Победа над плотной почвой: оптимизация глубокорыхлителя для солончаков

Солонцеватые почвы характеризуются высокой плотностью, высокой твердостью и плохой водопроницаемостью. В связи с проблемами малой глубины рыхления, большого удельного сопротивления и низкой степени крошения почвы при работе чизельных рыхлителей на солонцеватых почвах, в данной работе создается математическая модель удельного сопротивления рыхлителя с ломаной линией стойки, а также используются генетический алгоритм и метод дискретных элементов для оптимизации конструкции рыхлителя.

Сначала была разработана математическая модель на основе анализа сил, действующих на рыхлитель в процессе работы. Для решения задачи был применен генетический алгоритм, на основе которого построены три геометрические модели рыхлителей с ломаной линией стойки. Затем было проведено имитационное моделирование с использованием программного обеспечения EDEM, где критериями оценки эффективности обработки почвы служили тяговое сопротивление, площадь рыхления почвы, удельное сопротивление чизелеванию и степень крошения почвы, с последующей проверкой в полевом эксперименте. Результаты показали, что удельное сопротивление трех вариантов рыхлителей с ломаной линией стойки в имитационном тесте было значительно ниже, чем у стандартного рыхлителя. По сравнению со стандартным рыхлителем, у рыхлителя с ломаной линией стойки (вариант Б) площадь рыхления почвы увеличилась на 12%, тяговое сопротивление снизилось на 19%, удельное сопротивление чизелеванию уменьшилось на 26%, а степень крошения повысилась на 6%. Результаты полевых экспериментов показали, что рыхлитель с ломаной линией стойки (вариант Б) по сравнению со стандартным снижает требуемое тяговое усилие и повышает эффективность обработки почвы, что согласуется с результатами анализа в EDEM. Рыхлитель с ломаной линией стойки позволяет эффективно повысить качество пахотных земель.

Солонцеватые почвы — это почвы, накапливающие избыточное количество растворимых солей, что угнетает или вредит росту и развитию сельскохозяйственных культур. Они характеризуются высокой плотностью и высокой твердостью [1,2]. Конструктивная форма глубокорыхлителя оказывает непосредственное влияние на тяговое сопротивление и эффективность обработки почвы [3]. Путем проектирования и оптимизации его конструктивной формы можно достичь цели снижения удельного сопротивления глубокорыхлителя и улучшения степени крошения почвы после рыхления, что имеет большое значение для проектов по мелиорации солонцеватых земель [4,5]. Некоторые исследователи выполнили соответствующие работы по оптимизации конструкции глубокорыхлителей. Лю [Liu] изучил взаимосвязь между углом наклона стойки и сопротивлением обработки у глубокорыхлителя с изогнутой стойкой. Было установлено, что сопротивление рыхлению увеличивается с углом вхождения в почву, а сопротивление обработке сначала возрастает, а затем постепенно снижается; при угле вхождения в почву 21° тяговое сопротивление глубокорыхлителя уменьшилось на 16,1% [6]. Ли [Li] разработал глубокорыхлитель с хорошим эффектом снижения сопротивления путем оптимизации таких параметров, как ширина заглубления стойки и угол зазора при входе в почву [7]. Ибрахми А. [Ibrahmi A.] использовал конечно-элементную модель для изучения влияния параметров резания рабочего органа на сопротивление обработке. Было обнаружено, что при увеличении ширины составляющая тягового сопротивления в горизонтальном направлении линейно возрастает вместе с составляющей в вертикальном направлении, а уменьшение угла крошения может эффективно снизить сопротивление обработки глубокорыхлителя [8]. Цзян и др. [Jiang et al.], учитывая геометрию глубокорыхлителя, свойства почвы и условия работы, создали математическую аналитическую модель для прогнозирования тягового усилия изогнутого глубокорыхлителя. Результаты показали, что эффективность глубокорыхлителя, спроектированного для работы на той же глубине, была лучше, чем у стандартного глубокорыхлителя [9]. Чжан и др. [Zhang et al.] разработали глубокорыхлитель, взяв за бионический объект медведку, и проанализировали его эффективность обработки с помощью совместного моделирования ADAMS-EDEM. Результаты показали, что моделируемый глубокорыхлитель имел лучшие показатели [10]. Сюй и др. [Xu et al.] разработали импульсный пневмовзрывной глубокорыхлитель, а также обдуваемый воздухом двусторонний зубец чизельного типа и направляющую, установили математическое уравнение зависимости параметров конструкции глубокорыхлителя от профиля рыхления почвы. Результаты показали, что импульсный пневмовзрывной глубокорыхлитель обладает лучшей эффективностью [11].

