Секрет плохой резки стеблей: моделируем глубокую вспашку тростника

После работы существующих сверхглубоких вертикальных ротационных рыхлителей на полях с стеблями сахарного тростника качество измельчения стерни остается низким, и причины этого неизвестны. Для решения данной проблемы в статье разработана имитационная модель процесса сверхглубокой вертикальной ротационной обработки (UDVRT) на поле с стеблями сахарного тростника с использованием связанного метода FEM-SPH и физического эксперимента.

Имитационная модель применяется для исследования процесса ротационной обработки на поле со стерней и механизма измельчения стеблей рабочим органом UDVRT, а также для выявления причин недостаточной эффективности измельчения стерни. Результаты показывают, что при сравнении моделирования с полевыми испытаниями величина и характер изменения крутящего момента рабочего органа относительно совпадают, относительная ошибка показателя крошения верхнего слоя почвы составляет 9,5%, показателя крошения всего пахотного слоя — 11,3%, а среднее количество перерезаний стеблей стерни близко; таким образом, метод моделирования является обоснованным и точным. При одновременном резании рабочим органом почвы и стерни сдерживающее воздействие почвы на стерню постепенно ослабевает, разница в скорости между лезвием и стеблем уменьшается, наклон стеблей увеличивается, а количество перерезаний стеблей лезвием сокращается, что приводит к низкому эффекту измельчения стерни. Рабочий орган перерезает стерню последовательно: лезвие воздействует на стебель сверху вниз, сначала перерезая стебель, а затем корень, что является эффективной мерой для повышения степени измельчения стерни. Результаты данной работы могут служить надежной теоретической основой для оптимизации конструкции сверхглубокого вертикального ротационного рыхлителя (UDVRT).

Сверхглубокая вертикальная ротационная обработка (UDVRT) — это новый метод обработки почвы, разработанный в Китае в последние годы. В нем используются пары противонаправленно вращающихся рыхлителей на сверхглубоком вертикальном ротационном рыхлителе для поперечного резания почвы с последующим разрушением и подъемом. Глубина обработки UDVRT достигает 30–50 см, что позволяет разрушить плужную подошву и разрыхлить весь пахотный слой почвы, эффективно повышая урожайность сельскохозяйственных культур на богарных землях [1,2,3].

Сахарный тростник является многолетней стеблевой культурой, и перед посадкой необходимо удалить с поля стерню (корневища) сахарного тростника. Стерня сахарного тростника состоит из стеблей и корней. В настоящее время удаление стерни сахарного тростника в основном осуществляется горизонтальной ротационной бороной за несколько проходов, что неэффективно. Напротив, метод UDVRT позволяет за один проход разрушать как стерню сахарного тростника, так и почву, обеспечивая высокую эффективность. Однако при работе сверхглубокого вертикального ротационного рыхлителя на поле со стерней сахарного тростника его рабочий орган плохо измельчает стерню, и причина этого пока не выяснена. Поэтому важнейшей задачей является проведение исследования механизма измельчения стерни сахарного тростника рабочим органом и выявление причин низкого эффекта измельчения. Это исследование создаст основу для оптимизации конструкции рабочего органа UDVRT, используемого на полях со стерней сахарного тростника.

В 2010 году Вэй Бэньхуэй и Ли Шэньвэнь и др. изобрели сверхглубокий вертикальный ротационный рыхлитель, который первоначально буксировался трактором, а позднее разработали новый тип самоходного сверхглубокого вертикального ротационного рыхлителя [4,5]. Однако обе машины работали со значительным сопротивлением и низкой эффективностью. Кроме того, рабочий орган является ключевым компонентом сверхглубокого вертикального ротационного рыхлителя, что означает, что его структура напрямую влияет на эффект обработки. При работе существующих рабочих органов в поле возникают некоторые проблемы, такие как значительное сопротивление, высокая амплитуда вибрации и низкий показатель крошения верхнего слоя почвы после обработки. Команда Ян Вана решила эти проблемы, используя метод SPH для создания имитационной модели. Эта модель была использована для исследования того, как параметры конструкции рабочего органа влияют на эксплуатационные показатели и показатель крошения почвы. Основываясь на этих результатах, они разработали новые почвообрабатывающие элементы, что привело к улучшению рабочих показателей машин в поле [6,7,8,9,10,11]. Вэй Бэньхуэй изобрел новый рабочий орган [12], который имеет две вертикальные стойки, закрепленные на круглом диске, а ножи расположены перпендикулярно на поверхности стоек. Однако этот рабочий орган не оказывает значительного эффекта снижения сопротивления в реальной работе. Вышеупомянутая литература показывает, что исследования сверхглубоких вертикальных ротационных рыхлителей все еще находятся на ранней стадии, и существует ограниченное количество исследований по измельчению стерни сахарного тростника рабочим органом UDVRT в поле.

Поскольку стерня сахарного тростника скрыта в почве, наблюдать процесс разрушения стерни рабочим органом с помощью физических экспериментов сложно, чтобы выяснить механизм измельчения. Однако моделирование позволяет наблюдать за процессом резания почвы и стерни рабочим органом и предоставляет эффективный способ изучения взаимодействия между почвообрабатывающими элементами и системой "стерня-почва". Таким образом, моделирование является практичным методом для исследования механизма измельчения стерни сахарного тростника рабочим органом UDVRT. Обычно используемыми методами моделирования являются метод конечных элементов (FEM), метод дискретных элементов (DEM) и метод сглаженных частиц (SPH). FEM — это численный метод, основанный на сетке, требующий меньше времени для решения задач. Однако он склонен к искажению сетки при больших деформациях, что приводит к проблемам с несходимостью. Используя метод FEM, исследователи разработали имитационные модели для взаимодействий "нож–стебель кукурузы–почва" и "нож–корень плодового дерева–почва" [13,14,15]. Напротив, DEM не использует сетку, что делает его эффективным для моделирования разрушения почвы и больших деформаций, но его контактные параметры трудно определить [16]. Используя метод DEM, были построены имитационные модели для взаимодействий "дисковый плуг–почва–стебель кукурузы", "лопата–корень шпината–почва" и "нож для измельчения стерни–стерня–почва" [17,18,19]. Метод SPH, метод дискретизации на основе частиц, не требующий построения сетки, хорошо подходит для моделирования с большими деформациями [20]. Кроме того, он использует фундаментальную теорию механики сплошных сред, которая применима к определяющим соотношениям различных материалов. Поэтому метод SPH в настоящее время является эффективным методом для изучения взаимодействий "почва–почвообрабатывающий элемент" и широко используется для моделирования больших деформаций почвы [21,22,23,24,25,26,27]. Однако при моделировании системы "стерня–почва–почвообрабатывающий элемент" почва подвергается большим деформациям, в то время как стерня испытывает относительно небольшие деформации. Чтобы более эффективно моделировать большие деформации почвы, сократить время вычислений и упростить калибровку механических свойств почвы, более целесообразно применить связанный метод FEM-SPH.

Поэтому, чтобы определить причины низкой эффективности рабочего органа UDVRT при измельчении стерни сахарного тростника, в данной статье сначала используется связанный метод FEM-SPH для создания имитационной модели процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника. Затем имитационная модель используется для исследования механизма измельчения стерни сахарного тростника рабочим органом и анализа причин низкой производительности измельчения стерни. Результаты исследования послужат теоретической основой для оптимизации конструкции рабочих органов, предназначенных для измельчения стерни сахарного тростника.

