Simulation numérique et optimisation des paramètres d'une tarière en zone vallonnée à l'aide du logiciel EDEM

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19526 (2022) Citer cet article

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Creuser dans les régions vallonnées est une mesure importante pour favoriser le reboisement des sites difficiles. Compte tenu des conditions de travail pour construire une fosse à écailles de poisson sur une pente, le mécanisme de tarière de levage et de projection du sol a été étudié dans cette étude. Cette étude a utilisé le logiciel EDEM pour établir le modèle de fonctionnement de la tarière et mener des expériences de simulation virtuelle DEM (Discrete Element Method). Un test de combinaison de centre orthogonal de rotation quadratique a été mis en œuvre en définissant l'efficacité du sol de transport (Y1) et la distance du sol de projection (Y2) comme indices d'évaluation. L'analyse de la variance et l'optimisation de la surface de réponse ont été effectuées sur les données expérimentales virtuelles. Les résultats ont indiqué que le poids des facteurs affectant Y1 et Y2 était la vitesse d'alimentation > l'angle d'hélice > la vitesse de rotation > l'angle de pente, et la tarière inclinée > la vitesse de rotation > la vitesse d'alimentation > l'angle d'hélice. La combinaison de paramètres optimale de chaque facteur d'influence a été obtenue. Parmi eux, lorsque la préparation de la pente était requise, la combinaison optimale des paramètres de fonctionnement de la tarière était : Pente de 26,467°, Angle d'hélice de 21,567°, Vitesse d'alimentation de 0,1 m/s, Vitesse de rotation de 67,408 tr/min. Cette recherche fournit des références théoriques pour l'optimisation de la conception de la tarière dans les régions vallonnées.

Dans le processus de promotion vigoureuse du verdissement des terres à grande échelle dans l'ensemble de la société, le principal problème est qu'à ce stade, le terrain des zones forestières à développer est complexe, les changements de pente sont divers et les conditions de boisement sont difficiles. Le niveau de mécanisation du boisement est très faible, ce qui a limité la vitesse d'expansion de l'échelle de boisement.

La préparation des sols caverneux, également appelée fosse, est l'un des maillons essentiels du processus de boisement. Il est largement utilisé dans les processus de production et d'exploitation forestières tels que la plantation d'arbres, l'ameublissement des sols et la fertilisation en profondeur1. A ce stade, la tarière développée présente une bonne adaptabilité en plaine et a été largement vulgarisée2,3. Pour les zones vallonnées et montagneuses avec un terrain complexe, les tarières existantes ont des problèmes de faible efficacité et de faible facteur de sécurité dans le processus d'application4.

Dans le règlement sur les opérations de reboisement, afin de surmonter la capacité inadaptée de la tarière de terre et d'autres machines et outils aux régions vallonnées, il serait résolu en effectuant à l'avance une préparation de terrain de niveau sur la pente5. Cependant, les travaux de préparation du terrain sont lourds et le relief d'origine est gravement endommagé. D'autre part, en raison de l'étroitesse de l'espace régional et de la complexité du terrain, les grosses machines ne peuvent pas effectuer la préparation du terrain. La préparation horizontale du terrain n'est évidemment pas la méthode la plus efficace pour la plantation d'arbres6. Lorsque la plantation d'arbres se fait sur la pente, la mise en forme de fosses en écailles de poisson est l'un des moyens efficaces de conserver l'eau et le sol. Le pic de collecte de sol en forme d'éventail après avoir creusé sur la pente a la même forme que la fosse en écailles de poisson, comme illustré à la Fig. 1. Après avoir façonné la forme du sol, il n'a besoin que du renforcement manuel7,8. En étudiant la technologie de mise en forme artificielle des fosses en écailles de poisson, cette étude explore l'opération de creusement mécanisée sur la pente pour fournir des aides à la mise en forme des fosses en écailles de poisson.

Site boisé de plantation de type fosse en écailles de poisson.

