Техніка та енергетика

Аналіз міцності та оптимізація конструкцій причіпних сільськогосподарських машин за допомогою методів кінцевих елементів

Василь Грубань, Антоніна Дробітько, Микита Храмов, Максим Товпига
Завантажити статтю
Анотація

Мета дослідження полягала у вивченні потенціалу чисельного моделювання для вдосконалення аграрної техніки шляхом аналізу її характеристик і технологічних особливостей. Було виконано теоретичний аналіз із використанням теоретичного моделювання, що дозволило оцінити напружено-деформовані стани техніки під різними навантаженнями. Встановлено, що чисельне моделювання забезпечує зниження маси техніки шляхом видалення надлишкового матеріалу в зонах із низькими напруженнями, а також зменшення викидів завдяки вдосконаленню геометрії робочих органів, що сприяло економії енергії й підвищенню експлуатаційної ефективності. Виявлено, що сучасні технології недооцінюють потенціал композитних матеріалів і нанотехнологій, що обмежувало досягнення вищих показників міцності, легкості й довговічності, а спрощені моделі ігнорували змінні кліматичні фактори, різноманітність ґрунтів, вологість, температурні коливання, які впливали на знос і корозію техніки. Дослідження показало, що аграрна техніка зазнавала динамічних, циклічних, вібраційних і ударних впливів, які спричиняли втомне руйнування матеріалів і локальні напруження, особливо в зонах кріплення робочих елементів і шарнірних з’єднань, що знижувало термін служби і потребує вдосконалених матеріалів. Результати сприяли економічній вигоді аграрного сектору через зниження витрат на пальне й обслуговування, екологічній стійкості шляхом зменшення викидів, а також покращенню умов праці операторів завдяки зниженню вібраційних навантажень. Результати дослідження можуть бути використані при проєктуванні та удосконаленні конструкцій причіпної сільськогосподарської техніки з урахуванням специфічних умов експлуатації, зокрема для попереднього моделювання й оптимізації робочих органів машин в аграрних регіонах із підвищеним навантаженням на раму

Ключові слова

чисельне моделювання, напружено-деформований стан, вібраційні навантаження, композитні матеріали, енергоефективність, реальні умови, аграрна техніка

ЦИТУВАТИ
Hruban, V., Drobitko, A., Khramov, M., & Tovpyha, M. (2025). Strength analysis and optimisation of trailer agricultural machinery structures using finite element methods. Machinery & Energetics, 16(2), 117-130. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2025.117
Використані джерела
  1. Alemanno, R., Rossi, P., Monarca, D., & Bencini, A. (2025). Evaluation of tractor performance, efficiency and fuel consumption in vineyard activities. Scientific Reports, 15, article number 8416. doi: 10.1038/s41598-025-93526-z.
  2. Aliiev, E.B., Tesliuk, H.V., Bielka, O.V., & Patsula, O.M. (2023). Numerical modeling of the work process of the tillage module for pre-sowing tillage. Scientific and Technical Bulletin of the Institute of Oilseeds of the NAAS, 34, 132-145. doi: 10.36710/IOC-2023-34-12.
  3. Anthony, K., Hellström, M., & Spohr, J. (2025). Techno-economic assessment of hydrogen application in cereal crop farming. Frontiers in Energy Research, 13, article number 1479212. doi: 10.3389/fenrg.2025.1479212.
  4. Bazaluk, O., Havrysh, V., & Nitsenko, V. (2021). Energy efficiency of inland waterways transport for agriculture: The Ukraine case study. Applied Sciences, 11(19), article number 8937. doi: 10.3390/app11198937.
  5. Boresi, A.P., & Schmidt, R.J. (2011). Advanced mechanics of materials. Hoboken: John Wiley & Sons.
  6. Bulgakov, V., Pascuzzi, S., Ivanovs, S., Nadykto, V., & Nowak, J. (2020). Kinematic discrepancy between driving wheels evaluated for a modular traction device. Biosystems Engineering, 196, 88-96. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2020.05.017.
