Étalonnage des paramètres de contact des composants typiques du travail du sol rotatif sur la base de différentes méthodes de simulation

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5757 (2023) Citer cet article

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Ce rapport analyse le problème des modèles complexes de mouvement du sol sous l'action de forces couplées, telles que la tension et le cisaillement, dans les processus agricoles et vise à améliorer la précision des paramètres de contact utilisés dans les études de simulation par éléments discrets des interactions motoculteur-sol. Cette étude se concentre sur le sol du champ de coton de Shihezi dans la 8e division du Xinjiang et étudie le rouleau de timon rotatif en tant que composant de contact avec le sol des machines de travail du sol. Une combinaison de simulations et de tests physiques est utilisée. Nous effectuons des tests d'angle de repos et utilisons la détection des bords, l'ajustement et d'autres méthodes de traitement d'image pour détecter automatiquement, rapidement et avec précision l'accumulation de sol et l'étalonnage de l'angle des paramètres de contact avec les particules de sol. De plus, des tests de glissement du sol sont effectués pour calibrer les paramètres de contact entre le sol et les lames rotatives. L'optimisation est réalisée sur la base de simulations orthogonales et de la méthode de surface de réponse de Box-Behnken en utilisant des valeurs mesurées physiquement comme cible. Un modèle de régression de l'angle d'empilement et de l'angle de frottement de roulement est établi pour déterminer la combinaison optimale des paramètres de contact de simulation : entre le sol et le sol, le coefficient de récupération est de 0,402, le coefficient de frottement statique est de 0,621 et le coefficient de frottement de roulement est de 0,078 ; entre les parties en contact avec le sol et le sol, le coefficient de récupération est de 0,508, le coefficient de frottement statique est de 0,401 et le coefficient de frottement de roulement est de 0,2. De plus, les paramètres d'étalonnage sont sélectionnés comme paramètres de contact pour la simulation par éléments discrets. En combinant les deux méthodes de simulation ci-dessus pour analyser et comparer le processus de simulation de la coupe du sol des pièces de rouleau du motoculteur aux pièces à lame unique du motoculteur, nous avons obtenu les changements d'énergie, de résistance à la coupe et de mouvement des particules du sol à différentes profondeurs du processus de coupe du sol. Enfin, la résistance moyenne à la coupure a été utilisée comme indice de validation dans les essais sur le terrain. La valeur mesurée est de 0,96 kN et l'erreur de la simulation par éléments discrets est de 13 %. Cela démontre la validité des paramètres de contact calibrés et la précision de la simulation, qui peut fournir une référence théorique et un support technique pour l'étude des mécanismes d'interaction entre les pièces d'équipement de travail du sol et le sol, ainsi que la conception et l'optimisation de ces interactions dans le futur.

La technologie mécanisée de travail du sol et de préparation du sol est la technologie mécanisée la plus élémentaire pour le travail agricole. C'est aussi un outil important pour améliorer la qualité des terres arables1,2. Notamment, le rouleau de coupe rotatif est en contact direct avec le sol, ce qui affecte la qualité et l'efficacité du fonctionnement à tout moment. Ainsi, la précision des simulations de coupe doit être améliorée pour calibrer et optimiser les paramètres de contact avec le sol.