2.1. Теория связанного метода FEM-SPH

В процессе связи при повторном расчете FEM-SPH, в пределах радиуса приближения вблизи интерфейса около частиц SPH, применяются различные методы аппроксимации в зависимости от положения и дискретной схемы [28]. Для частиц, близких к связанному интерфейсу, узлы конечных элементов в области поддержки добавляются в суммирование в виде фоновых частиц. При удалении от связанной границы частицы SPH используют только форму частиц SPH, а конечные элементы — только форму конечных элементов. Ниже приведены три формулы аппроксимации для SPH, FEM и FEM-SPH соответственно [29].

Уравнение (1) — это уравнение для частиц SPH, уравнение (2) — уравнение конечных элементов, а уравнение (3) — связанное уравнение SPH-FEM. В этих уравнениях N_b представляет количество частиц в области поддержки, m_bj — массу частицы, ρ_bj — плотность частицы, а N_i (x) — функцию формы конечного элемента. На рисунке 1 показана блок-схема процесса связи SPH-FEM.

Рисунок 1. Блок-схема контактного алгоритма SPH-FEM.

2.2. Устройство и принцип работы сверхглубокого вертикального ротационного рыхлителя

Сверхглубокий вертикальный ротационный рыхлитель в основном состоит из шасси, кабины, двигателя, гидравлического подъемного устройства и сверхглубокого вертикального ротационного почвообрабатывающего устройства, как показано на рисунке 2. Сверхглубокое вертикальное ротационное почвообрабатывающее устройство в основном включает коробку передач и почвообрабатывающие элементы. Почвообрабатывающие элементы являются ключевыми частями сверхглубокого вертикального ротационного рыхлителя и состоят из ряда рабочих органов, причем соседние рабочие органы вращаются в противоположных направлениях. Каждый рабочий орган содержит спиральный нож, вал и ножи, как показано на рисунке 3. При работе сверхглубокого вертикального ротационного рыхлителя рабочий орган начинает вращаться, затем активируется гидравлическое подъемное устройство, чтобы опустить рабочий орган и заглубить его в почву до достижения требуемой глубины обработки. Наконец, вращающийся рабочий орган движется вперед вместе с машиной, непрерывно режа почву и стерню сахарного тростника.

Рисунок 2. Сверхглубокий вертикальный ротационный рыхлитель.

Рисунок 3. Рабочий орган.

2.3. Испытание на отклонение стеблей ратунского (озимого) сахарного тростника

Испытание было проведено в декабре 2019 года, сорт сахарного тростника — GT46. Место испытания находилось в поселке Цюйли, уезд Фусуй, Чунцзо, Гуанси, Китай (E107°45′11″, N22°31′33″). Почва на этом участке — супесчаный суглинок со средней твердостью 10,35 кг·см⁻² и средним содержанием влаги 16,33% соответственно. В качестве опытного образца был выбран двухлетний ратунский сахарный тростник с хорошим ростом, имеющий два стебля и свободный от вредителей и болезней. Согласно [16], основное испытательное оборудование включало самодельный датчик растяжения, динамический тестер (тип: Donghua DH5981, Donghua Testing Technology Co. Ltd., Цзинцзян, Китай), компьютер, высокоскоростную камеру NEC (HotShot e1024), самодельную силоизмерительную раму, мобильный источник питания и белый экран. Датчик растяжения состоит из тонкой прямоугольной стальной пластины и двух наборов тензорезисторов, наклеенных на верхнюю и нижнюю поверхности тонкой стальной пластины соответственно. В одном наборе тензорезисторов два датчика. Мостовая схема подключения тензорезисторов — полномостовая. Датчик растяжения калибруется методом статической калибровки. Силоизмерительная рама состоит из неподвижной штанги и параллельной рамы, соединенных между собой шарнирами.

Перед испытанием стебли сахарного тростника были срезаны пилой, оставлена только часть ниже 60 см над землей. Затем два стебля были связаны вместе, и на них на высоте 50 см от земли был установлен зажим. Веревки используются для соединения двух концов датчика растяжения с параллельной рамой и зажимом соответственно, чтобы измерить горизонтальное тяговое усилие F при наклоне сахарного тростника. Тем временем на 10 см ниже зажима была установлена точка слежения, и ее перемещение измерялось высокоскоростной камерой. Наконец, через соотношение между перемещением и временем была получена кривая угла наклона β сахарного тростника. Схема испытательной системы показана на рисунке 4, а место проведения испытания — на рисунке 5.

Рисунок 4. Схема испытательной системы.

Рисунок 5. Место проведения испытания на отклонение стеблей ратунского сахарного тростника.

2.4. Измерение параметров почвы и сахарного тростника

Для построения имитационной модели испытания на отклонение ратунского сахарного тростника были измерены параметры почвы и образцов сахарного тростника в испытании на отклонение. Почва была разделена на пять слоев, каждый толщиной 10 см, и параметры почвы для каждого слоя измерялись отдельно. Оборудование для измерения параметров почвы включало прибор трехосного сжатия (тип: TSZ-2, Ningxi Soil Instrument Co., Ltd., Нанкин, Китай). Модуль упругости, сцепление, угол внутреннего трения и коэффициент Пуассона почвы измерялись с использованием методики, описанной в [30]. Основные параметры свойств почвы для каждого слоя показаны в таблице 1. Для измерения параметров сахарного тростника корне-почвенная смесь была аккуратно выкопана, чтобы избежать повреждения корней. Были измерены размеры корне-почвенной смеси, а затем корни были очищены от почвы (как показано на рисунке 6). Оборудование для измерения параметров сахарного тростника: электронные весы (точность 0,01 г), большие мерные цилиндры (точность 5 мл), малые мерные цилиндры (точность 1 мл), универсальная испытательная машина (тип: NKK-4005; максимальная нагрузка 5 кН; точность 0,1 Н; Nanfang Precision Instrument Co., Ltd., Шэньчжэнь, Китай). Плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона и предел текучести сахарного тростника были получены согласно [31]. Геометрические параметры сахарного тростника измерялись, ссылаясь на метод в [16]. Корне-почвенная смесь была приблизительно цилиндрической формы, диаметром 373 мм и высотой 239 мм. Высота обоих стеблей образца составляла 600 мм, а высота левого и правого стеблей (частей над корнем) составляла 181 мм и 152 мм соответственно. Средний диаметр левого стебля и его наземной части составлял 33,5 мм, а средний диаметр правого стебля и его наземной части — 30,9 мм. Геометрические параметры корневой системы показаны в таблице 2. Параметры свойств стебля и его наземной части были усреднены, и в таблице 3 показаны основные параметры свойств. В таблице 4 показаны основные параметры свойств корней.

Рисунок 6. Ратунский сахарный тростник.

Таблица 1. Основные параметры свойств почвы.

Таблица 2. Основные геометрические параметры корня.

Таблица 3. Основные параметры свойств стебля и его наземной части.

Таблица 4. Основные параметры свойств корня.

