Введение
Введение Интенсификация процессов глобального обезлесения и климатических изменений актуализирует необходимость разработки высокотехнологичных методов лесовосстановления [1]. Технология аэросева с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) представляет особый интерес благодаря операциональным преимуществам и экономической эффективности - прямой посев в 10-30 раз дешевле традиционных методов [1]. Однако эффективность технологии ограничена комплексом факторов, снижающих всхожесть семян до уровня менее 10% [1].
Проведенный анализ оборудования ведущих компаний (DroneSeed, AirSeed, Flash Forest, Dronecoria) выявил четыре основных типа высевающих аппаратов. Наибольший потенциал демонстрируют аппараты точного высева с ускорением дражированных семян потоком воздуха, используемые компаниями Dendra Systems, Flash Forest, AirSeed Technologies и Ghaf Tree Project.
Согласно лесоводческим рекомендациям для Российской Федерации, аэросев может применяться на участках, пострадавших от пожаров, с супесчаными и хорошо дренированными суглинистыми почвами, где огонь полностью уничтожил лесную подстилку [2], а также на транспортно-удаленных лесных участках и склонах, куда затруднен доступ тракторной техники [3].
Для моделирования процессов ударного взаимодействия объектов сферической формы с дискретной средой широко используются экспериментальные и DEM-методы. Фундаментальные основы процессов ударного проникновения в сыпучие гранулированные слои были заложены в работе Hou M. и др. [6] (рисунок 1а), где методами высокоскоростной съемки детально исследована динамика формирования полости и выброса частиц.
Значительный вклад в понимание влияния механических свойств индентора внесло исследование Ye X. и Van Der Meer D. [7], продемонстрировавшее особенности кратерообразования и поведения при ударе для деформируемых гидрогелевых сфер в зависимости от их модуля Юнга.
Особую актуальность для моделирования реальных почвенных условий представляют работы Zhang X. и коллектива авторов [8-10], в которых последовательно исследуется влияние капиллярных эффектов и всасывания в влажных гранулированных материалах на динамику удара, силу сопротивления и глубину проникновения сферического индентора.
Важным аспектом при моделировании поведения семян в почве является учет вращательного движения. Исследование Carvalho D.D. и др. [11] специально посвящено анализу проникновения вращающейся сферы в гранулированную среду, где установлено существенное влияние вращения на траекторию и характеристики внедрения.
Проведенный анализ современных исследований, выполненных методом дискретных элементов (DEM), демонстрирует широкие возможности данного подхода для изучения динамики ударного взаимодействия в гранулированных средах.
В исследовании Ye X. et al. [12] (рисунок 1б) методом DEM изучен наклонный удар снаряда о гранулированную среду. Авторы установили количественные зависимости глубины проникновения от угла атаки и детально проанализировали динамику процесса.
Работа Shen W. et al. [13] посвящена анализу влияния межчастичного трения и демпфирования на динамику удара сферического снаряда о грунтовое основание. Авторы продемонстрировали, что изменение коэффициента трения между частицами на 30% приводит к значительному изменению глубины проникновения (до 25%).
В исследовании Liang S. et al. [14] подробно изучены механизмы передачи и диссипации энергии при ударе индентора о гранулированный материал. Установлено, что до 60% начальной кинетической энергии рассеивается за счет работы сил трения между частицами.
Значительный интерес представляет работа Zhang X. et al. [15], в которой исследовано влияние формы частиц на динамику ударного взаимодействия. Показано, что использование несферических частиц в моделировании позволяет более точно воспроизводить экспериментальные данные.
Важным направлением развития DEM является применение гибридных методов, что продемонстрировано в работе Lin J. et al. [16]. Авторы использовали CFD-DEM подход для моделирования проникновения снаряда в насыщенные жидкостью гранулированные слои.
Исследование Wada K. et al. [17] демонстрирует возможности DEM для моделирования высокоскоростных ударов (100-900 м/с) и кратерообразования. В работе Ghazi Alshanti W. [18] изучено проникновение вращающегося снаряда в гранулированные системы.
Исследования Sunday C. и соавт. [19, 20] представляют систематический анализ влияния гравитационных условий на процессы ударного взаимодействия в гранулированных средах. В работе [19] проведено сравнительное исследование производительности различных реализаций метода дискретных элементов (DEM) для моделирования ударных процессов в условиях различной гравитации. В исследовании [20] разработана масштабируемая модель столкновений для медленных взаимодействий, учитывающая гравитационные эффекты.
