Vývoj nové geometrie nástroje pro přípravu půdy

Na Katedře materiálu a strojírenské technologie Technické fakulty ČZU vyvíjejí pracovní nástroje zemědělských strojů s využitím matematických modelů FEM/DEM.

Projekt VaV pracovních nástrojů zemědělských strojů podpořený TAČR navazuje na předchozí projekt, který jsme s firmou Farmet a.s. řešili od roku 2011 (Výzkum a vývoj otěruvzdorných materiálů a technologií pro jejich využití u zemědělských strojů), ve kterém jsme se zaměřili na výzkum a vývoj nových materiálů a bimetalických řešení s cílem dosáhnout minimálního opotřebení v půdních podmínkách.

Při řešení projektu se sice podařilo vyvinout nový otěruvzdorný materiál, ale jak každý konstruktér ví, správná funkce a otěruvzdornost nástroje je ovlivněna také vhodnou geometrií nástroje. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli využít pro návrh geometrie DEM (Discreate Element Method) a přizvat k řešení interakce mezi půdním prostředím a nástrojem odborníky z Laboratoře sypkých hmot Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě.

Nové metody vývoje

Výzkum, vývoj a optimalizace pracovních nástrojů zemědělských strojů s využitím matematických modelů FEM/DEM (z angl. Finite Element Method/Discrete Element Method) nebyl zatím nikde řešen. Příčinou byla dosavadní nedostatečná úroveň DEM softwarových nástrojů a také nízká výkonnost výpočetní techniky. Matematické modelování chování půdy se jevilo jako velmi náročné, takřka nereálné, až dynamický vývoj DEM v posledních letech otevřel cestu k jejich plnohodnotnému využití.

Vývoj pracovních nástrojů zemědělských strojů na zpracování půdy dosud probíhal víceméně experimentální metodou a vyžadoval náročné polní zkoušky. Problémem je, že podmínkou polního testování jsou příznivé klimatické podmínky a vhodné půdní podmínky pro danou pracovní operaci. Tím se výrazně zkracuje doba, kdy je možné polní testy provádět.

Složitost vývoje pracovních nástrojů také způsobuje, že řada nástrojů zemědělských strojů vykazuje sice požadovanou kvalitu zpracování půdy, ale má vysoký tahový pracovní odpor a vysoký stupeň opotřebení v silně exponovaných částech. To způsobuje výrazně vyšší spotřebu pohonných hmot na jednotku obdělané plochy i výrazně vyšší náklady na provoz vzniklé nadměrným opotřebením. Další optimalizace klasickými postupy je již v těchto ohledech velmi problematická a časově náročná.

Pokročilé modelování

Z tohoto důvodu se k problému přistoupilo jiným způsobem, s využitím kombinace DEM a následného FEM počítačového modelu. Aby se však plně využilo výhod počítačového modelování je zapotřebí získat potřebná experimentální data. Zeminu můžeme pokládat za partikulární hmotu skládající se z částic mající různou velikost a morfologii. Bylo zapotřebí nejprve provést mnoho experimentálních měření, kterými by bylo možné popsat mechanické chování. Zároveň je nutné vyvinout přístroje vhodné pro polní měření, které budou splňovat požadavky kladené na laboratorní testy.

Vzhledem k variabilitě zemin, se řešení zaměřilo pro ověření myšlenky využití FEM/DEM modelů na jeden typ půdy, který jsme odebrali pro laboratorní testování z pokusného pole partnera – firmy Farmet a.s. Na základě experimentálních zkoušek, např. tlakových, creepových, relaxačních a smykových vlastností, lomové houževnatosti, určení úhlu vnitřního tření, jsme potřebná data po dvou letech řešení projektu získali. Zjištěné závislosti bylo nutné i matematicky popsat, a to v závislosti na vlhkosti a pórovitosti půdy.

Poslední rok řešení projektu se bude postupně vytvářet algoritmus zahrnující jednotlivé výpočtové kroky využívající FEM i DEM modelování i se zahrnutím postupného opotřebení nástroje při zpracování půdy. Náš průmyslový partner čeká na naše modely, aby podle nich vyrobil nástroje a ověřil je na pokusném pozemku. Až poté budeme vědět, zdali naše úsilí bylo efektivně vynaloženo a modely jsou dostatečně přesné.