Numerische Simulation und Parameteroptimierung von Erdbohrern in hügeligem Gelände mithilfe der EDEM-Software

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19526 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Das Umgraben in hügeligen Regionen ist eine wichtige Maßnahme zur Förderung der Aufforstung auf schwierigen Standorten. Im Hinblick auf die Arbeitsbedingungen beim Bau einer Fischschuppengrube am Hang wurde in dieser Studie der Schneckenmechanismus zum Heben und Werfen des Bodens untersucht. Diese Studie nutzte die EDEM-Software, um das Betriebsmodell des Erdbohrers zu erstellen und virtuelle DEM-Simulationsexperimente (Discrete-Elemente-Methode) durchzuführen. Ein quadratisch rotierender orthogonaler Zentrumskombinationstest wurde implementiert, indem die Effizienz der Bodenförderung (Y1) und die Wurfweite des Bodens (Y2) als Bewertungsindizes festgelegt wurden. An den virtuellen Versuchsdaten wurden Varianzanalyse und Antwortflächenoptimierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Gewicht der Faktoren, die Y1 und Y2 beeinflussten, Zufuhrgeschwindigkeit > Spiralwinkel > Rotationsgeschwindigkeit > Neigungswinkel und Neigungsschnecke > Rotationsgeschwindigkeit > Zufuhrgeschwindigkeit > Spiralwinkel waren. Für jeden Einflussfaktor wurde die optimale Parameterkombination ermittelt. Als die Böschungsvorbereitung erforderlich war, war die optimale Betriebsparameterkombination der Schnecke: Neigung von 26,467°, Spiralwinkel von 21,567°, Vorschubgeschwindigkeit von 0,1 m/s, Rotationsgeschwindigkeit von 67,408 U/min. Diese Forschung liefert theoretische Referenzen für die Designoptimierung der Erdbohrmaschine in hügeligen Regionen.

Bei der energischen Förderung der großflächigen Begrünung von Flächen in der gesamten Gesellschaft besteht das Hauptproblem darin, dass zum jetzigen Zeitpunkt das Gelände der zu erschließenden Waldgebiete komplex, die Hangveränderungen vielfältig und die Aufforstungsbedingungen schwierig sind. Der Grad der Mechanisierung der Aufforstung ist sehr gering, was die Expansionsgeschwindigkeit der Aufforstung begrenzt.

Die Vorbereitung des Bodens, auch Grubengrabung genannt, ist einer der wesentlichen Schritte im Aufforstungsprozess. Es wird häufig in forstwirtschaftlichen Produktions- und Betriebsprozessen wie Baumpflanzung, Bodenlockerung und Tiefendüngung eingesetzt1. In diesem Stadium ist der entwickelte Erdbohrer gut an flache Gebiete anpassbar und erfreut sich großer Beliebtheit2,3. In hügeligen und bergigen Gebieten mit komplexem Gelände haben die vorhandenen Schnecken Probleme mit der geringen Effizienz und dem geringen Sicherheitsfaktor im Anwendungsprozess4.

Um die mangelnde Anpassungsfähigkeit von Erdbohrern und anderen Maschinen und Werkzeugen an hügelige Regionen zu überwinden, wird in den Aufforstungsvorschriften eine vorab ebene Vorbereitung des Geländes am Hang5 gelöst. Allerdings sind die Arbeiten zur Bodenvorbereitung umfangreich und die ursprüngliche Landschaftsform ist schwer beschädigt. Andererseits können große Maschinen aufgrund des engen regionalen Raums und des komplexen Geländes keine Landvorbereitung durchführen. Die horizontale Landvorbereitung ist offensichtlich nicht die effizienteste Art der Baumpflanzung6. Bei der Pflanzung von Bäumen am Hang ist die Bildung von Fischschuppengruben eine der effektivsten Möglichkeiten, Wasser und Boden zu schonen. Die fächerförmige Bodenansammlungsspitze hat nach dem Graben am Hang die gleiche Form wie die Fischschuppengrube, wie in Abb. 1 dargestellt. Nach der Formung der Bodenform muss nur noch manuell verstärkt werden7,8. Durch die Untersuchung der Technologie zur künstlichen Formung von Fischschuppengruben untersucht diese Studie den maschinellen Grabvorgang am Hang, um Hilfen für die Formung von Fischschuppengruben bereitzustellen.

Pflanzwald mit Fischschuppengrube.

In den 1870er Jahren begann die Erforschung des Mechanismus der Erdbohrmaschine. Lian et al. führte frühe Forschungen und Zusammenfassungen zur Designtheorie von Schnecken durch. Bisher wurden viele empirische Formeln als Referenz für Forscher verwendet9,10. Die Wissenschaftler Macphersonet et al. untersuchten jeweils den Stromverbrauch und die Biege-Torsionsschwingung von Bohrmeißeln, was zur Konstruktion und Innovation von Baggern beitrug11,12. Um die Probleme der Verstopfung und der übermäßigen Verfüllrate beim Bodentransport zu lösen, haben viele Experten in den letzten Jahren MATLAB, ADAMS, ANSYS und andere Simulationsanalysesoftware verwendet, um die Statik und Dynamik der Schnecke zu analysieren13,14,15 .

