Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
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ORIGINAL ARTICLE

Rake Angle Influence of the Vibrating Subsoiler Arm in Cutting Forces and Soil Failure

 

iDLuis Orlando Marín-Cabrera*✉:luismc@unah.edu.cu

iDArmando Eloy García de la Figal-Costales

iDArturo Martínez-Rodríguez


Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

 

*Author for correspondence: Luis Orlando Marín-Cabrera, e-mail: luismc@unah.edu.cu.

Abstract

In the present work is analyzed the rake angle influence of the vibrating subsoiler arm in the cuttings forces, as well as the soil failure behavior, tilling a silt loam soil (ferralitic), by a soil-tillage tool interaction simulation model, developed applying the Finite Element Model and using the linear elastoplastic Drucker-Prager constitutive model. For modeling was used the Solid Works design software. It was assigned to model the parameters and properties of soil required for simulation, the boundary conditions and acting loads were applied as well as the meshing of the model. As well, several running of the model was realized for three rake angle (15°, 25° y 35°). The results showed the quadratic behavior of draft force with the increasing of subsoiler arm rake angle.

Keywords: 
FEM, Draft Force, Simulation Model, Rake Angle

Received: 10/7/2024; Accepted: 15/12/2024

Luis Orlando Marín-Cabrera. Dr.C., Especialista, Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

Armando Eloy García de la Figal-Costales. Dr.C., Prof. Titular. Universidad Agraria de La Habana (UNAH). Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. e-mail: areloy@unah.edu.cu

Arturo Martínez-Rodríguez. Dr.Cs., Prof. Titular e Inv. Titular, Prof. de Mérito. Universidad Agraria de La Habana (UNAH). Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. e-mail: armaro646@gmail.com.

The authors of this work declare no conflict of interests.

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: L. O. Marín. Data curation: L. O. Marín, A. García de la Figal, A. Martínez. Formal analysis: L. O. Marín, A. García de la Figal, A. Martínez. Investigation: L. O. Marín, A. García de la Figal, A. Martínez. Methodology: L. O. Marín, A. García de la Figal, A. Martínez. Supervision: A. García de la Figal, A. Martínez. Roles/Writing, original draft: L. O. Marín, A. García de la Figa,l A. Martínez. Writing, review & editing: A. García de la Figal, A. Martínez.

The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the authors nor by the publisher.

CONTENT

Introduction

 

Tillage is one of the important field operations for the production of agricultural crops (Zhu et al., 2020)ZHU, L.; ZHANG, J.W.; CHEN, P.; WU, Q.M.; WEI, M.; YIN, C.L.; LI, G.L.: “Flowing interaction between cutting edge of ploughbreast with soil in shifting tillage operations”, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 14(1): 1404-1415, 2020, ISSN: 1994-2060., is the practice of modifier the soil state to achieve suitable conditions for growing of crops (Meselhy, 2020MESELHY, A.: “Effect of Tillage Depth Division and Vibration on Subsoiler Performance”, Plant Archives, 20(2): 3548-3567, 2020, ISSN: 2581-6063 (online), ISSN: 0972-5210.). The draft force is affected by three parameters, namely: soil conditions, tool shape and operational parameters (Li et al., 2014LI, X.Y.; ELBASHIR, M.H.; ZHAO, Z.; HEBEIL, E.A.: “Comparative finite element analysis of the effects of tillage tool geometry on soil disturbance and reaction forces”, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 7(15): 3145-3149, 2014, ISSN: 2040-7467.; Armin et al., 2015ARMIN, A.; FOTOUHI, R.; SZYSZKOWSKI, W.: “3D Finite Element Analysis for Mechanics of Soil-Tool Interaction”, World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, 9(5): 843-848, 2015.; Ibrahmi et al., 2015IBRAHMI, A.; BENTAHER, H.; HBAIEB, M.; MAALEJ, A.; MOUAZEN, A.M.: “Study the effect of tool geometry and operational conditions on mouldboard plough forces and energy requirement: Part 1. Finite element simulation”, Computers and Electronics in Agriculture, 117: 258-267, 2015, ISSN: 0168-1699.; Tagar et al., 2015TAGAR, A.; CHANGYING, J.; ADAMOWSKI, J.; MALARD, J.; QI, C.S.; QISHUO, D.; ABBASI, N.: “Finite element simulation of soil failure patterns under soil bin and field testing conditions”, Soil and Tillage Research, 145: 157-170, 2015, ISSN: 0167-1987.; He et al., 2016HE, C.; YOU, Y.; WANG, D.; WANG, G.; LU, D.; KAJI, J.M.T.: “The effect of tine geometry during vertical movement on soil penetration resistance using finite element analysis”, Computers and Electronics in Agriculture, 130: 97-108, 2016, ISSN: 0168-1699.).