Avec le développement de la conception technique assistée par ordinateur, les méthodes de simulation numérique ont été continuellement appliquées à divers domaines, dont le génie agricole3,4. Le principal avantage des simulations numériques est leur capacité à produire des prédictions rapides sans avoir besoin de plusieurs tests sur le terrain5,6. Ces dernières années, les méthodes des éléments discrets (DEM)7,8 et de l'hydrodynamique des particules lissées (SPH)9 ont montré des avantages uniques en révélant les mécanismes d'interaction entre les composants des machines agricoles et les particules du sol. Makange10 a introduit des éléments de liaison entre les particules DEM dans le modèle de contact pour simuler le sol cohésif réel et a étudié les forces horizontales et verticales et la perturbation du sol d'une charrue à différentes vitesses et profondeurs. Kim11 a modélisé les sols agricoles et prédit les forces de traction pour différentes profondeurs de travail du sol, a calibré le modèle de sol DEM à l'aide d'un test de cisaillement de lame virtuel et a effectué des tests sur le terrain avec une précision de prédiction de 7,5 % pour les forces de traction. AIKINS12 a intégré le modèle de ressort hystérétique et le modèle de cohésion linéaire pour calibrer les facteurs de frottement statique et de roulement des sols à haute viscosité et a vérifié la précision du calibrage des paramètres en les comparant avec des essais de tranchées. MILKEVYCH13 a établi un modèle de déplacement du sol causé par l'interaction entre le sol et les composants dans le processus de désherbage basé sur la méthode discrète, et les tests simulés et mesurés de déplacement du sol étaient cohérents. Uggul et Saunders14 ont simulé l'interaction entre la charrue à plaques et le sol à l'aide de la méthode DEM, et les résultats ont été comparés à des tests expérimentaux, des résultats analytiques de force de traction et des mesures de profil de sillon. Les résultats ont révélé que le DEM a le potentiel de prédire l'interaction sol-versoir avec une précision raisonnable. Li15, Lu16, Kang17 et Niu18 ont effectué des simulations de coupe de sol impliquant une dynamique de particules lisses pour obtenir la loi de changement du mouvement du sol et de l'énergie de coupe. Les paramètres structurels ont été optimisés pour réduire la consommation d'énergie, et enfin, l'exactitude de la simulation a été vérifiée à l'aide de l'essai de canal de sol. Liu19 a comparé les méthodes de simulation SPH et FEM dans le processus de coupe du sol. Les résultats de la simulation étaient similaires lorsqu'il n'y avait pas de distorsion du maillage au stade initial. Avec la distorsion du maillage, l'algorithme FEM produisait des erreurs. Ainsi, la méthode de couplage FEM-SPH a été proposée pour tirer parti des avantages respectifs, et la faisabilité de cette méthode a été vérifiée.

DEM est une méthode de calcul numérique pour l'analyse de systèmes discrets mécaniques discontinus dynamiques complexes20. Il peut simuler efficacement le mouvement microscopique et macroscopique entre les matériaux et présente des avantages dans l'étude des machines agricoles. De plus, FEM a une efficacité et une précision élevées dans le calcul de la déformation mécanique des milieux continus21,22, tandis que SPH a un plus grand avantage dans la simulation de grandes déformations, de gros dommages et d'une non-linéarité élevée23. Par conséquent, cet article utilise des tests physiques et de simulation, ainsi qu'une conception d'optimisation expérimentale, pour calibrer les paramètres de contact liés au sol et utilise des méthodes de couplage DEM et FEM-SPH pour effectuer une analyse de simulation de coupe. Parmi eux, la particularité et la nouveauté de l'article sont que les deux méthodes de simulation sont intégrées pour réaliser la simulation de la dynamique de coupe du sol du rouleau de timon rotatif et du couteau de travail du sol rotatif unique respectivement, et la précision de la simulation est améliorée en calibrant les paramètres de contact, et finalement, pour étudier les lois du mouvement complexe du sol et les changements de consommation d'énergie des composants pendant la coupe.

Le modèle 3D du rouleau de coupe rotatif est modélisé à l'aide du logiciel SOLIDWORKS. La structure de la lame rotative adopte la norme nationale du "couteau de machines de travail du sol rotatif et siège de couteau". Le matériau de la lame est en acier à ressort 65Mn. Le modèle 3D du test de simulation est basé sur la lame rotative, le porte-couteau et l'axe du rouleau du composant de travail du sol rotatif (modèle 1GQK-125). Le modèle d'assemblage du rouleau à lame rotative est illustré à la Fig. 1.

Les modèles de pompe péristaltique.