2.5. Испытание на резание стерни сахарного тростника

Был выбран хорошо развитый ратунский сахарный тростник с двумя стеблями, находящийся на расстоянии 1 м от образца сахарного тростника, использованного в испытании на отклонение. Он и образец сахарного тростника, использованный в испытании на отклонение, принадлежат к одному участку, имеют один и тот же сорт и период вегетации, и его стерня была выкопана для использования в качестве опытного образца. Основное испытательное оборудование включало: электронную универсальную испытательную машину (тип: NKK-4005; максимальная нагрузка 5 кН; точность 0,1 Н; Nanfang Precision Instrument Co., Ltd., Шэньчжэнь, Китай), нож (из того же материала, что и ножи рабочего органа), основание для резания стебля (трехточечное приспособление для изгиба) и основание для резания корня (с прорезью в центре шириной 2 мм и длиной 50 мм). Размеры ножа, а также испытания на резание стебля и корня показаны на рисунках 7 и 8. Геометрические параметры образцов стерни сахарного тростника для испытания на резание были измерены с использованием методов измерения, описанных в разделе 2.4. Диаметры двух стеблей стерни составляли 32 мм и 30 мм, а длины — 170 мм и 155 мм соответственно. Чтобы обеспечить репрезентативность испытания на резание корня, для тестирования был выбран по одному корню из каждого слоя, близкому к среднему диаметру корней в этом слое. Длина корней, выбранных из первого по третий слои, составляла 132,2 мм, 126,8 мм и 110,6 мм, а диаметры — 1,04 мм, 1,2 мм и 1,02 мм соответственно.

Рисунок 7. Размеры ножа.

Рисунок 8. Испытание на резание стерни сахарного тростника. (a) Испытание на резание стебля. (b) Испытание на резание корня.

Перед проведением испытания на резание стебля расстояние между опорами трехточечного приспособления для изгиба было установлено на 2 см, а скорость резания ножа вниз отрегулирована до 600 мм/мин. Кривая усилия резания стебля была получена в ходе испытания. Усилие резания было усреднено для двух стеблей после их перерезания. Для испытания на резание корня корни укладывались плоско на основание для резания корня, их концы закреплялись липкой лентой. Скорость резания ножа вниз была установлена на 24 мм/мин, и кривая усилия резания корня была получена в ходе испытания.

2.6. Испытание UDVRT на поле со стерней сахарного тростника

Испытание сверхглубокой вертикальной ротационной обработки (UDVRT) было проведено в январе 2021 года с использованием сорта сахарного тростника GT46, того же, что использовался в испытании на отклонение. Место испытания находилось в районе Умин, город Наньнин, Гуанси (E108°7′37″, N23°9′4″), где почва также является супесчаным суглинком. Средняя твердость и влажность составляли 9,8 кг·см⁻² и 15,1% соответственно, что было почти идентично почве в испытании на отклонение. Испытательное оборудование включало сверхглубокий вертикальный ротационный рыхлитель, самодельный датчик крутящего момента, беспроводную систему измерения крутящего момента DH5902, ноутбук и мобильный источник питания. Место проведения испытания показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Место проведения испытания UDVRT.

Мы ссылались на [6] для проведения испытания: глубина обработки в испытании была установлена на 40 см, скорость вращения рабочего органа — 400 об/мин, а скорость поступательного движения рабочего органа — 0,5 м/с. Во время процесса обработки измерялся крутящий момент рабочего органа. Согласно [32], измерялся показатель крошения почвы. Измерялось среднее количество перерезаний стебля. Поскольку полевые испытания могли подсчитать только количество поверхностей излома стебля, это число использовалось как косвенный показатель количества перерезаний стебля. Испытание было повторено три раза, а результаты испытаний усреднены.

2.7. Моделирование системы отклонения ратунского сахарного тростника

2.7.1. Геометрическая модель

Геометрическая форма ратунского сахарного тростника сложна, а образец испытания на отклонение показан на рисунке 6. Чтобы облегчить моделирование и сократить время вычислений, модель ратунского сахарного тростника была упрощена, следуя подходу в [16]. Геометрическая модель показана на рисунке 10, где h1, h2 и h3 представляют глубину залегания корней первого, второго и третьего слоев соответственно; α1, α2 и α3 представляют углы роста корней первого, второго и третьего слоев соответственно; L1, L2 и L3 представляют длину корней первого, второго и третьего слоев соответственно, а H представляет длину стебля. За исключением того, что круглое поперечное сечение корней упрощено до прямоугольника размерами 8 мм × 1 мм, остальные размерные параметры модели сахарного тростника соответствуют приведенным в разделе 2.4 и таблице 2. Геометрия модели почвы была основана на размере корне-почвенной смеси, и для сокращения времени вычислений геометрические размеры модели почвы были установлены как 1200 мм × 1000 мм × 430 мм (Д × Ш × В).

Рисунок 10. Геометрическая модель ратунского сахарного тростника. (a) Трехмерная модель. (b) Обозначение геометрических размеров.

2.7.2. Модель материала

Согласно [16], модель материала для сахарного тростника была MAT_ELASTIC, а модель материала для почвы — MAT_FHWA_SOIL. Параметры модели материала для стебля и его наземной части показаны в таблице 3. Поскольку узел стебля (место соединения с корнем) оказывает незначительное влияние в данном моделировании, параметры его модели материала были установлены такими же, как и для наземной части. Из-за корректировок формы и размера корней при моделировании их измеренная средняя плотность и средний модуль упругости были эквивалентно преобразованы согласно [16], в то время как остальные параметры материала остались неизменными. Параметры модели материала корня показаны в таблице 4, и на основе основных параметров свойств почвы из таблицы 1 параметры модели материала почвы показаны в таблице 5.

Таблица 5. Параметры модели материала почвы.

2.7.3. Создание сетки, определение контакта, граничные условия и нагружение

Для создания сетки использовалось программное обеспечение Hypermesh (https://altair.com/hypermesh). Геометрические модели стебля, его наземной части, узла стебля, корня и почвы были разделены на гексаэдральную сетку с использованием метода solid map. Размер элементов сетки для стебля, его наземной части и узла стебля составлял 7 мм, а размер элементов для почвы и корня — 8 мм. В конечном итоге все элементы сетки почвы были преобразованы в частицы SPH, и количество частиц составило 1 157 388.

Контакт между левым и правым стеблями был определен как "AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE" [16]. Связь между частицами SPH почвы и FEM-моделью стебля, а также между частицами SPH почвы и FEM-моделью корня была определена контактом "TIED NODES TO SURFACE". Коэффициенты статического и динамического трения между корнями и почвой составили 0,53 и 0,35 соответственно, а между стеблем и почвой — 0,51 и 0,44 соответственно. Остальные параметры контакта были определены в соответствии со значениями по умолчанию в руководстве по ключевым словам программного обеспечения LS-dyna (https://www.ansys.com/products/structures/ansys-ls-dyna).

Все остальные поверхности почвы, кроме верхней, были полностью зафиксированы. Ссылаясь на [16], в имитационной модели мы приложили горизонтальное тяговое усилие F, измеренное в физическом эксперименте по отклонению ратунского сахарного тростника, к точкам на поверхности двух стеблей сахарного тростника на высоте 50 см над землей. Кривая угла наклона сахарного тростника была получена в ходе имитационного испытания. Имитационная модель показана на рисунке 11.

Рисунок 11. Имитационная модель отклонения ратунского сахарного тростника. (a) Вид спереди. (b) Вид в аксонометрии.

2.8. Моделирование резания стерни сахарного тростника

2.8.1. Геометрическая модель

Стебель и корень были упрощены и смоделированы на основе метода, описанного в разделе 2.7.1, и размеров, приведенных в разделе 2.5.

