EDEMソフトウェアを使用した丘陵地帯のアースオーガの数値シミュレーションとパラメータの最適化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19526 (2022) この記事を引用

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丘陵地帯の掘削は、困難な場所での植林を促進するための重要な対策です。 斜面に魚鱗ピットを建設する作業条件を考慮して、本研究では土の持ち上げと投げ込みのオーガ機構を調査した。 本研究では、EDEMソフトウェアを活用してアースオーガの動作モデルを構築し、DEM（離散要素法）による仮想シミュレーション実験を実施しました。 土の搬送効率（Ｙ１）と土の投入距離（Ｙ２）を評価指標として、２次回転直交中心組み合わせ試験を実施した。 仮想実験データに対して分散分析と応答曲面の最適化を実行しました。 その結果、Y1、Y2に影響を与える要因の重みは、送り速度＞ねじれ角＞回転速度＞傾斜角、スロープオーガ＞回転速度＞送り速度＞ねじれ角であることがわかった。 各影響因子の最適なパラメータの組み合わせが得られました。 このうち、スロープ準備が必要な場合のオーガの最適運転パラメータの組み合わせは、スロープ26.467°、ねじれ角21.567°、送り速度0.1m/s、回転速度67.408r/minであった。 この研究は、丘陵地帯におけるアースオーガーの設計最適化のための理論的参考資料を提供します。

社会全体で大規模な土地緑化を強力に推進していく過程において、現段階での主な問題は、開発される林地の地形が複雑で、斜面変化も多様であり、造林条件が困難であることである。 造林の機械化レベルは非常に低く、造林規模の拡大速度には限界があった。

穴掘りとも呼ばれる空洞土壌の準備は、植林のプロセスにおいて不可欠なリンクの 1 つです。 これは、植林、土壌のほぐし、深肥などの林業の生産および施業プロセスで広く使用されています1。 現段階では、開発されたアースオーガは平野部での適応性が高く、広く普及している2,3。 複雑な地形を有する中山間地域では、既存のオーガでは施工効率が低く、安全率が低いという問題がありました4。

造林施業規定では、アースオーガ等の機械器具の丘陵地帯への適応力の低さを克服するため、あらかじめ法面に平坦な整地を行うことで解決するとしている5。 しかし、造成工事は大がかりで、元の地形は大きく損なわれている。 一方で、地域空間が狭く、地形が複雑なため、大型機械による造成が困難である。 水平方向の整地は明らかに植林にとって最も効率的な方法ではありません6。 斜面に木を植える場合、水と土壌を節約するために魚の鱗のような穴を形成することは効果的な方法の 1 つです。 法面掘削後の扇形土採取峰は、図 1 に示すように魚鱗ピットと同じ形状をしている。土の形状を整形した後は、人手による補強を行うだけでよい 7,8。 本研究は、魚鱗ピットの人工整形技術を調査することにより、魚鱗ピットの整形に役立つ斜面での機械化された掘削作業を調査します。

魚鱗穴型植林地。

1870年代にはアースオーガの仕組みの研究が始まりました。 リアンら。 オーガの設計理論に関する初期の研究と要約を実施しました。 これまでに、多くの経験式が研究者の参考として使用されてきました9,10。 学者、Macphersonet らは、掘削機の設計と革新に貢献するドリルビットの動作消費電力と曲げねじり振動をそれぞれ調査しました 11,12。 近年、土壌輸送プロセスにおける閉塞と過剰な埋め戻し率の問題を解決するために、多くの専門家が MATLAB、ADAMS、ANSYS およびその他のシミュレーション解析ソフトウェアを使用してオーガの静力学と動力学を解析しています13,14,15。 。