Le sol a été utilisé à une profondeur de 0 à 50 cm dans le village de Wugong, ville de Shihezi, province du Xinjiang, Chine du Nord. La configuration de la texture du sol consistait principalement en un sol meuble. La densité du sol a été mesurée à l'aide d'une méthode d'échantillonnage en cinq points à l'aide d'un couteau annulaire (100 cm3) et d'une balance électronique (0,01 g), et la densité moyenne était de 1250 kg/m3. La teneur moyenne en humidité du sol était de 9,63 %, mesurée à l'aide de l'humidimètre de sol TDR300. La solidité moyenne du sol à 40 cm de profondeur était de 2,14 MPa, mesurée à l'aide d'un appareil de mesure de la solidité du sol SC900. Pour les autres paramètres, reportez-vous à la référence 24 et obtenez les paramètres du sol et d'autres matériaux de l'acier 65 Mn comme indiqué dans le tableau 1.

Des expériences d'étalonnage ont été menées selon la méthode d'optimisation de Box-Behnken dans le logiciel Design-Expert, en construisant des modèles de contact d'éléments discrets et des modèles de particules de sol. L'étalonnage a été effectué à l'aide du test d'angle d'appui du sol et la simulation de glissement du sol a été utilisée pour mesurer les valeurs d'angle d'accumulation et d'angle de frottement de glissement. L'optimisation de la simulation visait à prédire les résultats de mesure réels des expériences physiques. Ensuite, nous avons obtenu la solution de groupe la plus proche de la valeur mesurée et l'avons utilisée comme combinaison optimale pour l'étalonnage.

Le sol est une combinaison complexe de particules de sol, d'eau et de gaz, et il existe différents types de liaisons chimiques. L'existence d'eau dans le sol provoque une adhérence entre les particules du sol, formant ainsi des agrégats de particules. Pour simuler avec précision les contraintes mécaniques sur les particules de sol sous action mécanique, il est nécessaire d'établir un modèle de mécanique de contact adapté.

La déformation plastique des matériaux a été utilisée pour créer un modèle d'élasticité de contact retardé basé sur le type de sol évalué25,26 (modèle de contact à ressort hystérétique, HSCM). Le modèle permet d'ajouter le comportement de déformation plastique aux équations de la mécanique de contact, de sorte que les particules se comportent élastiquement sous une contrainte prédéfinie. La généralisation physique des relations de contact interparticulaire et des relations force-déplacement est illustrée à la Fig. 2.

Sol en mode contact HSCM.

Sur la figure 2, Oa et Ob sont les positions des centres sphériques de deux particules, Ra et Rb sont les rayons de deux particules (mm), δn est le chevauchement normal de la collision des particules (mm), δ0 est le chevauchement résiduel entre les particules (mm), Fs et Ft sont la force de contact normale et la force d'amortissement (N), fs et ft sont la force de contact tangentielle et la force d'amortissement (N) et μ est le coefficient de frottement.

La force normale HSCM FN est calculée à l'aide de l'équation suivante :

où, K1 et K2 sont les rigidités de chargement et de déchargement, respectivement. Alors, δn est le recouvrement normal et δo est le recouvrement résiduel.

La rigidité de chargement K1 est liée à la limite d'élasticité de chaque matériau impliqué dans le contact. La relation entre Y1 et Y2 s'exprime comme suit :

où, R* est le rayon équivalent de deux particules de contact, et Y1 et Y2 sont les limites d'élasticité des particules a et b, respectivement.

L'expression suivante pour le facteur de récupération e peut être utilisée avec K2 pour déterminer K1

La quantité de chevauchement résiduel est mise à jour à chaque pas de temps selon la loi suivante :

Le principal mécanisme de dissipation d'énergie dépend de la différence de raideur du ressort entre les phases chargées et déchargées.