Исследование Ye X. и Zhang C. [21] посвящено анализу влияния геометрии индентора на силовое воздействие и реологические свойства гранулированных сред при ударном взаимодействии. Авторы выявили, что в квазистатическом режиме сила сопротивления не зависит от скорости и может быть описана через расширенную модель локального трения, учитывающую площадь контакта.
Работа Wang F. и соавт. [22] представляет комплексное исследование модели силы сопротивления при вертикальном проникновении в гранулированную среду, основанное на комбинированном использовании DEM-моделирования и экспериментальных данных. Особенностью работы является системный учет таких ключевых параметров, как форма носовой части индентора, скорость воздействия, диаметр частиц гранулированной среды и коэффициент трения между ними. Проведенный анализ выявил, что результаты существующих исследований нельзя использовать напрямую для описания процессов ударного взаимодействия дражированных семян с почвенной средой из-за значительных различий в свойствах сред, инденторов и режимов взаимодействия.
Рисунок 1. Методы исследования процессов ударного
взаимодействия объектов с дискретной средой
Figure 1. Methods for studying the processes of impact interaction of objects with a discrete medium
Источник: А – Hou M. и др. [6], Б – результаты моделирования авторов
Source: A – Hou M. et al. [6], B – authors' own modeling results
Таким образом, существует потребность в специализированном исследовании ударного взаимодействия дражированных семян с почвенными средами.
Целью данного исследования является разработка и испытание высевающего аппарата точного высева для аэросева дражированных лесных семян с БПЛА, а также изучение его рабочих режимов для определения параметров эффективного заглубления семян.
Материалы и методы
Объектом исследования является пневматический высевающий аппарат точного высева для аэросева лесных семян с БПЛА.
В данной работе спроектирована параметрическая 3D-модель высевающего аппарата точного высева дражированных семян с ускорением потоком воздуха (рисунок 2), который состоит из направляющего канала 1, корпуса 2, крышки корпуса 3, двигателя 4, замкового узла 5, семенного бункера 6, заслонки семенного бункера 7, высевающего барабана 8, подшипника 9, датчика положения 10, воздушного распределителя 11, нагрузочной пружины 12 и контактной колодки 13. 3D-модель создавалась адаптированной для быстрого прототипирования с использованием 3D-печати, что позволяет в кратчайшие сроки создавать функциональные прототипы из инженерных полимерных материалов с минимальными массовыми характеристиками [5].
Виртуальный стенд, созданный для исследования процессов взаимодействия дражированного семени с почвенной средой, представляет собой фрагмент почвенного пласта размером 100х100х50 мм (рисунок 3). Плотность частиц составляет 2500 кг/м3 что соответствует плотности твердой фазы почвы, масса частицы равна 0,011 г, диаметр 2 мм. Полученный фрагмент почвенного пласта включает 64547 частиц общей массой 0,676 кг с насыпной плотность 1352 кг/м3 что соответствует плотности лесных почв.
Сферический индентор (далее по тексту дражированное семя) диаметром 6 мм генерируется по центру почвенного пласта на высоте 200 мм от его поверхности. Плотность дражированного семени принята равной 1900 кг/м3 что соответствует усредненной плотности дражировочных смесей, разрабатываемых в данный момент авторами статьи и семян сосны.
Рисунок 2. Высевающий аппарат точного высева с ускорением дражированных семян потоком воздуха
Figure 2. Precision seeding device with acceleration of pelleted seeds by an air flow
Источник: собственная 3D-модель авторов | Source: authors' own 3D model
Рисунок 3. Виртуальный стенд для исследования внедрения дражированного семени в почвенный пласт
Figure 3. Virtual test bench for studying the introduction of pelleted seed into the soil layer
Источник: собственная композиция авторов| Source: authors' own composition
В таблице 1 представлены основные параметры DEM-модели позволяющие воспроизводить свойства несвязных, среднесвязных и связных почв. Для определения этих параметров были приняты величины удельного сцепления (cn) свойственные для рассматриваемых типов почв. Далее при постоянном коэффициенте жесткости (kzh) подбирался порог растяжения ts необходимый для получения заданного удельного сцепления и
коэффициент демпфирования (kdamp) для обеспечения стабильности системы.
Движение дискретных элементов под действием упругих сил (FY) и сил сухого и вязкого трения (FС и FВ) рассчитывается по законам классической динамики (рисунок 4). Моделирование производится в трехмерном декартовом пространстве (x, y, z). Состояние каждого элемента Ei задается шестью переменными: координатами его центра (xi, yi, zi) и компонентами скорости (vxi, vyi, vzi). Более подробное описание математической модели приводится в другой работе авторов [24].
