ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2023.245.215-234isplta-74Research ArticleТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОЗАГОТОВОКTECHNOLOGY AND EQUIPMENT OF LOGGING INDUSTRIESМетод динамики частиц: моделирование комбинированного почвообрабатывающего орудия, применяемого при лесовосстановлении и защите лесаParticle dynamics method: simulation of a combined tillage tool used in reforestation and forest protectionhttps://orcid.org/0000-0003-2098-154XМалюковС. В.MalyukovS. V.

МАЛЮКОВ Сергей Владимирович – доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, кандидат технических наук

394087, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж

WoS Researcher ID: N-2656-2016

Scopus Author ID: 57202542928

MALYUKOV Sergey V. – PhD (Technical), Associate Professor Department of Forestry Mechanization and Machine Design

394087. Timiryazev str. 8. Voronezh

WoS Researcher ID: N-2656-2016

Scopus Author ID: 57202542928

malyukovsergey@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7428-0821БухтояровЛ. Д.BukhtoyarovL. D.

БУХТОЯРОВ Леонид Дмитриевич – доцент кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации, кандидат технических наук, доцент

394087, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж

WoS Researcher ID: AAO-5129-2020

Scopus Author ID: 57207453672

BUKHTOYAROV Leonid D. – PhD (Technical), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Forest Industry, Metrology, Standardization and Certification

394087. Timiryazev str. 8. Voronezh

Researcher ID: AAO-5129-2020

Scopus Author ID: 57207453672

vglta-mlx@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3764-3873ЛысычМ. Н.LysychM. N.

ЛЫСЫЧ Михаил Николаевич – доцент кафедры лесной промышленности, метрологии, стандартизации и сертификации, кандидат технических наук

394087, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж

WoS Researcher ID: N-3089-2016

Scopus Author ID: 57207472657

LYSYCH Mikhail N. – PhD (Technical), Associate Professor of the Department of Forest Industry, Metrology, Standardization and Certification

394087. Timiryazev str. 8. Voronezh

WoS Researcher ID: N-3089-2016

Scopus Author ID: 57207472657

miklynea@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3700-7508ШавковМ. В.ShavkovM. V.

ШАВКОВ Михаил Викторович – руководитель отдела снабжения и логистики, кандидат технических наук

394040, ул. Мазлумова, д. 25, г. Воронеж

HAVKOV Mikhail V. – PhD (Technical), Head of Logistics and Supply Department

394040. Mazlumova str. 25. Voronezh

shavkovmv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3904-867XПоздняковЕ. В.PozdnyakovE. V.

ПОЗДНЯКОВ Евгений Владиславович – научный сотрудник патентного сектора научно-исследовательского отдела, кандидат технических наук

394087, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж

WoS Researcher ID: AX-9199-2020

Scopus Author ID: 57207450313

POZDNYAKOV Evgeny V. – PhD (Technical), Research Fellow of the Patent Sector of the Research Department

394087. Timiryazev str. 8. Voronezh

WoS Researcher ID: AX-9199-2020

Scopus Author ID: 57207450313

pozd.ev@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1765-6781ПетковА. Ф.PetkovA. F.

ПЕТКОВ Александр Федорович – инженер кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин

394087, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж

Scopus Author ID: 57219482677

PETKOV Aleksandr F. – Engineer of the Department of Forestry Mechanization and Machine Design

394087. Timiryazev str. 8. Voronezh

Scopus Author ID: 57219482677

alexanderpetkoff@mail.ruВоронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. МорозоваРоссияVoronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. MorozovRussian FederationВоронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. МорозоваРоссияVoronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. MorozovRussian FederationООО «Русгидроком (РГК)»РоссияRushydrocom (RGK) LLCRussian Federation2023170220240245215234Copyright © Малюков С.В., Бухтояров Л.Д., Лысыч М.Н., Шавков М.В., Поздняков Е.В., Петков А.Ф., 20242024Малюков С.В., Бухтояров Л.Д., Лысыч М.Н., Шавков М.В., Поздняков Е.В., Петков А.Ф.Malyukov S.V., Bukhtoyarov L.D., Lysych M.N., Shavkov M.V., Pozdnyakov E.V., Petkov A.F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/74

Для теоретического исследования процесса взаимодействия рабочих органов комбинированного орудия с лесной почвой разработана математическая модель. Целью исследования является разработка математической модели на основе метода (DEM), позволяющей оценить влияние параметров комбинированного орудия, технологических параметров процесса и параметров лесной почвы на силовые характеристики, испытываемые орудием. С помощью разработанной модели был проверен принцип комбинирования рабочих органов, то есть одновременная обработка почвы рабочими органами двух или более типов, установленными друг за другом. Для этого проводили компьютерные эксперименты по движению комбинированного орудия в лесной почве до выхода орудия в установившийся режим обработки. На основе серий компьютерных экспериментов с моделью установлен характер влияния параметров комбинированного орудия, технологических параметров процесса и параметров лесной почвы на силовые характеристики, испытываемые орудием. Определено, что сила сопротивления движению комбинированного орудия для влажных липких почв в 0,886 раз ниже суммы сил сопротивления движению отдельных рабочих органов. Для сухих песчаных рассыпчатых почв данный эффект 0,985 практически не выражен. Для моделирования использовался метод динамики частиц. Виртуальный почвенный канал имел длину 4 м и ширину 1,2 м. Горизонтальная скорость движения рабочего органа задавалась равной 1 м/с, а общее модельное время составляло 3 с. Для охвата широкого диапазона параметров лесной почвы проводили эксперименты почвами двух типов: влажным черноземом с существенной связностью почвы и сухой рассыпчатой песчаной почвой.

For a theoretical study of the process of interaction between the working bodies of a combined tool with forest soil, a mathematical model has been developed. The aim of the study is to develop a mathematical model based on the method (DEM), which makes it possible to evaluate the influence of the parameters of the combined tool, the technological parameters of the process and the parameters of the forest soil on the power characteristics experienced by the tool. With the help of the developed model, the principle of combining working bodies was tested, that is, simultaneous tillage by working bodies of two or more types installed one after another. For this, computer experiments were carried out on the movement of the combined tool in the forest soil until the tool entered the steady-state processing mode. On the basis of a series of computer experiments with the model, the nature of the influence of the parameters of the combined tool, technological parameters of the process and forest soil parameters on the power characteristics experienced by the tool has been established. It was determined that the force of resistance to the movement of the combined tool for wet sticky soils is 0.886 times lower than the sum of the forces of resistance to the movement of individual working bodies. For dry sandy crumbly soils, this effect of 0.985 is practically not expressed. The particle dynamics method was used for modeling. The virtual soil channel had a length of 4 m and a width of 1.2 m. The horizontal speed of the working body was set equal to 1 m/s, and the total model simulation time was 3 s. To cover a wide range of forest soil parameters, experiments were carried out with soils of two types: wet chernozem with significant soil cohesion and dry crumbly sandy soil.

комбинированное почвообрабатывающее орудиекомпьютерный экспериментметод динамики частицлесная почваcombined tillage implementcomputer experimentparticle dynamics methodforest soilИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-10010, https://rscf.ru/project/22-79-10010/ReferencesЛысыч М.Н. Компьютерное моделирование процесса обработки почвы рабочими органами почвообрабатывающих машин // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12. № 3. С. 607–627. DOI: 10.20537/2076-7633-2020-12-3-607-627Asaf Z., Rubinstein D., Shmulevich I. Determination of discrete element model parameters required for soil tillage. Soil Tillage Res., 2007, no. 92, pp. 227–242. DOI: 10.1016/j.still.2021.105123Суравкин А.Ю. Реализация метода SPH на CUDA для моделирования несжимаемых жидкостей // Наука и образование. 2012. № 7. С. 87–106. DOI: 10.7463/0712.0423582.Batou A., Soize C., Kyu Choi C., Hee Yoo H. Robust design in multibody dynamics – application to vehicle ride-comfort optimization. Procedia IUTAM, 2015, no. 13, pp. 90-97. DOI: 10.1016/j.piutam.2015.01.005.Asaf Z., Rubinstein D., Shmulevich I. Determination of discrete element model parameters required for soil tillage // Soil Tillage Res. 2007. No. 92. P. 227–242. DOI:10.1016/j.still.2021.105123.Bentaher H., Ibrahmi A., Hamza E., Hbaieb M., Kantchev G., Maalej A., Arnold W. Finite element simulation of moldboard-soil interaction. Soil and Tillage Research, 2013, no. 134, pp. 11–16. DOI: 10.1016/j.still.2013.07.002Batou A., Soize C., Kyu Choi C., Hee Yoo H. Robust design in multibody dynamics – application to vehicle ride-comfort optimization // Procedia IUTAM. 2015. No. 13. P. 90–97. DOI: 10.1016/j.piutam.2015.01.005.Bolintineanu D.S., Grest G.S., Lechman J.B., Pierce F., Plimpton S.J., Schunk P.R. Particle Dynamics Modeling for Colloid Suspensions. Comp. Part. Mech., 2014, no. 1, pp. 321–356. DOI: 10.1007/s40571-014-0007-6.Bentaher H., Ibrahmi A., Hamza E., Hbaieb M., Kantchev G., Maalej A., Arnold W. Finite element simulation of moldboard-soil interaction // Soil and Tillage Research. 2013. No. 134. P. 11–16. DOI:10.1016/j.still.2013.07.002.Chen Y., Munkholm L.J., Nyord T. A discrete element model for soil–sweep interaction in three different soils. Soil Tillage Res., 2013, no. 126, pp. 34–41. DOI: 10.1016/j.still.2012.08.008Bolintineanu D.S., Grest G.S., Lechman J.B., Pierce F., Plimpton S.J., Schunk P.R. Particle Dynamics Modeling for Colloid Suspensions // Comp. Part. Mech. 2014. No. 1. P. 321–356. DOI: 10.1007/s40571-014-0007-6.Hang C., Gao X., Yuan M., Huang Y. Discrete element simulations and experiments of soil disturbance as affected by the tine spacing of subsoiler. Biosyst. Eng., 2017, no. 168, pp. 73–82. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2017.03.008Chen Y., Munkholm L.J., Nyord T. A discrete element model for soil–sweep interaction in three different soils // Soil Tillage Res. 2013. No. 126. P. 34–41. DOI: 10.1016/j.still.2012.08.008.Ibrahmi A., Bentaher H., Hbaieb M., Maalej A., Mouazen A.M. Study of the effect of tool geometry and operational conditions on mouldboard plough forces and energy requirement: Part 1. Finite element simulation. Comput. Electron. Agric., 2015, no. 117, pp. 258–267. DOI: 10.1016/j.compag.2015.08.006Hang C., Gao X., Yuan M., Huang Y. Discrete element simulations and experiments of soil disturbance as affected by the tine spacing of subsoiler // Biosyst. Eng. 2017. No. 168. P. 73–82. DOI:10.1016/j.biosystemseng.2017.03.008.Ibrahmi A., Bentaher H., Hamza E., Maalej A., Mouazen A.M. 3D finite element simulation of the effect of mouldboard plough’s design on both the energy consumption and the tillage quality. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, no. 90, pp. 473–487. DOI: 10.1007/s00170-016-9391-9.Ibrahmi A., Bentaher H., Hbaieb M., Maalej A., Mouazen A.M. Study of the effect of tool geometry and operational conditions on mouldboard plough forces and energy requirement: Part 1. Finite element simulation // Comput Electron. Agric. 2015. No. 117. P. 258–267. DOI:10.1016/j.compag.2015.08.006Jafari R. Numerical approximation of elliptic partial differential equations on soil-tool interaction problems using advanced nonlinear finite element approach. Int. J. Math. Comput. Simul., 2008, no. 2, pp. 223–227.Ibrahmi A., Bentaher H., Hamza E., Maalej A., Mouazen A.M. 3D finite element simulation of the effect of mouldboard plough’s design on both the energy consumption and the tillage quality // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. No. 90. P. 473–487. DOI: 10.1007/s00170-016-9391-9.Jakob C., Konietzky H. Particle Methods, Freiberg, 2014. 22 p.Jafari R. Numerical approximation of elliptic partial differential equations on soil-tool interaction problems using advanced nonlinear finite element approach // Int. J. Math. Comput. Simul. 2008. No. 2. P. 223–227.Lysych M.N. Three-dimensional virtual dynamometer to measure the process of overcoming obstacles by disc cultivator. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., 2019, no. 392, 012054. DOI: 10.1088/1755-1315/392/1/012054Jakob C., Konietzky H. Particle Methods. Freiberg. 2014. 22 p.Lysych M.N., Shabanov M.L., Bukhtoyarov L.D. Research of process overcoming obstacles by tillage tools. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., 2019, no. 226, 012045. DOI: 10.1088/1755-1315/226/1/012045Lysych M.N. Three-dimensional virtual dynamometer to measure the process of overcoming obstacles by disc cultivator // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2019. No. 392. 012054. DOI: 10.1088/1755-1315/392/1/012054Lysych M.N. Modeling of the process of tillage by working bodies of soilcultivating machines. Computer research and modeling, 2020, vol. 12, no. 3, pp. 607–627. DOI: 10.20537/2076-7633-2020-12-3-607-627 (In Russ.)Lysych M.N., Shabanov M.L., Bukhtoyarov L.D. Research of process overcoming obstacles by tillage tools // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2019. No. 226. 012045. DOI:10.1088/1755-1315/226/1/012045Mak J., Chen Y., Sadek M.A. Determining parameters of a discrete element model for soil – tool interaction. Soil & Tillage Research, 2012, no. 118, pp. 117–122. DOI: 10.1016/j.still.2011.10.019Mak J., Chen Y., Sadek M.A. Determining parameters of a discrete element model for soil – tool interaction // Soil & Tillage Research. 2012. No. 118. P. 117–122. DOI:10.1016/j.still.2011.10.019Ovsyanko V., Petrovsky A. The computer modeling of interaction between sharemoulboard surface of plough and soil. J. Res. Appl. Agric. Eng., 2014, no. 59, pp. 100–103.Ovsyanko V., Petrovsky A. The computer modeling of interaction between sharemoulboard surface of plough and soil // J. Res. Appl. Agric. Eng. 2014. No. 59. P. 100–103.Suravkin A.Yu. Implementation of the SPH method on CUDA for modeling incompressible fluids. Nauka i obrazovanie, 2012, no. 7, pp. 87–106. DOI: 10.7463/0712.0423582. (In Russ.)Teixeira R.R., Moreira S.R.D.S., Tavares S.M.O. Multibody Dynamics simulation of an electric bus // Procedia Engineering. 2015. No. 114. P. 470–477. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.094Teixeira R.R., Moreira S.R.D.S., Tavares S.M.O. Multibody Dynamics simulation of an electric bus. Procedia Engineering, 2015, no. 114, pp. 470–477. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.094.Ucgul M., Saunders C., Fielke J.M. Comparison of the discrete element and finite element methods to model the interaction of soil and tool cutting edge // Biosyst. Eng. 2018. No. 169. P. 199–208. DOI:10.1016/j.biosystemseng.2018.03.003.Ucgul M., Saunders C., Fielke J.M. Comparison of the discrete element and finite element methods to model the interaction of soil and tool cutting edge. Biosyst. Eng., 2018, no. 169, pp. 199–208. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2018.03.003.Ucgul M., Saunders C., Fielke J.M. Discrete element modelling of tillage forces and soil movement of a one-third scale mouldboard plough // Biosyst. Eng. 2017. No. 155. P. 44–54. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2016.12.002Ucgul M., Saunders C., Fielke J.M. Discrete element modelling of tillage forces and soil movement of a one-third scale mouldboard plough. Biosyst. Eng., 2017, no. 155, pp. 44–54. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2016.12.002.Ucgul M., Saunders C., Li P., Lee S. Analyzing the mixing performance of a rotary spader using digital image processing and discrete element modelling (DEM) // Comput. Electron. Agric. 2018. No. 151. P. 1–10. DOI:10.1016/j.compag.2018.05.028.Ucgul M., Saunders C., Li P., Lee S. Analyzing the mixing performance of a rotary spader using digital image processing and discrete element modelling (DEM). Comput. Electron. Agric., 2018, no. 151, pp. 1–10. DOI: 10.1016/j.compag.2018.05.028.Urbán M., Kotrocz K., Kerényi G. Investigation of the soil-tool interaction by SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) based simulation. In Power and Machinery // International Conference of Agricultural Engineering-CIGR-AgEng 2012: agriculture and engineering for a healthier life, Valencia, Spain, 2012.Urbán M., Kotrocz K., Kerényi G. Investigation of the soil-tool interaction by SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) based simulation. In Power and Machinery. International Conference of Agricultural Engineering-CIGR-AgEng 2012: agriculture and engineering for a healthier life, Valencia, Spain, 2012.Wu G., Fan G., Guo J., Wu G. Ride comfort evaluation for road vehicle based on rigid flexible coupling multibody dynamics // Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2013. No. 3. 13004. DOI:10.1063/2.1301304.Wu G., Fan G., Guo J., Wu G. Ride comfort evaluation for road vehicle based on rigid flexible coupling multibody dynamics. Theoretical & Applied Mechanics Letters, 2013, no. 3, 13004. DOI: 10.1063/2.1301304

The authors declare that there are no conflicts of interest present.