The effects of rake angle over the soil and it influence in cutting forces has been analyzed by some researchers (Li et al., 2014LI, X.Y.; ELBASHIR, M.H.; ZHAO, Z.; HEBEIL, E.A.: “Comparative finite element analysis of the effects of tillage tool geometry on soil disturbance and reaction forces”, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 7(15): 3145-3149, 2014, ISSN: 2040-7467.; Armin et al., 2015ARMIN, A.; FOTOUHI, R.; SZYSZKOWSKI, W.: “3D Finite Element Analysis for Mechanics of Soil-Tool Interaction”, World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, 9(5): 843-848, 2015.; Ibrahmi et al., 2015IBRAHMI, A.; BENTAHER, H.; HBAIEB, M.; MAALEJ, A.; MOUAZEN, A.M.: “Study the effect of tool geometry and operational conditions on mouldboard plough forces and energy requirement: Part 1. Finite element simulation”, Computers and Electronics in Agriculture, 117: 258-267, 2015, ISSN: 0168-1699.; Tagar et al., 2015TAGAR, A.; CHANGYING, J.; ADAMOWSKI, J.; MALARD, J.; QI, C.S.; QISHUO, D.; ABBASI, N.: “Finite element simulation of soil failure patterns under soil bin and field testing conditions”, Soil and Tillage Research, 145: 157-170, 2015, ISSN: 0167-1987.; He et al., 2016HE, C.; YOU, Y.; WANG, D.; WANG, G.; LU, D.; KAJI, J.M.T.: “The effect of tine geometry during vertical movement on soil penetration resistance using finite element analysis”, Computers and Electronics in Agriculture, 130: 97-108, 2016, ISSN: 0168-1699.).

The Finite Element Method (FEM) is a numerical technique for the analysis of complex problems of engineering, specially for dynamic systems with big deformations and failures (Rosa y Wulfsohn, 2002ROSA, U.; WULFSOHN, D.: “Application of the finite element method in agricultural soil mechanics”, En: Advances in Soil Dynamics Volume 2, Ed. American Society of Agricultural and Biological Engineers, vol. 2, p. 117, publisher: American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2002, ISBN: 1-892769-82-4.). Este método ha sido utilizado por numerosos investigadores

This method has been used by several researchers to analyze problems related with the soil mechanic and the interaction soil- farming tool (Abo et al., 2003ABO, E.M.; HAMILTON, R.; BOYLE, J.T.: “3D Dynamic analysis of soil-tool interaction using the finite element method”, Journal of Terramechanics, 40(1): 51-62, 2003, ISSN: 0022-4898.; 2004ABO, E.M.; HAMILTON, R.; BOYLE, J.: “Simulation of soil-blade interaction for sandy soil using advanced 3D finite element analysis”, Soil and Tillage Research, 75(1): 61-73, 2004, ISSN: 0167-1987.; Topakci et al., 2010TOPAKCI, M.; CELIK, H.K.; CANAKCI, M.; RENNIE, A.E.; AKINCI, I.; KARAYEL, D.: “Deep tillage tool optimization by means of finite element method: Case study for a subsoiler tine”, Journal of Food, Agriculture & Environment, 8(2): 531-536, 2010.); and it has shown to be able to simulate different forms of farming tools and the effect of the geometry in the cutting forces (Abu & Reeder, 2003ABU, H.N.H.; REEDER, R.C.: “A nonlinear 3D finite element analysis of the soil forces acting on a disc plow”, Soil & Tillage Research, (74): 115-124, 2003, ISSN: 0167-1987.). However, for a precise tool modeling, important physical and mechanical properties should be kept in mind (Dehghan & Kalantari, 2016DEHGHAN, H.H.; KALANTARI, D.: “Design a biomimetic disc using geometric features of the claws”, Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 18(1): 103-109, 2016, ISSN: 1682-1130.).

The aim of this study is to analyze, using the Finite Element Method, the rake angle influence of a farming tool (vibrating subsoiler) in cutting forces (draft force and vertical force), as well as the soil failure behavior to different rake angles, tilling a clay loam soil (ferralitic), with forward speed and working depth assigned, as well as soil physical properties (humidity, density) and soil mechanical properties determinates.

Methods

 

Soil model

 

The soil was classified as elastoplastic material, as Rhodic Ferralsol according to FAO- UNESCO (1988)FAO- UNESCO: Soil map of the world, reviewed legend, Ed. FAO, Report 80, Roma. Italia, Roma. Italia, 1988.; Oxisol según Soil Survey Staff (2014)SOIL SURVEY STAFF: Keys to soil taxonomy, Ed. Government Printing Office, USDA Natural Resources Conservation Service, Washington, DC, USA, 12 th Edition. Natural Resources Conservation Service, United States Department of Agriculture, Washington, DC ed., Washington, DC., USA, 346 p., 2014, ISBN: 0-16-085427-X.; Oxisol according Soil Survey Staff (2014)SOIL SURVEY STAFF: Keys to soil taxonomy, Ed. Government Printing Office, USDA Natural Resources Conservation Service, Washington, DC, USA, 12 th Edition. Natural Resources Conservation Service, United States Department of Agriculture, Washington, DC ed., Washington, DC., USA, 346 p., 2014, ISBN: 0-16-085427-X. and typical red ferralitic soil according to the Third Genetic Classification of Soil in Cuba (Hernández et al., 1999HERNÁNDEZ, J.A.; PÉREZ, J.J.M.; MESA, N.Á.; BOSCH, I.D.; RIVERO, L.; CAMACHO, E.: Nueva versión de la clasificación genética de los suelos de Cuba., Ed. AGRINFOR, Barcaz L L ed., vol. I, La Habana, Cuba, 64 p., 1999, ISBN: 959-246-022-1.). It was considered as a loam clay very plastic, with 15% of sand, 38 of lime %, 47 of clay% and organic matter content of 2,59% (Herrera et al., 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.; 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.).