En consultant la base de données des sols chinois à partir des échantillons de sol expérimentaux, la taille et la forme des particules du sol ont été obtenues. Le métalogiciel discret EDEM a été utilisé pour créer des particules de sol qui correspondent au sol utilisé dans l'expérience sur la base d'un modèle sphérique simplifié. Un total de 3 particules de sol ont été modélisées, comme le montre la Fig. 3. (a) Modèle à boule unique, avec un rayon de 6 mm; (b) modèle à deux sphères, avec un rayon de sphère unique de 6 mm et un rayon combiné de 8 mm ; (c) modèle linéaire à trois sphères, avec un rayon de sphère unique de 5 mm et un diamètre combiné de 9 mm.

Modèle de particules de sol.

Trois particules discrètes de sol de formes et de tailles différentes seront générées de manière aléatoire dans l'usine de particules du logiciel EDEM pour simuler différentes particules de sol dans un sol réel.

Nous avons établi un test de simulation d'angle d'accumulation de sol pour calibrer les paramètres de contact entre les particules de sol (Fig. 4a), en attendant que toutes les particules de sol se déplacent au fond de l'entonnoir pour former une accumulation stable, et après stabilisation, nous mesurons l'angle à utiliser comme valeur d'étalonnage par rapport aux données expérimentales.

Essai d'angle de repos.

Ensuite, nous avons effectué des tests physiques de l'angle de repos (Fig. 4b). La mesure de l'angle d'accumulation du sol a été automatisée à l'aide de méthodes de traitement d'image telles que la binarisation d'image MATLAB, la segmentation, l'inversion et la détection et l'ajustement des bords de l'opérateur Canny27. La mesure automatique du processus de traitement d'image spécifique est illustrée à la Fig. 5. Pour garantir la précision de la mesure, le test a été répété 20 fois pour prendre la valeur moyenne, et le résultat final de la mesure était de 34,98°, dont la valeur a été utilisée comme valeur cible pour la méthode de surface de réponse.

Processus de traitement d'image pour la mesure automatique de l'angle d'empilement.

Les paramètres de contact entre le sol et le matériau composant le rototill (acier 65Mn) ont été calibrés à l'aide d'essais de simulation de glissement de sol (Fig. 6a). Pour contrôler plus précisément les conditions d'essai et mesurer les résultats d'essai correspondants, nous avons utilisé l'angle de frottement de glissement obtenu lorsque certaines particules de sol (> 30 %) glissent sur la plaque inclinée comme base pour calibrer l'essai. Dans le même temps, nous avons effectué le test physique de glissement de sol (Fig. 6b), qui a été répété 20 fois pour prendre la valeur moyenne. Le résultat final du test est de 26,98°, qui a été utilisé comme valeur cible pour la méthode de la surface de réponse.

Test de glissement de sol.

Nous avons utilisé la méthode Box-Behnken dans le logiciel Desin-expert pour la conception expérimentale de l'angle d'accumulation du sol et l'étalonnage des paramètres de simulation du test de glissement. Les résultats de l'expérience physique de l'angle d'empilement (39,98°), l'échelle de simulation (petite échelle) et la densité d'empilement du matériau (1250 kg/m3) sont entrés dans la base de données générique du modèle de matériau EDEM (GEMM) pour obtenir les paramètres pertinents. Les plages ont été déterminées conjointement selon la littérature28,29,30,31 : coefficient de récupération sol à sol X1 (0,2–0,6), coefficient de frottement au roulement X2 (0,14–0,4) et coefficient de frottement statique X3 (0,3–0,7). Selon la littérature32,33, les écarts entre le sol et la fraise rotative (65 Mn) ont également été déterminés : coefficient de récupération X4 (0,28–0,6), coefficient de frottement au roulement X5 (0,04–0,2) et coefficient de frottement statique X6 (0,3–0,6).