  7. Celik, H.K., Akinci, I., Caglayan, N., & Rennie, A.E.W. (2024) Structural strength analysis of a rotary drum mower during harvesting. Journal of Agricultural Engineering, 55(1). doi: 10.4081/jae.2024.1557.
  8. Cui, M., Hou, X., Han, Y., Zhang, Y., Liu, Z., Li, J., Chen, Y., Zhang, F., Yan, C., & Zhang, Y. (2025). Real-world emissions and formation mechanism of IVOCs from biodiesel-fueled agricultural machinery. Environmental Science & Technology, 59(18), 9017-9026. doi: 10.1021/acs.est.4c11004.
  9. Cutini, M., Facchinetti, D., Galli, L.E., Bisaglia, C., & Pessina, D. (2024). Applicability to narrow-track tractors of an official standard for the calculation of self-propelled agricultural machines stability. In R. Berruto, M. Biocca, E. Cavallo, M. Cecchini, S. Failla & E. Romano (Eds.), Ragusa SHWA 2023: Safety, health and welfare in agriculture and agro-food systems (pp. 186-194). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-031-63504-5_18.
  10. Dovgal, O.V., Kravchenko, M.V., Demchuk, N.I., Odnoshevnaya, O.A., Novikov, O.Y., Andrusiv, U.Y., Lesik, I.M., & Popadynets, I.R. (2017). Methods of competitiveness assessment of agricultural enterprise in Eastern Europe. Regional Science Inquiry, 9(2), 231-242.
  11. Elaoud, A., Jalel, R., & Hassen, H.B. (2025). Bayesian networks model for prediction of agricultural soil penetration resistance in interaction with different parameters. Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration, 10, 917-931. doi: 10.1007/s41207-024-00676-z.
  12. Esteban, D.A.A., de Souza, Z.M., Tormena, C.A., Gomes, M.G.D.S., Parra, J.A.S., Júnnyor, W.D.G.J., & de Moraes, M.T. (2024). Risk assessment of soil compaction due to machinery traffic used in infield transportation of sugarcane during mechanized harvesting. Soil and Tillage Research, 244, article number 106206. doi: 10.1016/j.still.2024.106206.
  13. Filimonikhin, G., Olijnichenko, L., Strautmanis, G., Haleeva, A., Hruban, V., Lysenko, O., Mezitis, M., & Valiavskyi, I. (2021). Analytical study of auto-balancing within the framework of the flat model of a rotor and an auto-balancer with a single cargo. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(7(110)), 66-73. doi: 10.15587/1729-4061.2021.227583.
  14. Ge, S., & Zhao, S. (2023). Research on agricultural machinery technology based on numerical simulation. In C. Ceballos (Ed.), 2023 international conference on mechatronics, IoT and industrial informatics (pp. 538-542). Melbourne: Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/ICMIII58949.2023.00113.
  15. Göddecke, J., Göhrs, T., Meschut, G., & Gehling, M.G. (2023). Design method for bonding ultra-high-strength steel materials in agricultural machinery construction. Steel Construction, 92(8), 508-519. doi: 10.1002/stab.202300031.
  16. Goncharuk, A.G., Havrysh, V.I., & Nitsenko, V.S. (2018). National features for alternative motor fuels market. International Journal of Energy Technology and Policy, 14(2-3), 226-249. doi: 10.1504/IJETP.2018.090681.
  17. He, J., Wang, Z., Gao, B., Yu, D., Ma, Y., Zhong, W., Zeng, Z., Guo, Z., & Wang, J. (2024). Fatigue analysis of PTO gearboxes in paddy power chassis using measured loads. Agriculture, 14(9), article number 1436. doi: 10.3390/agriculture14091436.
