03. Моделирование истечения семян кунжута при колебательном дозировании семян устройством c использованием DEM / Н. Н. Шараби, А. А. Дорошенко, А. В. Бутовченко

Печать

УДК 621.3.083.92:633.853.74

DOI: 10.15507/2658-4123.030.202002.219-231

Моделирование истечения семян кунжута при колебательном дозировании семян устройством c использованием DEM

Нурэлдин Нурэлдин Шараби
преподаватель кафедры сельскохозяйственного машиностроения факультета сельского хозяйства Университета Кафр-эль-Шейха (33516, Египет, г. Кафр-эль-Шейх, ул. Эль-Гейш), аспирант кафедры проектирования и технического сервиса транспортнотехнологических систем агропромышленного факультета ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (344000, Россия, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5506-1589, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Артем Александрович Дорошенко
доцент кафедры проектирования и технического сервиса транспортно-технологических систем агропромышленного факультета ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (344000, Россия, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1), кандидат технических наук, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3739-7059, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Андрей Владимирович Бутовченко
заведующий кафедрой проектирования и технического сервиса транспортно-технологических систем агропромышленного факультета ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (344000, Россия, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1), кандидат технических наук, доцент, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9335-9586, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Введение. Кунжутная культура является одной из самых важных экспортных культур во многих странах мира, особенно в Африке. Чтобы удовлетворить сельскохозяйственные требования точного высева, были разработаны различные типы сеялок. Проведены численные исследования по изучению оптимизации параметров прецизионного высева. Одним из таких параметров, влияющих на качество работы прецизионной сеялки, является истечение зерна из дозатора семян.
Материалы и методы. Чтобы поддерживать хорошие непрерывные рабочие характеристики в колеблющейся сеялке, важно следить за расходом семян в режиме реального времени и автоматически регулировать колебательные параметры. Существующие методы исследования, такие как создание прототипа и наблюдение за процессом с использованием скоростной съемки, из-за хаотичного движения частиц не позволяют получить достаточное количество данных для понимания траектории и скорости перемещения частиц (существующие уравнения движения частиц при моделировании процесса высева не позволяют учесть взаимодействие частиц, имеющих различные формы), коэффициенты трения качения и скольжения, модули упругости материалов частиц и рабочего органа. В этом исследовании поток семян кунжута в колеблющейся сеялке точного высева был воссоздан с использованием метода имитационного моделирования метода дискретных элементов. Целью исследования являлось создание имитационной модели высевающего аппарата вибрационного типа на примере высева семян кунжута и последующей оценки эффективно сти его модели, а также возможности дальнейшей оптимизации и прогнозирования высева семян этим аппаратом.
Результаты исследования. Анализ результатов показал, что во время моделирования скорость высева семян кунжута при выходе из отверстия имеет существенные различия по величине и направлению. Приведенные в статье результаты показывают, что при открытии отверстия в высевающем аппарате из него выходит от нуля до четырех семян. Полученная модель позволяет проводить наблюдения за поведением каждой частицы семени кунжута, проводить анализ ее траектории, скорости движения и сил, действующих на нее в любой момент времени, а также при варьировании параметров получать зависимости неравномерности высева от кинематических и геометрических параметров работы устройства.
Обсуждение и заключение. Полученные результаты имитационного моделирования обеспечивают эффективный метод прогнозирования расхода семян кунжута в колеблющемся дозаторе семян, что служит основой для оптимизации кинематических и геометрических параметров работы вибрационного высевающего аппарата с целью повышения эффективности его работы. Данная модель является универсальной и может быть адаптирована к высеву других сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: метод дискретных элементов, семена кунжута, колебательный дозатор семян, прецизионная сеялка, движение семян

Для цитирования: Шараби, Н. Н. Моделирование истечения семян кунжута при колебательном дозировании семян устройством c использованием DEM / Н. Н. Шараби, А. А. Дорошенко, А. В. Бутовченко. – DOI 10.15507/2658-4123.030.202002.219-231 // Инженерные технологии и системы. – 2020. – Т. 30, № 2. – С. 219–231.

Заявленный вклад соавторов: Н. Н. Шараби – анализ теоретических и практических материалов по теме исследования, анализ научных источников по теме исследования, критический анализ и доработка текста; А. А. Дорошенко – научное руководство, математическое моделирование объекта исследования, анализ результатов исследования; А. В. Бутовченко – научное руководство, постановка задачи, определение методологии исследования, критический анализ и доработка решения.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила 21.11.2019; принята к публикации 14.01.2020;
опубликована онлайн 30.06.2020

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Varzakas T. Book Review: Peter K.V. (2012) Handbook of Herbs and Spices. Vol. 2. International Journal of Food Science & Technology. 2013; 48(7):1558. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1111/ijfs.12108

2. Movahedi E., Rezvani M., Hemmat A. Design, Development and Evaluation of a Pneumatic Seeder for Automatic Planting of Seeds in Cellular Trays. Journal of Agricultural Machinery. 2016; 4(1):65-72. Available at: http://agris.fao.org/agris-search/search.do?recordID=IR2016800061 (accessed 26.03.2020). (In Eng.)

3. Yang L., Yan B.X., Cui T., et al. Global Overview of Research Progress and Development of Precision Maize Planters. International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2016; 9(1):9-26. (In Chin.) DOI: https://doi.org/10.3965/j.ijabe.20160901.2285

4. Reddy B.S., Satyanarayana A.R.V., Adake R.V., et al. Performance of Seed Planter Metering Mechanisms under Simulated Conditions. Indian Journal of Dryland Agricultural Research and Development. 2012; 27(2):36-42. Available at: https://www.researchgate.net/publication/255734431_Performance_of_Seed_Planter_Metering_Mechanisms_under_Simulated_Conditions (accessed 26.03.2020). (In Eng.)

5. Yazgi A., Degirmencioglu A. Measurement of Seed Spacing Uniformity Performance of a Precision Metering Unit as Function of the Number of Holes on Vacuum Plate. Journal of the International Measurement Confederation. 2014; 56:128-135. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2014.06.026

6. Cundall P.A., Strack O.D.L. A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies. Geotechnique. 1979; 29(1):47-65. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47

7. Ramírez A., Nielsen J., Ayuga F. On the Use of Plate-Type Normal Pressure Cells in Silos: Part 2: Validation for Pressure Measurements. Computers and Electronics in Agriculture. 2010; 71(1):64-70. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2009.12.005

8. Boac J.M., Ambrose R.P.K., Casada M.E., et al. Applications of Discrete Element Method in Modeling of Grain Postharvest Operations. Food Engineering Reviews. 2014; 6:128-149. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1007/s12393-014-9090-y

9. Guo Y., Wassgren C., Ketterhagen W., et al. Some Computational Considerations Associated with Discrete Element Modeling of Cylindrical Particles. Powder Technology. 2012; 228:193-198. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.05.015

10. Horabik J., Molenda M. Parameters and Contact Models for DEM Simulations of Agricultural Granular Materials: A Review. Biosystems Engineering. 2016; 147:206-225. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2016.02.017

11. Leblicq T., Smeets B., Roman H., et al. A Discrete Element Approach for Modelling the Compression of Crop Stems. Computers and Electronics in Agriculture. 2016; 123:80-88. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2016.02.018

12. Doroshenko A., Butovchenko A., Gorgadze L. The Modeling of the Process of Grain Material Outflow from a Hopper Bin with a Lateral Outlet. In: MATEC Web of Conferences. International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE 2018). 2018; 224:6. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201822405013

13. Tijskens E., Ramon H., De Baerdemaeker J. Discrete Element Modelling for Process Simulation in Agriculture. Journal of Sound and Vibration. 2003; 266(3):493-514. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/S0022-460X(03)00581-9

14. Zhang T., Liu F., Zhao M.Q., et al. Movement Law of Maize Population in Seed Room of Seed Metering Device Based in Discrete Element Method. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering. 2016; 32(22):27-35. (In Chin.) DOI: https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2016.22.004

15. Han D.D., Zhang D.X., Yang L., et al. EDEM-CFD Simulation and Experiment of Working Performance of Inside-Filling Air-Blowing Seed Metering Device in Maize. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering. 2017; 33(13):23-31. (In Chin.) DOI: https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2017.13.004

16. Han D., Zhang D., Jing H., et al. DEM-CFD Coupling Simulation and Optimization of an Inside-Filling Air-Blowing Maize Precision Seed-Metering Device. Computers and Electronics in Agriculture. 2018; 150:426-438. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.05.006

17. Lei X., Liao Y., Liao Q. Simulation of Seed Motion in Seed Feeding Device with DEM-CFD Coupling Approach for Rapeseed and Wheat. Computers and Electronics in Agriculture. 2016; 131:29-39. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2016.11.006

18. Radvilaite U., Ramires-Gomez A., Kacianauskas R. Determining the Shape of Agricultural Materials Using Spherical Harmonics. Computers and Electronics in Agriculture. 2016; 128:160-171. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2016.09.003

19. Wang X., Yu J., Lv F., et al. A Multi-Sphere Based Modelling Method for Maize Grain Assemblies. Advanced Powder Technology. 2017; 28(2):584-595. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.apt.2016.10.027

20. Xu T., Yu J., Yu Y., et al. A Modelling and Verification Approach for Soybean Seed Particles Using the Discrete Element Method. Advanced Powder Technology. 2018; 28(12):3274-3290. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.apt.2018.09.006

21. Radvilaite U., Ramirez-Gomez A., Rusakevicius D., et al. Semi-Analytical Models of Non-Spherical Particle Shapes Using Optimised Spherical Harmonics. Chemical Engineering Research and Design. 2018; 137:376-394. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.07.031

22. Boac J.M., Casada M.E., Maghirang R.G., et al. 3-D and Quasi-2-D Discrete Element Modeling of Grain Commingling in a Bucket Elevator Boot System. Transactions of the ASABE. 2012; 55(2):659-672. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.13031/2013.39812

23. Wiacek J., Molenda M., Horabik J., et al. Influence of Grain Shape and Intergranular Friction on Material Behavior in Uniaxial Compression: Experimental and DEM Modeling. Powder Technology. 2012; 217:435-442. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.10.060

24. Luding S. Cohesive, Frictional Powders: Contact Models for Tension. Granular Matter. 2008; 10(4):235-246. (In Eng.) DOI: https://doi.org/10.1007/s10035-008-0099-x

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.