The lineal form of the extended Drucker-Prager model according to De la Rosa et al. (2016)DE LA ROSA, A.A.A.; QUINTEROS, P.R.; GONZÁLEZ, C.O.; RODRÍGUEZ, A.M.; SUÁREZ, H.M.: “Adjustment of the plastic parameters of the Extended Drucker Prager model for the simulation of the mechanical response of a clayey soil (Vertisol)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(3): 4-12, 2016, ISSN: 1010-2760. it was used to model the same one (Fig. 1). According to Arefi et al., (2022)AREFI, M.; KARPARVARFARD, S.H.; AZIMI, N.H.; NADERI, B.M.: “Draught force prediction from soil relative density and relative water content for a non-winged chisel blade using finite element modelling”, Journal of Terramechanics, 100: 73-80, 2022, ISSN: 0022-4898, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jterra.2022.01.001. this model is the most appropriate for modeling the soil material, because it can be gauged obtaining data of triaxial tests. The yield function of the Drucker y Prager (1952)DRUCKER, D.C.; PRAGER, W.: “Soil mechanics and plastic analysis or limit design”, Quarterly of applied mathematics, 10(2): 157-165, 1952, ISSN: 0033-569X. is expressed as:

f σ 1 , σ 2 , σ 3 = t σ . t a n β   c
 (1)

FIGURE 1.  Yield surface and flow direction in meridional plane of extended linear Drucker-Prager model.

Properties and soil parameters

 

The elastic modulus (E) was determined by the slope of a tangential line of a stress- strain curve in straight section, obtained by Herrera et al. (2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.; 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.) for this soil type. The Poisson rate was determined by the following equation:

ν = E 2 × G -1
 (2)

The shear modulus (G) is determined by:

G = E 2 × 1 + ν
 (3)

The properties and soil parameters required by the FEM model (Table 1) has been obtained in the soil mechanic laboratory of Applied Investigations National Enterprise to construction (ENIA. VC).

TABLE 1.  Properties and soil parameters required by model
Propertie or parameter Symbol Dimension Font
Internal friction angle υ 33º (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Elasticity modulus E 44 000 kPa (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Shear modulus G 15 909 kPa (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Poisson's ratio ν 0,32 Calculated
Cohesion c 50 kPa (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Shear efforts resistance τ 295 kPa Herrera, 2006HERRERA, S.M.: Simulación del comportamiento mecánico de los suelos ferralíticos rojos mediante el método de elementos finitos, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Técnicas Agropecuarias), San José de las Lajas, La Habana, Cuba, 109 p., 2006.
Traction limit of soil σt 20 kPa García de la Figal, 2022GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.: Maquinaria Agrícola II. Apuntes de clases. Tema I. Teoría y cálculo de órganos de preparación de suelos. 1.1. Principales propiedades físico-mecánicas (tecnológicas) de suelos, Ed. UNAH, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, 2022.
Compression limit of soil σc 750 kPa García de la Figal, 2022GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.: Maquinaria Agrícola II. Apuntes de clases. Tema I. Teoría y cálculo de órganos de preparación de suelos. 1.1. Principales propiedades físico-mecánicas (tecnológicas) de suelos, Ed. UNAH, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, 2022.
Soil-metal friction angle ϕ 25º Herrera, 2006HERRERA, S.M.: Simulación del comportamiento mecánico de los suelos ferralíticos rojos mediante el método de elementos finitos, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Técnicas Agropecuarias), San José de las Lajas, La Habana, Cuba, 109 p., 2006.

Finite element model

 

Is formed by scarifier arm (threated as rigid body) and the soil block (deformable in interaction with the arm). Both were modeled using the design software Soil Works and its complement Simulation. The soil block dimensions are: length (L= 2 m), width (B = 1 m) and height (H = 0,9 m), was considered as isotropic and homogeneous, have movement restrictions by lateral, bottom and back surfaces (Fig. 2a), to which constraints pressures were applied.

Over the model acting the gravidity force and atmospheric pressure. Is assumed that the growing of the dimensions of sheared soil prism beyond those assigned, does not affect the draft forces (Bentaher et al., 2013BENTAHER, H.; IBRAHMI, A.; HAMZA, E.; HBAIEB, M.; KANTCHEV, G.; MAALEJ, A.; ARNOLD, W.: “Finite element simulation of moldboard-soil interaction”, Soil and Tillage Research, 134: 11-16, 2013b, ISSN: 0167-1987.; Marín et al., 2019).