Таблица 1.
Параметры DEM-модели
|
Тип почвы |
Порог растяжения, ts |
Коэффициент демпфирования kdamp, Н·с/м |
Коэффициент жесткости kzh, Н/м |
Получаемое удельное сцепление cn, кПа |
|
Несвязная |
1,05 |
30 |
6,0 ⋅ 104 |
0 |
|
Среднесвязная |
1,12 |
40 |
6,0 ⋅ 104 |
15000 |
|
Связная |
1,18 |
50 |
6,0 ⋅ 104 |
30000 |
Рисунок 4. Схемы силового контакта дискретных элементов:
А – контакт двух дискретных элементов; Б – контакт дискретного элемента и твердой поверхности
Figure 4. Diagrams of force contact of discrete elements
A – contact of two discrete elements; B – contact of a discrete element and a solid surface
Источник: собственная композиция авторов| Source: authors' own composition
Мониторинг процесса моделирования производился с использованием цветовых поверхностных эпюр скоростей движения частиц. Синий цвет соответствует нулевой скорости, красный скорости в 1м/с и более, оттенки зеленого – промежуточные значения (рисунок 5, а). Контроль параметров производился в центральном срезе в продольно-вертикальной плоскости, проходящем через ось движения частицы (рисунок 5, б).
фиксировалась по нижней точке семени. Также измеряется наибольшая глубина воронки. Для лабораторных исследований процесса взаимодействия дражированных семян с почвенной средой бы создан испытательный стенд (рисунок 6). Он состоит из основания 1 с кронштейнами крепления камеры и экрана, подвижного кронштейна с механизмом регулировки угла отклонения от вертикали 2, высевающего аппарата 3, крепления для фиксации аппарата 4, хронографа 5, камеры для скоростной съемки 6, емкости для почвы 7.
Рисунок 5. Мониторинг процесса моделирования:
А – цветовые поверхностные эпюры; Б – центральный срез
Figure 5. Monitoring the modeling process:
A – color surface diagrams; B – central section
Источник: собственная композиция авторов| Source: authors' own composition
Для измерения скорости использовался хронограф WoSporT WST-X01. Он позволяет исследовать объекты диаметром 0,01-20 мм, с частотой до 120 шт/с, диапазон измеряемых скоростей 0-800 м/с при погрешности до 0,3 %. Для съемки процесса применялась USB камера со скоростью съемки 260 fps. Разгон дражированного семени диаметром 5,95мм и весом 0,22 г осуществлялся страйкбольным воздушным компрессором. Скорость полета регулировалась подбором жесткости пружины компрессора.
Рисунок 6. Лабораторный стенд
Figure 6. Laboratory stand
Источник: собственная композиция авторов| Source: authors' own composition
Для проведения опыта использовалась несвязная песчаная почва, взятая непосредственно с участка подлежащего лесовосстановлению (рисунок 7). Гранулометрический состав типичный для песчаных почв сосновых лесов Воронежской области: песок 0,063…2 мм от 70% до 95%; пыль 0,002…0,063 мм от 5 до 25%; глина < 0,002 мм менее 5%. Влажность почвы 10 % по массе.
Поверхность выравнивалась вровень с боковыми стенками короба. В опытах выполнялась серия отстрелов, в которой для исключения взаимного влияния выдерживалось расстояние между соседними воронками и стенками не менее 50 мм.
Для фиксации параметров образованных кратеров и глубин проникновения семени применялся штангенинструмент. Измерение диаметра кратера в верхней части выполнялось с использованием штанги штангенглубиномера ШГ, укладываемой на бортики ящика. Для измерения глубин проникновения дражированного семени применялся глубиномер штангенциркуля ШЦ-1, устанавливаемый опорной поверхностью на штангу штангенглубиномера. Сначала измерялся диаметр кратера в двух взаимоперпендикулярных направлениях и вычислялось среднее значение, а затем выполнялся частичное раскапывание дражированного семени и контроль глубины проникновения.
Регулировка скорости высева при проверке стабильности работы высевающего аппарата осуществлялась изменением скорости вращения шагового двигателя высевающего барабана.
В качестве показателя однородности данных был принят коэффициент вариации (CV). Число повторов опытов при моделировании и эксперименте определялось пилотной серией экспериментов, проводившейся до достижения CV менее 10%.
Рисунок 7. Исследование проникновения сферического индентора в почву
Figure 7. Study of penetration of a spherical indenter into soil
Источник: собственное фото авторов| Source: authors' own photo