Метод дискретных элементов (DEM) рассматривает почву как состоящую из дискретных почвенных частиц и промежутков между ними, что позволяет лучше моделировать динамические изменения почвы или взаимодействие между почвой и почвообрабатывающими орудиями [12,13]. DEM позволяет оптимизировать структуру и траекторию рабочих органов, взаимодействующих с почвой, путем моделирования влияния характеристик обработки почвы, изменений структуры, площади рыхления и рабочих органов различной конструкции на почву [14]. Барр [Barr] создал имитационную модель взаимодействия почвы и глубокорыхлителя. Экспериментальные результаты показали, что DEM может точно моделировать процесс обработки почвы глубокорыхлителем, и на этой основе была проведена оптимизация конструкции глубокорыхлителя [15]. Мюррей [Murray] выполнил калибровку параметров частиц в дискретно-элементном моделировании почвы, используя в качестве критерия степень крошения почвы после рыхления. Результаты показали, что абсолютная относительная ошибка между результатами моделирования DEM и эксперимента составила около 10,53% [16]. Ван и др. [Wang et al.] использовали метод дискретных элементов для оптимизации угла установки рабочего органа глубокорыхлителя, что позволило эффективно повысить степень крошения почвы и снизить сопротивление обработке [17].

В то же время, помимо метода поверхностей отклика, генетический алгоритм также постепенно применяется для оптимизации и выбора комбинаций параметров. Генетический алгоритм использует функцию приспособленности для оценки исследуемого объекта с помощью операций селекции, мутации и скрещивания [18,19,20,21], выполняя поиск по всей области решений и находя оптимальное решение задачи. Бекаль А. и др. [Beqal A. et al.] использовали генетический алгоритм для оптимизации параметров многокаскадного усилителя с целью улучшения его соотношения сигнал/шум [22]. Цао [Cao] выполнил многокритериальную оптимизацию конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами на основе генетического алгоритма роя частиц, что эффективно повысило механический КПД и синхронность двигателя [23]. Дин и др. [Ding et al.] использовали генетический алгоритм для инверсии нейронной сети BP с целью калибровки дискретно-элементных параметров семян тыквы. По сравнению с методом RSM, результаты показали, что точность комбинации параметров, оптимизированной с помощью генетического алгоритма, была выше [24].

Чтобы снизить тяговое сопротивление и удельное сопротивление при рыхлении солонцеватых почв, увеличить эффект рыхления почвы и повысить эффективность глубокорыхления, в данном исследовании была создана математическая модель удельного сопротивления глубокорыхлителя с ломаной линией стойки. Для решения математической модели удельного сопротивления глубокорыхлителя был применен генетический алгоритм и построены три модели глубокорыхлителей с ломаной линией стойки. На основе программного обеспечения EDEM (2022) было проведено имитационное моделирование обработки почвы глубокорыхлителем. Эффективность обработки трех глубокорыхлителей с ломаной линией стойки и традиционных глубокорыхлителей оценивалась с использованием удельного сопротивления рыхлению и степени крошения почвы в качестве показателей. Затем, посредством полевого эксперимента, были сравнены и проанализированы удельное сопротивление рыхлению и степень крошения почвы для этих глубокорыхлителей. Было доказано, что комбинация генетического алгоритма и дискретно-элементного моделирования эффективна для снижения удельного сопротивления рыхлению и повышения степени крошения почвы. В то же время была подтверждена эффективность обработки разработанного глубокорыхлителя с ломаной линией стойки, что обеспечило теоретическую основу для последующих исследований.

2.1. Свойства почвы

Образцы почвы были отобраны в городе Байчэн, провинция Цзилинь, Северо-Восточный Китай (123,963° в.д., 45,238° с.ш.), в зоне сильно опустыненной содовой солонцеватой почвы. Время отбора проб почвы — апрель 2023 года. Почву отбирали послойно, затем образцы почвы высушивали, измельчали и просеивали для определения гранулометрического состава образцов. Согласно международному стандарту классификации почв по гранулометрическому составу, были классифицированы почвы на разных глубинах содовой солонцеватой почвы в тестовой зоне (Таблица 1).

Таблица 1. Гранулометрический состав почвы.

2.2. Создание модели почвы

Учитывая силу взаимодействия между почвенными частицами и глубокорыхлителем, чтобы лучше проанализировать взаимодействие почвы и глубокорыхлителя, а также изменение структуры почвы, в данной работе используется программное обеспечение EDEM (2022) для создания модели почвенного канала. В соответствии с фактическим послойным распределением содовой солонцеватой почвы, модель для моделирования настроена на три слоя почвы (Рисунок 1a). Размер моделируемого почвенного канала составляет 1200 мм в длину × 750 мм в ширину × 800 мм в глубину, как показано на Рисунке 1b. Распределение почвы соответствует реальному грунту. Первый слой — щелочной горизонт Az, являющийся поверхностным слоем почвы, глубина залегания 0–50 мм, размер частиц 10 мм (розовый цвет); второй слой — водоупор E, глубина 50–200 мм, состоит из частиц размером 10 мм и 12 мм (синий и желтый цвета); третий слой — горизонт Cy, глубина 200–800 мм, состоит из частиц размером 10 мм (зеленый цвет).

Рисунок 1. (a) Стратификация почвы. (b) Почвенный канал в EDEM.

Солонцеватая почва обладает высокой связностью и упруго-пластичностью при повышенной влажности. Модель Герца-Миндлина с JKR может моделировать характеристики напряжений и деформаций частиц почвы под воздействием внешних сил и отражать связность частиц. Основываясь на модели JKR, в данной работе показана сила сцепления между почвенными частицами в солонцеватых землях путем задания поверхностной энергии различных частиц, чтобы лучше имитировать силы и траектории движения почвенных частиц при глубоком рыхлении. Из Рисунка 2 видно, что тенденция изменения сопротивления пенетрации почвы с глубиной в полевых условиях и в EDEM согласуется, что указывает на разумность настройки параметров модели почвенного канала. Параметры контакта и свойства материалов заданы в соответствии с Таблицей 2.