The soil-tool interaction was modeled tangent to the tool attack surface, with contact model surface to surface. The model was discretized with element size (e) maxim of 0,006 m and the Newton-Raphson iterative method was used.

The contact surfaces, both tool and cut soil prism were discretized applying mesh control, with element size of 0.004 m (Fig. 2b). The arm cut the block soil a constant forward speed (Vm) in axis X direction, working depth of 0,3 m and cutting wide 0,081m. The soil cut after the flaw slips over the surface of the tool.

FIGURE 2.  Finite element model: a) Boundary conditions b) Model mesh.

Results and discussion

 

Attack angle influence α in the cutting forces

 

Several running of the simulation model was realized (Figs. 3, 4 y 5) with different attack angle (15; 25 y 35°), f= 14 Hz, peak amplitude YPeak =11mm, Vm = 0,8 m·s-1, using the same properties and parameters of the Table 1.

The results showing the growing of Fx in polynomic form of second order with the growing of the attack angle α (Fig. 6a), showing coincidence with other authors Abbaspour et al. (2014)ABBASPOUR, F.M.; HOSEINI, S.A.; AGHKHANI, M.; SHARIFI, A.: “The behavior of tillage tools with acute and obtuse lift angles”, Spanish journal of agricultural research, 12(1): 44-51, 2014, ISSN: 2171-9292. & Lamia (2020)LAMIA, D.A.: “Modeling the effect of soil-tool interaction on draft force using visual basic”, Annals of Agricultural Science, Moshtohor, 58(2): 223-232, 2020, ISSN: 1110-0419..

Growing in 5 grades of attack angle α, increasing the draft force in approximately 4 kN (25 % of growing).

The vertical force of the soil-tool interaction Fy, the best adjusts (R2= 0,957) of your varying concerning the attack angle α was obtained with a polynomic function of second order (Fig. 6b), showing coincidence with other authors (Bentaher et al., 2013bBENTAHER, H.; IBRAHMI, A.; HAMZA, E.; HBAIEB, M.; KANTCHEV, G.; MAALEJ, A.; ARNOLD, W.: “Finite element simulation of moldboard-soil interaction”, Soil and Tillage Research, 134: 11-16, 2013b, ISSN: 0167-1987.; Odey et al., 2018ODEY, S.O.; OVAT, F.A.; OKON, O.O.: “Draughts, Power Requirements and Soil Disruption of Subsoilers”, World Journal of Engineering Research and Technology, 6(9): 17-39, 2018, ISSN: 2349-4395 (Print) & ISSN 2349-4409 (Online).).

FIGURE 3.  Draft force with arm attack angle, α = 15°.

FIGURE 4.  Draft force with arm attack angle, α = 25°.

FIGURE 5.  Draft force with arm attack angle, α = 35°.

FIGURE 6.  Forces behavior: a) draft force FX ; b) vertical force FY a to different attack angle α.

Soil failure

 

The soil failure process, both in vertical address and forward address, was simulated by several running of the finite element model, along the travel, with mesh density (e=6 mm), f = 14 Hz, YPeak =11mm to different cutting angles α: 15 y 250. The properties and parameters of the Table 1 were used.

In the zone over the farming tool (Fig. 7), take place great movements of the cut soil prism, both vertical and horizontal address, as well as displacements in lateral direction.

For α = 15° and the farming tool working with forced vibrations, the disruption of the soil, both horizontal and vertical address is less than α = 25° (Fig. 7a), as well as the draft force required for his breaking.

When α = 25° (Fig. 7b), great disrupting of the cut soil prism is obtained, as well as great displacement of the soil in vertical sense (Abu y Reeder, 2003ABU, H.N.H.; REEDER, R.C.: “A nonlinear 3D finite element analysis of the soil forces acting on a disc plow”, Soil & Tillage Research, (74): 115-124, 2003, ISSN: 0167-1987.; Odey y Okon, 2019ODEY, S.; OKON, O.: “Measurement of tillage forces and soil disturbance of subsoilers”, World Journal of Engineering Research and Technology, 5(2): 131-147, 2019, ISSN: 2454-695X.). It can be observed, as well, the failure plane formation of the removed soil.

FIGURE 7.  Disruption of the cut soil prism by the scarifier arm: a) α = 15°; b) α = 25°.

Conclusions

 

The cutting forces of soil, both draft and vertical, increasing in quadratic form with the growing of the attack angle, being the draft force the greatest.

The attack angle has a great influence in the disruption level, loosing, displacement and turning of cut soil prism.

Increasing the attack angle, increase the turning grade of cut soil, as well as the particles displacement, both in forward direction and vertical.

The FEM has been able to simulate, in adequate form, the effect of the farming tool attack angle in cutting forces of soil.