  18. Huseynov, H. (2024). New trends in mechanical engineering technology. Advances in Science and Technology, 148, 257-263. doi: 10.4028/p-XvVNq0
  19. Hussain, S., Lei, X., Wu, H., Li, H., Song, H., Zheng, D., Jiawei, W., Li, A., Farid, M.U., & Ghafoor, A. (2024). Optimizing the design of a multi-stage tangential roller threshing unit using CFD modeling and experimental studies. Computers and Electronics in Agriculture, 226, article number 109400. doi: 10.1016/j.compag.2024.109400.
  20. Ivanovs, S., Bulgakov, V., Adamchuk, V., Kyurchev, V., & Kuvachov, V. (2018). Experimental research on the movement stability of a ploughing aggregate, composed according to the push-pull scheme. INMATEH – Agricultural Engineering, 56(3), 9-16.
  21. Jensen, T.A., Antille, D.L., & Tullberg, J.N. (2025). Improving on-farm energy use efficiency by optimizing machinery operations and management: A review. Agricultural Research, 14, 15-33. doi: 10.1007/s40003-024-00824-5.
  22. Kiehbadroudinezhad, M., Hosseinzadeh-Bandbafha, H., Tajuddin, S.A.F.S.A., Tabatabei, M., & Aghbashlo, M. (2025). A critical review of life cycle assessment of renewable agricultural systems. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 73, article number 104100. doi: 10.1016/j.seta.2024.104100.
  23. Lai, W., Liu, J., Sim, B.R., Tan, M.R.J., Hegde, C., Magdassi, S., & Phee, S.J. (2024). A detachable FBG-based contact force sensor for capturing gripper-vegetable interactions. In 2024 IEEE international conference on robotics and automation (pp. 5673-5679). Yokohama: Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/ICRA57147.2024.10611433.
  24. Li, S. (2024). Optimum design of farm machinery parameters based on ant colony algorithm. In 2024 3rd international conference for advancement in technology (pp. 1-5). GOA: Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/ICONAT61936.2024.10774946.
  25. Mesa, M.R., Gonzalez, A.J.A., Milán, D.R.A., & Selles, A.J.N. (2024). Assessing energy cane varieties for renewable biomass energy: A comprehensive study of economic opportunities in the Dominican Republic. Research on World Agricultural Economy, 5(4), 582-593. doi: 10.36956/rwae.v5i4.1243.
  26. Mykolaiv National Agrarian University. (n.d.). Educational, Scientific and Practical Center of Mykolaiv National Agrarian University. Retrieved from https://www.mnau.edu.ua/structure/nnpc-mnau/#.
  27. Neuhäusler, J., Roth, J., Oswald, M., Dürr, A., & Rother, K. (2024). Sequence effects on the life estimation of welded tubular structures made of S355J2H under uniaxial fatigue loading. Welding in the World, 68, 1103-1141. doi: 10.1007/s40194-023-01605-4.
  28. Ostapenko, O. (2024). Assessment of solar-driven green generation potential in renewable energy development: Global forecasts аnd opportunities for Ukraine. Renewable Energies, 2(1). doi: 10.1177/27533735241239262.
  29. Ozguven, M.M. (2024). Contribution of precision agriculture to drought and food security. In M. Behnassi, A.A. Al-Shaikh, R.H. Qureshi, M.B. Bai & T.K.A. Faraj (Eds.), Climate-smart and resilient food systems and security (pp. 305-321). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-031-65968-3_13.
  30. Panchenko, A., Voloshina, A., Panchenko, I., Titova, O., & Pastushenko, A. (2019). Reliability design of rotors for orbital hydraulic motors. IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 708, article number 012017. doi: 10.1088/1757-899X/708/1/012017.
  31. Raheman, H., & Sarkar, P. (2024). Measurement of parameters for performance evaluation of tillage implements. In Tillage machinery – passive, active and combination (pp. 159-184). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-99-6331-7_7.