Рисунок 2. Кривые сопротивления пенетрации по результатам моделирования и полевых испытаний.

Таблица 2. Параметры моделирования.

2.3. Проектирование глубокорыхлителя с ломаной линией стойки

2.3.1. Анализ и создание математической модели глубокорыхлителя с ломаной линией стойки

В процессе обработки почвы перед глубокорыхлителем образуется почвенный клин, который связан с сопротивлением обработке и рыхлением почвы. В данном исследовании была создана математическая аналитическая модель глубокорыхлителя с ломаной линией стойки (Рисунок 3a). Для упрощения анализа часть с ломаной линией была упрощена до дуги описанной окружности, соответствующей отрезку ломаной линии, и касательного к дуге прямолинейного отрезка стойки h. Задняя кривая глубокорыхлителя была упрощена до вихревой линии, а почвенный клин был принят как геометрическое тело, образованное вращением плоскости вокруг оси вращения, как показано на Рисунке 3b.

Рисунок 3. (a) Геометрическая форма глубокорыхлителя с ломаной линией стойки. (b) Взаимодействие между глубокорыхлителем и почвой.

Почвенный клин можно рассматривать как серию микроэлементов (Рисунок 4a). На каждый почвенный микроэлемент действуют сила, приложенная к нему глубокорыхлителем (dFc), сила тяжести почвенного микроэлемента (dW), сила сдвига между почвой и почвой (dR) и нормальное давление между почвенным клином и ненарушенной почвой (dFN) (Рисунок 4b) [25]. При разрушении почвы можно удовлетворить уравнение равновесия (1):

Рисунок 4. (a) Почвенный микроэлемент. (b) Анализ напряжений почвенного микроэлемента.

Угол поверхности разрушения относительно горизонтальной плоскости определяется как ε, а угол между dFc и горизонтальной плоскостью определяется как β. Поскольку известный размер направления FN неизвестен, выполняется проекция на вертикальное направление FN, и разложение dFc и dW позволяет определить Формулу (2):

где R — радиус (м) внешней окружности, соответствующей участку ломаной линии стойки глубокорыхлителя. Формула для dW следующая:

где ρ — плотность почвы, g — ускорение свободного падения, а dV — объем элементарного объема почвы, который можно получить из Формулы (4):

где S — площадь поверхности вращения, а L1 и L2 — первая и вторая длины верхней поверхности почвенного клина (Рисунок 4b). Эти параметры можно вычислить по Формулам (5)–(8):

где θ — центральный угол внешней окружности, соответствующей участку ломаной линии стойки глубокорыхлителя, а h — длина (м) прямолинейного участка стойки глубокорыхлителя. Следовательно, составляющая F_(c,x) силы Fc в направлении работы может быть вычислена интегрированием dF_(c,x) по ε:

Сила трения Ff глубокорыхлителя разделяется на силу трения стойки (Ff1) и силу трения наконечника (Ff2), как показано на Рисунке 5a. Сила трения стойки Ff1 состоит из двух частей: силы трения Fs между почвой и боковой стороной стойки глубокорыхлителя и силы трения Fwx между почвой и частью лезвия в направлении обработки. Fs определяется методом бесконечно малых, как показано на Рисунке 5b, а формула представлена как Формулы (10)–(12).

где γ — ширина стойки в месте крепления наконечника (м), а t — ширина стойки глубокорыхлителя (м). Сила трения Ff2 на наконечнике состоит из двух частей: сопротивления трения Fη на боковой стороне наконечника и составляющей Fξx сопротивления трения на верхней поверхности наконечника в направлении обработки. Формула для сопротивления трения Fη на боковой стороне наконечника глубокорыхлителя является сложной и будет представлена далее.

Сопротивление трения Fξx на верхней поверхности наконечника является более сложным, так как может вызывать два различных состояния движения почвы и приводить к различию в силе трения, что требует классификации и обсуждения (Рисунок 6).

Рисунок 5. (a) Анализ сил трения, действующих на стойку глубокорыхлителя. (b) Разделение стойки глубокорыхлителя на микроэлементы.

Рисунок 6. (a) Анализ сил при θ > π/2 − μ. (b) Анализ сил при θ ≤ π/2 − μ.

Когда θ > π/2 − μ, метод расчета силы трения Fξ на верхней поверхности наконечника согласуется с методом расчета Fη (Рисунок 6a). Формула для Fξx является сложной.

Когда θ ≤ π/2 − μ, между наконечником глубокорыхлителя и почвой, прилегающей к его верхней поверхности, существует лишь тенденция к относительному движению (Рисунок 6b). Следовательно, формула для Fξx также является сложной.

Формула сопротивления трения Ff2 на наконечнике глубокорыхлителя во время обработки является кусочно-заданной в зависимости от угла θ.

Сила трения глубокорыхлителя в процессе обработки может быть выражена как сумма всех составляющих.