References

 

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
 
ARTÍCULO ORIGINAL

Influencia del ángulo de ataque del brazo de un subsolador vibratorio en las fuerzas de corte y la falla del suelo

 

iDLuis Orlando Marín-Cabrera*✉:luismc@unah.edu.cu

iDArmando Eloy García de la Figal-Costales

iDArturo Martínez-Rodríguez


Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

 

*Autor para correspondencia: Luis Orlando Marín-Cabrera, e-mail: luismc@unah.edu.cu

Resumen

En el presente trabajo se analiza la influencia del ángulo de ataque del brazo de un subsolador vibratorio en las fuerzas de corte, así como el comportamiento de la falla del suelo a diferentes ángulos de ataque, labrando un suelo arcilloso limoso (ferralítico), mediante un modelo de simulación de la interacción suelo-herramienta de labranza, el cual fue desarrollado aplicando el Método de Elementos Finitos y la forma lineal del modelo constitutivo elastoplástico de Drucker-Prager. Para la modelación del mismo fue utilizado el software de diseño Solid Works. Se asignaron al modelo las propiedades y parámetros del suelo requeridos para la simulación, se aplicaron las condiciones de frontera y cargas actuantes, así como la discretización del mismo. Fueron realizadas, además, las corridas del modelo de simulación para tres valores distintos del ángulo de ataque (15°; 25° y 35°). Los resultados mostraron el comportamiento cuadrático de la fuerza de tracción con el aumento del ángulo de ataque del brazo del subsolador.

Palabras clave
MEF, fuerza de tracción, modelo de simulación, velocidad de avance

Introducción

 

El cultivo del suelo es una de las operaciones de campo más importantes para la producción de las cosechas agrícolas (Zhu et al., 2020)ZHU, L.; ZHANG, J.W.; CHEN, P.; WU, Q.M.; WEI, M.; YIN, C.L.; LI, G.L.: “Flowing interaction between cutting edge of ploughbreast with soil in shifting tillage operations”, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 14(1): 1404-1415, 2020, ISSN: 1994-2060., es la práctica de modificar el estado del suelo para lograr condiciones favorables para el crecimiento de las cosechas (Meselhy, 2020MESELHY, A.: “Effect of Tillage Depth Division and Vibration on Subsoiler Performance”, Plant Archives, 20(2): 3548-3567, 2020, ISSN: 2581-6063 (online), ISSN: 0972-5210.). La fuerza de tracción es afectada por tres parámetros, a saber: condiciones del suelo, configuración de la herramienta y parámetros de operación (Abbaspour et al., 2014ABBASPOUR, F.M.; HOSEINI, S.A.; AGHKHANI, M.; SHARIFI, A.: “The behavior of tillage tools with acute and obtuse lift angles”, Spanish journal of agricultural research, 12(1): 44-51, 2014, ISSN: 2171-9292.).

Los efectos del ángulo de ataque sobre el suelo y su influencia en las fuerzas de corte han sido analizados por varios investigadores (Li et al., 2014LI, X.Y.; ELBASHIR, M.H.; ZHAO, Z.; HEBEIL, E.A.: “Comparative finite element analysis of the effects of tillage tool geometry on soil disturbance and reaction forces”, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 7(15): 3145-3149, 2014, ISSN: 2040-7467.; Armin et al., 2015ARMIN, A.; FOTOUHI, R.; SZYSZKOWSKI, W.: “3D Finite Element Analysis for Mechanics of Soil-Tool Interaction”, World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, 9(5): 843-848, 2015.; Ibrahmi et al., 2015IBRAHMI, A.; BENTAHER, H.; HBAIEB, M.; MAALEJ, A.; MOUAZEN, A.M.: “Study the effect of tool geometry and operational conditions on mouldboard plough forces and energy requirement: Part 1. Finite element simulation”, Computers and Electronics in Agriculture, 117: 258-267, 2015, ISSN: 0168-1699.; Tagar et al., 2015TAGAR, A.; CHANGYING, J.; ADAMOWSKI, J.; MALARD, J.; QI, C.S.; QISHUO, D.; ABBASI, N.: “Finite element simulation of soil failure patterns under soil bin and field testing conditions”, Soil and Tillage Research, 145: 157-170, 2015, ISSN: 0167-1987.; He et al., 2016HE, C.; YOU, Y.; WANG, D.; WANG, G.; LU, D.; KAJI, J.M.T.: “The effect of tine geometry during vertical movement on soil penetration resistance using finite element analysis”, Computers and Electronics in Agriculture, 130: 97-108, 2016, ISSN: 0168-1699.).

El Método de Elementos Finitos (MEF) es una técnica numérica para el análisis de complejos problemas de la ingeniería, especialmente para sistemas dinámicos con grandes deformaciones y fallas (Rosa y Wulfsohn, 2002ROSA, U.; WULFSOHN, D.: “Application of the finite element method in agricultural soil mechanics”, En: Advances in Soil Dynamics Volume 2, Ed. American Society of Agricultural and Biological Engineers, vol. 2, p. 117, publisher: American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2002, ISBN: 1-892769-82-4.). Este método ha sido utilizado por numerosos investigadores para analizar problemas relacionados con la mecánica de suelos y la interacción suelo - herramientas de labranza (Abo et al., 2003ABO, E.M.; HAMILTON, R.; BOYLE, J.T.: “3D Dynamic analysis of soil-tool interaction using the finite element method”, Journal of Terramechanics, 40(1): 51-62, 2003, ISSN: 0022-4898.; 2004ABO, E.M.; HAMILTON, R.; BOYLE, J.: “Simulation of soil-blade interaction for sandy soil using advanced 3D finite element analysis”, Soil and Tillage Research, 75(1): 61-73, 2004, ISSN: 0167-1987.; Topakci et al., 2010TOPAKCI, M.; CELIK, H.K.; CANAKCI, M.; RENNIE, A.E.; AKINCI, I.; KARAYEL, D.: “Deep tillage tool optimization by means of finite element method: Case study for a subsoiler tine”, Journal of Food, Agriculture & Environment, 8(2): 531-536, 2010.); y ha mostrado ser capaz de simular diferentes formas de herramientas de labranza y el efecto de la geometría en las fuerzas de corte (Abu y Reeder, 2003ABU, H.N.H.; REEDER, R.C.: “A nonlinear 3D finite element analysis of the soil forces acting on a disc plow”, Soil & Tillage Research, (74): 115-124, 2003, ISSN: 0167-1987.). Sin embargo, para un modelado preciso del implemento de trabajo del suelo, propiedades físicas y mecánicas importantes deben ser tenidas en cuenta (Dehghan y Kalantari, 2016DEHGHAN, H.H.; KALANTARI, D.: “Design a biomimetic disc using geometric features of the claws”, Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 18(1): 103-109, 2016, ISSN: 1682-1130.).

El objetivo de este estudio es analizar, utilizando el Método de Elementos Finitos, la influencia del ángulo de ataque de una herramienta de labranza (subsolador vibratorio) en las fuerzas de corte (fuerza de tracción y fuerza vertical), así como el comportamiento de la falla del suelo a diferentes ángulos de ataque, labrando un suelo arcilloso limoso (ferralítico), con velocidades de avance y profundidad de trabajo asignadas, así como propiedades físicas (humedad, densidad) y mecánicas del suelo determinadas.

Materiales y métodos

 

Modelo del suelo

 

El suelo fue clasificado como un material elastoplástico, como un Rhodic Ferralsol según FAO- UNESCO (1988)FAO- UNESCO: Soil map of the world, reviewed legend, Ed. FAO, Report 80, Roma. Italia, Roma. Italia, 1988.; Oxisol según Soil Survey Staff (2014)SOIL SURVEY STAFF: Keys to soil taxonomy, Ed. Government Printing Office, USDA Natural Resources Conservation Service, Washington, DC, USA, 12 th Edition. Natural Resources Conservation Service, United States Department of Agriculture, Washington, DC ed., Washington, DC., USA, 346 p., 2014, ISBN: 0-16-085427-X.; y como Ferralítico Rojo Típico según la tercera clasificación genética de suelos en Cuba (Hernández et al., 1999HERNÁNDEZ, J.A.; PÉREZ, J.J.M.; MESA, N.Á.; BOSCH, I.D.; RIVERO, L.; CAMACHO, E.: Nueva versión de la clasificación genética de los suelos de Cuba., Ed. AGRINFOR, Barcaz L L ed., vol. I, La Habana, Cuba, 64 p., 1999, ISBN: 959-246-022-1.). Se consideró como una arcilla loamosa muy plástica, con 15% de arena, 38% de limo, 47% de arcilla y contenido de materia orgánica 2,59% (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.). La forma lineal del modelo de Drucker-Prager extendido según de la Rosa et al. (2016)DE LA ROSA, A.A.A.; QUINTEROS, P.R.; GONZÁLEZ, C.O.; RODRÍGUEZ, A.M.; SUÁREZ, H.M.: “Adjustment of the plastic parameters of the Extended Drucker Prager model for the simulation of the mechanical response of a clayey soil (Vertisol)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(3): 4-12, 2016, ISSN: 1010-2760. fue utilizada para modelar el mismo (Fig. 1). Según Arefi et al. (2022)AREFI, M.; KARPARVARFARD, S.H.; AZIMI, N.H.; NADERI, B.M.: “Draught force prediction from soil relative density and relative water content for a non-winged chisel blade using finite element modelling”, Journal of Terramechanics, 100: 73-80, 2022, ISSN: 0022-4898, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jterra.2022.01.001., este modelo es el más adecuado para la modelación del material suelo, pues puede ser calibrado obteniendo datos de pruebas triaxiales. La función de fluencia del modelo lineal de Drucker y Prager (1952)DRUCKER, D.C.; PRAGER, W.: “Soil mechanics and plastic analysis or limit design”, Quarterly of applied mathematics, 10(2): 157-165, 1952, ISSN: 0033-569X. se expresa como:

f σ 1 , σ 2 , σ 3 = t σ . t a n β   c
 (1)

FIGURA 1.  Superficie de fluencia y dirección del flujo en el plano meridional del modelo Drucker-Prager extendido lineal.

Propiedades y parámetros del suelo

 

El módulo de elasticidad (E) se determinó como el módulo tangente a la curva esfuerzo deformación del suelo en su tramo recto, obtenida por Herrera et al. (2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008b)HERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.. para este tipo de suelo. El coeficiente de Poisson se determinó mediante la ecuación:

ν = E 2 × G 1
 (2)

El módulo cortante G se determina por:

G = E 2 × 1 + ν
 (3)

Las propiedades o parámetros requeridos por el modelo MEF (Tabla 1) han sido obtenidas en el laboratorio de mecánica de suelos de la Empresa de Investigaciones Aplicadas a la Construcción de Villa Clara (ENIA.VC).

TABLA 1.  Propiedades y parámetros del suelo requeridos por el modelo virtual del bloque de suelo
Propiedad o parámetro Símbolo Dimensión Fuente
Ángulo de fricción interna υ 33º (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Módulo de elasticidad E 44 000 kPa (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008a, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Módulo cortante G 15 909 kPa (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Coeficiente de Poisson ν 0,32 Calculado
Cohesión c 50 kPa (Herrera et al., 2008aHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.; 2008bHERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.E.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.A.: “Propiedades mecánicas de un Rhodic Ferralsol requeridas para la simulación de la interacción suelo implemento de labranza mediante el Método de Elementos Finitos: Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(3): 31-38, 2008b, ISSN: 1010-2760.).
Resistencia a los esfuerzos cortantes τ 295 kPa (Herrera, 2006HERRERA, S.M.: Simulación del comportamiento mecánico de los suelos ferralíticos rojos mediante el método de elementos finitos, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Técnicas Agropecuarias), San José de las Lajas, La Habana, Cuba, 109 p., 2006.)
Límite de tracción del suelo σt 20 kPa (García de la Figal, 2022GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.: Maquinaria Agrícola II. Apuntes de clases. Tema I. Teoría y cálculo de órganos de preparación de suelos. 1.1. Principales propiedades físico-mecánicas (tecnológicas) de suelos, Ed. UNAH, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, 2022.)
Límite de compresión del suelo σc 750 kPa (García de la Figal, 2022GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.: Maquinaria Agrícola II. Apuntes de clases. Tema I. Teoría y cálculo de órganos de preparación de suelos. 1.1. Principales propiedades físico-mecánicas (tecnológicas) de suelos, Ed. UNAH, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, 2022.)
Ángulo de fricción suelo-metal ϕ 25º (Herrera, 2006HERRERA, S.M.: Simulación del comportamiento mecánico de los suelos ferralíticos rojos mediante el método de elementos finitos, Universidad Agraria de La Habana, Centro de Mecanización Agropecuaria, Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Técnicas Agropecuarias), San José de las Lajas, La Habana, Cuba, 109 p., 2006.)

Modelo de elementos finitos

 

Está formado por un brazo escarificador (tratado como cuerpo rígido) y el bloque de suelo (deformable en interacción con el brazo). Ambos fueron modelados utilizando el software de diseño Solid Works y su complemento Simulation. Las dimensiones del bloque de suelo son: longitud (L = 2 m), ancho (B = 1 m) y altura (H = 0,9 m), se consideró isotrópico y homogéneo, tiene restricciones de movimiento por las superficies laterales, inferior y posterior (Fig. 2a), a las cuales se aplicaron presiones de confinamiento. Sobre el modelo actúan la fuerza de gravedad y la presión atmosférica. Se asume que el aumento de las dimensiones del prisma de suelo cortado más allá de las asignadas no afecta las fuerzas de corte (Bentaher et al., 2013aBENTAHER, H.; IBRAHMI, A.; HAMZA, E.; HBAIEB, M.; KANTCHEV, G.; MAALEJ, A.; ARNOLD, W.: “Finite element simulation of moldboard-soil interaction”, Soil and Tillage Research, 134: 11-16, 2013a, ISSN: 0167-1987.).

La interacción suelo-herramienta se modeló tangencialmente a la superficie de ataque de la herramienta, con modelo de contacto superficie a superficie. Se discretizó el modelo con tamaño de elementos (e) máximo de 0,008 m, tamaño mínimo de 0,006 m y se utilizó el método iterativo de Newton-Raphson. Las superficies en contacto, tanto de la herramienta como del prisma de suelo cortado se discretizaron aplicando control de mallado, con tamaño de elementos de 0,004 m (Fig. 2b). El brazo corta el bloque de suelo a velocidad constante (Vm) en la dirección del eje X, profundidad de trabajo de 0,3 m y ancho de corte 0,081 m. El suelo cortado después de la falla se desliza por encima de la superficie de la herramienta.

FIGURA 2.  Modelo de elementos finitos: a) Condiciones de frontera b) Mallado del modelo.

Resultados y discusión

 

Influencia del ángulo de ataque α de la cuña en las fuerzas de corte

 

Se realizaron varias corridas del modelo de simulación (Figs. 3, 4 y 5) con diferentes ángulos de ataque (15; 25 y 35°), f= 14 Hz, amplitud pico YPico =11mm, Vm = 0,8 m·s-1, utilizando las propiedades y parámetros de la Tabla 1.

Los resultados mostraron que FX aumenta de forma polinómica de segundo orden a medida que aumenta α (Fig. 6a), lo cual coincide con lo reportado por Abbaspour et al. (2014)ABBASPOUR, F.M.; HOSEINI, S.A.; AGHKHANI, M.; SHARIFI, A.: “The behavior of tillage tools with acute and obtuse lift angles”, Spanish journal of agricultural research, 12(1): 44-51, 2014, ISSN: 2171-9292. y Lamia (2020)LAMIA, D.A.: “Modeling the effect of soil-tool interaction on draft force using visual basic”, Annals of Agricultural Science, Moshtohor, 58(2): 223-232, 2020, ISSN: 1110-0419.. Incrementos en 5o del ángulo de ataque α, provocan incrementos de la fuerza de tiro en aproximadamente 4 kN (25 % de aumento).

En el caso de la componente vertical de la fuerza de interacción herramienta-suelo Fy, el mejor ajuste (R2= 0,957) de su variación respecto al ángulo α se obtuvo con una función polinómica de 2do grado (Fig. 6b), resultado que coincide con otros autores (Bentaher et al., 2013bBENTAHER, H.; IBRAHMI, A.; HAMZA, E.; HBAIEB, M.; KANTCHEV, G.; MAALEJ, A.; ARNOLD, W.: “Finite element simulation of moldboard-soil interaction”, Soil and Tillage Research, 134: 11-16, 2013b, ISSN: 0167-1987.; Odey et al., 2018ODEY, S.O.; OVAT, F.A.; OKON, O.O.: “Draughts, Power Requirements and Soil Disruption of Subsoilers”, World Journal of Engineering Research and Technology, 6(9): 17-39, 2018, ISSN: 2349-4395 (Print) & ISSN 2349-4409 (Online).).

FIGURA 3.  Fuerza de tracción con ángulo de ataque del brazo α = 15°.

FIGURA 4.  Fuerza de tracción con ángulo de ataque del brazo α = 25°.

FIGURA 5.  Fuerza de tracción con ángulo de ataque del brazo α = 35°.

FIGURA 6.  Comportamiento de las fuerzas: a) de tracción FX y b) vertical FY a diferentes ángulos de ataque α.

Falla del suelo

 

El proceso de la falla del suelo, tanto en la dirección vertical como de avance de la herramienta, fue simulado mediante corridas del modelo de elementos finitos, a lo largo de su recorrido, con densidad de malla (e=6 mm), f = 14 Hz, YPico =11mm y a diferentes ángulos de corte α: 15 y 250. Se utilizaron las propiedades y parámetros del suelo de la Tabla 1.

En la zona sobre la herramienta de labranza (Fig. 7), ocurrieron grandes movimientos del prisma de suelo cortado, tanto en dirección horizontal como vertical, observándose, además, desplazamientos en direcciones laterales.

Para α = 15° y la herramienta trabajando con vibraciones forzadas, el desmenuzamiento del suelo, tanto en dirección horizontal como vertical es menor que para α = 25° (Fig. 7a), así como la fuerza de tracción requerida para su rompimiento.

Cuando α = 25° (Fig. 7b), se obtiene gran desmenuzamiento del prisma de suelo cortado, así como un mayor desplazamiento del mismo en sentido vertical (Abu y Reeder, 2003ABU, H.N.H.; REEDER, R.C.: “A nonlinear 3D finite element analysis of the soil forces acting on a disc plow”, Soil & Tillage Research, (74): 115-124, 2003, ISSN: 0167-1987.; Odey y Okon, 2019ODEY, S.; OKON, O.: “Measurement of tillage forces and soil disturbance of subsoilers”, World Journal of Engineering Research and Technology, 5(2): 131-147, 2019, ISSN: 2454-695X.). Se observan, además, la formación de los planos de falla del prisma de suelo removido.

FIGURA 7.  Desmenuzamiento del prisma de suelo cortado por el brazo escarificador: a) α = 15°; b) α = 25°.

Conclusiones

 

Las fuerzas de corte del suelo, tanto vertical como de tracción, aumentan de forma cuadrática con el aumento del ángulo de ataque, siendo esta última de mayor magnitud.

El ángulo de ataque ejerce marcada influencia en el nivel de aflojamiento, desplazamiento e inversión del prisma de suelo cortado. Al aumentar el ángulo de ataque, aumenta el grado de inversión del suelo cortado, así como el desplazamiento de las partículas del mismo, tanto en la dirección de avance de la herramienta como en sentido vertical.

El MEF ha sido capaz de simular, de forma adecuada, los efectos del ángulo de ataque de la herramienta de labranza en las fuerzas de corte del suelo.