Die räumliche Verschiebung und Fluktuation des Bodens sowie der Wechselwirkungsmechanismus zwischen Boden-Boden und Boden-Werkzeug sind die Schlüsselfaktoren, die den Energieverbrauch und die Betriebswirkung von Erdbohrern beim Schneiden und Transportieren von Boden beeinflussen. Obwohl diese Studien für das Schneckendesign und die Parameteroptimierung wichtig sind, werden sie selten dokumentiert und veröffentlicht. Daher ist es besonders wichtig, den kontinuierlichen Prozessmechanismus des Schnitttransports und die dynamische Reaktion des Bodens zu untersuchen.

Mustafa, Kojo, Wang und andere Experten verwendeten die Methode der diskreten Elemente, um die Wechselwirkung zwischen Bodenbearbeitungskomponenten und Boden, wie Vertikutierer, Kreiselgrubber, Pflug usw., zu simulieren. Die Verteilung von Spannung und Belastung im Boden, dynamische Bodenreaktion (wie Boden). Verschiebung) und physikalische Parameter in der Boden-Maschine-Schnittstelle werden ermittelt (insbesondere Tiefgang und Vertikalkräfte, Energieverbrauch usw.)16,17,18. DEM ist eine der am häufigsten verwendeten numerischen Methoden bei der Modellierung und vollständigen Simulation landwirtschaftlicher Prozesse (z. B. Grubenaushub)19. Jin et al. untersuchten mithilfe von EDEM die spiralförmige Boden-Düngemittel-Mischanlage, analysierten die Gleichmäßigkeit der Boden-Düngemittel-Mischung und ermittelten die besten Parameter für den Mischvorgang20. Daher wird in dieser Studie die Boden- und Hangmodellierung mithilfe von EDEM entwickelt und der Prozess des Schneckenschneidens und des Bodentransports am Hang simuliert. Anhand der Simulationsergebnisse werden die dynamischen Eigenschaften des Bodens analysiert und die Strukturparameter und Betriebsparameter der Schnecke optimiert.

Abbildung 2 zeigt das Modell einer Schnecke, die am Hang arbeitet. Der Erdbohrer besteht aus Spiralmessern, Bohrern und der Spitze des Bohrers sowie anderen Schlüsselkomponenten. Der Boden wird von spiralförmigen Messern geschnitten und durch die Grube transportiert, um einen zylindrischen Grubenkörper zu bilden20.

Modell einer Schnecke, die am Hang arbeitet.

Der Prozess der Bodenbewegung auf der Oberfläche von Spiralblättern kann durch Beobachtung der Phänomene von Feldvorexperimenten und virtuellen Simulationen ermittelt werden. Das Bohren des Bodens lässt sich entsprechend der Einzugstiefe der Schnecke in drei Arbeitsgänge unterteilen.

Der erste Prozess ist die Schnittneigung. Die beiden Spiralmesser schneiden abwechselnd den angehobenen Boden. Die erste Möglichkeit besteht darin, dass der Boden durch die Zentrifugalkraft direkt die Spiralblätter verlässt, die Projektilbewegung vervollständigt und die Bodenoberfläche erreicht. Wenn das bodenschneidende Ende der Schnecke die hochgelegene Seite des Hangs verlässt und in die Luft gelangt, rutscht der Boden aufgrund seiner Schwerkraft entlang der Schaufeloberfläche auf die Bodenoberfläche.

Der zweite Prozess ist der tiefere Grabvorgang. Das schneidende Ende des Spiralmessers taucht vollständig in den Boden ein und schneidet den Boden kontinuierlich. Wenn der Boden die Oberfläche erreicht, fließt aufgrund der unterschiedlichen Grubenwandhöhen an der Grubenmündung der größte Teil des Erdreichs auf der Höhenseite aus der Grube ab. Es entsteht ein vorläufiger fächerförmiger Bodenansammlungspeak.

Der dritte Vorgang ist das Ausheben einer Grube, ähnlich wie in den Flachlandregionen. Wenn die Höhe des Bodenansammlungsgipfels auf der Seite mit geringer Höhe so angesammelt wird, dass sie mit der Höhe auf der Seite mit großer Höhe übereinstimmt, wird der Boden nach Erreichen der Grubenmündung gleichmäßig verstreut, um eine horizontale, kreisförmige Grubenmündung für den Bodenansammlungsgipfel zu bilden.