Во время операции глубокого рыхления клиновидный почвенный блок будет двигаться вверх под действием глубокорыхлителя. Следовательно, глубокорыхлителю необходимо обеспечить дополнительную силу инерции Fi для подъема клиновидного почвенного блока. Сила инерции Fi может быть рассчитана с использованием теоремы об импульсе и количестве движения. Как показано на Рисунке 7, предполагается, что перед глубокорыхлителем существует замкнутое контрольное тело, объем и форма которого соответствуют клиновидному почвенному блоку. В процессе обработки глубокорыхлителем клиновидный почвенный блок будет вытекать из контрольного тела, а новый клиновидный почвенный блок будет входить в контрольное тело. Сила инерции Fi может быть вычислена по Формуле (18), где dm/dt — масса почвы, вытекающей из контрольного тела в единицу времени, u — скорость клиновидного почвенного блока относительно дна контрольного тела, а dh — высота клиновидного почвенного блока, вытекающего из контрольного тела. Согласно Рисунку 8a, метод расчета u является сложным.

Рисунок 7. (a) Анализ силы инерции. (b) Анализ сил на верхней поверхности контрольного тела.

Рисунок 8. (a) Главный вид клиновидного почвенного блока. (b) Вид сверху на клиновидный почвенный блок.

Когда клиновидный почвенный блок вытекает из контрольного тела, он будет вытекать с верхней поверхности контрольного тела. Следовательно, масса dm/dt, вытекающая из почвы из контрольного тела в единицу времени, может быть рассчитана по Формуле (20). Au — площадь верхней поверхности контрольного объема, как показано на Рисунке 7b, и ее формула является сложной.

Существует угол ε между направлением силы инерции и горизонтальным направлением, поэтому горизонтальная составляющая силы инерции Fix выражается соответствующей формулой.

Тяговое сопротивление глубокорыхлителя представляет собой сумму силы резания Fcx, силы трения Ff и горизонтальной составляющей силы инерции Fix:

В данном исследовании площадь рыхления почвы глубокорыхлителем приравнивается к трапеции [9]. Рисунок 8 представляет собой схематическое изображение площади рыхления почвы для многоугольного глубокорыхлителя. Площадь рыхления почвы Ac глубокорыхлителя может быть выражена формулой (24).

Следовательно, удельное сопротивление рыхлению Kf глубокорыхлителя с ломаной линией стойки может быть рассчитано как:

2.3.2. Построение модели глубокорыхлителя с минимальным удельным сопротивлением на основе генетического алгоритма

Принимая минимальное удельное сопротивление глубокого рыхления в качестве целевой функции решения, геометрические параметры глубокорыхлителя с ломаной линией стойки получаются путем решения математической модели с использованием генетического алгоритма. Целевая функция F может быть определена как:

Ограничения задаются следующим образом:

Чем меньше удельное сопротивление рыхлению, тем выше эффективность рыхления глубокорыхлителя с ломаной линией стойки. Функция приспособленности F_fitness равна:

В качестве оператора селекции был выбран метод рулетки, значение оператора выбрано как 0,2; для кроссовера был выбран двухточечный метод кроссовера, общая вероятность кроссовера составила 0,6. Вероятность мутации составила 0,2, размер популяции в каждом поколении — 40, количество итераций — 500. С помощью программного обеспечения Matlab (R2020a) была выполнена оптимизация, проведена аппроксимация дугового участка глубокорыхлителя многоугольником, созданы три различных варианта глубокорыхлителя с ломаной линией стойки, как показано на Рисунке 9.

Рисунок 9. Геометрические модели глубокорыхлителей.

2.4. Показатели оценки эффективности обработки глубокорыхлителя в моделировании

Для оценки эффективности обработки глубокорыхлителя в имитационном тесте в качестве оценочных показателей использовались тяговое сопротивление, площадь рыхления, удельное сопротивление рыхлению и степень крошения. Тяговое сопротивление и облако частиц в процессе обработки экспортировались программным обеспечением EDEM, а выделение границ выполнялось с помощью MATLAB (R2020a). Рассчитывалась площадь почвы, выпирающей на поверхность, и окончательно определялась площадь выпирания почвы на поверхность после обработки глубокорыхлителем. Удельное сопротивление рыхлению комплексно учитывает сопротивление обработке и площадь рыхления и часто используется для оценки эффективности обработки глубокорыхлителем (Формула (25)).

Степень крошения почвы часто используется для измерения эффекта рыхления почвы глубокорыхлителем [26,27,28,29], как показано на Рисунке 10. Чем выше степень крошения солонцеватой почвы, тем лучше эффект обработки. Формула для расчета степени крошения почвы:

где P_O — степень крошения почвы, %; A_e — площадь поперечного сечения от поверхности почвы после обработки до поверхности ненарушенной почвы, мм²; A_O — площадь поперечного сечения от поверхности до обработки до дна теоретической борозды глубокорыхления, мм².

Рисунок 10. Имитационное испытание глубокорыхлителя.

