentes operaciones de pendiente. Si es necesaria la preparación del terreno antes de la operación de excavación, el ángulo de pendiente óptimo es de aproximadamente 26°.

En comparación con el área plana, la ley de variación del desplazamiento y la velocidad del suelo es diferente en las regiones montañosas. Los errores entre los resultados del modelo de simulación DEM desarrollado y los resultados de los experimentos virtuales se encuentran en una precisión aceptable, lo que confirma la efectividad del modelo DEM para estimar la eficiencia de trabajo de la barrena de tierra en áreas montañosas.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente.

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Descargar referencias

Los autores agradecen el apoyo financiero brindado por el Proyecto de Promoción de Ciencia y Tecnología Forestales de la Administración Estatal de Silvicultura y Pastizales de China (Subvención No. (2019) 35) y el Programa Clave de I+D y Transformación de la Provincia de Qinghai: Proyecto Especial de Transformación de Logros Científicos y Tecnológicos. (Subvención No. 2022-NK-128)

Instituto de Investigación de la Industria de la Madera, Academia China de Silvicultura, Beijing, 100091, China

Guofu Wang, Wei Zhang, Min Ji, Hu Miao y Zheng Jin

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Metodología, investigación, análisis, estadísticas y redacción del GT: borrador original, revisión y edición. Adquisición de financiación de ZW, redacción: revisión y edición. Escritura de JM: revisión y edición. Estadísticas de MH. Supervisión JZ. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Wei Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wang, G., Zhang, W., Ji, M. et al. Simulación numérica y optimización de parámetros de barrena de tierra en zona montañosa utilizando el software EDEM. Informe científico 12, 19526 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23833-2

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Recibido: 10 de julio de 2022

Aceptado: 07 de noviembre de 2022

Publicado: 14 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23833-2

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