Dans les années 1870, les recherches sur le mécanisme de tarière de terre ont commencé. Lian et al. a mené des recherches préliminaires et un résumé sur la théorie de la conception de la tarière. Jusqu'à présent, de nombreuses formules empiriques ont servi de référence aux chercheurs9,10. Les chercheurs, Macphersonet et al., ont respectivement étudié la consommation d'énergie de fonctionnement et les vibrations de flexion-torsion des forets, qui ont contribué à la conception et à l'innovation des excavatrices11,12. Ces dernières années, afin de résoudre les problèmes de blocage et de taux de remblai excessif dans le processus de transport du sol, de nombreux experts ont utilisé MATLAB, ADAMS, ANSYS et d'autres logiciels d'analyse de simulation pour analyser la statique et la dynamique de la tarière13,14,15 .

Le déplacement spatial et la fluctuation du sol et le mécanisme d'interaction entre sol-sol et sol-outil sont les facteurs clés affectant la consommation d'énergie et l'effet de fonctionnement de la tarière pendant le processus de coupe et de transport du sol. Bien que ces études soient importantes pour la conception des tarières et l'optimisation des paramètres, elles sont rarement documentées et publiées. Par conséquent, il est particulièrement important d'étudier le mécanisme de processus continu de coupe-transport et la réponse dynamique du sol.

Mustafa, Kojo, Wang et d'autres experts ont appliqué la méthode des éléments discrets pour simuler l'interaction entre les composants du travail du sol et le sol, tels que le scarificateur, le cultivateur rotatif, la charrue, etc. La répartition du stress et de la déformation dans le sol, la réponse dynamique du sol (comme le sol déplacement) et les paramètres physiques de l'interface sol machine sont obtenus (en particulier, le tirant d'eau et les forces verticales, la consommation d'énergie, etc.)16,17,18. Le DEM est l'une des méthodes numériques couramment utilisées dans la modélisation et la simulation complète des processus agricoles (comme l'excavation de fosses)19. Jin et al., à l'aide d'EDEM, ont étudié l'équipement de mélange en spirale sol-engrais, analysé l'uniformité du mélange sol-engrais et obtenu les meilleurs paramètres d'opération de mélange20. Par conséquent, dans cette étude, la modélisation du sol et de la pente est développée à l'aide d'EDEM, et le processus de coupe à la tarière et de transport du sol sur la pente est simulé. Grâce aux résultats de la simulation, les caractéristiques dynamiques du sol sont analysées et les paramètres structurels et les paramètres de fonctionnement de la tarière sont optimisés.

La figure 2 illustre le modèle de tarière travaillant en pente. La tarière de terre se compose de lames en spirale, de pourriture et de pointe de tarière, ainsi que d'autres composants clés. Le sol est coupé par des lames en spirale et emporté par la fosse pour former un corps de fosse cylindrique20.

Modèle de tarière travaillant en pente.

Le processus de mouvement du sol à la surface des lames en spirale peut être obtenu en observant les phénomènes de pré-expérimentation sur le terrain et de simulation virtuelle. Le forage du sol peut être divisé en trois processus de travail en fonction de la profondeur d'alimentation de la tarière.

Le premier processus est la pente de coupe. Les deux lames en spirale coupent alternativement le sol soulevé. La première possibilité est que le sol quitte les pales en spirale directement par la force centrifuge, complétant le mouvement du projectile et atteignant la surface du sol. Lorsque l'extrémité de coupe du sol de la tarière quitte le côté à haute altitude de la pente et entre dans l'air, le sol glisse vers la surface du sol le long de la surface des lames par sa gravité.

Le deuxième processus est le processus de creusement plus profond. L'extrémité côté coupe de la lame en spirale est complètement immergée dans le sol et coupe le sol en continu. Lorsque le sol atteint la surface, la majeure partie s'écoule hors de la fosse du côté de la haute altitude en raison des différentes hauteurs de paroi de la fosse à l'embouchure de la fosse. Un pic préliminaire de collecte de sol en forme d'éventail est généré.

Le troisième processus est le creusement d'une fosse semblable à celle des régions de plaine. Lorsque la hauteur du pic de collecte du sol du côté basse altitude est accumulée pour être au même niveau que celle du côté haute altitude, le sol serait arrosé uniformément après avoir atteint l'embouchure de la fosse pour former une bouche circulaire horizontale de collecte du sol.

On peut conclure qu'en termes de mouvement et de distribution du sol, les opérations à la tarière dans les zones vallonnées sont différentes de celles dans les zones de plaine, comme le montre la Fig. 3. En raison de l'existence de la pente, il existe des différences suivantes dans le processus de creusement. Les extrémités coupantes des deux lames en spirale cassent le sol alternativement pendant le processus de coupe de la pente. La forme de la fosse sous le sol est un cylindre irrégulier et le mouvement du sol n'est pas uniformément affecté par la paroi de la fosse. À un certain instant, le sol sur la tarière est inégalement réparti, avec plus de répartition du côté de l'élévation la plus élevée. Une fois que le sol a atteint la surface de la colline, il se déplacerait le long de la surface jusqu'à la basse altitude, formant un pic de collecte de sol en forme d'éventail.

Schéma du processus de creusement. (a) Le premier processus. (b) Le deuxième processus. (c) Le troisième processus.

Selon la pré-expérience, la surface du fond et les paramètres de hauteur du pic de collecte du sol en forme d'éventail sont très importants pour la construction d'une fosse à écailles de poisson. Si la zone inférieure du pic de collecte de sol est trop grande, la couche de sol de surface serait trop mince et il sera difficile de collecter le sol. De mauvaises performances d'évacuation (trop de terre dans la fosse) se traduisent par un volume de terre en surface trop faible.

La distance maximale de projection du sol dépend principalement du mouvement du projectile. Le sol glisse sur une certaine distance, puis s'arrête de bouger sous l'action du frottement, comme illustré à la Fig. (1)–(12).

Schéma de principe du processus de projection du sol.

Selon le théorème de la quantité de mouvement, on peut déduire que la vitesse absolue21 du sol à la sortie des lames en spirale est la suivante. L'explication des symboles comme indiqué dans le "Tableau de l'annexe".

Avec

Une fois que le sol a quitté les lames en spirale, il est principalement affecté par la gravité G = mg et l'influence de la résistance de l'air \({F}_{d}=km \nu\). Selon l'équation différentielle du mouvement, la formule est obtenue comme suit. L'explication des symboles comme indiqué dans le "Tableau de l'annexe".

Mouvement de projectile vers le haut du sol :

Mouvement de projectile vers le bas du sol :

Le sol glisse sur la pente :

La distance de lancer-sol:

L'analyse a été effectuée sans tenir compte du matériau de la tarière et de la taille de la pointe, de la tige de la tarière. Selon la formule ci-dessus, la distance de projection du sol est principalement liée à la pente de la surface, à l'angle d'hélice de la tarière, à la vitesse de rotation de la tarière et à la résistance de l'air. Dans les mêmes conditions, plus la pente de la surface est grande, plus la durée de l'étape de mouvement de projection du sol est longue. La vitesse de rotation et l'angle d'hélice de la tarière sont principalement liés à la force centrifuge, qui détermine la vitesse initiale (énergie cinétique) du mouvement du projectile.

Le processus de mouvement du sol entre les lames en spirale a été temporairement ignoré. Concentrez-vous sur le processus de creusement du sol dans la fosse et le processus de décharge du sol à l'extérieur de la fosse. La condition importante pour empêcher le sol de se boucher dans l'espace composé de lames en spirale est que le processus de creusement et de déchargement du sol soit continu. Lorsque la profondeur de creusement atteint H1, après que la tarière ait tourné d'un angle \(\varphi \), la quantité de sol à chaque position doit remplir les conditions suivantes, exprimées dans l'équation. (13).

Dans l'éq. (13), les relations suivantes sont également incluses comme indiqué dans les équations. (14)–(17):

avec

Selon les références et les Eqs. (13)–(17), l'épaisseur du sol h affecterait l'interaction des forces de forage et la taille de l'espace de mouvement du sol22. Pour Q1, la valeur est principalement liée à l'épaisseur h du sol creusé par unité de temps. La valeur doit être augmentée autant que possible pour améliorer l'efficacité du creusement. Cependant, si h est trop grand, l'encombrement se produirait en raison de la limitation d'espace de deux lames en spirale Q3.

Comme pour Q2, la douceur du sol de décharge détermine l'apport constant de la force du sol subséquente et la taille de l'espace de la tarière. Pour éviter le colmatage, Q2 doit être augmenté autant que possible. Pour Q2, la valeur est principalement liée à la vitesse v0, lorsque le sol atteint le bord supérieur de l'ouverture de la fosse et quitte la lame en spirale.

Pour Q3, la tarière dans le processus de creusement profond utilise généralement une lame en spirale à double tête avec une meilleure stabilité. L'espace de mouvement du sol sur la double lame est la moitié de celui du simple. Par conséquent, si les blocs de sol sont trop épais, la surface supérieure du sol risque de toucher la surface inférieure de la lame en spirale, ce qui n'est pas propice à l'amélioration du sol.

En conclusion, les performances de la tarière travaillant sur la pente peuvent être évaluées en surveillant l'efficacité du transport de la terre et la distance de projection de la terre.

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-d105433920e2580">23.

Description du bac de sol virtuel (Prenez 35° par exemple. Toutes les dimensions sont en mm).

Le modèle 3D du talus a été établi par le logiciel SOLIDWORKS et importé dans le logiciel EDEM sous forme d'usine à pellets. Les particules DEM ont été tassées à un volume de vide de 33,37 % tel que mesuré pour le sol dans le champ. Le tableau 1 répertorie également les paramètres d'entrée utilisés pour définir les interactions sol-sol et sol-outil.

Le modèle de contact est une base importante pour analyser l'adhérence entre les pièces mécaniques et les particules de sol. Pendant l'opération de creusement, la particule de sol est soumise à une variété de forces composées24,25. Selon la deuxième loi de Newton, l'équation de mouvement linéaire et de rotation de la particule de sol p peut être exprimée sous la forme d'équations. (18)–(21). L'explication des symboles comme indiqué dans le "Tableau de l'annexe".

Le sol des terres boisées a généralement une teneur en humidité plus élevée. Il y a ici un caractère cohésif et adhésif entre le sol-sol et le sol-outil. La force de cohésion \({F}_{coh,pq}\) des particules de sol est principalement définie en fonction de ses caractéristiques de cohésion interne. Un Hertz-Mindlin avec JKR et un modèle de contact supplémentaire lié au modèle a été adopté comme modèle de contact principal pour les interactions particule-particule et particule-outil. Ce modèle convient à la simulation de matériaux présentant une adhérence et une agglomération évidentes entre les particules en raison de l'électricité statique, de l'humidité et d'autres raisons. Le tableau 2 répertorie les paramètres d'entrée requis pour les modèles de contact26,27.

Des expériences virtuelles sur la combinaison de centres orthogonaux rotatifs quadratiques avec quatre facteurs et cinq niveaux ont été réalisées pour évaluer les performances de travail de la tarière. Sur la base des études expérimentales précédentes, de l'expérience pratique et de l'analyse des mécanismes, les niveaux appropriés des facteurs expérimentaux ont été établis comme indiqué dans le tableau 3. Dans la production réelle, certains versants trop raides et complexes doivent être préparés pour la terre ou le sol. L'angle de pente a été optimisé pour servir de référence pour le processus de préparation du terrain. L'angle de pente X1, l'angle d'hélice de la tarière X2, la vitesse d'alimentation X3 et la vitesse de rotation de la tarière X4 ont été sélectionnés comme facteurs expérimentaux, tandis que l'efficacité du sol de transport Y1 et la distance du sol de lancement Y2 ont été définies comme indicateurs expérimentaux. Selon la précision dans l'application pratique, la valeur dans l'expérience virtuelle conserve deux chiffres significatifs. Comme le montre la Fig. 6, dans le module d'analyse du logiciel EDEM, Grid Bin Group et Clipping Plane sont ajoutés pour mesurer la quantité de sol à l'extérieur de la fosse et la distance de projection du sol.

Acquisition d'indices de simulation.

Les résultats des expériences de simulation basés sur le schéma de conception sont présentés dans le tableau 4, y compris 24 facteurs d'analyse et 7 expériences de point zéro pour estimer les erreurs. L'analyse de régression multiple quadratique des résultats du tableau 4 a été réalisée à l'aide du logiciel Design-Expert, et les modèles de régression entre les facteurs d'influence et les indices d'évaluation ont été établis comme suit :

La relation entre les valeurs réelles de l'efficacité du transport du sol et la distance du sol de lancement et les valeurs prédites du modèle de régression est illustrée à la Fig. 7. On peut voir sur la Fig. 7 que les valeurs réelles sont fondamentalement distribuées sur la courbe prédite, cohérente avec la tendance des valeurs prédites, et distribuée linéairement.

Nuage de points. (a) Diagramme de dispersion de la distance réelle et prévue du sol de projection. (b) Diagramme de dispersion de l'efficacité réelle et prévue du transport du sol.

Le test F et l'analyse de la variance (ANOVA) ont été effectués sur les coefficients de régression dans les modèles de régression des indices d'évaluation Y1 et Y2, et les résultats sont présentés dans le tableau 5. Selon les valeurs de signification P du manque d'ajustement dans les modèles de régression des fonctions objectives Y1 et Y2 dans le tableau 5, PL1 = 0,1485 > 0,05 et PL2 = 0,2337 > 0,05 (les deux n'étaient pas significatifs), indiquant qu'aucun facteur de perte n'existait dans l'analyse de régression, et le modèle de régression présentait une valeur élevée degré d'ajustement.

Selon l'ANOVA, les valeurs de signification P de chaque facteur d'influence dans le test ont pu être déterminées28. Pour l'indice d'évaluation Y1, les facteurs X1, X2, X3, X4, X3X4, X22, X42 ont des influences extrêmement significatives, tandis que les facteurs X1X4, X2X4 ont une influence significative. Pour l'indice d'évaluation Y2, les facteurs X1, X3, X4, X1X4, X12, X32, X42 ont des influences extrêmement significatives, et les facteurs X2, X1X4 ont une influence significative. Dans la plage de niveau des facteurs sélectionnés, selon la valeur F de chaque facteur comme indiqué dans le tableau 5, le poids des facteurs affectant l'efficacité du transport du sol est la vitesse d'alimentation > l'angle d'hélice de la vis > la vitesse de rotation de la vis > la pente angle. Et le poids des facteurs affectant la distance de projection du sol est la tarière inclinée > la vitesse de rotation de la tarière > la vitesse d'alimentation > l'angle d'hélice de la tarière.

De plus, il est évident qu'il existe des interactions entre la vitesse d'alimentation et la vitesse de rotation de la tarière, la pente de la tarière et la vitesse de rotation de la tarière, l'angle d'hélice de la tarière et la vitesse de rotation de la tarière sur l'efficacité du convoyage du sol Y1. Pour la distance de projection-sol Y2, il existe une interaction entre l'angle de pente et la vitesse de rotation de la tarière.

Le coefficient d'ajustement de l'efficacité du transport-sol est R2 = 0,9714, R2adjust = 0,9263, R2pred = 0,8082, la différence entre R2adjust et R2pred est inférieure à 0,2. Le coefficient d'ajustement de la distance de projection-sol est R2 = 0,9873, R2adjust = 0,9742, R2pred = 0,9355, la différence entre R2adjust et R2pred est inférieure à 0,2. Il est indiqué que les surfaces de réponse des deux modèles établis ont une bonne cohérence et prévisibilité pour les résultats expérimentaux29.

La surface de réponse est créée directement à l'aide du logiciel Design-Expert. Après avoir saisi les données, sélectionnez le module "Analyse". Dans la barre de menu "Modèle-Graphe", sélectionnez "Surface 3D" pour passer à la vue 3D. Pour exprimer l'influence interactive de chaque facteur sur l'efficacité du sol de transport Y1 et la distance du sol de lancement Y2, les deux équations de régression quadratique ci-dessus des indices d'évaluation ont été soumises au traitement de réduction de dimensionnalité. Deux des facteurs ont été fixés au niveau 0, tandis que les deux autres ont subi une analyse des effets d'interaction pour étudier la loi d'influence sur les indices d'évaluation Y1 et Y2, et les surfaces de réponse correspondantes ont été générées, comme illustré à la Fig. 8.

Diagramme de réponse 3D effet des indices d'évaluation. (a) Effet de l'interaction entre X1 et X2 sur l'efficacité du transport du sol. (b) Effet de l'interaction entre X2 et X4 sur l'efficacité du transport du sol. (c) Effet de l'interaction entre X3 et X4 sur l'efficacité du transport du sol. (d) Effet de l'interaction entre X3 et X4 sur la distance du sol de projection.

On peut le voir sur la figure 8a, lorsque l'angle de pente était constant, l'efficacité du transport du sol augmentait avec la vitesse de rotation de la tarière jusqu'à une certaine valeur, puis l'augmentation de l'efficacité changeait plus doucement. Les raisons de ce phénomène sont décrites comme suit. D'une part, plus l'énergie cinétique du sol en quittant la position d'origine est grande et plus le sol a été coupé mince, ce qui réduit la probabilité de blocage dans l'espace de la lame en spirale. D'autre part, la force centrifuge du sol arrivant à l'embouchure de la fosse est plus grande, de sorte qu'elle ne s'obstrue pas dans l'embouchure de la fosse. Cependant, si la vitesse de rotation de la tarière était trop élevée et que la couche de sol coupée était trop mince, l'effet d'entraînement ultérieur du sol vers l'avant serait affaibli, voire le flux serait interrompu, de sorte que la vitesse de montée verticale du sol serait reduire. Lorsque la vitesse de rotation de la tarière était constante, l'efficacité du transport du sol diminuait avec l'augmentation de la pente puis augmentait légèrement. Avec l'augmentation de la pente, la durée du processus de coupe de la pente a augmenté et il y avait plus de remblayage du sol du côté de la haute altitude, ce qui a entraîné une réduction de l'efficacité de l'évacuation du sol. Cependant, avec l'augmentation de la pente, la quantité de glissement de sol à l'embouchure de la fosse a augmenté, améliorant l'efficacité de l'évacuation du sol. Une analyse plus approfondie a démontré que la surface de réponse pour Y1 changeait plus rapidement dans le sens de la vitesse de rotation que dans celui de l'angle de pente, indiquant que la vitesse de rotation de la tarière X4 avait une influence plus significative que l'angle de pente X1.

Comme on peut le voir sur la figure 8b, lorsque l'angle d'hélice de la tarière était fixe, l'efficacité du transport du sol continuait d'augmenter avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Lorsque la vitesse de rotation de la tarière était fixe, l'efficacité du transport du sol augmentait avec l'augmentation de l'angle d'hélice et tendait à diminuer lorsqu'elle atteignait une certaine valeur. L'espace des lames en spirale était le canal du mouvement du sol. Ce phénomène a été causé par l'augmentation de l'écart entre les deux lames en spirale avec l'augmentation de l'angle d'hélice de la tarière, le sol n'était pas facile à produire un blocage. Pendant ce temps, la distance de déplacement du sol était plus courte et le sol avec une énergie cinétique plus élevée était évacué plus rapidement de la fosse. En atteignant l'embouchure de la fosse, l'angle de projection du sol était plus grand et le taux de remblayage du sol était réduit. Cependant, si l'angle d'hélice de la tarière était trop grand, la capacité de support vers le haut et le frottement de la surface de la lame en spirale sur le sol seraient réduits. Une analyse plus approfondie a démontré que la surface de réponse pour Y1 changeait plus rapidement dans la direction de l'angle d'hélice que la vitesse de rotation de la tarière, indiquant que l'angle d'hélice de la tarière X2 avait une influence plus significative que la vitesse de rotation de la tarière X4.

Lorsque la vitesse d'alimentation était fixée, l'efficacité du jet de terre continuait d'augmenter avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Lorsque la vitesse de rotation de la tarière était fixée, l'efficacité du jet de terre avec l'augmentation de la vitesse d'alimentation (voir Fig. 8c). Le phénomène était dû au fait que plus la vitesse d'alimentation de la tarière était rapide, plus l'épaisseur du sol coupé par unité de temps augmentait. De plus, la force motrice subséquente du sol a augmenté et l'énergie cinétique du sol a augmenté. Cependant, dans la production réelle, une vitesse d'alimentation excessive entraînerait un blocage du sol à la surface des lames en spirale. La raison en est que dans le processus de simulation, le sol n'arrêterait pas de bouger à cause du blocage. Une analyse plus approfondie a démontré que la surface de réponse pour Y1 changeait plus rapidement dans le sens de la vitesse de rotation que dans celui de la vitesse d'alimentation, indiquant que la vitesse de rotation de la tarière X4 avait une influence plus importante que la vitesse d'alimentation X3.

Lorsque la pente était fixe, la distance du sol de lancement augmentait avec l'augmentation de la vitesse de rotation de la tarière, et l'amplitude d'augmentation augmentait progressivement, comme le montre la Fig. 8d. La raison de ce phénomène était que le sol avait plus d'énergie cinétique lorsqu'il quittait sa position d'origine et que la force centrifuge qu'il recevait lorsqu'il atteignait l'embouchure de la fosse était plus grande. Lorsque la vitesse de rotation était trop faible, la couche de sol était mince et la force d'entraînement du sol qui en résultait était insuffisante, ce qui faisait que la masse de sol par unité de surface à l'embouchure de la fosse était légère et que l'énergie cinétique était faible. Lorsque la vitesse de rotation de la tarière était fixée, la distance du sol de lancement augmentait continuellement avec l'augmentation de la pente. Au fur et à mesure que la pente augmentait, le temps de balayage du sol augmentait, puis la distance de roulement sur la pente augmentait. Une analyse plus approfondie a démontré que la surface de réponse pour Y2 changeait plus rapidement dans la direction de l'angle de pente que dans celle de la vitesse de rotation de la tarière, indiquant que l'angle de pente X1 avait une influence plus significative que la vitesse de rotation X3.

Étant donné que l'importance relative et les règles d'influence de divers facteurs expérimentaux sur les indices d'évaluation étaient différentes les unes des autres, les indices d'évaluation doivent être pris en considération de manière globale30. L'équation d'optimisation est obtenue par la méthode d'optimisation multi-objectifs du logiciel Design-Expert avec Y1 et Y2 comme fonction objectif d'optimisation.

En pratique, la meilleure combinaison de paramètres doit être choisie en fonction de la pente du terrain. Une fois la pente fixée, le logiciel Design-Expert a été appliqué pour optimiser et résoudre le modèle mathématique ci-dessus. La combinaison optimale des paramètres de travail affectant l'efficacité du sol de transport Y1 et la distance du sol de projection Y2 pour la tarière ont été obtenus et sont présentés dans le tableau 6. Si la préparation du sol était nécessaire avant l'opération de creusement, les paramètres de creusement peuvent être conçus selon les valeurs du groupe 6 du tableau 6.

Une perturbation du sol est définie comme le relâchement, le mouvement et le mélange du sol causés par une tarière traversant le sol16. Dans l'interface de l'analyste EDEM, ajoutez un "Plan de détourage" pour montrer le mouvement de la tarière à l'intérieur de la fosse. L'énergie cinétique, le vecteur de vitesse des particules de sol et la valeur de vitesse des particules de sol sont observés lorsque la tarière se trouve au milieu de la trémie de sol31,32, comme illustré à la Fig. 9.

La perturbation de l'effet de sol par lame en spirale.

Le sol a été soulevé à la surface puis déposé sur le côté inférieur. En plus du volume occupé par les lames en spirale, la zone perturbée comprenait également la zone perturbée hors fosse causée par la compression de l'extrémité coupante de la lame en spirale, comme indiqué dans le coin inférieur gauche de la tarière.

L'énergie cinétique et la vitesse du sol ont d'abord diminué puis augmenté dans la direction opposée de l'alimentation de la tarière. L'extrémité de coupe de la tarière et la section de projection de sol se sont produites dans la région avec une énergie et une vitesse cinétiques élevées. En effet, l'énergie cinétique maximale était obtenue à l'extrémité de coupe de la tarière, qui était progressivement consommée au cours du processus de montée. Après avoir atteint l'extrémité de décharge, le sol a perdu la retenue de la paroi de la fosse. Lorsque la force centrifuge du sol a perdu la force de réaction, l'énergie cinétique du sol a augmenté. Trop d'énergie cinétique, cependant, peut entraîner une propagation trop importante du sol, causant des problèmes ultérieurs. L'énergie cinétique du sol à l'extrémité de coupe était liée à la vitesse de rotation de la tarière. L'angle de spirale a affecté l'angle entre la force et la gravité, puis la consommation d'énergie cinétique dans le processus de sol a augmenté.

Afin de vérifier l'exactitude du modèle d'optimisation pour le travail à la tarière, ainsi que d'évaluer la rationalité de la combinaison de paramètres de travail optimisée par l'expérience virtuelle, des tests de vérification des performances ont été effectués sur le logiciel EDEM. Selon le test de paramétrage de processus optimisé (comme indiqué dans le tableau 6), l'erreur relative entre la valeur théorique et la valeur expérimentale a été obtenue. Les résultats des tests de vérification sont résumés dans le tableau 7. Les erreurs relatives moyennes de l'efficacité du transport de la terre et de la distance de projection de la terre entre la valeur théorique et la valeur textuelle n'étaient que de 4,4 %, 9,1 %. Le modèle de simulation est assez précis. Les expériences de vérification des performances sur le terrain ont été réalisées en pente. La figure 10 illustre le test sur le terrain et les conditions de travail.

Schéma de fonctionnement sur le site d'expérimentation.

Cet article vise le mécanisme et la méthode de construction d'une fosse à écailles de poisson dans les régions vallonnées. Améliorer l'efficacité et la performance du travail. La modélisation du sol et de la pente est développée à l'aide d'EDEM, et le processus de coupe à la tarière et de transport du sol sur la pente est simulé. Grâce aux résultats de la simulation, les caractéristiques dynamiques du sol sont analysées et les paramètres structurels et les paramètres de fonctionnement de la tarière sont optimisés.

En train de creuser des fosses dans les régions vallonnées pour aider à la construction de fosses à écailles de poisson :

Les performances d'une tarière travaillant sur une pente peuvent être évaluées en surveillant l'efficacité du transport de la terre et la distance de la projection de la terre.

Le poids des facteurs affectant l'efficacité du transport du sol est la vitesse d'alimentation > l'angle d'hélice de la tarière > la vitesse de rotation de la tarière > l'angle de pente. Le poids des facteurs affectant la distance de projection du sol est la tarière inclinée > la vitesse de rotation de la tarière > la vitesse d'alimentation > l'angle d'hélice de la tarière.

Selon les résultats de l'optimisation, la combinaison de paramètres optimale peut être obtenue dans différentes opérations de pente. Si la préparation du terrain est nécessaire avant l'opération de creusement, l'angle de pente optimal est d'environ 26°.

Par rapport à la plaine, la loi de variation du déplacement et de la vitesse du sol est différente dans les régions vallonnées. Les erreurs entre les résultats de la modélisation de simulation DEM développée et les résultats des expériences virtuelles sont d'une précision acceptable, confirmant l'efficacité du modèle DEM pour estimer l'efficacité de travail de la tarière en zone vallonnée.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant.

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Les auteurs reconnaissent le soutien financier fourni par le projet de promotion des sciences et technologies forestières de l'administration nationale des forêts et des prairies de Chine (subvention n° (2019) 35) et le programme clé de R&D et de transformation de la province de Qinghai - projet spécial de transformation des réalisations scientifiques et technologiques. (Subvention n° 2022-NK-128)

Institut de recherche de l'industrie du bois, Académie chinoise de foresterie, Pékin, 100091, Chine

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

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Méthodologie du groupe de travail, enquête, analyse, statistiques, rédaction - ébauche originale, révision et édition. Acquisition de financement ZW, rédaction, révision et édition. Rédaction JM—révision et édition. Statistiques HM. Supervision JZ. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Wei Zhang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Wang, G., Zhang, W., Ji, M. et al. Simulation numérique et optimisation paramétrique d'une tarière en zone vallonnée à l'aide du logiciel EDEM. Sci Rep 12, 19526 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23833-2

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Reçu : 10 juillet 2022

Accepté : 07 novembre 2022

Publié: 14 novembre 2022

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

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