Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Обработка почвы при лесовосстановлении на вырубленных территориях сталкивается с проблемой низ-кой эффективности традиционных методов, обусловленной сложностью лесных грунтов, высокой стоимостью полевых экспериментов и ограниченной воспроизводимостью результатов. Это препятствует созданию опти-мальных технологий, обеспечивающих приживаемость лесных культур и улучшение структуры почвы. Иссле-дование направлено на решение этой проблемы через разработку вычислительной модели взаимодействия лесной почвы с комбинированным орудием, включающим ножевой каток и два дисковых плуга, с использова-нием метода дискретных элементов (DEM). Модель позволяет анализировать совместное воздействие рабочих органов на почву, что важно для повышения качества обработки и снижения энергозатрат. Материалы и мето-ды исследования включают моделирование почвы как набора сферических частиц с заданными физическими свойствами (масса, положение, скорость, сила). Взаимодействие частиц описывается моделью контакта с пру-жиной и демпфером, а геометрия орудий импортируется из OBJ-файлов, созданных в системах автоматизиро-ванного проектирования (САПР). Программная реализация выполнена на языке Delphi. Исследование проводи-лось в несколько этапов: определение параметров контакта, расчёт сил взаимодействия, оценка деформации почвы и оптимизация конструкции орудия на основе 20 компьютерных экспериментов с варьированием факто-ров (заглубление катка от -5 до 5 см, боковое смещение плугов от -5 до 5 см, угол атаки плугов 15-30). Резуль-таты показали, что оптимальные параметры орудия составляют: заглубление катка от -2 до -1 см, боковое смещение плугов 4–5 см, угол атаки плугов 22-24. При этих значениях коэффициент полноты рыхления пре-вышает 60%, коэффициент оборачиваемости пласта – 24%, коэффициент измельчения напочвенного покрова – 56%, а сила сопротивления движению не превышает 4800 Н. Теоретически это подтверждает применимость DEM для точного моделирования сложных почвенных систем. Практически параметры обеспечивают сниже-ние энергозатрат на 15-20% по сравнению с традиционными орудиями, улучшая условия для лесовосстанов-ления. Ключевое преимущество исследования для читателей заключается в предоставлении научно обосно-ванных параметров для проектирования комбинированных орудий, что способствует повышению эффективно-сти лесовосстановительных работ. Нерешённым остаётся вопрос адаптации модели к почвам с высоким со-держанием корней, что требует дальнейших исследований с учётом дополнительных факторов, таких как влажность и плотность органических остатков.
почвообрабатывающие орудия, ножевые катки, дисковые рабочие органы, комбинированные машины, выруб-ки, тяговое сопротивление рабочих органов, метод дискретных элементов (DEM)
1. Aldoshin N., Mamatov F., Ismailov I., Ergashov G. Development of combined tillage tool for melon cultiva-tion. 19th international scientific conference engineering for rural development Proceedings. 2020; 19. DOI:https://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF175
2. Zhirnov A. Construction of active working machines for the care of seed-lings. Proceedings of the XXXVIII International Multidisciplinary Conference «Recent Scientific Investigation». Primedia E-launch LLC. Shawnee, USA. 2022. DOI:https://doi.org/10.32743/UsaConf.2022.11.38.346741
3. Kalinin A.B., Novikov M.A., Ruzhev V.A., Teplinsky I.Z. Improving the efficiency of the soil uncompaction by the cultivator-subsoiler through the use of digital systems for working depth control. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 2021; 723:032061. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/723/3/032061
4. Balabanov V., Lee A., Norov B., Khudaev I., Egorov V. Investigation of various options for processing gray forest soil in a field crop rotation. E3S Web of Conferences. "International Scientific Conference "Construction Me-chanics, Hydraulics and Water Resources Engineering, Conmechydro 2021". 2021; 04025. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126404025
5. Малюков С. В., Лысыч М. Н., Бухтояров Л. Д., Поздняков Е. В., Гнусов М. А., Шавков М. В., Петков А. Ф. Анализ дисковых рабочих органов лесных почвообрабатывающих орудий. Лесотехнический журнал. 2023; 2(50):128-141. DOI:https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2023.2/7. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=54525087
6. Малюков С.В., Бухтояров Л.Д., Лысыч М.Н., Шавков М.В., Поздняков Е.В., Петков А.Ф. Метод дина-мики частиц: моделирование комбинированного почвообрабатывающего орудия, применяемого при лесовос-становлении и защите леса. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2023; 245:215-234. DOI:https://doi.org/10.21266/2079-4304.2023.245.215-234. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=54768956
7. Aikins K.A., Ucgul M., Barr J.B., Awuah E., Antille D.L., Jensen T.A., Desbiolles J.M.A. Review of Discrete El-ement Method Simulations of Soil Tillage and Furrow Opening. Agriculture. 2023; 13: 541. https://doi.org/10.3390/agriculture13030541
8. Yan, D.; Yu, J.;Wang, Y.; Zhou, L.; Tian, Y.; Zhang, N. Soil Particle Modeling and Parameter Calibration Based on Discrete Element Method. Agriculture. 2022; 12: 1421. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture12091421
9. Ma X., You Y., Yang D., Wang D., Hui Y., Li D., Wu H. Calibration and Verification of Discrete Element Pa-rameters of Surface Soil in Camellia Oleifera Forest. Agronomy. 2024; 14: 1011. DOI: https://doi.org/10.3390/agronomy14051011
10. Zhao H., Huang Y., Liu Z., Liu W., Zheng Z. Applications of Discrete Element Method in the Research of Ag-ricultural Machinery: A Review. Agriculture. 2021; 11: 425. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture11050425
11. Ahmad F, Qiu B J, Ding Q S, Ding W M, Khan Z M, Shoiab M, et al. Discrete element method simulation of disc type furrow openers in paddy soil. Int J Agric & Biol Eng. 2020; 13(4): 103–110. Open Access at URL: https://www.ijabe.org
12. Nelson R. M., Changying Ji, Ian T. Prediction of cutting forces and soil behavior with discrete element simu-lation, Computers and Electronics in Agriculture. 2020; 179: 105848, ISSN 0168-1699. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105848
13. Tienan Z, Zhou H, Ji J, Sun F, Qin Z. Parameter calibration of the discrete element simulation model for soaking paddy loam soil based on the slump test. PLoS ONE. 2023. 18(6): e0285428. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0285428
14. Zhang J., Xia, M., Chen W., Yuan D., Wu C., Zhu, J. Simulation Analysis and Experiments for Blade-Soil-Straw Interaction under Deep Ploughing Based on the Discrete Element Method. Agriculture. 2023; 13: 136. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture13010136
15. Yin L., Guo A., Liu C., Guo M., Yang D., Gao X., Wu H. Design and Discrete Element (DEM) Simulation Analysis of Grassland Ecological Cleaning and Restoration Vehicle. Machines. 2025. 13: 114. DOI: https://doi.org/10.3390/machines13020114
16. Wu J., Shen Y., Yang S., Feng Z. Simulation of Track-Soft Soil Interactions Using a Discrete Element Meth-od. Appl. Sci. 2022; 12: 2524. DOI: https://doi.org/10.3390/app12052524
17. Zhao Z., Wang D., Shang S., Hou J., He X., Gao Z., Xu N., Chang Z., Guo P., Zheng X. Analysis of Cyperus esculentus–Soil Dynamic Behavior during Rotary Tillage Based on Discrete Element Method. Agriculture. 2023; 13: 358. DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture13020358
18. Walunj A., Chen Y., Tian Y., Zeng Z. Modeling Soil–Plant–Machine Dynamics Using Discrete Element Method: A Review. Agronomy. 2023. 13: 1260. DOI: https://doi.org/10.3390/agronomy13051260
19. Zeng Zhiwei, Ma Xu, Chen Ying, Qi Long. Modelling residue incorporation of selected chisel ploughing tools using the discrete element method (DEM). Soil and Tillage Research. 2020. 197: 104505. DOI: https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104505
20. Tian Y., Zeng Z., Xing Y. A Review of Discrete Element Method Applications in Soil–Plant Interactions: Challenges and Opportunities. Agriculture. 2024. 14: 1486 . DOI: https://doi.org/10.3390/agriculture14091486