Daraus lässt sich schließen, dass sich die Bohrarbeiten in hügeligen Gebieten hinsichtlich der Bodenbewegung und -verteilung von denen in ebenen Gebieten unterscheiden, wie in Abb. 3 dargestellt. Aufgrund des Gefälles gibt es folgende Unterschiede im Grabvorgang. Die Schneidenden der beiden Spiralmesser brechen während des Böschungsschneidvorgangs abwechselnd den Boden auf. Die Form der Grube unter der Erde ist ein unregelmäßiger Zylinder, und die Bewegung des Bodens wird durch die Grubenwand nicht gleichmäßig beeinflusst. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist der Boden auf der Schnecke ungleichmäßig verteilt, wobei die Verteilung auf der höher gelegenen Seite stärker ausgeprägt ist. Nachdem der Boden die Hügeloberfläche erreicht hat, bewegt er sich entlang der Oberfläche in die geringere Höhe und bildet einen fächerförmigen Bodenansammlungsgipfel.

Diagramm des Grabvorgangs. (a) Der erste Prozess. (b) Der zweite Prozess. (c) Der dritte Prozess.

Dem Vorexperiment zufolge sind die Bodenfläche und die Höhenparameter der fächerförmigen Bodensammelspitze für den Bau einer Fischschuppengrube sehr wichtig. Wenn die untere Fläche der Bodensammelspitze zu groß ist, wäre die Bodenschicht an der Oberfläche zu dünn und es wäre schwierig, den Boden zu sammeln. Eine schlechte Austragsleistung (zu viel Erde in der Grube) führt zu einem zu geringen Bodenvolumen an der Oberfläche.

Die maximale Wurfweite des Bodens hängt hauptsächlich von der Projektilbewegung ab. Der Boden rutscht eine bestimmte Distanz nach unten und stoppt dann unter der Wirkung der Reibung, wie in Abb. 4 dargestellt. Aus diesem Bewegungsprozess lässt sich die Distanz zwischen Wurf und Boden ableiten, wie in den Gleichungen dargestellt. (1)–(12).

Schematische Darstellung des Bodenwurfvorgangs.

Aus dem Impulssatz lässt sich ableiten, dass die absolute Geschwindigkeit21 des Bodens beim Verlassen der Spiralblätter wie folgt ist. Die Erklärung der Symbole finden Sie in der „Tabelle des Anhangs“.

Mit

Nachdem der Boden die Spiralblätter verlassen hat, wird er hauptsächlich durch den Einfluss der Schwerkraft G = mg und des Luftwiderstands \({F}_{d}=km \nu\) beeinflusst. Gemäß der Bewegungsdifferentialgleichung erhält man die Formel wie folgt. Die Erklärung der Symbole finden Sie in der „Tabelle des Anhangs“.

Aufwärtsprojektilbewegung des Bodens:

Abwärtsprojektilbewegung des Bodens:

Der Boden rutscht am Hang hinab:

Die Wurfweite des Bodens:

Die Analyse wurde ohne Berücksichtigung des Materials der Schnecke und der Größe der Spitze und des Stabs der Schnecke durchgeführt. Gemäß der obigen Formel hängt die Wurfweite des Bodens hauptsächlich von der Oberflächenneigung, dem Spiralwinkel der Schnecke, der Drehzahl der Schnecke und dem Luftwiderstand ab. Unter den gleichen Bedingungen gilt: Je größer die Oberflächenneigung, desto länger dauert die Phase der Bodenwurfbewegung. Die Rotationsgeschwindigkeit und der Spiralwinkel der Schnecke hängen hauptsächlich von der Zentrifugalkraft ab, die die Anfangsgeschwindigkeit (kinetische Energie) der Projektilbewegung bestimmt.

Der Prozess der Bodenbewegung zwischen den Spiralblättern wurde vorübergehend ignoriert. Konzentrieren Sie sich auf den Vorgang des Aushebens des Bodens in der Grube und auf den Vorgang, den Boden außerhalb der Grube abzulassen. Die wichtige Voraussetzung, um zu verhindern, dass sich der Boden in dem aus Spiralmessern bestehenden Raum verstopft, besteht darin, dass der Prozess des Grabens und Ablassens des Bodens kontinuierlich erfolgt. Wenn die Grabtiefe H1 erreicht, nachdem sich die Schnecke um den Winkel \(\varphi \) gedreht hat, sollte die Erdmenge an jeder Position die folgenden Bedingungen erfüllen, ausgedrückt in Gleichung: (13).

In Gl. (13) sind auch die folgenden Beziehungen enthalten, wie in den Gleichungen gezeigt. (14)–(17):

mit

Gemäß Referenzen und Gl. (13)–(17) würde die Bodendicke h das Zusammenspiel der Bohrkräfte und die Größe des Bodenbewegungsraums beeinflussen22. Für Q1 hängt der Wert hauptsächlich von der Dicke h des pro Zeiteinheit ausgehobenen Bodens ab. Der Wert sollte so weit wie möglich erhöht werden, um die Effizienz des Grabens zu verbessern. Wenn h jedoch zu groß ist, würde es aufgrund der Platzbeschränkung der beiden Spiralblätter Q3 zu einer Überlastung kommen.

Was Q2 betrifft, so bestimmt die Glätte des Förderbodens die gleichmäßige Bereitstellung der nachfolgenden Bodenkraft und die Größe des Schneckenraums. Um Verstopfungen zu vermeiden, sollte Q2 so weit wie möglich erhöht werden. Für Q2 hängt der Wert hauptsächlich mit der Geschwindigkeit v0 zusammen, wenn der Boden die Oberkante der Grubenöffnung erreicht und das Spiralschild verlässt.

Für Q3 verwendet der Erdbohrer beim Tiefgraben im Allgemeinen eine doppelköpfige Spiralklinge mit besserer Stabilität. Der Bewegungsraum des Bodens auf der Doppelklinge ist halb so groß wie auf der Einzelklinge. Wenn die Erdblöcke daher zu dick sind, ist es wahrscheinlich, dass die obere Oberfläche des Bodens die untere Oberfläche des Spiralmessers berührt, was der Bodenverbesserung nicht förderlich ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Leistung der am Hang arbeitenden Erdschnecke durch die Überwachung der Effizienz beim Fördern des Bodens und der Entfernung beim Werfen des Bodens beurteilt werden kann.

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-d41104e2580">23.

Beschreibung des virtuellen Erdbehälters (Nehmen Sie zum Beispiel 35°. Alle Abmessungen sind in mm angegeben).

Das 3D-Modell der Böschung wurde mit der SOLIDWORKS-Software erstellt und als Pelletfabrik in die EDEM-Software importiert. Die DEM-Partikel waren bis zu einem Hohlraumgehalt von 33,37 % gepackt, gemessen am Boden im Feld. Tabelle 1 listet auch Eingabeparameter auf, die zur Definition von Boden-Boden- und Boden-Werkzeug-Wechselwirkungen verwendet werden.

Das Kontaktmodell ist eine wichtige Grundlage zur Analyse der Haftung zwischen mechanischen Teilen und Bodenpartikeln. Während des Grabvorgangs sind die Bodenpartikel verschiedenen zusammengesetzten Kräften ausgesetzt24,25. Gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz kann die lineare Bewegungs- und Rotationsgleichung des Bodenpartikels p als Gleichungen ausgedrückt werden: (18)–(21). Die Erklärung der Symbole finden Sie in der „Tabelle des Anhangs“.

Der Boden von Aufforstungsflächen weist im Allgemeinen einen höheren Feuchtigkeitsgehalt auf. Hier besteht ein kohäsiver und adhäsiver Charakter zwischen Boden-Boden und Boden-Werkzeug. Die Kohäsionskraft \({F}_{coh,pq}\) von Bodenpartikeln wird hauptsächlich anhand ihrer inneren Kohäsionseigenschaften bestimmt. Als primäres Kontaktmodell für Partikel-Partikel- und Partikel-Werkzeug-Wechselwirkungen wurde ein Hertz-Mindlin-Modell mit JKR und einem zusätzlichen modellbegrenzenden Kontaktmodell übernommen. Dieses Modell eignet sich zur Simulation von Materialien, bei denen aufgrund statischer Elektrizität, Feuchtigkeit und aus anderen Gründen eine offensichtliche Adhäsion und Agglomeration zwischen Partikeln auftritt. Tabelle 2 listet die für die Kontaktmodelle26,27 erforderlichen Eingabeparameter auf.

Zur Bewertung der Arbeitsleistung der Schnecke wurden virtuelle Experimente zur quadratisch rotierenden orthogonalen Zentrumskombination mit vier Faktoren und fünf Ebenen durchgeführt. Basierend auf früheren experimentellen Studien, praktischen Erfahrungen und Mechanismusanalysen wurden die geeigneten Werte der experimentellen Faktoren ermittelt, wie in Tabelle 3 angegeben. In der tatsächlichen Produktion müssen einige zu steile und komplexe Hänge für Land oder Erde vorbereitet werden. Der Neigungswinkel wurde optimiert, um als Referenz für den Landvorbereitungsprozess zu dienen. Als experimentelle Faktoren wurden der Neigungswinkel X1, der Spiralwinkel der Schnecke X2, die Vorschubgeschwindigkeit Entsprechend der Genauigkeit in der praktischen Anwendung behält der Wert im virtuellen Experiment zwei signifikante Ziffern. Wie in Abb. 6 dargestellt, werden im EDEM-Softwareanalysemodul die Gitterbehältergruppe und die Schnittebene hinzugefügt, um die Erdmenge außerhalb der Grube und die Wurfweite des Erdreichs zu messen.

Erfassung von Simulationsindizes.

Die Ergebnisse des Simulationsexperiments basierend auf dem Entwurfsschema sind in Tabelle 4 dargestellt, einschließlich 24 Analysefaktoren und 7 Nullpunktexperimenten zur Schätzung der Fehler. Eine quadratische multiple Regressionsanalyse der Ergebnisse in Tabelle 4 wurde mit der Design-Expert-Software durchgeführt und die Regressionsmodelle zwischen den Einflussfaktoren und Bewertungsindizes wurden wie folgt erstellt:

Die Beziehung zwischen den tatsächlichen Werten der Effizienz des Bodentransports und der Wurfweite des Bodens und den vorhergesagten Werten des Regressionsmodells ist in Abb. 7 dargestellt. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass die tatsächlichen Werte grundsätzlich verteilt sind auf der vorhergesagten Kurve, konsistent mit dem Trend der vorhergesagten Werte und linear verteilt.

Streudiagramm. (a) Streudiagramm der tatsächlichen und vorhergesagten Entfernung des Wurfbodens. (b) Streudiagramm der tatsächlichen und vorhergesagten Effizienz der Bodenförderung.

Der F-Test und die Varianzanalyse (ANOVA) wurden an den Regressionskoeffizienten in den Regressionsmodellen der Bewertungsindizes Y1 und Y2 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt. Entsprechend den Signifikanzwerten P der fehlenden Anpassung Die Regressionsmodelle der Zielfunktionen Y1 und Y2 in Tabelle 5, PL1 = 0,1485 > 0,05 und PL2 = 0,2337 > 0,05 (beide waren nicht signifikant), was darauf hinweist, dass in der Regressionsanalyse kein Verlustfaktor vorhanden war und das Regressionsmodell einen hohen Wert aufwies passenden Abschluss.

Gemäß der ANOVA konnten die Signifikanzwerte P jedes Einflussfaktors im Test ermittelt werden28. Für den Bewertungsindex Y1 hatten die Faktoren X1, X2, X3, X4, X3X4, X22, X42 äußerst signifikante Einflüsse, während die Faktoren X1X4, X2X4 einen signifikanten Einfluss hatten. Für den Bewertungsindex Y2 hatten die Faktoren X1, X3, X4, X1X4, X12, X32, Innerhalb des Niveaubereichs der ausgewählten Faktoren und entsprechend dem F-Wert jedes Faktors, wie in Tabelle 5 gezeigt, ist das Gewicht der Faktoren, die die Effizienz der Bodenförderung beeinflussen, Zufuhrgeschwindigkeit > Spiralwinkel der Schnecke > Drehgeschwindigkeit der Schnecke > Neigung Winkel. Und das Gewicht der Faktoren, die die Wurfweite des Bodens beeinflussen, ist Gefälleschnecke > Drehzahl der Schnecke > Vorschubgeschwindigkeit > Spiralwinkel der Schnecke.

Darüber hinaus ist offensichtlich, dass es Wechselwirkungen zwischen der Vorschubgeschwindigkeit und der Drehzahl der Schnecke, der Hangschnecke und der Drehzahl der Schnecke, dem Steigungswinkel der Schnecke und der Drehzahl der Schnecke auf die Effizienz des Förderbodens Y1 gibt. Für die Wurfweite Y2 besteht eine Wechselwirkung zwischen dem Neigungswinkel und der Drehzahl der Schnecke.

Der Anpassungskoeffizient der Effizienz des Förderbodens beträgt R2 = 0,9714, R2adjust = 0,9263, R2pred = 0,8082, die Differenz zwischen R2adjust und R2pred beträgt weniger als 0,2. Der Anpassungskoeffizient der Wurfweite beträgt R2 = 0,9873, R2adjust = 0,9742, R2pred = 0,9355, die Differenz zwischen R2adjust und R2pred ist kleiner als 0,2. Es wird darauf hingewiesen, dass die Antwortoberflächen der beiden etablierten Modelle eine gute Konsistenz und Vorhersagbarkeit für die experimentellen Ergebnisse aufweisen29.

Die Reaktionsfläche wird direkt mit der Design-Expert-Software erstellt. Wählen Sie nach Eingabe der Daten das Modul „Analyse“ aus. Wählen Sie in der Menüleiste „Modell-Graph“ „3D-Oberfläche“, um zur 3D-Ansicht zu wechseln. Um den interaktiven Einfluss jedes Faktors auf die Effizienz des Förderbodens Y1 und den Abstand des Wurfbodens Y2 auszudrücken, wurden die beiden oben genannten quadratischen Regressionsgleichungen der Bewertungsindizes der Dimensionsreduktionsbehandlung unterzogen. Zwei der Faktoren wurden auf Stufe 0 gesetzt, während die anderen beiden einer Interaktionseffektanalyse unterzogen wurden, um das Einflussgesetz auf die Bewertungsindizes Y1 und Y2 zu untersuchen, und die entsprechenden Antwortflächen wurden generiert, wie in Abb. 8 dargestellt.

3D-Antwortdiagramm-Effekt von Bewertungsindizes. (a) Auswirkung der Wechselwirkung zwischen X1 und X2 auf die Effizienz des Förderbodens. (b) Auswirkung der Wechselwirkung zwischen X2 und X4 auf die Effizienz des Förderbodens. (c) Auswirkung der Wechselwirkung zwischen X3 und X4 auf die Effizienz des Förderbodens. (d) Auswirkung der Wechselwirkung zwischen X3 und X4 auf die Entfernung des Wurfbodens.

In Abb. 8a ist zu sehen, dass bei konstantem Neigungswinkel die Effizienz der Bodenförderung mit der Drehzahl der Schnecke auf einen bestimmten Wert zunahm, dann veränderte sich die Effizienzsteigerung sanfter. Die Gründe für dieses Phänomen werden wie folgt beschrieben. Einerseits ist die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung im Spiralmesserraum umso geringer, je größer die kinetische Energie des Bodens beim Verlassen der ursprünglichen Position ist und je dünner der Boden geschnitten wird. Andererseits ist die Zentrifugalkraft des Bodens, der an der Grubenmündung ankommt, größer, so dass er sich nicht in der Grubenmündung verstopft. Wäre jedoch die Drehzahl der Schnecke zu hoch und die geschnittene Bodenschicht zu dünn, würde die Vortriebswirkung des nachfolgenden Bodens nach vorne abgeschwächt oder sogar die Strömung unterbrochen und somit die vertikale Steiggeschwindigkeit des Bodens beeinträchtigt reduziert werden. Bei konstanter Drehzahl der Schnecke nahm die Effizienz der Bodenförderung mit zunehmender Neigung ab und stieg dann leicht an. Mit der Zunahme des Gefälles dauerte die Bearbeitung des Gefälles länger und es kam zu mehr Bodenverfüllung auf der Seite großer Höhen, was zu einer Verringerung der Bodenableitungseffizienz führte. Mit der Zunahme des Gefälles nahm jedoch das Ausmaß der Bodenrutschung an der Grubenmündung zu, was die Effizienz der Bodenentladung verbesserte. Weitere Analysen ergaben, dass sich die Reaktionsfläche für Y1 in Richtung der Drehgeschwindigkeit schneller änderte als in Richtung des Neigungswinkels, was darauf hindeutet, dass die Drehgeschwindigkeit der Schnecke X4 einen größeren Einfluss hatte als der Neigungswinkel X1.

Wie in Abb. 8b zu sehen ist, stieg die Effizienz der Bodenförderung mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit weiter an, wenn der Spiralwinkel der Schnecke festgelegt war. Wenn die Drehzahl der Schnecke fest eingestellt war, nahm die Effizienz der Bodenförderung mit zunehmendem Spiralwinkel zu und nahm tendenziell ab, wenn sie einen bestimmten Wert erreichte. Der Raum der Spiralschaufeln war der Kanal der Bodenbewegung. Dieses Phänomen wurde dadurch verursacht, dass der Spalt zwischen den beiden Spiralblättern mit zunehmendem Spiralwinkel der Schnecke zunahm und der Boden nicht leicht verstopfte. Gleichzeitig war die Bewegungsstrecke des Bodens kürzer und der Boden mit höherer kinetischer Energie wurde schneller aus der Grube abgeführt. Beim Erreichen der Grubenmündung war der Bodenwurfwinkel größer und die Bodenverfüllungsrate verringert. Wenn jedoch der Spiralwinkel der Schnecke zu groß wäre, würden die Aufwärtsstützfähigkeit und die Reibung der Spiralblattoberfläche am Boden verringert. Weitere Analysen zeigten, dass sich die Reaktionsfläche für Y1 in Richtung des Spiralwinkels schneller änderte als die Drehgeschwindigkeit der Schnecke, was darauf hindeutet, dass der Spiralwinkel der Schnecke X2 einen größeren Einfluss hatte als die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke X4.

Bei fester Zufuhrgeschwindigkeit steigerte sich die Effizienz beim Werfen des Bodens mit der Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit weiter. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke festgelegt wurde, nahm die Effizienz des Wurfbodens mit zunehmender Zufuhrgeschwindigkeit zu (siehe Abb. 8c). Das Phänomen wurde dadurch verursacht, dass die Dicke des geschnittenen Bodens pro Zeiteinheit zunahm, je schneller die Vorschubgeschwindigkeit der Schnecke war. Darüber hinaus nahm die nachfolgende Antriebskraft des Bodens zu und die kinetische Energie des Bodens nahm zu. In der tatsächlichen Produktion würde eine zu hohe Vorschubgeschwindigkeit jedoch zu einer Verstopfung der Oberfläche der Spiralmesser durch den Boden führen. Der Grund liegt darin, dass im Simulationsprozess die Bewegung des Bodens aufgrund von Verstopfungen nicht aufhörte. Weitere Analysen zeigten, dass sich die Reaktionsfläche für Y1 in Richtung der Drehgeschwindigkeit schneller änderte als in Richtung der Vorschubgeschwindigkeit, was darauf hindeutet, dass die Drehgeschwindigkeit der Schnecke X4 einen größeren Einfluss hatte als die Vorschubgeschwindigkeit X3.

Bei fester Neigung vergrößerte sich der Abstand des Wurfbodens mit zunehmender Drehzahl der Schnecke, und die Vergrößerungsamplitude nahm allmählich zu, wie in Abb. 8d dargestellt. Der Grund für dieses Phänomen war, dass der Boden mehr kinetische Energie hatte, als er seine ursprüngliche Position verließ, und dass die Zentrifugalkraft, die er beim Erreichen der Grubenmündung empfing, größer war. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit zu niedrig war, war die Bodenschicht dünn und die daraus resultierende Bodenantriebskraft unzureichend, was dazu führte, dass die Bodenmasse pro Flächeneinheit an der Grubenmündung gering und die kinetische Energie gering war. Bei fester Drehzahl der Schnecke vergrößerte sich die Wurfweite des Erdbodens mit zunehmender Neigung kontinuierlich. Mit zunehmender Steigung nahm die Zeit für das Absinken des Bodens zu und damit auch die Rollstrecke am Hang. Eine weitere Analyse ergab, dass sich die Reaktionsfläche für Y2 in Richtung des Neigungswinkels schneller änderte als in Richtung der Drehgeschwindigkeit der Schnecke, was darauf hindeutet, dass der Neigungswinkel X1 einen größeren Einfluss hatte als die Drehgeschwindigkeit X3.

Da die relative Bedeutung und Einflussregeln verschiedener experimenteller Faktoren auf Bewertungsindizes unterschiedlich waren, sollten Bewertungsindizes umfassend berücksichtigt werden30. Die Optimierungsgleichung wird durch die Multizieloptimierungsmethode der Design-Expert-Software mit Y1 und Y2 als Optimierungszielfunktion ermittelt.

In der Praxis muss die beste Parameterkombination entsprechend der Geländeneigung ausgewählt werden. Als die Steigung festgelegt war, wurde die Design-Expert-Software angewendet, um das obige mathematische Modell zu optimieren und zu lösen. Die optimale Kombination von Arbeitsparametern, die sich auf die Effizienz des Erdtransports Y1 und die Wurfweite des Erdreichs Y2 für die Schnecke auswirken, wurde ermittelt und ist in Tabelle 6 aufgeführt. Wenn vor dem Grabvorgang eine Bodenvorbereitung erforderlich war, können die Grabparameter entworfen werden gemäß den Werten der Gruppe 6 in Tabelle 6.

Eine Bodenstörung ist definiert als die Lockerung, Bewegung und Durchmischung des Bodens, die dadurch verursacht wird, dass eine Schnecke den Boden durchdringt16. Fügen Sie in der Schnittstelle des EDEM Analyst eine „Clipping-Ebene“ hinzu, um die Bewegung der Schnecke innerhalb der Grube anzuzeigen. Die kinetische Energie, der Geschwindigkeitsvektor der Bodenpartikel und der Geschwindigkeitswert der Bodenpartikel werden beobachtet, wenn sich die Schnecke in der Mitte des Bodenbehälters befindet31,32, wie in Abb. 9 dargestellt.

Die Störung des Bodeneffekts durch Spiralmesser.

Der Boden wurde an die Oberfläche gehoben und dann auf die untere Seite abgesenkt. Zusätzlich zu dem von den Spiralmessern eingenommenen Volumen umfasste der gestörte Bereich auch den gestörten Bereich außerhalb der Grube, der durch die Kompression des Schneidendes des Spiralmessers verursacht wurde, wie in der unteren linken Ecke der Schnecke dargestellt.

Die kinetische Energie und Geschwindigkeit des Bodens nahm zunächst ab und nahm dann in entgegengesetzter Richtung zur Förderrichtung der Schnecke zu. Das Schneidende der Schnecke und der Bodenauswurfabschnitt erfolgten in der Region mit hoher kinetischer Energie und Geschwindigkeit. Dies lag daran, dass am Schneidende der Schnecke die maximale kinetische Energie erzeugt wurde, die beim Aufstieg allmählich verbraucht wurde. Nach Erreichen des Abkippendes verlor der Boden die Sicherung durch die Grubenwand. Als die Zentrifugalkraft des Bodens die Reaktionskraft verlor, nahm die kinetische Energie des Bodens zu. Zu viel kinetische Energie kann jedoch dazu führen, dass sich der Boden zu weit ausbreitet und dadurch Probleme entstehen. Die kinetische Energie des Bodens am Schneidende hing von der Drehzahl der Schnecke ab. Der Spiralwinkel beeinflusste den Winkel zwischen Kraft und Schwerkraft, und dann erhöhte sich der kinetische Energieverbrauch im Bodenprozess.

Um die Genauigkeit des Optimierungsmodells für den Schneckenbetrieb zu überprüfen und die Rationalität der durch das virtuelle Experiment optimierten Arbeitsparameterkombination zu bewerten, wurden Leistungsüberprüfungstests mit der EDEM-Software durchgeführt. Gemäß dem optimierten Prozessparameter-Einstellungstest (wie in Tabelle 6 gezeigt) wurde der relative Fehler zwischen dem theoretischen Wert und dem experimentellen Wert ermittelt. Die Ergebnisse der Verifizierungstests sind in Tabelle 7 zusammengefasst. Die durchschnittlichen relativen Fehler der Effizienz der Bodenförderung und der Wurfweite des Bodens zwischen dem theoretischen Wert und dem Textwert betrugen nur 4,4 % bzw. 9,1 %. Das Simulationsmodell ist ziemlich genau. Die Experimente zur Überprüfung der Feldleistung wurden im Gefälle durchgeführt. Abbildung 10 zeigt den Feldtest und die Arbeitsbedingungen.

Funktionsdiagramm am Versuchsort.

Dieses Papier befasst sich mit dem Mechanismus und der Methode zur Errichtung von Fischschuppengruben in hügeligen Regionen. Verbessern Sie die Arbeitseffizienz und Leistung. Die Boden- und Hangmodellierung wird mit EDEM entwickelt und der Prozess des Schneckenschneidens und des Bodentransports am Hang wird simuliert. Anhand der Simulationsergebnisse werden die dynamischen Eigenschaften des Bodens analysiert und die Strukturparameter und Betriebsparameter der Schnecke optimiert.

Beim Ausheben von Gruben in hügeligen Regionen zur Unterstützung beim Bau von Fischschuppengruben:

Die Leistung der am Hang arbeitenden Erdschnecke kann durch Überwachung der Effizienz der Erdförderung und der Wurfweite des Erdreichs beurteilt werden.

Das Gewicht der Faktoren, die die Effizienz der Bodenförderung beeinflussen, ist Zufuhrgeschwindigkeit > Spiralwinkel der Schnecke > Drehzahl der Schnecke > Neigungswinkel. Das Gewicht der Faktoren, die die Wurfweite des Bodens beeinflussen, ist Neigungsschnecke > Drehzahl der Schnecke > Vorschubgeschwindigkeit > Spiralwinkel der Schnecke.

Gemäß den Optimierungsergebnissen kann die optimale Parameterkombination in verschiedenen Steigungsoperationen erhalten werden. Wenn vor dem Grabvorgang eine Bodenvorbereitung erforderlich ist, beträgt der optimale Neigungswinkel etwa 26°.

Im Vergleich zur Ebene ist das Variationsgesetz der Bodenverdrängung und -geschwindigkeit in hügeligen Regionen anders. Die Fehler zwischen den Ergebnissen der entwickelten DEM-Simulationsmodellierung und den Ergebnissen virtueller Experimente liegen in der akzeptablen Genauigkeit und bestätigen die Wirksamkeit des DEM-Modells zur Schätzung der Arbeitseffizienz der Erdbohrmaschine in hügeligem Gebiet.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung durch das Forestry Science and Technology Promotion Project der State Forestry and Grassland Administration of China (Grant No. (2019) 35) und das Key R&D and Transformation Program der Provinz Qinghai – Special Project of Transformation of Scientific and Technological Achievements (Zuschuss Nr. 2022-NK-128)

Forschungsinstitut für Holzindustrie, Chinesische Akademie für Forstwirtschaft, Peking, 100091, China

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

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WG-Methodik, Untersuchung, Analyse, Statistik, Schreiben – Originalentwurf, Überprüfung und Bearbeitung. ZW-Fördermittelakquise, Verfassen – Begutachtung und Bearbeitung. JM-Schreiben – Rezension und Bearbeitung. MH-Statistiken. JZ-Aufsicht. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Wei Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, G., Zhang, W., Ji, M. et al. Numerische Simulation und Parameteroptimierung von Erdbohrern in hügeligem Gelände mithilfe der EDEM-Software. Sci Rep 12, 19526 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23833-2

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Eingegangen: 10. Juli 2022

Angenommen: 07. November 2022

Veröffentlicht: 14. November 2022

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

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