Simulación numérica y optimización de parámetros de taladro de tierra en zona montañosa utilizando el software EDEM

Mar 16, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19526 (2022) Citar este artículo

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Excavar en regiones montañosas es una medida importante para promover la forestación en sitios difíciles. En vista de las condiciones de trabajo para construir un pozo de escamas de pescado en la pendiente, en este estudio se investigó el mecanismo de barrena de elevación y lanzamiento de suelo. Este estudio utilizó el software EDEM para establecer el modelo de operación de la barrena de tierra y realizar experimentos de simulación virtual DEM (Método de elementos discretos). Se implementó una prueba de combinación de centro ortogonal giratorio cuadrático estableciendo la eficiencia de transporte del suelo (Y1) y la distancia de lanzamiento del suelo (Y2) como índices de evaluación. El análisis de varianza y la optimización de la superficie de respuesta se realizaron en los datos experimentales virtuales. Los resultados indicaron que el peso de los factores que afectaban a Y1 e Y2 eran velocidad de alimentación > ángulo de hélice > velocidad de rotación > ángulo de pendiente, y barrena de pendiente > velocidad de rotación > velocidad de alimentación > ángulo de hélice. Se obtuvo la combinación óptima de parámetros de cada factor de influencia. Entre ellos, cuando se requirió la preparación de la pendiente, la combinación óptima de parámetros de operación del sinfín fue: Pendiente de 26,467°, Ángulo de hélice de 21,567°, Velocidad de alimentación de 0,1 m/s, Velocidad de rotación de 67,408 r/min. Esta investigación proporciona referencias teóricas para la optimización del diseño de la barrena de tierra en regiones montañosas.

En el proceso de promover vigorosamente la ecologización de tierras a gran escala en toda la sociedad, el principal problema es que, en esta etapa, el terreno de las áreas forestales a desarrollar es complejo, los cambios de pendiente son diversos y las condiciones de forestación son difíciles. El nivel de mecanización de la forestación es muy bajo, lo que limita la velocidad de expansión de la escala de forestación.

La preparación del suelo cavernoso, también conocida como excavación de pozos, es uno de los eslabones esenciales en el proceso de forestación. Es ampliamente utilizado en los procesos de producción y operación forestal, como la plantación de árboles, la pérdida de suelo y la fertilización profunda1. En esta etapa, la barrena de tierra desarrollada tiene buena adaptabilidad en áreas planas y ha sido ampliamente popularizada2,3. Para áreas montañosas y montañosas con terreno complejo, los sinfines existentes tienen problemas de baja eficiencia y bajo factor de seguridad en el proceso de aplicación4.

En los reglamentos de operación de forestación, para superar la capacidad de inadaptación de la barrena de tierra y otras máquinas y herramientas a las regiones montañosas, se resolvería realizando la preparación del terreno de banco nivelado en la pendiente con anticipación5. Sin embargo, el trabajo de preparación del terreno es pesado y el relieve original está seriamente dañado. Por otro lado, debido al estrecho espacio regional y al terreno complejo, las máquinas grandes no pueden realizar la preparación del terreno. Obviamente, la preparación horizontal del terreno no es la forma más eficiente de plantar árboles6. Cuando se plantan árboles en la ladera, la formación de hoyos de escamas de pescado es una de las formas efectivas de conservar el agua y el suelo. El pico de recolección de suelo en forma de abanico después de excavar en la pendiente tiene la misma forma que el pozo de escamas de pescado, como se muestra en la Fig. 1. Después de darle forma al suelo, solo necesita el refuerzo manual7,8. Mediante la investigación de la tecnología de formación artificial de fosas de escamas de pescado, este estudio explora la operación de excavación mecanizada en el talud para ayudar a dar forma a las fosas de escamas de pescado.

Sitio de bosque de plantación tipo hoyo de escamas de peces.

En la década de 1870, comenzó la investigación sobre el mecanismo de la barrena de tierra. Lian et al. llevó a cabo una investigación inicial y un resumen sobre la teoría del diseño de la barrena. Hasta el momento, muchas fórmulas empíricas se han utilizado como referencia para los investigadores9,10. Los académicos, Macphersonet et al., investigaron respectivamente el consumo de energía de operación y la vibración de flexión-torsión de las brocas, lo que contribuyó al diseño y la innovación de las excavadoras11,12. En los últimos años, con el fin de resolver los problemas de bloqueo y tasa de relleno excesiva en el proceso de transporte del suelo, muchos expertos han utilizado MATLAB, ADAMS, ANSYS y otros software de análisis de simulación para analizar la estática y la dinámica de la barrena13,14,15 .