2.5. Полевое испытание

Для обеспечения точности данных испытаний полевые эксперименты были проведены на образцах почвы, отобранных в октябре 2023 года. Во время испытаний измерялись сопротивление обработке глубокорыхлителя, площадь рыхления почвы и степень крошения почвы (Рисунок 11). В ходе испытаний трактор поддерживал постоянную скорость движения 1 м/с. Когда скорость трактора стабилизировалась и глубина обработки почвы достигала требуемого значения, для сбора тягового сопротивления глубокорыхлителя в реальном времени использовался телеметрический прибор. Тяговое усилие собиралось устройством сбора данных и передавалось на компьютер через беспроводное Bluetooth-устройство. Площадь поперечного сечения почвы измерялась с помощью профиломера, после чего выкапывался почвенный профиль после рыхления для определения площади рыхления. С помощью Matlab (R2020a) выделялись границы для получения площади рыхления почвы глубокорыхлителем. Удельное сопротивление и степень крошения рыхления рассчитывались с использованием Формул (25) и (29) после измерения тягового сопротивления, площади рыхления и площади вспучивания почвы.

Рисунок 11. Полевое испытание глубокорыхлителя.

3.1. Площадь рыхления

На Рисунке 12 показана площадь рыхления глубокорыхлителей различной формы в EDEM при скорости движения 1 м/с; эффект воздействия на почвенные частицы виден на рисунке (Рисунок 12a). Площадь рыхления почвы можно оценить с помощью графического представления [30]. После завершения моделирования эти профильные кривые загружаются в программное обеспечение SolidWorks (2022) для аппроксимации, а затем оценивается площадь (Рисунок 12b). В целом, при одинаковой скорости движения общая площадь рыхления почвы у глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-А наибольшая, за ним следуют глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б и стандартный глубокорыхлитель, а площадь рыхления почвы у глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-С наименьшая. С точки зрения стратификации, для поверхностного слоя почвы степень нарушения ранжируется как глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-С > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б > стандартный глубокорыхлитель. Для среднего слоя почвы степень нарушения располагается в порядке: глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А ≈ глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б > стандартный глубокорыхлитель > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-С. Для глубокого слоя почвы порядок степени нарушения следующий: глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б > стандартный глубокорыхлитель > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-С.

Рисунок 12. (a) Нарушение почвы в моделировании. (b) Аппроксимирующая кривая площади рыхления почвы.

3.2. Тяговое сопротивление

На Рисунке 13 показано сопротивление обработке глубокорыхлителей различной формы в EDEM при скорости движения 1 м/с. Из рисунка видно, что с увеличением времени моделирования сопротивление обработке стандартного глубокорыхлителя является наибольшим после того, как сопротивление движению глубокорыхлителя достигает стабильного диапазона. Это может быть связано с тем, что радиус кривизны стандартного глубокорыхлителя больше, что приводит к большей площади контакта и более высокому трению между ним и почвой. Порядок сопротивления обработке у глубокорыхлителей с ломаной линией стойки: глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-С. Причиной такой ситуации может быть то, что длина участка ломаной линии кривой контакта с почвой стойки глубокорыхлителя-А больше, что приводит к совпадению направления силы и направления движения для среднего слоя почвы, снижению эффективности крошения нижележащей почвы и увеличению пути трения между почвой и боковой стенкой глубокорыхлителя, что обуславливает большее сопротивление рыхлению глубокорыхлителя-А. Для глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б и глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-С длина участка ломаной линии кривой контакта с почвой стойки короче, чем у глубокорыхлителя-А, причем длина участка ломаной линии кривой глубокорыхлителя-С является наименьшей. В среднем слое почвы возникает множество направлений напряжений, не совпадающих с направлением движения, что повышает степень крошения почвы, уменьшает путь трения между почвой и боковой стенкой глубокорыхлителя и, следовательно, снижает сопротивление обработке.

Рисунок 13. Тяговое сопротивление различных глубокорыхлителей во время работы.

3.3. Удельное сопротивление

Удельное сопротивление рыхлению является комплексным показателем, включающим тяговое сопротивление и площадь рыхления, и отражает эффективность работы глубокорыхлителя в процессе обработки. На Рисунке 14 показано удельное сопротивление рыхлению, полученное из данных, экспортированных постпроцессорным модулем EDEM, при скорости движения глубокорыхлителей различной формы 1 м/с. Из диаграммы видно, что удельное сопротивление рыхлению четырех глубокорыхлителей располагается в порядке: S-Б < S-С < S-А < S-S. Среди них удельное сопротивление рыхлению трех оптимизированных глубокорыхлителей с ломаной линией стойки значительно меньше, чем у стандартного глубокорыхлителя, что свидетельствует о меньшем сопротивлении обработке у трех оптимизированных глубокорыхлителей с ломаной линией стойки по сравнению со стандартным и о большей площади рыхления почвы. Сравнивая два вида глубокорыхлителей с ломаной линией стойки, обобщая Разделы 3.1 и 3.2, можно заключить, что сопротивление рыхлению и площадь рыхления у глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б превосходят показатели двух других глубокорыхлителей, поэтому глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б имеет наименьшее удельное сопротивление и лучший эффект рыхления.

Рисунок 14. Тяговое сопротивление, площадь рыхления и удельное сопротивление различных глубокорыхлителей во время работы.

3.4. Степень крошения почвы

Степень крошения — это показатель, который включает ширину пласта почвы и площадь рыхления почвы и оценивает эффект обработки почвы. На Рисунке 15 показана схема площади вспучивания почвы и идеальной площади рыхления почвы при скорости движения глубокорыхлителей различной формы 1 м/с. Идеальная площадь рыхления почвы связана с шириной пласта. При одинаковой глубине обработки, чем больше ширина пласта, тем больше идеальная площадь рыхления почвы. Из Рисунка 15 видно, что, хотя площадь вспучивания у глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-А является наибольшей, это может привести к снижению степени крошения почвы при увеличении ширины пласта. Порядок степени крошения почвы: глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А > стандартный глубокорыхлитель > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-С, и эффект рыхления почвы у глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б является наилучшим.

Рисунок 15. Степень крошения почвы после работы различных глубокорыхлителей.

3.5. Анализ полевых испытаний

Поскольку степень крошения почвы у глубокорыхлителя-С в имитационном эксперименте не оправдала ожиданий относительно эффекта рыхления, полевые эксперименты были проведены для оптимизированных глубокорыхлителей-А и -Б, а также традиционного глубокорыхлителя. Из Рисунка 16a видно, что в стабильном диапазоне тягового сопротивления порядок тягового сопротивления для трех видов глубокорыхлителей следующий: стандартный глубокорыхлитель ≈ глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б. Как видно из Рисунка 16b, размер площади рыхления трех глубокорыхлителей располагается в порядке: глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б > стандартный глубокорыхлитель, а ширина пласта почвы располагается в порядке: глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А > глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б > стандартный глубокорыхлитель. Результаты показали, что по сравнению со стандартным глубокорыхлителем тяговое усилие оптимизированного глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-А снизилось на 8%, площадь рыхления почвы увеличилась на 35,2%, удельное сопротивление рыхлению снизилось на 26,6%, а степень крошения почвы повысилась на 6,7%. По сравнению со стандартным глубокорыхлителем сопротивление обработке оптимизированного глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б снизилось на 14%, площадь рыхления почвы увеличилась на 18,2%, удельное сопротивление рыхлению снизилось на 28%, а степень крошения почвы повысилась на 7%. Сопротивление обработке и удельное сопротивление рыхлению оптимизированного глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б значительно снизились, а степень крошения заметно повысилась. В то же время, по сравнению с глубокорыхлителем с ломаной линией стойки-А, сопротивление обработке глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б было снижено на 13,3%, удельное сопротивление рыхлению снижено на 1%, а степень крошения почвы повышена на 4%, что указывает на то, что оптимизированный глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б показал наилучшие характеристики в процессе обработки.

Рисунок 16. (a) Тяговое сопротивление в полевом испытании. (b) Эффект рыхления почвы глубокорыхлителями.

Глубокое рыхление позволяет разрушить уплотненную почву, улучшить ее крошение, снизить объемную плотность почвы и повысить ее проницаемость [31]. На Рисунках 12, 15 и 16 сравнивается влияние стандартного глубокорыхлителя и глубокорыхлителей с ломаной линией стойки на рыхление почвы в имитационных и полевых экспериментах. В полевом эксперименте для рыхления содовой солонцеватой почвы в Северо-Восточном Китае использовались стандартный глубокорыхлитель, глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-А и глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б. После рыхления поперечное сечение почвы имело бимодальный характер, ширина пласта составляла DA, а площадь поперечного сечения почвы — A_e, что согласовывалось с результатами моделирования в EDEM (Рисунок 11). При анализе в EDEM площадь поперечного сечения почвы A_e была относительно стабильной, что может быть связано с идеальными почвенными условиями и относительно стабильным направлением и скоростью обработки глубокорыхлителем. В реальном полевом эксперименте, из-за неровности поверхности, неоднородности почвы как сплошной среды, колебаний выходной мощности трактора во время испытания, траектория края почвы была нерегулярной, что соответствует результатам исследований Сонга [29]. Эффект рыхления глубоких слоев почвы после обработки глубокорыхлителем с ломаной линией стойки был больше, чем у стандартного глубокорыхлителя. Для первичных солонцеватых почв разрушение плотного слоя благоприятствует их мелиорации. Причина заключается в том, что разрушение плотного и компактного слоя почвы может увеличить пористость почвы и содержание агрегатов, а хорошая агрегатная структура может снизить степень аккумуляции солей в почве [32].

Удельное сопротивление рыхлению зависит от совокупного эффекта сопротивления обработке и площади рыхления почвы, поэтому необходимо анализировать их совместное влияние. На Рисунках 14 и 16a сравнивается влияние тягового сопротивления глубокорыхлителей с ломаной линией стойки и стандартного глубокорыхлителя в имитационных и полевых экспериментах. Результаты моделирования показывают, что при одинаковой структуре почвы, глубине обработки 60 см и скорости движения 1 м/с, глубокорыхлители с ломаной линией стойки демонстрируют лучший эффект, чем традиционный глубокорыхлитель. Тяговое сопротивление трех глубокорыхлителей с ломаной линией стойки меньше, чем у стандартного глубокорыхлителя. Учитывая тяговое сопротивление и площадь рыхления в процессе глубокого рыхления, удельное сопротивление рыхлению трех видов глубокорыхлителей с ломаной линией стойки меньше, чем у стандартного глубокорыхлителя, что свидетельствует о более высокой эффективности работы, при этом удельное сопротивление рыхлению глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б является наименьшим (Рисунок 15); в то же время, в полевом эксперименте тяговое сопротивление глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-Б меньше, чем у глубокорыхлителя с ломаной линией стойки-А и стандартного глубокорыхлителя (Рисунок 16a). Эти результаты показывают, что созданная в данном исследовании модель почвенного канала может быть использована для анализа и проверки эффективности глубокого рыхления на содовых солонцеватых землях Северо-Восточного Китая. В то же время, глубокорыхлитель с ломаной линией стойки, оптимизированный с помощью генетического алгоритма, позволяет лучше снизить тяговое сопротивление и энергопотребление.

В данной работе проанализирована математическая модель сил, действующих на глубокорыхлители с ломаной линией стойки в процессе рыхления, а затем выполнена оптимизация параметров конструкции таких глубокорыхлителей на основе генетического алгоритма. Были созданы структуры глубокорыхлителей с ломаной линией стойки и трехмерная модель стандартного глубокорыхлителя, а также построена модель почвенного канала в EDEM в соответствии с послойным залеганием почвы. С помощью EDEM было успешно смоделировано воздействие стандартного глубокорыхлителя и глубокорыхлителей с ломаной линией стойки на почву, а также проанализированы удельное сопротивление рыхлению и степень крошения почвы для глубокорыхлителей с ломаной линией стойки. Результаты показывают, что глубокорыхлитель с ломаной линией стойки-Б может эффективно разрушать исходную твердую почву солонцеватых земель в процессе рыхления. Для глубоких слоев почвы площадь рыхления была наибольшей, а эффект рыхления почвы — наилучшим. По сравнению с другими глубокорыхлителями в данном исследовании, удельное сопротивление рыхлению было наименьшим, степень крошения — наибольшей, а эффективность рыхления — наилучшей.

1.    Wang, Y.X.; Wang, X.Y.; Li, H.W.; Wu, Z.Y.; Gao, S.J.; Liu, D. Calibration of Parameters for Sodic Saline-alkali Soil Discrete Element Model Based on Yield Resistance. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2025, 56, 301–310+365. [Google Scholar]

2.    Liu, M.; Wang, J.L.; Feng, W.Z.; Jing, H.Y.; Wang, Y.; Guo, Y.J.; Xu, T.Y. Calibration of Model Parameters for Soda Saline Soil-Subsoiling Component Interaction Based on DEM. Appl. Sci. 2023, 13, 11596. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Wang, Y.; Zhang, D.; Yang, L.; Cui, T.; Jing, H.; Zhong, X. Modeling the interaction of soil and a vibrating subsoiler using the discrete element method. Comput. Electron. Agric. 2020, 174, 105518. [Google Scholar] [CrossRef]

4.    Zheng, K.; McHugh, A.D.; Li, H.; Wang, Q.; Lu, C.; Hu, H.; Liu, W.; Zhang, Z.; Liu, P.; He, J. Design and experiment of anti-vibrating and anti-wrapping rotary components for subsoiler cum rotary tiller. Int. J. Agric. Biol. Eng. 2019, 12, 47–55. [Google Scholar] [CrossRef]

5.    Liu, H.; Li, Z.; Li, L.; Xu, Q.; Bai, Z.; Wang, T. Effects of deep vertical rotary tillage depth on the improvement of soil physicochemical properties and cotton yield in the current year and the following year in severe saline land in Southern Xinjiang of China. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2024, 40, 45–57. [Google Scholar]

6.    Liu, J.A.; Wang, X.Y.; Li, H.W.; He, J.; Wang, Q.J.; Li, W.Y. Structural parameter optimization of subsoiler based on soil disturbance and traction resistance. Agric. Mach. J. 2017, 48, 60–67. [Google Scholar]

7.    Li, B.; Xia, R.; Liu, F.Y.; Chen, J.; Han, W.T.; Han, B. Determination of the draft force for different subsoiler points using discrete element method. Int. J. Agric. Biol. Eng. 2016, 9, 81–87. [Google Scholar]

8.    Ibrahmi, A.; Bentaher, H.; Maalej, A. Soil-blade orientation effect on tillage forces determined by 3D finite element models. Span. J. Agric. Res. 2014, 12, 941–951. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Jiang, X.H.; Tong, J.; Ma, Y.H.; Sun, J.Y. Development and verification of a mathematical model for the specific resistance of a curved subsoiler. Biosyst. Eng. 2020, 190, 107–119. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Zhang, L.; Zhai, Y.; Chen, J.; Zhang, Z.; Huang, S. Optimization design and performance study of a subsoiler underlying the tea garden subsoiling mechanism based on bionics and EDEM. Soil Tillage Res. 2022, 220, 105375. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Xu, X.; Jing, P.; Yao, Q.; Chen, W.; Meng, H.; Li, X.; Qi, J.; Peng, H. Parameter Optimization and Test for the Pulse-Type Gas Explosion Subsoiler. Agriculture 2024, 14, 1417. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Ucgul, M.; Saunders, C.; Fielke, J.M. Discrete element modelling of top soil burial using a full scale mouldboard plough under field conditions. Biosyst. Eng. 2017, 160, 140–153. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Ahmadi, I. Effect of soil, machine, and working state parameters on the required draft force of a subsoiler using a theoretical draft-calculating model. Soil Res. 2016, 55, 389–400. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Ucgul, M.; Fielke, J.M.; Saunders, C. 3D DEM tillage simulation: Validation of a hysteretic spring (plastic) contact model for a sweep tool operating in a cohesionless soil. Soil Tillage Res. 2014, 144, 220–227. [Google Scholar] [CrossRef]

15. Barr, J.B.; Ucgul, M.; Desbiolles, J.M.A.; Fielke, J.M. Simulating the effect of rake angle on narrow opener performance with the discrete element method. Biosyst. Eng. 2018, 171, 1–15. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Murray, S. Modelling of Soil-Tool Interactions Using the Discrete Element Method. Unpublished Master’s Thesis, University of Manitoba, Winnipeg, MB, Canada, 2016. [Google Scholar]

17. Wang, X.; Li, P.; He, J.; Wei, W.; Huang, Y. Discrete element simulations and experiments of soil-winged subsoiler interaction. Int. J. Agric. Biol. Eng. 2021, 14, 50–62. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Holland, J.H. Adaptation in Natural and Artificial Systems: An Introductory Analysis with Applications to Biology, Control, and Artificial Intelligence; MIT Press: Cambridge, MA, USA, 1992. [Google Scholar]

19. Pan, M.H.; Zheng, Q. Sparse reconstruction algorithm based on improved genetic algorithm. Comput. Appl. Res. 2020, 37, 1010–1014. [Google Scholar]

20. Zhang, L. Genetic Algorithms and Applications Inspired by Biomolecules. Ph.D. Thesis, Zhejiang University, Hangzhou, China, 2017. [Google Scholar]

21. Sun, J. Genetic Algorithm for Interval Parameter Multi-Objective Optimization Problem. Ph.D. Thesis, China University of Mining and Technology, Xuzhou, China, 2012. [Google Scholar]

22. El Beqal, A.; Benhala, B.; Zorkani, I. A Genetic algorithm for the optimal design of a multistage amplifier. Int. J. Electr. Comput. Eng. 2020, 10, 129–138. [Google Scholar] [CrossRef]

23. Cao, X. Multi-Objective Optimization Design of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Genetic Particle Swarm Optimization; Anhui University: Hefei, China, 2017. [Google Scholar]

24. Ding, X.T.; Wang, B.B.; He, Z.; Shi, Y.G.; Li, K.; Cui, Y.J.; Yang, Q.C. Fast and precise DEM parameter calibration for Cucurbita ficifolia seeds. Biosyst. Eng. 2023, 236, 258–276. [Google Scholar] [CrossRef]

25. Zeng, Z.W.; Chen, Y.; Zhang, X. Modelling the interaction of a deep tillage tool with heterogeneous soil. Comput. Electron. Agric. 2017, 143, 130–138. [Google Scholar] [CrossRef]

26. Hang, C.G.; Gao, X.J.; Yuan, M.C.; Huang, Y.X.; Zhu, R.X. Discrete element simulations and experiments of soil disturbance as affected by the tine spacing of subsoiler. Biosyst. Eng. 2018, 163, 73–82. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Li, X.; Zhang, D.X.; Wang, W.X.; Cui, T.; Tang, M.J. Performance parameter optimization and test of forced vibration subsoiler. J. Agric. Eng. 2015, 31, 17–24. [Google Scholar]

28. Zhang, J.C.; Yan, X.L.; Lin, Z.K.; Zhu, R.X. Design and test of self-excited vibrating subsoiler. J. Agric. Mach. 2016, 47, 44–49. [Google Scholar]

29. Song, W.; Jiang, X.H.; Li, L.K.; Ren, L.L.; Tong, J. Increasing the width of disturbance of plough pan with bionic inspired subsoilers. Soil Tillage Res. 2022, 220, 105356. [Google Scholar] [CrossRef]

30. Salar, M.R.; Esehaghbeygi, A.; Hemmat, A.; Kargarpour, H. Draft force requirements of a dual bent blade subsurface tillage implement. Agric. Eng. Int. CIGR J. 2017, 19, 74–80. [Google Scholar]

31. Wong, X.; Zhou, H.; Huang, Y.; Ji, J. Variation of Subsoiling Effect at Wing Mounting Heights on Soil Properties and Crop Growth in Wheat–Maize Cropping System. Agriculture 2022, 12, 1684. [Google Scholar] [CrossRef]

32. Zhao, S.H.; Wang, J.Y.; Chen, Y.Q.; Tan, H.W. Design and experiment of subsoiling shovel with fitting curve of conservation tillage. J. Agric. Mach. 2018, 49, 82–92. [Google Scholar]

Qiao D, Shi Q, Lv P, Guo Y, Fu D, Liu M, Jiang L, Wang Y, Wang J, Feng W. Development of a Mathematical Model and Structural Optimization of the Specific Resistance of a Broken Line Subsoiler. Agriculture. 2025; 15(3):352. https://doi.org/10.3390/agriculture15030352

Перевод статьи «Development of a Mathematical Model and Structural Optimization of the Specific Resistance of a Broken Line Subsoiler» авторов Qiao D, Shi Q, Lv P, Guo Y, Fu D, Liu M, Jiang L, Wang Y, Wang J, Feng W., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык