Modeling the Effects of Narrow Blade Geometry on Soil Failure Draught and Vertical Forces Using Discrete Element Method

Abstract

In most earth moving machinery, such as bulldozers or tillage tools, the working tool is a tine. Thus, for tillage systems, accurate predicting of the forces acting on the tine is of prime importance to enhance their productivity. The initial conditions (i.e., blade geometry or soil type) and operating conditions (i.e., cutting speed and cutting depth) have been shown experimentally a great effect on machinery efficiency. Although experimental studies provide valuable information, they are expensive, time-consuming, and limited to certain cutting speeds and depths. Results obtained from experimental studies are also highly dependent on the accuracy of the measuring devices. However, with the increasing computational power and the development of more sophisticated mathematical models, numerical methods and in particular discrete element method (DEM) have shown great potential in analyzing the factors affecting soil-blade interaction. In this study, the effects of different rake angles, forward speed, working depth, and depth/width (d/w) ratio were investigated on a tine draught and vertical force using DEM modeling. Simulation results were also compared with the test results. It was found from the results that increasing travel velocity, tine rake angle, d/w ratio, and working depth increased draught and vertical force. Overall, based on the results of this study, DEM is able to predict soil reaction forces with an accuracy of more than 90%.

Keywords

• DEM,Tillage,Draught,Simulation,Tillage

Dar kanat geometrisinin ayrık eleman metodu kullanılarak toprak arızası ve çekme kuvveti üzerindeki etkilerinin modellenmesi

Öz

 Buldozerler veya toprak işleme araçları gibi çoğu toprak işleme makinesinde, çalışma aleti bir çatal dişidir. Bu nedenle toprak işleme sistemleri için, bıçak üzerinde etkili olan kuvvetlerin doğru tahmin edilmesi, üretkenliklerini arttırmak için çok önemlidir. Kesme hızı ve kesme derinliği gibi bıçak geometrisi veya toprak tipi ve çalışma koşulları gibi başlangıç koşulları deneysel olarak makine verimliliği üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. Deneysel çalışmalar değerli bilgiler verir, ancak pahalı olabilir ve belirli kesme hızları ve derinlikleri ile sınırlı olabilir. Sonuçlar aynı zamanda ölçüm cihazlarının doğruluğuna oldukça bağlıdır. Ancak artan hesaplama gücü ve daha sofistike modellerin geliştirilmesinde, ayrık eleman analizi (AEA), toprak bıçağı etkileşimini etkileyen faktörleri analiz etmede daha fazla umut vermektedir. Bu çalışmada, farklı eğim açıları, ileri hız, çalışma derinliği ve derinlik/ sürat oranının, ayrı bir eleman yöntemi kullanılarak dik bir çekme ve düşey kuvvet üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sürüş hızı arttıkça tırmık açısı, d / w oranı ve çalışma derinliği çekme kuvvetinin arttığı görülmüştür. AEA, toprak reaksiyon kuvvetlerini bir diş üzerinde öngörebilir ve simülasyon ile deney sonuçları arasında iyi bir uyum bulunmuştur. Genel olarak, bu çalışmanın sonuçlarına dayanarak, AEA toprak reaksiyon kuvvetlerini % 90'dan fazla bir doğrulukla tahmin edebilir.

Anahtar Kelimeler

• AEA,Derinlik,Simülasyon,Toprak İşleme

References

1. Cundall P A. & Strack O D L (1979). A discrete numerical model for granular assemblies. J. of Geotech. 29 (1): 47–65.
2. Dransfield P, Willat S T, Willis A H (1964). Soil-implement reaction experienced with simple tines at various angles of attack. J. of Agric. Eng. Res. 9(3):220-224.
3. Fielke J M (1996). Interactions of the cutting edge of tillage implements with soil. J. of Agri. Eng. Res. 63, 61-72.
4. Fielke J M (1999). Finite element modeling of the interaction of the cutting edge of tillage implements with soil. J. of Agri. Eng. Res. 74: 91-101.
5. Freitag D R (1988). Principles of soil cutting and excavation: A review of Russian literature. Trans. ASAE Technical Paper 880812. Society of Automotive Engineers, Inc. NY, USA. 13p.
6. Gill W R, Vanden Berg G E (1968). Assessment of the dynamic Properties of soils. Chapter 3 in soil dynamics in tillage and traction. Agriculture Handbook No. 316, pp. 55-116.Washington, D.C.:U.S. Government Printing Office.
7. Godwin R J (200). A review of the effect of implement geometry on soil failure and implement forces. Soil and Tillage Res. 97:331-340.
8. Khot L R, Salokhe V M, Jayasuriya H P W, Nakashima H (2007). Experimental validation of distinct element simulation for dynamic wheel-soil interaction. J. of Terramech. 44(6): 429-437.

9. McKeys E & Ali O S (197). The cutting of soil by narrow baldes. J. of Terramech. 14(2): 43-58.
10. Owen G T (1989). Subsoiling forces and tool speed in compact soils. Can. Agric. Eng. 31: 15-20.
11. Payne P C J & Tanner D W (1989). The relationship between rake angle and the performance of simple cultivation implements. J. of Agric. Eng. Res. 4: 312-32510.
12. Shmulevich I, Asaf Z, Rubinstein D (2007). Interaction between soil and a wide cutting blade using the discrete element method. Soil and Tillage Res. 97: 37-50.
13. Summers J O, Khalilian A, Batchelder D G (1986). Draft relationships for primary tillage in Oklahoma soils. Trans. ASAE. 29 (1). 37 - 39.
14. Söhne W (1956). Some basic considerations of soil mechanics applied to agricultural engineering [Einige Grundlagen für eine Landtechnische Bodenmechanik]. NIAE Translation 53, NIAE, Silsoe, Bedford UK [Grundl. Landtech., 7, p.11].
15. Ting J M, Corkum B T, Kauffman C R, Greco C (1989). Discrete numerical-model for soil mechanics. J.of Geotech. Eng.-ASCE. 115(3): 379-398.