El desplazamiento espacial y la fluctuación del suelo y el mecanismo de interacción entre suelo-suelo y suelo-herramienta son los factores clave que afectan el consumo de energía y el efecto de operación de la barrena de tierra durante el proceso de corte y transporte del suelo. Aunque estos estudios son importantes para el diseño de barrenas y la optimización de parámetros, rara vez se documentan y publican. Por lo tanto, es particularmente importante investigar el mecanismo del proceso continuo de corte-transporte y la respuesta dinámica del suelo.

Mustafa, Kojo, Wang y otros expertos aplicaron el método de elementos discretos para simular la interacción entre los componentes de labranza y el suelo, como el escarificador, el cultivador rotatorio, el arado, etc. La distribución de la tensión y la tensión en el suelo, la respuesta dinámica del suelo (como la desplazamiento) y se obtienen parámetros físicos en la interfaz suelo-máquina (en particular, tiro, fuerzas verticales, consumo de energía, etc.)16,17,18. DEM es uno de los métodos numéricos comúnmente utilizados en el modelado y la simulación completa del proceso agrícola (como la excavación de pozos)19. Jin et al., utilizando EDEM, investigaron el equipo de mezcla de suelo y fertilizante en espiral, analizaron la uniformidad de la mezcla de suelo y fertilizante y obtuvieron los mejores parámetros de operación de mezcla20. Por lo tanto, en este estudio se desarrolla la modelación de suelos y taludes utilizando EDEM, y se simula el proceso de corte con barrena y transporte de suelo en taludes. A través de los resultados de la simulación, se analizan las características dinámicas del suelo y se optimizan los parámetros estructurales y los parámetros de operación de la barrena.

La figura 2 ilustra el modelo de barrena trabajando en pendiente. La barrena de tierra consta de hojas en espiral, podredumbre y punta de barrena, junto con otros componentes clave. El suelo se corta con cuchillas en espiral y se lleva a cabo por el pozo para formar un cuerpo de pozo cilíndrico20.

Modelo de barrena trabajando en pendiente.

El proceso de movimiento del suelo en la superficie de las palas en espiral se puede obtener mediante la observación de los fenómenos de preexperimento de campo y simulación virtual. La perforación del suelo se puede dividir en tres procesos de trabajo según la profundidad de alimentación del taladro.

El primer proceso es la pendiente de corte. Las dos cuchillas en espiral cortan alternativamente el suelo levantado. La primera posibilidad es que el suelo abandone las palas espirales directamente por la fuerza centrífuga, completando el movimiento del proyectil y alcanzando la superficie del suelo. Cuando el extremo de corte del suelo de la barrena sale del lado de gran altitud de la pendiente y entra en el aire, el suelo se desliza hacia la superficie del suelo a lo largo de la superficie de las cuchillas por su gravedad.

El segundo proceso es el proceso de excavación más profunda. El extremo del lado de corte de la hoja en espiral está completamente sumergido en el suelo y corta continuamente el suelo. Cuando el suelo llega a la superficie, la mayor parte drena fuera del pozo en el lado de mayor elevación debido a las diferentes alturas de las paredes del pozo en la boca del pozo. Se genera un pico preliminar de recolección de suelo en forma de abanico.

El tercer proceso es la excavación de un pozo similar al de las regiones planas. Cuando la altura del pico de recolección de suelo en el lado de baja altitud se acumula para estar al ras con la del lado de gran altitud, el suelo se rociaría uniformemente después de llegar a la boca del pozo para formar una boca de pozo de pico de recolección de suelo circular horizontal.

Se puede concluir que, en términos de movimiento y distribución del suelo, las operaciones de barrena en áreas montañosas son diferentes de aquellas en áreas planas, como se muestra en la Fig. 3. Debido a la existencia de pendiente, existen las siguientes diferencias en el proceso de excavación. Los extremos de corte de las dos cuchillas en espiral rompen el suelo alternativamente durante el proceso de corte de taludes. La forma del pozo debajo del suelo es un cilindro irregular, y el movimiento del suelo no se ve afectado uniformemente por la pared del pozo. En un cierto instante, el suelo en la barrena se distribuye de manera desigual, con más distribución en el lado de mayor elevación. Después de que el suelo llega a la superficie de la colina, se moverá a lo largo de la superficie hasta la baja altitud, formando un pico de recolección de suelo en forma de abanico.

Diagrama del proceso de excavación. (a) El primer proceso. (b) El segundo proceso. (c) El tercer proceso.

De acuerdo con el experimento previo, el área del fondo y los parámetros de altura del pico de recolección de suelo en forma de abanico son muy importantes para la construcción del pozo de escamas de pescado. Si el área inferior del pico de recolección de suelo es demasiado grande, la capa superficial del suelo será demasiado delgada y será difícil recolectar el suelo. Un rendimiento de descarga deficiente (demasiada tierra en el pozo) da como resultado un volumen de tierra superficial demasiado pequeño.

La distancia máxima de lanzamiento del suelo depende principalmente del movimiento del proyectil. El suelo se desliza hacia abajo una cierta distancia, y luego deja de moverse bajo la acción de la fricción, como se muestra en la Fig. 4. De acuerdo con este proceso de movimiento, se puede deducir la distancia que arroja el suelo, como se muestra en las Ecs. (1)–(12).

Diagrama esquemático del proceso de lanzamiento de suelo.

De acuerdo con el teorema del momento, se puede deducir que la velocidad absoluta21 del suelo al salir de las aspas espirales es la siguiente. La explicación de los símbolos como se muestra en la "Tabla del Apéndice".

Con

Después de que el suelo sale de las aspas espirales, se ve afectado principalmente por la influencia de la gravedad G = mg y la resistencia del aire \({F}_{d}=km \nu\). De acuerdo con la ecuación diferencial de movimiento, la fórmula se obtiene de la siguiente manera. La explicación de los símbolos como se muestra en la "Tabla del Apéndice".

Movimiento de proyectil ascendente del suelo:

Movimiento de proyectil hacia abajo del suelo:

El suelo se desliza hacia abajo en la pendiente:

La distancia de lanzamiento del suelo:

El análisis se realizó sin considerar el material de la barrena y el tamaño de la punta, varilla de la barrena. De acuerdo con la fórmula anterior, la distancia de lanzamiento del suelo está relacionada principalmente con la pendiente de la superficie, el ángulo de hélice de la barrena, la velocidad de rotación de la barrena y la resistencia del aire. En las mismas condiciones, cuanto mayor sea la pendiente de la superficie, mayor será el tiempo de la etapa de movimiento de lanzamiento de suelo. La velocidad de rotación y el ángulo de hélice de la barrena están relacionados principalmente con la fuerza centrífuga, que determina la velocidad inicial (energía cinética) del movimiento del proyectil.

El proceso de movimiento del suelo entre las hojas en espiral se ignoró temporalmente. Concéntrese en el proceso de cavar la tierra en el pozo y el proceso de descargar el suelo fuera del pozo. La condición importante para evitar que la tierra se atasque en el espacio compuesto por palas espirales es que el proceso de excavación y descarga de tierra sea continuo. Cuando la profundidad de excavación alcanza H1, después de que la barrena haya girado el ángulo \(\varphi \), la cantidad de suelo en cada posición debe cumplir las siguientes condiciones, expresadas en la ecuación. (13).

En la ecuación. (13), las siguientes relaciones también se incluyen como se muestra en las ecuaciones. (14)–(17):

con

De acuerdo con las referencias y las Ecs. (13)–(17), el espesor del suelo h afectaría la interacción de las fuerzas de perforación y el tamaño del espacio de movimiento del suelo22. Para Q1, el valor está relacionado principalmente con el espesor h del suelo excavado por unidad de tiempo. El valor debe aumentarse tanto como sea posible para mejorar la eficiencia de la excavación. Sin embargo, si h es demasiado grande, la congestión se produciría debido a la limitación de espacio de dos álabes espirales Q3.

En cuanto a Q2, la suavidad del suelo de descarga determina el suministro constante de la fuerza del suelo subsiguiente y el tamaño del espacio de la barrena. Para evitar obstrucciones, Q2 debe aumentarse tanto como sea posible. Para Q2, el valor está relacionado principalmente con la velocidad v0, cuando el suelo alcanza el borde superior de la abertura del pozo y sale de la hoja espiral.

Para Q3, la barrena en el proceso de excavación profunda generalmente usa una hoja espiral de dos cabezas con mejor estabilidad. El espacio de movimiento del suelo en la hoja doble es la mitad que en la hoja simple. Por lo tanto, si los bloques de suelo son demasiado gruesos, es probable que la superficie superior del suelo toque la superficie inferior de la cuchilla en espiral, lo que no favorece la mejora del suelo.

En conclusión, el rendimiento de la barrena que trabaja en la pendiente se puede evaluar mediante el control de la eficiencia del transporte del suelo y la distancia de lanzamiento del suelo.

The effect of auger geometric features and operating parameters on the performance was evaluated by simulating the operation of the auger in a virtual soil bin using DEM, as shown in Fig. 5. The virtual soil bin was filled with spherical particles of nominal radius 7 mm. Input parameters used to describe the DEM particles and tool material properties are presented in Table 117, 40 cm) with drag reduction and lower soil disturbance characteristics. Adv. Eng. Softw. 119, 30–37. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2018.02.001 (2018)." href="/articles/s41598-022-23833-2#ref-CR23" id="ref-link-section-d204227e2580">23

Descripción del contenedor de suelo virtual (Tome 35° por ejemplo. Todas las dimensiones están en mm).

El modelo 3D del talud fue establecido por el software SOLIDWORKS e importado al software EDEM como una fábrica de pellets. Las partículas de DEM se empaquetaron hasta un vacío aparente del 33,37 % medido para el suelo en el campo. La Tabla 1 también enumera los parámetros de entrada utilizados para definir las interacciones suelo-suelo y suelo-herramienta.

El modelo de contacto es una base importante para analizar la adhesión entre las partes mecánicas y las partículas del suelo. Durante la operación de excavación, la partícula de suelo está sujeta a una variedad de fuerzas compuestas24,25. De acuerdo con la segunda ley de Newton, la ecuación de movimiento lineal y rotación de la partícula de suelo p se puede expresar como Eqs. (18)–(21). La explicación de los símbolos como se muestra en la "Tabla del Apéndice".

El suelo de las tierras de forestación generalmente tiene un mayor contenido de humedad. Aquí existe un carácter cohesivo y adhesivo entre suelo-suelo y suelo-herramienta. La fuerza cohesiva \({F}_{coh,pq}\) de las partículas del suelo se establece principalmente de acuerdo con sus características de cohesión interna. Se adoptó un Hertz-Mindlin con JKR y un modelo de contacto delimitador de modelo adicional como modelo de contacto principal para las interacciones partícula-partícula y partícula-herramienta. Este modelo es adecuado para simular materiales que tienen una adherencia y aglomeración evidentes entre partículas debido a la electricidad estática, la humedad y otras razones. La Tabla 2 enumera los parámetros de entrada necesarios para los modelos de contacto26,27.

Se llevaron a cabo experimentos virtuales sobre la combinación de centro ortogonal giratorio cuadrático con cuatro factores y cinco niveles para evaluar el rendimiento de trabajo de la barrena. Con base en estudios experimentales previos, experiencia práctica y análisis de mecanismos, los niveles apropiados de los factores experimentales se establecieron como se indica en la Tabla 3. En la producción real, algunas laderas demasiado empinadas y complejas deben prepararse para la tierra o el suelo. El ángulo de la pendiente se optimizó para servir como referencia para el proceso de preparación del terreno. El ángulo de inclinación X1, el ángulo de hélice de la barrena X2, la velocidad de alimentación X3 y la velocidad de rotación de la barrena X4 se seleccionaron como factores experimentales, mientras que la eficiencia del transporte del suelo Y1 y la distancia del lanzamiento del suelo Y2 se establecieron como indicadores experimentales. De acuerdo con la precisión en la aplicación práctica, el valor en el experimento virtual conserva dos dígitos significativos. Como se muestra en la Fig. 6, en el módulo de análisis del software EDEM, se agregan Grid Bin Group y Clipping Plane para medir la cantidad de suelo fuera del pozo y la distancia de lanzamiento del suelo.

Adquisición de índices de simulación.

Los resultados del experimento de simulación basados ​​en el esquema de diseño se presentan en la Tabla 4, incluidos 24 factores de análisis y 7 experimentos de punto cero para estimar los errores. El análisis de regresión múltiple cuadrática de los resultados de la Tabla 4 se realizó mediante el software Design-Expert, y los modelos de regresión entre los factores de influencia y los índices de evaluación se establecieron de la siguiente manera:

La relación entre los valores reales de la eficiencia del transporte del suelo y la distancia del lanzamiento del suelo y los valores pronosticados del modelo de regresión se muestran en la Fig. 7. En la Fig. 7 se puede ver que los valores reales se distribuyen básicamente en la curva pronosticada, consistente con la tendencia de los valores pronosticados y distribuida linealmente.

Gráfico de dispersión. (a) Diagrama de dispersión de la distancia real y predicha del suelo de lanzamiento. (b) Diagrama de dispersión de la eficiencia real y prevista del transporte del suelo.

Se realizó la prueba F y análisis de varianza (ANOVA) sobre los coeficientes de regresión en los modelos de regresión de los índices de evaluación Y1 e Y2, y los resultados se muestran en la Tabla 5. Según los valores de significancia P de la falta de ajuste en los modelos de regresión de las funciones objetivo Y1 e Y2 en la Tabla 5, PL1 = 0.1485 > 0.05 y PL2 = 0.2337 > 0.05 (ambos no fueron significativos), indicando que no existió factor de pérdida en el análisis de regresión, y el modelo de regresión exhibió un alto grado de ajuste.

De acuerdo con el ANOVA, se pudieron determinar los valores de significación P de cada factor influyente en la prueba28. Para el índice de evaluación Y1, los factores X1, X2, X3, X4, X3X4, X22, X42 tuvieron influencias extremadamente significativas, mientras que los factores X1X4, X2X4 tuvieron una influencia significativa. Para el índice de evaluación Y2, los factores X1, X3, X4, X1X4, X12, X32, X42 tuvieron influencias extremadamente significativas, y los factores X2, X1X4 tuvieron una influencia significativa. Dentro del rango de nivel de los factores seleccionados, de acuerdo con el valor F de cada factor, como se muestra en la Tabla 5, el peso de los factores que afectan la eficiencia del transporte del suelo es la velocidad de alimentación > ángulo de hélice de la barrena > velocidad de rotación de la barrena > pendiente ángulo. Y el peso de los factores que afectan la distancia de lanzamiento del suelo es la barrena de pendiente> la velocidad de rotación de la barrena> la velocidad de alimentación> el ángulo de hélice de la barrena.

Además, es obvio que existen interacciones entre la velocidad de alimentación y la velocidad de rotación de la barrena, la pendiente de la barrena y la velocidad de rotación de la barrena, el ángulo de hélice de la barrena y la velocidad de rotación de la barrena en la eficiencia del transporte del suelo Y1. Para la distancia de lanzamiento del suelo Y2, existe una interacción entre el ángulo de pendiente y la velocidad de rotación de la barrena.

El coeficiente de ajuste de la eficiencia del transporte del suelo es R2 = 0,9714, R2adjust = 0,9263, R2pred = 0,8082, la diferencia entre R2adjust y R2pred es inferior a 0,2. El coeficiente de ajuste de la distancia de lanzamiento del suelo es R2 = 0,9873, R2adjust = 0,9742, R2pred = 0,9355, la diferencia entre R2adjust y R2pred es menor que 0,2. Se indica que las superficies de respuesta de los dos modelos establecidos tienen buena consistencia y predictibilidad para los resultados experimentales29.

La superficie de respuesta se crea directamente con el software Design-Expert. Después de ingresar los datos, seleccione el módulo "Análisis". En la barra de menú "Modelo-Gráfico", seleccione "Superficie 3D" para cambiar a la vista 3D. Para expresar la influencia interactiva de cada factor sobre la eficiencia del transporte del suelo Y1 y la distancia del lanzamiento del suelo Y2, las dos ecuaciones de regresión cuadrática anteriores de los índices de evaluación se sometieron al tratamiento de reducción de dimensionalidad. Dos de los factores se establecieron en el nivel 0, mientras que los otros dos se sometieron a análisis de efectos de interacción para estudiar la ley de influencia sobre los índices de evaluación Y1 e Y2, y se generaron las superficies de respuesta correspondientes, como se ilustra en la Fig. 8.

Efecto del diagrama de respuesta 3D de los índices de evaluación. (a) Efecto de la interacción entre X1 y X2 en la eficiencia del transporte del suelo. (b) Efecto de la interacción entre X2 y X4 en la eficiencia del transporte del suelo. ( c ) Efecto de la interacción entre X3 y X4 en la eficiencia del transporte del suelo. ( d ) Efecto de la interacción entre X3 y X4 en la distancia de lanzamiento del suelo.

Se puede ver en la Fig. 8a, cuando el ángulo de la pendiente era constante, la eficiencia del transporte del suelo aumentaba con la velocidad de rotación de la barrena hasta cierto valor, luego el aumento de la eficiencia cambiaba más suavemente. Las razones de este fenómeno se describen a continuación. Por un lado, cuanto mayor era la energía cinética del suelo al salir de la posición original, y más delgado se cortaba el suelo, resultando menor la probabilidad de bloqueo en el espacio de las palas espirales. Por otro lado, la fuerza centrífuga del suelo que llega a la boca del pozo es mayor, por lo que no se obstruye en la boca del pozo. Sin embargo, si la velocidad de rotación de la barrena era demasiado alta y el corte de la capa de suelo era demasiado delgado, el efecto de conducción del suelo subsiguiente hacia el frente se debilitaría, o incluso el flujo se interrumpiría, por lo que la velocidad de elevación vertical del suelo se reduciría. ser reducido. Cuando la velocidad de rotación de la barrena era constante, la eficiencia del transporte del suelo disminuía con el aumento de la pendiente y luego aumentaba ligeramente. Con el aumento de la pendiente, el tiempo del proceso de corte de la pendiente aumentó y hubo más relleno de suelo en el lado de gran altitud, lo que condujo a la reducción de la eficiencia de descarga del suelo. Sin embargo, con el aumento de la pendiente, se incrementó la cantidad de deslizamiento de tierra en la boca del tajo, mejorando la eficiencia de la descarga de tierra. Un análisis posterior demostró que la superficie de respuesta para Y1 cambió más rápidamente en la dirección de la velocidad de rotación que en la del ángulo de inclinación, lo que indica que la velocidad de rotación de la barrena X4 tuvo una influencia más significativa que el ángulo de inclinación X1.

Como se puede ver en la Fig. 8b, cuando se fijó el ángulo de hélice de la barrena, la eficiencia del transporte del suelo continuó aumentando con el aumento de la velocidad de rotación. Cuando se fijó la velocidad de rotación de la barrena, la eficiencia del transporte del suelo aumentó con el aumento del ángulo de hélice y tiende a disminuir cuando alcanza un cierto valor. El espacio de las palas espirales era el canal de movimiento del suelo. Este fenómeno fue causado por el aumento del espacio entre las dos hojas en espiral con el aumento del ángulo de hélice de la barrena, el suelo no era fácil de producir bloqueo. Mientras tanto, la distancia de movimiento del suelo fue más corta y el suelo con mayor energía cinética se descargó más rápidamente del pozo. Al llegar a la boca del pozo, el ángulo de lanzamiento de tierra fue mayor y la tasa de relleno de tierra se redujo. Sin embargo, si el ángulo de hélice de la barrena fuera demasiado grande, se reduciría la capacidad de soporte hacia arriba y la fricción de la superficie de la hoja en espiral con el suelo. Un análisis posterior demostró que la superficie de respuesta para Y1 cambió más rápidamente en la dirección del ángulo de hélice que en la velocidad de rotación de la barrena, lo que indica que el ángulo de hélice de la barrena X2 tuvo una influencia más significativa que la velocidad de rotación de la barrena X4.

Cuando se fijó la velocidad de alimentación, la eficiencia del lanzamiento de tierra continuó aumentando con el aumento de la velocidad de rotación. Cuando se fijó la velocidad de rotación de la barrena, la eficiencia del lanzamiento de tierra aumentó con el aumento de la velocidad de alimentación (ver en la Fig. 8c). El fenómeno fue causado por cuanto más rápida era la velocidad de alimentación del barreno, aumentaba el espesor del suelo cortado por unidad de tiempo. Además, la fuerza motriz subsiguiente del suelo aumentó y la energía cinética del suelo aumentó. Sin embargo, en la producción real, una velocidad de alimentación excesiva podría bloquear la suciedad en la superficie de las hojas en espiral. La razón se debe a que en el proceso de simulación, el suelo no dejaba de moverse debido al bloqueo. Un análisis posterior demostró que la superficie de respuesta de Y1 cambiaba más rápidamente en la dirección de la velocidad de rotación que en la de la velocidad de alimentación, lo que indica que la velocidad de rotación de la barrena X4 tuvo una influencia más significativa que la velocidad de alimentación X3.

Cuando se fijó la pendiente, la distancia del suelo arrojado aumentó con el aumento de la velocidad de rotación de la barrena, y la amplitud del aumento aumentó gradualmente, como se muestra en la Fig. 8d. La razón de este fenómeno fue que el suelo tenía más energía cinética cuando salió de su posición original y la fuerza centrífuga que recibió al llegar a la boca del pozo es mayor. Cuando la velocidad de rotación era demasiado baja, la capa de suelo era delgada y la fuerza impulsora del suelo subsiguiente era insuficiente, lo que resultaba en que la masa de suelo por unidad de área en la boca del pozo era liviana y luego la energía cinética era pequeña. Cuando se fijó la velocidad de rotación de la barrena, la distancia de lanzamiento del suelo aumentó continuamente con el aumento de la pendiente. A medida que aumentaba la pendiente, aumentaba el tiempo del proceso de deslizamiento hacia abajo del suelo y luego aumentaba la distancia de rodadura en la pendiente. Un análisis posterior demostró que la superficie de respuesta para Y2 cambiaba más rápidamente en la dirección del ángulo de inclinación que en la de la velocidad de rotación de la barrena, lo que indica que el ángulo de inclinación X1 tenía una influencia más significativa que la velocidad de rotación X3.

Dado que la importancia relativa y las reglas de influencia de varios factores experimentales en los índices de evaluación eran diferentes entre sí, los índices de evaluación deben tenerse en cuenta de manera exhaustiva30. La ecuación de optimización se obtiene mediante el método de optimización multiobjetivo del software Design-Expert con Y1 e Y2 como la función objetivo de optimización.

En la práctica, se debe seleccionar la mejor combinación de parámetros según la pendiente del terreno. Cuando se fijó la pendiente, se aplicó el software Design-Expert para optimizar y resolver el modelo matemático anterior. La combinación óptima de parámetros de trabajo que afectan la eficiencia del transporte del suelo Y1 y la distancia de lanzamiento del suelo Y2 para la barrena se obtuvieron y se muestran en la Tabla 6. Si se requería la preparación del suelo antes de la operación de excavación, los parámetros de excavación se pueden diseñar según valores del Grupo 6 de la Tabla 6.

Una perturbación del suelo se define como el aflojamiento, movimiento y mezcla del suelo causado por una barrena que pasa a través del suelo16. En la interfaz de EDEM Analyst, agregue un "Plano de recorte" para mostrar el movimiento del sinfín dentro del pozo. La energía cinética, el vector de velocidad de las partículas del suelo y el valor de la velocidad de las partículas del suelo se observan cuando la barrena se encuentra en el medio del depósito de suelo31,32, como se muestra en la Fig. 9.

La perturbación del efecto del suelo por la hoja espiral.

El suelo se levantó a la superficie y luego se dejó caer al lado inferior. Además del volumen ocupado por las palas espirales, el área perturbada también incluía el área perturbada fuera del tajo causada por la compresión del extremo cortante de la pala espiral, como se muestra en la esquina inferior izquierda de la barrena.

La energía cinética y la velocidad del suelo disminuyeron primero y luego aumentaron a lo largo de la dirección opuesta a la alimentación del sinfín. El extremo de corte de la barrena y la sección de lanzamiento de suelo se produjeron en la región con alta energía cinética y velocidad. Esto se debió a que la energía cinética máxima se obtuvo en el extremo de corte de la barrena, que se fue consumiendo gradualmente en el proceso de elevación. Después de llegar al extremo de descarga, el suelo perdió la sujeción de la pared del pozo. Cuando la fuerza centrífuga del suelo perdió la fuerza de reacción, la energía cinética del suelo aumentó. Demasiada energía cinética, sin embargo, puede hacer que el suelo se extienda demasiado, causando problemas posteriores. La energía cinética del suelo en el extremo de corte se relacionó con la velocidad de rotación de la barrena. El ángulo espiral afectó el ángulo entre la fuerza y ​​la gravedad, y luego aumentó el consumo de energía cinética en el proceso de suelo.

Para verificar la precisión del modelo de optimización para el trabajo con barrena, así como para evaluar la racionalidad de la combinación de parámetros de trabajo optimizada por el experimento virtual, se realizaron pruebas de verificación de desempeño en el software EDEM. De acuerdo con la prueba de ajuste de parámetros de proceso optimizado (como se muestra en la Tabla 6), se obtuvo el error relativo entre el valor teórico y el valor experimental. Los resultados de la prueba de verificación se resumen en la Tabla 7. Los errores relativos promedio de la eficiencia del transporte del suelo y la distancia del lanzamiento del suelo entre el valor teórico y el valor del texto fueron solo 4,4%, 9,1%. El modelo de simulación es bastante preciso. Los experimentos de verificación del desempeño en campo se realizaron en pendiente. La figura 10 ilustra la prueba de campo y las condiciones de trabajo.

Diagrama de funcionamiento en el sitio del experimento.

Este documento tiene como objetivo el mecanismo y el método de construcción de pozos de escamas de pescado en regiones montañosas. Mejorar la eficiencia y el rendimiento del trabajo. La modelación de suelos y taludes se desarrolla mediante EDEM, y se simula el proceso de corte con barrena y transporte de suelo en taludes. A través de los resultados de la simulación, se analizan las características dinámicas del suelo y se optimizan los parámetros estructurales y los parámetros de operación de la barrena.

En el proceso de excavación de fosas en regiones montañosas para ayudar en la construcción de fosas para escamas de pescado:

El rendimiento de la barrena que trabaja en una pendiente se puede evaluar mediante el control de la eficiencia del transporte del suelo y la distancia del lanzamiento del suelo.

El peso de los factores que afectan la eficiencia del transporte del suelo es la velocidad de alimentación> el ángulo de hélice de la barrena> la velocidad de rotación de la barrena> el ángulo de inclinación. El peso de los factores que afectan la distancia de lanzamiento del suelo es la inclinación del barreno > la velocidad de rotación del barreno > la velocidad de alimentación > el ángulo de hélice del barreno.

De acuerdo con los resultados de la optimización, la combinación óptima de parámetros se puede obtener en diferentes operaciones de pendiente. Si se requiere la preparación del terreno antes de la operación de excavación, el ángulo de pendiente óptimo es de unos 26°.

En comparación con el área plana, la ley de variación del desplazamiento y la velocidad del suelo es diferente en las regiones montañosas. Los errores entre los resultados del modelo de simulación DEM desarrollado y los resultados de los experimentos virtuales tienen una precisión aceptable, lo que confirma la efectividad del modelo DEM para estimar la eficiencia de trabajo de la barrena de tierra en áreas montañosas.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente.

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Los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado por el Proyecto de Promoción de la Ciencia y Tecnología Forestal de la Administración Estatal de Silvicultura y Pastizales de China (Subvención No. (2019) 35) y el Programa de Transformación e I+D Clave de la Provincia de Qinghai—Proyecto Especial de Transformación de Logros Científicos y Tecnológicos (Subvención No. 2022-NK-128)

Instituto de Investigación de la Industria de la Madera, Academia China de Silvicultura, Beijing, 100091, China

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

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Metodología, investigación, análisis, estadísticas, redacción del grupo de trabajo: borrador original, revisión y edición. Adquisición de fondos de ZW, redacción, revisión y edición. Escritura de JM: revisión y edición. Estadísticas de MH. Supervisión JZ. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Wei Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wang, G., Zhang, W., Ji, M. et al. Simulación numérica y optimización de parámetros de taladro de tierra en zona montañosa utilizando el software EDEM. Informe científico 12, 19526 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23833-2

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Recibido: 10 julio 2022

Aceptado: 07 noviembre 2022

Publicado: 14 noviembre 2022

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

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