2.8.2. Модель материала

Поскольку стебель и корень будут разрушаться в процессе моделирования, как указано в [16], их модель материала была определена как MAT_PLASTIC_KINEMATIC. Параметры модели материала стебля и корня показаны в таблице 6. Моделью материала для ножа, трехточечного приспособления для изгиба и основания для резания корня была MAT_RIGID с плотностью 7800 кг/м³, модулем упругости 200 МПа и коэффициентом Пуассона 0,27 [33].

Таблица 6. Параметры модели материала стебля и корня.

2.8.3. Создание сетки, определение контакта, граничные условия и нагружение

Нож, основание для резания корня и трехточечное приспособление для изгиба были разделены на гексаэдральные сетки. Размер элементов сетки для ножа составлял 8,5 мм, а для основания для резания корня и трехточечного приспособления для изгиба — 5 мм. Методы деления сетки и размеры элементов для корня и стебля были такими же, как в разделе 2.7.3.

Контакт между ножом и стеблем, а также между ножом и корнем был определен как "AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE" [16]. Коэффициенты статического и динамического трения между ножом и стеблем составляли 0,55 и 0,48 соответственно, а между ножом и корнем — 0,52 и 0,34 соответственно. Трехточечное приспособление для изгиба, основание для резания корня и концы корня были полностью зафиксированы. Скорость резания, соответствующая физическому испытанию, была приложена к ножам в имитационной модели резания стебля и в имитационной модели резания корня. Кривые усилия резания стебля и корня были получены в ходе имитационного испытания. Имитационная модель резания стебля и имитационная модель резания корня показаны на рисунке 12.

Рисунок 12. Имитационная модель резания стерни сахарного тростника. (a) Модель резания стебля. (b) Модель резания корня.

2.9. Моделирование процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника

Имитационная модель процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника была построена путем интеграции методов моделирования из имитационной модели отклонения ратунского сахарного тростника и имитационной модели резания стерни сахарного тростника, а также имитационной модели резания почвы рабочим органом, описанной в [6].

2.9.1. Геометрическая модель

Геометрическая модель рабочего органа была такой же, как у опытного прототипа. Рабочий орган состоит из трех частей: вала, спирального ножа и режущих ножей, как показано на рисунке 13. Высота вала составляет 700 мм, диаметр — 76 мм. Спиральный нож имеет шаг 250 мм, диаметр 300 мм и толщину 16 мм. Режущий нож показан на рисунке 13b. Для двух соседних ножей на рабочем органе вертикальное расстояние между ними составляет 40 мм, а угол между ними по окружности вокруг вала составляет 60°. Из-за холмистой и неровной местности в большинстве районов выращивания сахарного тростника в Китае уборочным комбайнам трудно убирать целые стебли. Средняя высота остаточных стеблей на месте испытаний была измерена и составила 4 см. Поэтому высота стебля в модели стерни сахарного тростника была установлена равной 4 см, в то время как корень и подземная часть стебля были такими же, как в геометрической модели испытания на отклонение. Чтобы соответствовать требованиям к рабочей ширине и глубине рабочего органа, размеры почвы были такими же, как в разделе 2.7.1.

Рисунок 13. Геометрическая модель рабочего органа. (a) Рабочий орган. (b) Нож.

2.9.2. Модель материала

В имитационной модели надземная часть стебля рассматривается как часть стебля, так как она занимает лишь небольшую часть модели стерни сахарного тростника. Основные параметры свойств и модель материала для стебля и корня были такими же, как в разделе 2.8.2. Аналогично, параметры свойств и модель материала для почвы были такими же, как в разделе 2.7.2. Рабочие органы были изготовлены из того же материала, что и ножи, использованные в испытании на резание стерни сахарного тростника, поэтому их модель материала и параметры свойств были такими же, как для ножей в разделе 2.8.2.

2.9.3. Создание сетки, определение контакта, граничные условия и нагружение

Сетка ножей на рабочем органе создавалась тем же способом и с теми же размерами, что и для ножей в разделе 2.8.3. Метод тетраэдральной сетки был использован для разделения вала и спиральных ножей на тетраэдральные сетки с размером элементов 7,5 мм. Сетка почвы и сахарного тростника создавалась тем же способом и с теми же размерами, что и в разделе 2.7.3. Согласно [16,34], контакт между рабочим органом и почвой был определен как "AUTOMATIC NODES TO SURFACE", а коэффициенты статического и динамического трения между ними составили 0,6 и 0,52 соответственно. Настройки контакта между рабочим органом и стеблями, а также между рабочим органом и корнями были такими же, как в разделе 2.8.3, а настройки контакта между сахарным тростником и почвой были такими же, как в разделе 2.7.3. Все остальные поверхности почвы, кроме верхней поверхности и поверхности, находящейся прямо напротив рабочего органа, были полностью зафиксированы. Скорости поступательного движения и вращения рабочего органа в имитационной модели были установлены в соответствии с физическим испытанием. Имитационная модель процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника показана на рисунке 14.

Рисунок 14. Имитационная модель процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника.

2.10. Верификация модели

Поскольку стерня сахарного тростника находится внутри почвы, а рабочий орган движется вперед, одновременно вращаясь с высокой скоростью, отдельному ножу сложно перерезать стебель за один проход, что делает прямую валидацию моделей системы "стерня–почва–рабочий орган" затруднительной. Следовательно, как указано в [16], для валидации используются косвенные методы. Во-первых, ссылаясь на [16], создается и валидируется модель системы "стерня сахарного тростника–почва" с помощью физического испытания на отклонение. Затем создаются и валидируются модели системы "стерня сахарного тростника–рабочий орган" и системы "почва–рабочий орган" с помощью физических испытаний на резание стерни сахарного тростника рабочим органом и резание почвы. Тем самым можно косвенно подтвердить обоснованность модели системы "стерня сахарного тростника–почва–рабочий орган". Однако валидность модели системы "почва–рабочий орган" уже была подтверждена в [6], и рабочий орган в основном полагается на свои ножи для перерезания стерни сахарного тростника. Поэтому данная статья фокусируется на валидации моделей системы "стерня сахарного тростника–почва" и системы "стерня сахарного тростника–нож" посредством физического испытания на отклонение и физического испытания на резание стерни сахарного тростника ножом соответственно [16]. А именно, с помощью моделирования испытания на отклонение ратунского сахарного тростника и испытания на резание стерни сахарного тростника были получены кривая угла наклона сахарного тростника, а также кривые усилия резания стебля и корня. Затем эти кривые сравнивались с соответствующими результатами физических испытаний для подтверждения обоснованности метода моделирования системы "стерня сахарного тростника–почва" и системы "стерня сахарного тростника–рабочий орган". Тем временем мы провели испытание UDVRT на поле со стерней сахарного тростника, а затем измерили крутящий момент рабочего органа, показатель крошения почвы и состояние разрушения стерни. Эти метрики используются для дальнейшей валидации системы "стерня сахарного тростника–почва–рабочий орган". А именно, с помощью моделирования испытания UDVRT на поле со стерней сахарного тростника были получены кривая изменения крутящего момента рабочего органа, показатель крошения почвы и количество перерезаний стебля. Наконец, результаты моделирования и физических испытаний были сравнены для дополнительной проверки валидности имитационной модели процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника.

2.11. Методы анализа движения стерни сахарного тростника и изменения разности скоростей при резании

Когда рабочий орган работает на поле со стерней сахарного тростника, способность измельчать стебли зависит от горизонтальной скорости ножа относительно стеблей (называемой разностью скоростей). При фиксированной скорости вращения ножа, большее сдерживающее воздействие почвы на стерню сахарного тростника приводит к меньшему перемещению стерни, что ведет к большей разности скоростей и облегчает измельчение стеблей. Поэтому в данной статье анализируются сдерживающее воздействие почвы на стерню сахарного тростника в разные моменты времени, горизонтальные скорости перемещения различных зон левого и правого стеблей во время обработки, а также изменения разности скоростей между ножом и стеблем.

Для удобства анализа в этой статье присвоены названия каждой части имитационной модели. После скрытия почвы имитационной модели, как показано на рисунке 15, зеленый рабочий орган называется левым рабочим органом, а синий рабочий орган — правым рабочим органом. Каждый рабочий орган имеет 13 ножей, причем ножи левого рабочего органа пронумерованы от 1L до 13L по порядку сверху вниз, а ножи правого рабочего органа пронумерованы от 1R до 13R. В направлении движения рабочего органа стебель, находящийся прямо напротив левого рабочего органа, называется левым стеблем (левый стебель вместе с его корнем называется левой половиной стерни сахарного тростника). Стебель, находящийся прямо напротив правого рабочего органа, называется правым стеблем (правый стебель вместе с его корнем называется правой половиной стерни сахарного тростника). Левый стебель был разделен на 8 зон, а правый стебель — на 7 зон, как показано на рисунке 16.

Рисунок 15. Схема обозначения ножей.

Рисунок 16. Название каждой зоны двух стеблей.

При анализе сдерживающего воздействия почвы на стерню сахарного тростника левая и правая половины стерни анализируются отдельно из-за их различного движения. Для анализа сдерживающего воздействия необходимо наблюдать контакт между стерней сахарного тростника и окружающей почвой. Для четкого наблюдения модель отображает только почву (почва имеет цилиндрическую форму диаметром 380 мм) вокруг стерни сахарного тростника, и вид осуществляется через поперечное сечение, параллельное направлению движения рабочего органа и проходящее через центральную ось стебля. Движение стерни сахарного тростника можно анализировать по кривой горизонтальной скорости стебля, а изменение разности скоростей можно получить на основе кривых горизонтальной скорости как ножа, так и стебля.

2.12. Методы анализа процесса измельчения стерни сахарного тростника

Процесс измельчения стерни сахарного тростника различается для правой и левой половин. Поэтому, чтобы облегчить анализ процесса измельчения стерни сахарного тростника, мы разделили этот процесс на две части: первая часть описывает процесс измельчения левой половины стерни сахарного тростника, а вторая часть описывает процесс измельчения правой половины стерни сахарного тростника. Наконец, мы сравниваем эти два процесса измельчения стерни и подсчитываем количество раз, которое каждый нож на левом и правом рабочих органах перерезал стебель.

Чтобы четко наблюдать весь процесс измельчения, почва скрыта. При анализе процесса измельчения левой половины стерни сахарного тростника отображаются только левый рабочий орган и левая половина стерни. И наоборот, при анализе процесса измельчения правой половины стерни сахарного тростника отображаются только правый рабочий орган, правая половина стерни и ножи 6L левого рабочего органа.

2.13. Методы анализа усилий, действующих на рабочий орган во время обработки

При работе на поле со стерней сахарного тростника рабочий орган одновременно режет стерню сахарного тростника и почву, испытывая различное сопротивление от каждого. Разные части рабочего органа испытывают разное сопротивление при резании почвы и стерни сахарного тростника. Поэтому мы разделяем рабочий орган на три части — ножи, вал и спиральный нож — и анализируем их сопротивление при резании стерни сахарного тростника и почвы.

3.1. Верификация модели

3.1.1. Валидация модели системы "стерня сахарного тростника–почва"

На рисунке 17 показана кривая тягового усилия физического испытания на отклонение ратунского сахарного тростника. На рисунке 18 показана кривая угла наклона испытания на отклонение ратунского сахарного тростника: черная линия — кривая физического испытания, красная линия — кривая имитационного испытания.

Рисунок 17. Кривая тягового усилия.

Рисунок 18. Кривая "угол наклона–время".

На рисунке 18 обе кривые следуют одной тенденции, с максимальной относительной ошибкой 4,2%. Кривые физического и имитационного испытаний относительно согласованы, что свидетельствует о том, что метод моделирования системы "стерня сахарного тростника–почва" является обоснованным.

3.1.2. Валидация модели системы "стерня сахарного тростника–нож"

На рисунке 19a показаны кривые усилия резания стебля, а на рисунках 19b–d показаны кривые усилия резания для корней первого, второго и третьего слоев соответственно. На этих рисунках черная линия — кривая физического испытания, а красная линия — кривая имитационного испытания.

Рисунок 19. Усилие резания стерни сахарного тростника. (a) Резание стебля. (b) Резание корня первого слоя. (c) Резание корня второго слоя. (d) Резание корня третьего слоя.

Рисунок 19 показывает, что при сравнении моделирования с полевым испытанием их кривые следуют одной тенденции, с максимальной относительной ошибкой усилия резания при резании стебля 4,59%, при резании корня первого слоя 4,44%, при резании корня второго слоя 6,73% и при резании корня третьего слоя 5,36%. Близкое соответствие между кривыми физического и имитационного испытаний указывает на то, что метод моделирования системы "стерня сахарного тростника–нож" является обоснованным.

3.1.3. Валидация модели системы "стерня сахарного тростника–почва–рабочий орган"

На рисунке 20 показана кривая изменения крутящего момента рабочего органа, а в таблице 7 показаны показатель крошения почвы и среднее количество перерезаний стебля. На рисунке 20 черная линия — кривая физического испытания, красная линия — кривая имитационного испытания.

Рисунок 20. Кривые крутящего момента.

Таблица 7. Показатель крошения почвы и среднее количество перерезаний стебля.

Из рисунка 20 и таблицы 7 видно, что величина и характер изменения кривых крутящего момента как из физического, так и из имитационного испытаний относительно согласованы, а максимальная относительная ошибка крутящего момента составляет 5,98%. Относительная ошибка показателя крошения верхнего слоя почвы составляет 9,5%, а для всего пахотного слоя — 11,3%. Кроме того, среднее количество перерезаний стебля близко, и результаты имитационного и физического испытаний схожи. Эти результаты предполагают, что метод моделирования является обоснованным, и что имитационная модель процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника применима для анализа процесса обработки.

3.2. Анализ движения стерни сахарного тростника и изменения разности скоростей при резании

3.2. Анализ движения стерни сахарного тростника и изменения разности скоростей при резанииРисунок 21 представляет собой сечение почвы и стерни сахарного тростника в процессе резания рабочим органом, где V обозначает направление движения рабочего органа. Рисунок 22 — диаграмма горизонтальных скоростей для каждой зоны стебля стерни сахарного тростника. Рисунок 23 — диаграмма горизонтальной скорости резания в каждой точке ножа.

Рисунок 21. Диаграмма изменения сдерживающего воздействия почвы на стерню сахарного тростника. (a) Левая половина стерни сахарного тростника. (b) Правая половина стерни сахарного тростника.

Рисунок 22. Диаграмма горизонтальной скорости для каждой зоны стебля. (a) Левый стебель. (b) Правый стебель.

Рисунок 23. Горизонтальная скорость резания в каждой точке ножа.

Как видно на рисунке 21, почва быстро режется рабочим органом, разрушаясь на блоки различных размеров, которые движутся вверх и в стороны, а почва вокруг стерни разрыхляется и вспучивается. Таким образом, сдерживающее воздействие почвы на стерню постепенно ослабевает, и затем стерня наклоняется и движется вместе с почвой. Этот процесс схож с результатами, найденными в [35].

Как показано на рисунках 21 и 22, когда рабочий орган движется вперед, режа почву и стерню сахарного тростника, сдерживающее воздействие почвы на стерню меняется от сильного к слабому из-за возмущения, создаваемого рабочим органом. На этом этапе стерня движется вверх и горизонтально под воздействием рабочего органа, и ее горизонтальная скорость постепенно увеличивается. Когда большая часть почвы вокруг стерни сахарного тростника срезана, сдерживающее воздействие почвы на стерню резко уменьшается, что означает, что перерезать стерню становится невозможно. Из-за отсутствия сдерживания почвой стерня отбрасывается рабочим органом назад, достигая своей максимальной горизонтальной скорости. Впоследствии, по мере продвижения рабочего органа, скорость стерни начинает уменьшаться.

Как видно из рисунков 21, 22 и 23, сдерживающее воздействие почвы на стерню сахарного тростника прогрессивно ослабевает по мере того, как рабочий орган режет почву, и когда рабочий орган продвигается и режет стерню сахарного тростника, разность скоростей между стеблем стерни и ножом постепенно уменьшается, что делает измельчение стебля ножом все более сложным; если разность скоростей падает ниже определенного порога, нож не сможет эффективно перерезать стебель. Это показывает, что сдерживающее воздействие почвы на стерню сахарного тростника постепенно ослабевает по мере того, как рабочий орган режет почву и стерню, переходя от сильного к слабому. Следовательно, разность скоростей, при которой нож режет стебель, уменьшается, что является ключевым фактором, способствующим недостаточному измельчению стебля. Чтобы решить эту проблему, конструкция рабочего органа должна быть оптимизирована так, чтобы, когда нож режет стебель, почва могла сохранять значительное сдерживающее воздействие на стерню. Это повысит разность скоростей в точке резания, обеспечивая более эффективное измельчение стерни.

3.3. Анализ процесса измельчения стерни сахарного тростника

На рисунке 24 показан процесс измельчения левой половины стерни сахарного тростника рабочим органом.

Рисунок 24. Процесс резания левой половины стерни сахарного тростника.

При t = 0,42 с передняя половина корня левой половины стерни сахарного тростника была перерезана ножом, и стебель немного наклонен. При t = 0,425 с точка 7 на ноже 9L собирается резать в зоне 8a стебля, с горизонтальной разностью скоростей между ножом и стеблем 7,83 м·с⁻¹. В t = 0,44 с нож 9L не только измельчил стебель в зоне 8a, но также изогнул стебель и вызвал трещину в зоне 6a. В этот момент задняя половина корня стерни сахарного тростника еще не начала резаться, и величина наклона стебля сильно не меняется по сравнению с 0,42 с. Когда t = 0,45 с, точка 7 ножа 8L собирается резать в зоне 7a стебля, с горизонтальной разностью скоростей между ножом и стеблем 7,56 м·с⁻¹. К t = 0,465 с нож 8L измельчил стебель в зоне 7a, трещина в зоне 6a стала больше, и нож 8L также перерезал корни в задней половине третьего слоя. В это время наклон стебля значительно увеличился по сравнению с 0,44 с из-за измельчения некоторых корней в задней половине стерни сахарного тростника. Когда t = 0,48 с, корни во втором слое вот-вот будут перерезаны ножом 7L. В t = 0,49 с корень задней части стерни сахарного тростника был почти полностью отделен, и наклон стебля сильно увеличился. Кроме того, точка 7 ножа 7L собирается резать в зоне 7a стебля, с горизонтальной разностью скоростей между ножом и стеблем 3,99 м·с⁻¹. В t = 0,5 с нож 7L прорезал стебель, полностью отделив трещину в зоне 6a. Однако в точке 7a только поверхность узла стебля поцарапана, и стебель не может быть дальше измельчен из-за уменьшившейся разности скоростей. Когда t = 0,53 с, рабочий орган больше не может резать левую половину стерни сахарного тростника, что означает конец процесса резания. Этот процесс показывает, что эффективность резания рабочего органа на левой половине стерни сахарного тростника ограничена. Основная причина заключается в том, что по мере измельчения корней задней половины сдерживающее воздействие почвы на стерню ослабевает, что приводит к меньшей разности скоростей и большему наклону стебля, что приводит к меньшему количеству эффективных резов ножами.

На рисунке 25 показан процесс измельчения правой половины стерни сахарного тростника рабочим органом.

Рисунок 25. Процесс резания правой половины стерни сахарного тростника.

Как показано на рисунке 25, при t = 0,415 с передняя половина корня правой половины стерни сахарного тростника почти отделена, в результате чего стебель кажется немного наклоненным. Кроме того, точка 7 ножа 6R собирается врезаться в зону 3b стебля, с горизонтальной разностью скоростей между ножом и стеблем 9,1 м·с⁻¹. Когда t = 0,43 с, нож 6R поцарапал поверхность стебля в зоне 3b, и амплитуда наклона стебля мало изменилась по сравнению с 0,415 с. В t = 0,44 с точка 7 ножа 5R собирается врезаться в зону 3b стебля, с горизонтальной разностью скоростей между ножом и стеблем 7,3 м·с⁻¹. К t = 0,455 с нож 5R срезал поверхностный слой стебля в узле, и все передние половины корней стебля были отделены. Амплитуда наклона стебля сильно не меняется. Когда t = 0,485 с, точка 4 ножа 3R собирается резать в зоне 2b стебля, с разностью скоростей между ножом и зоной 2b стебля 6,3 м·с⁻¹. В t = 0,505 с нож 3R перерезал стебель, и точка 7 ножа 6L левого рабочего органа собирается врезаться в зону 5b стебля с разностью скоростей 6,9 м·с⁻¹ между ножом и стеблем, в то время как стебель все еще лишь немного наклонен. Когда t = 0,52 с, нож 6L измельчил зону 5b стебля, но стебель не полностью отделен. В это время точка 1 ножа 2R собирается резать зону 3b стебля, горизонтальная разность скоростей между ножом и стеблем составляет 6,17 м·с⁻¹, и амплитуда наклона стебля сильно не меняется. Когда t = 0,535 с, нож 2R не только измельчил зону 3b стебля, но и зона 5b была полностью отделена ударом ножа. В t = 0,56 с правая половина стерни сахарного тростника больше не может резаться рабочим органом, и процесс резания заканчивается. Этот процесс показывает, что правая половина стерни сахарного тростника измельчается более эффективно. Причины этого в том, что корни задней половины не были измельчены в процессе резания, что приводит к большему сдерживающему воздействию почвы на стерню сахарного тростника, большей разности скоростей, меньшему наклону стебля и более частым резам ножами.

Сравнение процессов измельчения левой и правой половин стерни сахарного тростника выявляет ключевые различия. Правая половина стерни сахарного тростника режется сверху вниз, в то время как левая половина режется от нижнего конца к верху. Когда рабочий орган режет снизу вверх, корни отделяются первыми, тем самым быстро уменьшая сдерживающее воздействие почвы на стерню сахарного тростника. В результате к тому времени, когда нож режет стебель, разность скоростей значительно уменьшается, что затрудняет эффективное измельчение стебля ножом. Напротив, когда рабочий орган режет правую половину стерни сахарного тростника сверху вниз, корни задней половины остаются нетронутыми до финальных стадий процесса резания. Таким образом, почва может сохранять значительные сдерживающие воздействия на стерню, поддерживая более высокую разность скоростей при резании стебля ножом. Следовательно, нож лучше справляется с эффективным измельчением стебля.

В течение всего процесса измельчения стерни сахарного тростника ножи 6L, 7L, 8L и 9L левого рабочего органа и ножи 2R, 3R, 5R и 6R правого рабочего органа каждый раз перерезали стебель сахарного тростника. Из этого видно, что ножи, расположенные в нижней части рабочего органа, не смогли перерезать стебель, а ножи, успешно перерезавшие стебель, были сосредоточены в средних и верхних положениях рабочего органа. Среди них ножи в средней области были задействованы наиболее часто. Причины можно отнести к двум ключевым факторам. Во-первых, диапазон роста стерни сахарного тростника находится в средних и верхних положениях рабочего органа, поэтому нижние ножи не могут достать и перерезать его. Во-вторых, в процессе резания стебель сахарного тростника может значительно наклоняться, что затрудняет достижение стебля верхними ножами.

Чтобы повысить показатель измельчения стерни сахарного тростника, конструкция рабочего органа должна быть сначала изменена, чтобы обеспечить последовательность резания стерни сверху вниз. Кроме того, расположение и конструкция ножей в средних и верхних положениях рабочего органа должны быть оптимизированы для увеличения частоты и эффективности их резания стеблей.

3.4. Анализ усилия на рабочий орган во время обработки

На рисунке 26 показаны кривые сопротивления двух рабочих органов во время имитационного испытания UDVRT на поле со стерней сахарного тростника. В частности, рисунок 26a — это сопротивление, испытываемое рабочим органом как от почвы, так и от стерни сахарного тростника. Рисунок 26b — это сопротивление, испытываемое различными частями рабочего органа при резании почвы, а рисунок 26c показывает сопротивление, испытываемое различными компонентами рабочего органа при резании стерни сахарного тростника.

Рисунок 26. Сопротивление рабочего органа. (a) Сопротивление рабочего органа при резании почвы и стерни сахарного тростника. (b) Сопротивление каждой части рабочего органа при резании почвы. (c) Сопротивление каждой части рабочего органа при резании стерни сахарного тростника.

Из рисунка 26 видно, что во время UDVRT на поле со стерней сахарного тростника сопротивление рабочего органа исходит в основном от резания почвы, при этом сопротивление от стерни сахарного тростника относительно невелико. Во время фазы стабилизации (0,5–0,7 с) среднее сопротивление рабочего органа при резании почвы составило 15 880,4 Н. Примечательно, что 83,8% этого сопротивления приходилось на ножи и спиральные ножи, в то время как на вал приходилось только 16,2%. В [6,8], когда тот же рабочий орган использовался для обработки обычного пахотного поля, доли сопротивления резанию почвы ножами и спиральными ножами составляли 88,5% и 86,6% соответственно, а доля вала — 11,5% и 13,4% соответственно. Из этого видно, что результаты анализа сопротивления резанию почвы рабочим органом в данной статье схожи с результатами в [6,8]. Таким образом, оптимальная конструкция ножей и спиральных ножей для снижения сопротивления требуется как при обработке обычного пахотного поля, так и на поле со стерней сахарного тростника. Когда рабочий орган режет стерню сахарного тростника, ножи испытывают наибольшее сопротивление, в то время как спиральные ножи испытывают небольшое сопротивление, и вал не подвергается никакому сопротивлению.

В данной статье использован связанный метод FEM-SPH для создания имитационной модели процесса UDVRT на поле со стерней сахарного тростника, исследован механизм измельчения стерни сахарного тростника рабочим органом, изучены причины низкой производительности измельчения стерни и проанализированы усилия, действующие на рабочий орган во время обработки. Основные полученные выводы следующие:

(1) Когда сверхглубокий вертикальный ротационный рыхлитель работает на поле со стерней сахарного тростника, по мере того как рабочий орган режет почву вокруг стерни сахарного тростника, сдерживающее воздействие почвы на стерню постепенно ослабевает. Кроме того, стерня наклоняется и движется вместе с почвой. И когда нож рабочего органа контактирует со стерней, стерня перерезается. Когда разность скоростей между ножом и стеблем достигает определенного значения, стебель перерезается.

(2) Когда рабочий орган одновременно режет почву и стерню, сдерживающее воздействие почвы на стерню постепенно ослабевает, разность скоростей между ножом и стеблем становится меньше, наклон стеблей становится больше, а количество раз, которое нож может перерезать стебли, сокращается, и каждое из этих явлений является основной причиной низкой производительности измельчения стерни. Рабочий орган перерезает стерню в порядке, когда нож движется сверху вниз; нож сначала перерезает стебель, а затем корень, что является эффективной мерой для повышения показателя измельчения стерни.

(3) Во время обработки рабочий орган в основном испытывает сопротивление от резания почвы. Среднее сопротивление, испытываемое рабочим органом при резании почвы, составило 15 880,4 Н, причем 83,8% этого сопротивления действовало на ножи и спиральный нож, в то время как только 16,2% приходилось на вал.

(4) Предлагается провести инновационную конструктивную проработку рабочего органа для улучшения измельчения стеблей и снижения сопротивления рабочего органа при резании почвы.

1.    Yin, J.; Zhang, X.; Ma, Y.; Yu, X.; Hou, H.; Wang, H.; Fang, Y. Vertical rotary sub-soiling under ridge–furrow with plastic mulching system increased crops yield by efficient use of deep soil moisture and rainfall. Agric. Water Manag. 2022, 271, 107767. [Google Scholar] [CrossRef]

2.    Yao, R.; Gao, Q.; Liu, Y.; Li, H.; Yang, J.; Bai, Y.; Zhu, H.; Wang, X.; Xie, W.; Zhang, X. Deep vertical rotary tillage mitigates salinization hazards and shifts microbial community structure in salt-affected anthropogenic-alluvial soil. Soil Tillage Res. 2023, 227, 105627. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Zhang, X.; Guo, J.; Ma, Y.; Yu, X.; Hou, H.; Wang, H.; Fang, Y.; Tang, Y. Effects of vertical rotary subsoiling with plastic mulching on soil water availability and potato yield on a semiarid Loess plateau, China. Soil Tillage Res. 2020, 199, 104591. [Google Scholar] [CrossRef]

4.    Wei, B.; Li, S.; Gan, X.; Wei, Y.; Li, L. Rotary Cutting Type Deep Tillage Powder Ridge Multifunctional Machine. China Patent 201010270614.3, 26 December 2012. [Google Scholar]

5.    Li, S. A Powder Ridge Machine for Sowing and Its Sowing Method. China Patent 201510285383.6, 21 September 2016. [Google Scholar]

6.    Yang, W.; Xiao, X.; Pan, R.; Guo, S.; Yang, J. Numerical Simulation of Spiral Cutter–Soil Interaction in Deep Vertical Rotary Tillage. Agriculture 2023, 13, 1850. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Yang, W.; Huang, Q.; Li, Y.; Han, Y.; Li, G.; Tang, Q.; Yang, J. Effect of Operating Performance of Deep Vertical Rotary Tillage Tool Based on SPH. J. Agric. Mech. Res. 2020, 42, 147–152. [Google Scholar]

8.    Xiao, X.; Guo, S.; Zheng, X.; Pan, R.; Yang, J.; Yang, W. Simulation Study on Vibration Reduction of Powder Ridge Cutting Tool. J. Agric. Mech. Res. 2021, 43, 26–30. [Google Scholar]

9.    Xiao, X.; Pan, R.; Zheng, X.; Yang, W. Simulation of Spiral Cutters Based on Soil Fragmentation Distribution. J. Agric. Mech. Res. 2021, 43, 29–34. [Google Scholar]

10. Sun, J.; Jiang, H.; Zheng, X.; Nong, H.; Zeng, B.; Yang, W. Simulation of Ultra Deep Rotary Tillage Tool Based on Soil Disturbance. J. Agric. Mech. Res. 2024, 46, 66–71. [Google Scholar]

11. Jiang, H.; Sun, J.; Zheng, X.; Huang, Y.; Yang, W. Research on Simulation Design of a New Type of Leafless Powder Ridge Cutter. J. Agric. Mech. Res. 2024, 46, 132–137. [Google Scholar]

12. Wei, B.; Zhang, X.; Wei, Y.; Ning, X. A Kind of Open Type Two Knives Drilling Powder Ridge Cutter. China Patent 202121165377.4, 3 May 2022. [Google Scholar]

13. Li, M.; Xu, S.; Yang, Y.; Guo, L.; Tong, J. A 3D simulation model of corn stubble cutting using finite element method. Soil Tillage Res. 2017, 166, 43–51. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Mao, L.; Wang, P.; Yang, X.; Li, J.; Li, X.; Li, X. Design and Analysis of Vibratory Root System Cutting Device for Fruit Trees. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2020, 51, 281–291. [Google Scholar]

15. Shen, S. Shear Failure Characteristics of Root Soil Aggregates and Development of Bionic Desotption Cutter. Master’s Thesis, University of Science and Technology Liaoning, Anshan, China, 2022. [Google Scholar]

16. Yang, W.; Zhao, W.; Liu, Y.; Chen, Y.; Yang, J. Simulation of forces acting on the cutter blade surfaces and root system of sugarcane using FEM and SPH coupled method. Comput. Electron. Agric. 2021, 180, 105893. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Zhang, S.; Jia, X.; Dong, J.; Wang, X.; Zhao, H.; Chen, X.; Zhang, Z.; Huang, Y.; Shi, J. Optimization of operating angles of disc coulters for maize residue management using discrete element method. Comput. Electron. Agric. 2024, 218, 108691. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Zou, L.; Yan, D.; Niu, Z.; Yuan, J.; Cheng, H.; Zheng, H. Parametric analysis and numerical optimisation of spinach root vibration shovel cutting using discrete element method. Comput. Electron. Agric. 2023, 212, 108138. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Zhao, S.; Wang, J.; Yang, C.; Chen, J.; Yang, Y. Design and Experiment of Stubble Chopper under Conservation Tillage. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2019, 50, 57–68. [Google Scholar]

20. Hu, M.; Gao, T.; Dong, X.; Tan, Q.; Yi, C.; Wu, F.; Bao, A. Simulation of soil-tool interaction using smoothed particle hydrodynamics (SPH). Soil Tillage Res. 2023, 229, 105671. [Google Scholar] [CrossRef]

21. Gao, T. The Study and Application of Soil-tool Interaction Numerical Model Based on SPH. Master’s Thesis, Southwest University, Chongqing, China, 2023. [Google Scholar]

22. Zhong, J.; Jiang, J.; Jiang, T.; Zhao, Z.; Qiao, X.; Zhang, X. Deep-tillage Rotavator Technology Based on Smoothed Particle Hydrodynamics Simulation. J. Mech. Eng. 2010, 46, 63–69. [Google Scholar] [CrossRef]

23. Yang, W.; Zhang, X.; Yang, J.; Zheng, X.; Liao, L. Simulation and test on performance of soil-cassava jitter separation device of cassava harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2017, 33, 18–25. [Google Scholar]

24. Kang, J.; Li, S.; Yang, X.; Liu, L.; Li, C. Experimental verification and simulation analysis on power consumption of disc type ditcher. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2016, 32, 8–15. [Google Scholar]

25. Lu, C.; He, J.; Li, H.; Wang, Q.; Zheng, Z.; Zhang, X. Simulation of Soil Cutting Process by Plane Blade Based on SPH Method. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2014, 45, 134–139. [Google Scholar]

26. He, X.; Xia, J.; Yu, S. Finite element simulation of soil cutting with rotary knife roller based on ANSYS/LS-DYNA. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2013, 29, 34–41+293. [Google Scholar]

27. Yang, W.; Yang, J.; Jia, F.; Wang, Q.; Huang, Y. Numerical Simulation of Digging Operation of Cassava Root Planted in Red Clay. J. Mech. Eng. 2013, 49, 135–143. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Yang, W.; Tian, A.; Ye, R.; Liu, H.; Zhang, Z.; Wang, Q. Numerical simulation research on the penetration resistance of aluminum foam sandwich plate based on SPH-FEM coupling method. Ship Sci. Technol. 2023, 45, 13–19. [Google Scholar]

29. Zhang, Z.; Qiang, H.; Gao, W. Coupling of smoothed particle hydrodynamics and finite element method for impact dynamics simulation. Eng. Struct. 2010, 33, 255–264. [Google Scholar] [CrossRef]

30. Tagar, A.A.; Ji, C.; Adamowski, J.; Malard, J.; Chen, S.; Ding, Q.; Abbasi, N.A. Finite element simulation of soil failure patterns under soil bin and field testing conditions. Soil Tillage Res. 2015, 145, 157–170. [Google Scholar] [CrossRef]

31. Yang, W.; Mo, X.; Yang, J.; Yuan, F.; Huang, S. Experimental Study on the Basic Parameters of Sugarcane on Easy Lodging Period. J. Agric. Mech. Res. 2016, 38, 143–148. [Google Scholar]

32. Xiao, H.; Zhao, Y.; Ding, W.; Mei, S.; Han, Y.; Zhang, Y.; Yan, H.; Song, Z. Design and experiment on blade shaft of 1KS60-35X type orchard double-helix trenching and fertilization machine. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2017, 33, 32–39. [Google Scholar]

33. Yang, W.; Yang, J.; Liu, Z. Dynamic simulation experiment on effects of sugarcane cutting beneath surface soil. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2011, 27, 150–156. [Google Scholar]

34. Zhang, J.; Liu, H.; Gao, J.; Lin, Z.; Chen, Y. Simulation and Test of Corn Layer Alignment Position Hole Fertilization Seeder Based on SPH. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2018, 49, 66–72. [Google Scholar]

35. Wu, T.; Jiang, L.; Lai, Y.; Ma, X. Numerical Simulation of Roots-soil Separation Process of Corn Stubble. J. Henan Agric. Sci. 2016, 45, 132–136. [Google Scholar]

Yang W, Lu H, Xiao X, Luo Z, Dai W, Lu Z. Research on the Sugarcane Stubble Chopping Mechanism of an Ultra-Deep Vertical Rotary Tillage Cutter Based on FEM-SPH Coupling Method. Agriculture. 2025; 15(3):329. https://doi.org/10.3390/agriculture15030329

Перевод статьи «Research on the Sugarcane Stubble Chopping Mechanism of an Ultra-Deep Vertical Rotary Tillage Cutter Based on FEM-SPH Coupling Method» авторов Yang W, Lu H, Xiao X, Luo Z, Dai W, Lu Z., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык