مدل‌سازی، شبیه‌سازی و آزمایش بهینه‌سازی: فرآیند خرمن‌کوبی گندم با کمباین بر اساس DEM

ماشین های کشاورزی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 20 آبان 1404   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی انگلیسی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jam.2025.94433.1409

نویسندگان

چیان‌وِن لی^{* 1، 2}؛ یوان‌زه وو¹؛ کای‌شوآن ژائو¹؛ های‌یوان وانگ²؛ جیانگ‌تائو جی^{1، 2}

¹دانشکده مهندسی تجهیزات کشاورزی، دانشگاه علوم و فناوری هنان، لویانگ ۴۷۱۰۰۳، چین

²مرکز نوآوری علمی و فناوری برای تجهیزات کامل، آزمایشگاه لونگ‌مِن، لویانگ ۴۷۱۰۲۳، چین

چکیده

ریزش دانه و آسیب ناشی از ضربه، شاخص‌های کلیدی کیفیت خرمن‌کوبی گندم هستند. برای بررسی مکانیسم‌های ریزش و آسیب دانه، این مطالعه فرآیند خرمن‌کوبی گندم را با ایجاد یک مدل المان گسسته از گیاهان گندم و یک پلتفرم شبیه‌سازی برای دستگاه‌های خرمن‌کوبی بازتولید می‌کند. این مطالعه شبیه‌سازی‌هایی را بر روی قوانین حرکت جریان مواد و قوانین توزیع مواد خرمن‌کوبی‌شده تحت شرایط مختلف نرخ تغذیه، سرعت چرخش درام و زاویه منحرف‌کننده انجام می‌دهد. بر اساس محاسبات شبیه‌سازی، قوانین سرعت و نیروی متوسط بوته های گندم به‌دست آمد و قوانین تاثیر نرخ تغذیه، سرعت چرخش درام و زاویه منحرف‌کننده بر فرآیند خرمن‌کوبی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. از طریق تجزیه و تحلیل بهینه‌سازی پارامتر چندهدفه، مشخص می‌شود که وقتی نرخ تغذیه 7 کیلوگرم بر ثانیه، سرعت چرخش درام 815 دور در دقیقه و زاویه منحرف‌کننده 70 درجه باشد، خرمن‌کوبی دستگاه عملکرد برتری دارد. آزمایش‌های تایید آزمایشگاهی قبل و بعد از بهینه‌سازی نشان داد که میزان ناخالصی گندم از %29.19 به %25.02 و میزان تلفات از %1.61 به %0.95 کاهش یافته است و خطای بین نتایج پیش‌بینی مدل و نتایج تجربی کمتر از 5 درصد بوده است. مدل پیشنهادی و استراتژی بهینه‌سازی می‌توانند بهبود ساختاری دستگاه‌های خرمن‌کوب جریان محوری را هدایت کنند، چرخه تحقیق و توسعه تجهیزات برداشت را به‌طور قابل‌توجهی کوتاه کنند و یک مبنای فنی قابل‌اعتماد برای برداشت کارآمد و کم‌ضرر گندم فراهم کنند.

کلیدواژه‌ها

بهینه‌سازی پارامتر؛ تحلیل شبیه‌سازی؛ دستگاه خرمن‌کوب؛ روش المان گسسته؛ عملکرد کاری

مراجع

1. Ajmal, M., Roessler, T., Richter, C., & Katterfeld, A. (2020). Calibration of cohesive DEM parameters under rapid flow conditions and low consolidation stresses. Powder Technology, 374, 22-32. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.07.017
2. Arnold, P., & Roberts, A. (1969). Fundamental aspects of load-deformation behavior of wheat grains. Transactions of the ASAE, 12(1), 104-0108. https://doi.org/10.13031/2013.38773
3. Boac, J. M., Ambrose, R. P. K., Casada, M. E., Maghirang, R. G., & Maier, D. E. (2014). Applications of Discrete Element Method in Modeling of Grain Postharvest Operations. Food Engineering Reviews, 6(4), 128-149. https://doi.org/10.1007/s12393-014-9090-y
4. Chen, Z., Wassgren, C., Veikle, E., & Ambrose, K. (2020). Determination of material and interaction properties of maize and wheat kernels for DEM simulation. Biosystems Engineering, 195, 208-226. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.05.007
5. Fu, J., Chen, Z., Han, L. J., & Ren, L. Q. (2018). Review of grain threshing theory and technology. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 11(3), 12-20. https://doi.org/10.25165/j.ijabe.20181103.3432
6. Horabik, J., & Molenda, M. (2016). Parameters and contact models for DEM simulations of agricultural granular materials: A review. Biosystems Engineering, 147, 206-225.
7. Horabik, J., Parafiniuk, P., & Molenda, M. (2016). Experiments and discrete element method simulations of distribution of static load of grain bedding at bottom of shallow model silo. Biosystems Engineering, 149, 60-71. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2016.06.012
8. Horabik, J., Wiacek, J., Parafiniuk, P., Banda, M., Kobylka, R., Stasiak, M., & Molenda, M. (2020). Calibration of discrete-element-method model parameters of bulk wheat for storage. Biosystems Engineering, 200, 298-314. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.10.010
9. Khawaja, A. N., & Khan, Z. M. (2022). DEM study on threshing performance of "compression-oscillation" thresher. Computational Particle Mechanics, 9(6), 1233-1248. https://doi.org/10.1007/s40571-021-00456-4
10. Khir, R., Atungulu, G., & Pan, Z. (2013). Influence of harvester and weather conditions on field loss and milling quality of rough rice. Paper presented at the 2013 Kansas City, Missouri, July 21-July 24, 2013.
11. Lu, C., Gao, Z., Li, H., He, J., Wang, Q., Wei, X., ..., & Li, Y. (2023). An ellipsoid modelling method for discrete element simulation of wheat seeds. Biosystems Engineering, 226, 1-15. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2022.12.009
12. Luo, W., Chen, X., Guo, K., Qin, M., Wu, F., Gu, F., & Hu, Z. (2023). Optimization and Accuracy Analysis of a Soil-Planter Model during the Sowing Period of Wheat after a Rice Stubble Based Discrete Element Method. Agriculture-Basel, 13(10), 2036. https://doi.org/10.3390/agriculture13102036
13. Markauskas, D., Platzk, S., & Kruggel-Emden, H. (2022). Comparative numerical study of pneumatic conveying of flexible elongated particles through a pipe bend by DEM-CFD. Powder Technology, 399, 117170. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117170
14. Miu, P. I., & Kutzbach, H.-D. (2008a). Modeling and simulation of grain threshing and separation in axial threshing units: Part II. Application to tangential feeding. Computers and Electronics in Agriculture, 60(1), 105-109. https://doi.org/10.1016/j.compag.2007.07.004
15. Miu, P. I., & Kutzbach, H.-D. (2008b). Modeling and simulation of grain threshing and separation in threshing units—Part I. Computers and Electronics in Agriculture, 60(1), 96-104. https://doi.org/10.1016/j.compag.2007.07.003
16. Moya, M., Sanchez, D., & Ramon Villar-Garcia, J. (2022). Values for the Mechanical Properties of Wheat, Maize and Wood Pellets for Use in Silo Load Calculations Involving Numerical Methods. Agronomy-Basel, 12(6), 1261. https://doi.org/10.3390/agronomy12061261
17. Schramm, M., & Tekeste, M. Z. (2022). Wheat straw direct shear simulation using discrete element method of fibrous bonded model. Biosystems Engineering, 213, 1-12. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2021.10.010
18. Schramm, M., Tekeste, M. Z., Plouffe, C., & Harby, D. (2019). Estimating bond damping and bond Young's modulus for a flexible wheat straw discrete element method model. Biosystems Engineering, 186, 349-355. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2019.08.003
19. Shi, Y., Jiang, Y., Wang, X., Thuy, N. T. D., & Yu, H. (2023). A mechanical model of single wheat straw with failure characteristics based on discrete element method. Biosystems Engineering, 230, 1-15. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2023.03.017
20. Shi, Y., Sun, X., Wang, X., Hu, Z., Newman, D., & Ding, W. (2019). Numerical simulation and field tests of minimum-tillage planter with straw smashing and strip laying based on EDEM software. Computers and Electronics in Agriculture, 166, 105021. https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.105021
21. Siliveru, K., & Ambrose, K. (2021). PREDICTING PARTICLE SEPARATION AND SIEVE BLINDING DURING WHEAT FLOUR SIFTING. Transactions of the Asabe, 64(3), 1103-1112. https://doi.org/10.13031/trans.14276
22. Standrads, A. (2006). Compression test of food materials of convex shape. In (Vol. S368.4). St. Joseph, Mich.: ASABE.
23. Sun, K., Yu, J., Zhao, J., Liang, L., Wang, Y., Yu, Y. J. C., & Agriculture, E. i. (2023). A DEM-based general modeling method and experimental verification for wheat plants in the mature period. Computers and Electronics in Agriculture, 214, 108283.
24. Wang, Q., Mao, H., & Li, Q. (2020a). Modelling and simulation of the grain threshing process based on the discrete element method. Computers and Electronics in Agriculture, 178, 105790. https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105790
25. Wang, Q., Mao, H., & Li, Q. (2020b). Simulation of Vibration Response of Flexible Crop Stem Based on Discrete Element Method. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 51(11), 131-137. https://doi.org/10.6041/j.issn.1000-1298.2020.11.014
26. Wang, W., Liu, W., Yuan, L., Qu, Z., He, X., & Lv, Y. (2020). Simulation and Experiment of Single Longitudinal Axial Material Movement and Establishment of Wheat Plants Model. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 51(S2), 170-180. https://doi.org/10.6041/j.issn.1000-1298.2020.S2.021
27. Wang, X., Wu, W., & Jia, H. (2023). Calibration of discrete element parameters for simulating wheat crushing. Food Science & Nutrition, 11(12), 7751-7764. https://doi.org/10.1002/fsn3.3693
28. Zareiforoush, H., Komarizadeh, M., & Alizadeh, M. (2010). Effects of crop-machine variables on paddy grain damage during handling with an inclined screw auger. Biosystems Engineering, 106(3), 234-242.
29. Zhou, Y., Shang, W., Hui, Y., Shi, C., Gao, J., Zhang, Y., ..., & Zhu, K. (2023). Construction of an Accurate Wheat-Grain Model Based on X-ray Tomography and Bonding Parameters by Discrete Element. Applied Sciences-Basel, 13(16), 9265. https://doi.org/10.3390/app13169265