Les X1, X2, X3, X4, X5 et X6 mentionnés ci-dessus ont été sélectionnés comme facteurs d'influence du test, en utilisant l'angle de repos sol-sol Y1 et l'angle de frottement sol-plaque (acier 65 Mn) Y2 comme indices d'évaluation. Nous avons mis en œuvre un total de 17 séries d'expériences. Les codes de niveau de facteur des tests de simulation sont présentés dans le tableau 2, et les résultats des tests d'angle d'appui du sol et de simulation de glissement sont présentés dans les tableaux 3 et 4, respectivement.

Compte tenu du mode de coupe de l'outil et des exigences de traitement des conditions aux limites, le modèle de bac de sol est conçu comme un corps rectangulaire non couvert de 1200 mm × 600 mm × 250 mm, et une surface virtuelle est établie au-dessus. Nous avons fixé l'accélération gravitationnelle le long de l'axe Y à 9,81 m/s et avons généré 1,8 × 106 particules de sol pour remplir le creux et simuler l'environnement de coupe du sol du motoculteur. Dans le même temps, nous avons défini le couteau rotatif avec la même vitesse d'avancement v = 800 m/h et la même vitesse de rotation, n = 110 r/min, et une rotation dans le sens antihoraire pour couper le sol, comme effectué dans l'essai sur le terrain ultérieur. Le modèle établi de l'interaction motoculteur-sol est illustré à la Fig. 7.

Modèle DEM de l'interaction motoculteur-sol.

Combinant les avantages et les inconvénients des méthodes FEM et SPH, l'algorithme SPH est utilisé dans la plus grande zone de déformation, c'est-à-dire la partie sol, et l'algorithme FEM est utilisé pour la plus petite zone de déformation, c'est-à-dire la partie rotative du timon. Cette méthode peut maximiser les avantages des deux méthodes pour fournir une plus grande précision et efficacité de la solution de calcul.

Le fichier K a été importé du logiciel ANSYS après maillage et à l'aide du logiciel d'éléments finis LS-Prepost pour modifier les mots-clés. Ensuite, nous avons converti tous les nœuds du modèle d'éléments finis du sol en particules SPH correspondantes. Au cours du processus de conversion, nous nous sommes assurés que le nombre de mailles lors du maillage est le même que le nombre de particules SPH générées, le résultat de la conversion est illustré à la Fig. 8.

Modèle de transition de nœud FEM-SPH.

Parmi eux, un algorithme d'intégration à point unique de type Lagrange a été utilisé pour diviser le maillage des éléments finis du sol avec une longueur d'arête de 10 mm. Des contraintes fixes ont été ajoutées au fond et aux côtés du modèle de sol, et le facteur de pénalité de l'interface de glissement a été défini comme 0,2, le facteur de frottement dynamique était de 0,18 et le facteur de frottement statique était de 0,2. Pendant ce temps, le mode de contact entre la fraise rotative et le sol a été défini comme contact d'érosion point-surface. Une fois toutes les conditions aux limites définies, les fichiers K ont été enregistrés et importés dans LS-dyna Solver pour le calcul et la solution.

Ici, nous avons choisi le matériau de modèle de sol MAT n° 147 (*MAY_FHWA_SOLID) avec un critère de Mohr-Coulomb modifié34, qui ajoute le taux de déformation, l'effet de la teneur en eau et la suppression des cellules. La surface de rendement pour ce modèle F est exprimée par :

où, P est la pression (Pa), φ est l'angle de frottement interne (°), J est le 2e invariant du tenseur de biais de pression, K(\(\theta^{2}\)) est une fonction de l'angle du plan tenseur, c est la force cohésive et ahyp est la similarité de surface d'élasticité du critère de rendement Mohr-Coulomb modifié.

