Nástroje pro přípravu půdy, výsev, orbu a další úkony podléhají opotřebení. Ve světě moderních výpočetních technologií je výhodou simulací vznik inovativních postupů a metod k řešení dosud neřešitelných zadání bez vazby na konkrétní oblast průmyslu. Příkladem skokové inovace jsou metody diskrétních a konečných prvků, které nám umožňují provádět výzkum s daným materiálem a nářadím virtuální cestou, bez výroby nákladných prototypů. To zkrátí celý inovační cyklus na zlomek původního času a minimalizuje jeho náklady.
Tlak trhu nutí firmy vyvíjet stále dokonalejší produkty s ohledem na ekonomiku provozu, vliv na životní prostředí, úsporu materiálu i pracovní síly, komplexnost a další parametry, které dnes mají nemalý dopad na prodejnost a úspěch tohoto produktu na trhu. V dnešní době výpočetní techniky se proto inovační postupy neobejdou bez využití numerických simulačních metod. Jednou z nich je metoda diskrétních prvků, využívající virtuálních modelů sypkých hmot k simulaci dynamického toku partikulárních látek v dopravních, manipulačních, skladovacích a procesních systémech. Metoda diskrétních prvků (DEM, z angl. Discrete Element Method) je příkladem progresivního přístupu ke konstruování, umožňujícím geometrickou, materiálovou a procesní optimalizaci nových i stávajících inženýrských děl, pracujících se sypkými hmotami. Stejně jako metoda konečných prvků, známá bezmála už šest desetiletí, se pomalu i DEM dostává do povědomí konstrukčních i projekčních firem, a stává se užitečným nástrojem predikce chování sypkých hmot. Tím lze virtuálně testovat základní funkčnost zařízení, a jejich konstrukčních uzlů, ještě před výrobou prototypů, případně optimalizovat stávající zařízení, což vede k nemalým ekonomickým, časovým, pracovním a materiálovým úsporám. Nejdůležitější částí matematického modelování procesů partikulárních hmot je tvorba matematického modelu samotného sypkého materiálu, jehož chování ovlivňuje velké množství specifických podmínek, a z určitého úhlu pohledu je dalším skupenstvím hmoty. Chování prášků a sypkých hmot závisí na mnoha vnějších faktorech, které ovlivňují jejich sypnou hmotnost, úhel vnitřního a vnějšího tření, sypný úhel, soudržnost, morfologii a granulometrii částic, tokovost, a mnoho dalších parametrů.
Centrum sypkých hmot se rozvíjí v rámci projektu ENET, Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava a zabývá se měřením vlastností partikulárních látek, sloužících jako vstupní parametry simulací, dále pak i pro konstrukční a projektovou činnost v rámci nových nebo stávajících inženýrských děl. Dále jsou to inovačních řešení a metodiky, včetně průmyslově právní ochrany a komplexními službami včetně marketingu z oblasti sypkých hmot. Jelikož se stává trendem nedopravovat pouze materiál z místa A do místa B, ale výhodně spojovat přepravu s procesy (sušení, chlazení, třídění, atd.), Centrum sypkých hmot otevírá novou cestu konstrukční a procesní optimalizace, kdy lze předcházet chybám v návrhu strojů ještě před jejich výrobou, a tím ušetřit nemalé časové a finanční prostředky na výrobu prototypů, opravu zmetků, prostoje a jiné problémy spojené s nedokonalým návrhem inženýrského díla. Zmíněné postupy lze využít u řady zemědělských aplikací, od optimalizace geometrie pracovních nástrojů pluhů a podmítačů, přes mísení a třídění partikulárních směsí, kinematiku secích a práškovacích strojů, až po řešení poruch toku v silech a zásobnících. Vývoj a zdokonalování jakéhokoliv zařízení je cesta náročná a zdlouhavá, ale pro zajištění konkurenceschopnosti a prodejnosti navrhovaných zařízení je nezbytná. Nové metody návrhu otevírají dveře, za kterými jsou dosud netušené možnosti využití při návrhu jakékoliv nové techniky, nových principů a simulaci velmi složitých procesů.
Tento výzkum je možné aplikovat na problematiku inženýrských děl z oblasti zemědělských zařízení a nástrojů. Nejčastěji je řešen mechanismus interakce mezi nástrojem (radlice pluhu, radličky, odhrnovačky, disky, atd.) a zeminou. Cílem současného výzkumu je hledání vhodné inovační metodiky pro určení kritických míst a využití novodobé technologie pro vývoj nástrojů s vyšší životností a nižším opotřebením. V minulosti se konstrukční návrhy a inovativní řešení prováděly na základě již odzkoušených empirických zkušeností z chování strojů při jednotlivých procesech. V dnešní době je však možné použít matematické modely a počítačové simulace, které dokáží ušetřit jak čas, tak finanční náročnost vývoje. V Centru sypkých hmot České republiky je využívána metoda diskrétních prvků (DEM), která umožňuje simulovat a následně vyhodnotit působení virtuálního partikulárního materiálu na konstrukční celky. Při použití vhodného numerického modelu je zde možnost simulovat různorodost vlastností materiálu, které se pak mohou projevit například jako vlhkost, kohezní síly, zhutnění, atp. Po proměření základních mechanicko-fyzikálních parametrů sypkého materiálu v laboratoři je možné vytvořit jeho matematický model a pomocí DEM lze tímto modelem nechat prostoupit aktivní součásti stroje tak, aby bylo možné odečíst silové a tlakové působení studovaného materiálu na daný nástroj. Získaná data pak lze dále použít jako vstupní údaje kontroly 3D modelu v metodě konečných prvků, a takto hledat kritická místa konstrukce, průběhy napětí v jednotlivých součástech, vlastní frekvence, zatížení ložisek, atd. Toto nám nabízí geometrickou a materiálovou optimalizaci například náběhové geometrie pluhů. Využití popsaných metod posouvá konstrukční a projektové postupy na další úroveň a otevírá technické veřejnosti zcela nové možnosti při inovacích zemědělských strojů.
Fotogalerie