L'analyse de variance (ANOVA) a été réalisée à l'aide du logiciel Design-Expert, qui montre que le test P pour les coefficients de régression des modèles d'angle d'accumulation de sol et d'angle de frottement de glissement dans le modèle de régression de surface de réponse est significatif, alors que le terme d'inadéquation n'est pas significatif. De plus, la qualité de l'ajustement des deux modèles de régression est de 0,91 et 0,92. En outre, une ANOVA a été obtenue pour les essais d'angle d'accumulation de sol et d'angle de frottement de glissement, comme indiqué dans le tableau 5. Le modèle établi est en corrélation avec des expériences pratiques et peut bien prédire l'expérience. À partir du test F du coefficient de récupération, les coefficients de frottement dynamique et de frottement statique entre les particules de sol peuvent être obtenus, ainsi qu'entre le sol et le couteau rotatif (acier 65Mn), en utilisant les équations de régression de l'angle de repos du sol Y1 et de l'angle de frottement de glissement du sol Y2 comme suit :

où, X1, X2, X3 est le coefficient de récupération, le coefficient de frottement dynamique et le coefficient de frottement statique entre le sol et le sol. X4, X5, X6 est le coefficient de restauration, le coefficient de frottement dynamique et le coefficient de frottement statique entre le sol et le couteau rotatif de travail du sol.

Les grandeurs des coefficients de régression de chaque facteur du modèle sont présentées dans le tableau 2, révélant l'importance de chaque facteur sur l'angle de repos et l'angle de frottement de glissement du sol : les termes de régression X2, X3, X6, X42 et X62 présentaient des effets très significatifs, et X2X3 et X5X6 présentaient des effets significatifs. Nous avons également observé l'ordre de signification de chaque facteur sur les modèles d'angle de repos du sol et d'angle de frottement de glissement, avec X3 > X2 > X1 et X6 > X5 > X4, respectivement.

À partir des résultats obtenus à l'aide de la méthode de surface de réponse, les paramètres de contact optimaux entre les particules de sol et entre le sol et le couteau rotatif (acier 65Mn) ont été déterminés, comme indiqué dans le tableau 6. Pour vérifier l'exactitude des paramètres de contact calibrés, nous avons implémenté les valeurs des paramètres de contact du sol calibrés expérimentalement dans le logiciel EDEM. La simulation a été répétée 10 fois de plus et nous avons mesuré la valeur moyenne pour obtenir l'angle de repos et l'angle de frottement du sol de 35,7° et 29,23°, respectivement. Par rapport à l'angle de repos et à l'angle de frottement de glissement du sol mesurés par des tests physiques, les erreurs avec les tests physiques réels étaient de 2,01 % et 2,5 %, respectivement, et le cône du pieu de sol obtenu à partir du test de simulation de l'angle de repos du sol était similaire au cône du test physique. À partir des résultats de mesure et des profils, les paramètres de sol calibrés permettent au modèle de simulation par éléments discrets de mieux correspondre aux particules de sol réelles.

Dans le post-traitement EDEM, les particules de sol et les mouvements du couteau rotatif étaient indiqués en couleur. Les couteaux entrent en contact avec les particules de sol et augmentent leur vitesse, et le sol coupé présente un mouvement ascendant le long de la direction de coupe, comme illustré à la Fig. 9.

Processus de simulation de coupe.

Au fur et à mesure que la fraise rotative pénètre progressivement dans le sol, le bord de coupe positif de la fraise entre d'abord en contact avec le sol, puis le sol est écrasé dans la direction de la fraise par l'extrusion supérieure du bord de coupe sur le côté, et la zone perturbée du sol augmente progressivement (Fig. 9a–c). Ensuite, le sol est davantage perturbé par la double action des arêtes de coupe latérales et des arêtes des multiples lames rotatives de travail du sol, qui sont apparues le long des lames dans le sens de rotation antihoraire, jusqu'à ce que le rouleau à couteaux soit complètement plongé dans le sol, la zone de perturbation du sol a atteint un maximum (Fig. 9d). Cette simulation révèle également l'effet de poussée longitudinale du rouleau à couteaux sur le sol lors du rototillage. Enfin, lorsque le rouleau à couteaux quitte progressivement le sol, la zone de perturbation du sol diminue progressivement (Fig. 9e, f).

La résistance de travail de la lame rotative est illustrée à la Fig. 10. Pendant le processus de coupe, la résistance de coupe est de 0 lorsque la lame rotative n'est pas en contact avec le sol. Avec la rotation de l'arbre du rouleau, la lame rotative entre progressivement en contact et pénètre dans le sol, et la résistance à la coupe augmente progressivement. Avec la rotation continue de la lame, la surface de contact avec le sol de la lame rotative et le volume de coupe du sol sont augmentés, et sa profondeur de labour devient également progressivement plus grande. Après avoir atteint la valeur de profondeur de labour maximale, la résistance correspondante du rouleau à lames atteint également le maximum.

Courbe de résistance à la coupe.

Pour étudier les changements d'énergie dans le processus de coupe du sol pour la lame rotative et le mouvement microscopique du sol, nous avons simplifié le couteau rotatif en sélectionnant une seule pièce de couteau rotatif pour modéliser la simulation, ce qui a raccourci le temps de simulation et amélioré la précision de la simulation. Le processus de simulation est illustré à la Fig. 11.

Processus de simulation de coupe de la méthode de simulation FEM-SPH.

La variation de la consommation d'énergie (énergie interne) de l'opération de coupe du sol à l'aide d'un seul couteau rotatif est illustrée à la Fig. 12. Avec l'augmentation de la surface de contact entre le sol et le couteau, la consommation d'énergie interne du couteau rotatif augmente progressivement et lorsque le couteau rotatif quitte le sol, la consommation d'énergie totale reste à un niveau stable (c'est-à-dire qu'elle cesse d'augmenter).

Changement d'énergie interne d'une seule lame rotative pendant la coupe.

Pour afficher le mouvement des particules de sol de manière plus intuitive. Nous avons sélectionné différentes surfaces de sol, y compris la couche supérieure (particule A ; Nœud : 128544), la couche intermédiaire (particule B ; Nœud : 125758) et la couche profonde (particule C ; Nœud : 120172). Ensuite, nous avons obtenu les courbes de vitesse d'une particule SPH à chaque profondeur, comme illustré à la Fig. 13. Dans le processus de coupe (50 à 1 000 ms), l'ordre des vitesses de déplacement des particules de sol de grande à petite était les particules de surface, les particules moyennes et les particules profondes. Lorsque le couteau rotatif quitte le sol, les particules de sol ont toujours de la vitesse, mais le degré de mouvement diminue progressivement, ce qui est cohérent avec l'analyse illustrée à la Fig. 10 et les conditions de travail réelles d'une lame incurvée rotative.

Vitesse du mouvement des particules de sol à différentes profondeurs de couche.

Pour vérifier l'exactitude des paramètres de contact calibrés et des simulations, un test sur le terrain a été effectué (mai 2022 dans le village de Wugong, ville de Shihezi, Xinjiang). Le sol avait une fermeté moyenne du sol de 2,16 MPa et une teneur en eau de 10,64 %. Le tracteur TN654 a été utilisé pour le travail du sol et l'équipement d'essai comprenait un dispositif de travail du sol rotatif, un tachymètre mécanique (plage de 0 à 400 tr/min-1) et un système de télémétrie dynamique NJTY3. Des images de l'équipement de mesure et du test de travail du sol sont présentées à la Fig. 14.

Test de coupe sur le terrain.

La résistance au travail et la consommation d'énergie ont été mesurées par télémétrie sans fil, en adoptant la solution technique consistant à prendre en charge le capteur de couple intégré à l'arbre de sortie de puissance et le capteur de traction à suspension à trois points sans cadre. Nous avons défini les paramètres de mouvement pour qu'ils soient cohérents avec la simulation d'éléments discrets pour les tests sur le terrain. Autrement dit, la vitesse d'avancement v = 1100 m/h, le taux n = 120 r/min. La force de coupe moyenne mesurée était de 0,92 kN, révélant une erreur de 15 % pour la simulation par éléments discrets. La force de coupe dans la pratique était supérieure à la valeur de simulation car l'opération réelle était soumise à une consommation supplémentaire causée par les racines, les débris et d'autres frottements et usures du sol.

Nous avons établi des modèles de régression pour l'angle de repos du sol et l'angle de frottement de glissement, qui ont révélé des valeurs d'ajustement de 0,91 et 0,9, respectivement. Nous avons également obtenu l'amplitude et l'ordre de signification des effets des trois facteurs et interactions, révélant l'ordre suivant : coefficient de frottement glissant > coefficient de frottement statique > coefficient de récupération.

Nous avons utilisé la détection des bords de l'opérateur Canny et d'autres méthodes de traitement d'image pour obtenir une mesure automatique de l'angle d'accumulation du sol, améliorant efficacement l'efficacité et la précision. En utilisant la méthode d'optimisation de la surface de réponse, nous avons obtenu la combinaison optimale des paramètres de contact entre le sol : coefficient de récupération de 0,48, coefficient de frottement de roulement de 0,56 et coefficient de frottement statique de 0,24. La combinaison optimale des paramètres de contact entre le sol et l'outil a également été obtenue : coefficient de récupération de 0,5, coefficient de frottement au roulement de 0,1 et coefficient de frottement statique de 0,31. Pour vérifier l'exactitude des paramètres de contact simulés calibrés, les paramètres de contact optimaux obtenus ont été à nouveau soumis à des tests de simulation d'angle d'accumulation de sol, et les erreurs par rapport aux valeurs mesurées physiquement étaient de 2,01 % et 2,5 %, qui se situaient dans la plage acceptable, indiquant que les paramètres de contact calibrés ont une fiabilité améliorée.

En utilisant les paramètres d'étalonnage comme paramètres de contact dans la simulation DEM, nous pouvons observer efficacement et intuitivement le processus de rupture du sol, les changements dans la zone de perturbation du sol et obtenir les courbes du changement périodique de la force de coupe pour la fraise.

D'après les essais sur le terrain, en utilisant la résistance à la coupe comme indice pour vérifier les simulations, la force de coupe moyenne du rouleau à couteaux mesuré était de 0,98 kN et la force de coupe du processus de coupe était supérieure à la valeur de simulation. L'erreur de force de coupe moyenne de 13 % a été observée pour la simulation DEM. De plus, les deux effets de sol rotatifs sont presque les mêmes pour les résultats expérimentaux et simulés.

Ce travail peut servir de référence théorique et de support technique pour déterminer les mécanismes d'interaction entre le sol et les composants des équipements, tels que les herses à disques et les socs, ainsi que pour aider à la conception et à l'optimisation des équipements associés.

Les ensembles de données utilisés ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Le logiciel de modèle numérique au cours de l'étude en cours est disponible auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par le projet de construction d'une plate-forme de démonstration pour la production et l'application nationales de nouveaux matériaux - plate-forme de démonstration pour la production et l'application de matériaux sur les équipements de machines agricoles (numéro de subvention TC200H01X-5).

Collège de génie mécanique et électrique, Université Shihezi, Beisi Road, Shihezi, 832003, Xinjiang, Chine

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

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Recherche : XZ, XH Méthodologie : XZ Logiciel : HW, XZ Études expérimentales : XZ, XH, XS Acquisition et analyse des données : XZ, XH, HW Rédaction — projet original : XZ Rédaction — révision et édition : XH, XZ Approbation de la version finale du manuscrit : LZ Administration du projet : LZ Acquisition de financement : LZ Tous les auteurs acceptent la publication du manuscrit.

Correspondance à Lixin Zhang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Zhang, X., Zhang, L., Hu, X. et al. Étalonnage des paramètres de contact des composants typiques du travail du sol rotatif sur la base de différentes méthodes de simulation. Sci Rep 13, 5757 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32881-1

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Reçu : 24 juin 2022

Accepté : 04 avril 2023

Publié: 08 avril 2023

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

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