  32. Rud, A. (2024). Design and analysis of hydraulic systems for automated agricultural machinery. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 20(6), 121-137. doi: 10.31548/forest/4.2024.56.
  33. Savenkov, O., Pokuy, S., Sadovoy, O., & Koshkin, D. (2024a). Enhancing operational characteristics and technical-economic indicators of vessels through the application of new toothed coupling designs. E3S Web of Conferences, 508, article number 08007. doi: 10.1051/e3sconf/202450808007.
  34. Savenkov, O., Voronenko, S., Sadovoy, M., & Poltorak, A. (2024b). Solutions for contact problems applied to bevel gears. E3S Web of Conferences, 508, article number 08008. doi: 10.1051/e3sconf/202450808008.
  35. Shambhu, V.B., Shrivastava, P., Nageshkumar, T, Jagadale, M., Nayak, L.K., & Shakyawar, D.B. (2023). Development of gender-friendly power ribboner for extraction of green ribbon/bast from jute plants. Journal of Natural Fibers, 20(2), article number 2250076. doi: 10.1080/15440478.2023.2250076.
  36. Shan, B., Che, G., Wan, L., Zhao, N., & Zhang, Q. (2024). Numerical simulation and experimental research on compaction device of seedbed leveling machine. INMATEH – Agricultural Engineering, 74(3), 42-56. doi: 10.35633/inmateh-74-04.
  37. Shebanin, V., Atamanyuk, I., Kondratenko, Y., & Volosyuk, Y. (2016). Application of fuzzy predicates and quantifiers by matrix presentation in informational resources modeling. In 2016 XII international conference on perspective technologies and methods in MEMS Design (pp. 146-149). Lviv: Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/MEMSTECH.2016.7507536.
  38. Shvedchykova, I., Panasiuk, I., Soloshych, I., & Malyi, Ya. (2024). Research of the electrical characteristics of fuel elements as a power source for the innovative development of environmentally safe transport. Technologies and Engineering, 25(4), 125-133. doi: 10.30857/2786-5371.2024.4.12.
  39. Soleimani, A., Abbaspour-Fard, M.H., Rohani, A., & Aghkhani, M.H. (2024). Designing and modeling the power transmission mechanism for existing walking tractors to facilitate their guidance and turning. International Journal on Interactive Design and Manufacturing, 18, 2429-2448. doi: 10.1007/s12008-023-01516-0.
  40. Stavinskiy, A., Vakhonina, L., Martynenko, V., Mardziavko, V., & Rudenko, А. (2024). The use of surface strengthening to increase the wear resistance of working bodies of agricultural machines. Ukrainian Black Sea Region Agrarian Science, 28(2), 21-32. doi: 10.56407/bs.agrarian/2.2024.21.
  41. Sun, X., Niu, L., Cai, M., Liu, Z., Wang, Z., & Wang, J. (2023). Particle motion analysis and performance investigation of a fertilizer discharge device with helical staggered groove wheel. Computers and Electronics in Agriculture, 213, article number 108241. doi: 10.1016/j.compag.2023.108241.
  42. Szusta, J., Derpeński, Ł., Karakaş, Ö., Tüzün, N., & Dobrzański, S. (2023). Effect of welding process parameters on the strength of dissimilar joints of S355 and Strenx 700 steels used in the manufacture of agricultural machinery. Materials, 16(21), article number 6963. doi: 10.3390/ma16216963.
  43. Tan, J., Liu, L., & Wang, H. (2024). Microstructure characterization and corrosion resistance in soil of Mg-2Zn-xCe-yCu alloy for light agricultural machinery. Journal of Alloys and Compounds, 1001, article number 175127. doi: 10.1016/j.jallcom.2024.175127.
  44. Timoshenko, S.P. (1953). History of strength of materials: With a brief account of the history of theory of elasticity and theory of structures. New York, Toronto, London: McGraw-Hill Book Company.
  45. Veselovska, N., Kosakovskyi, A., & Romanov, V. (2023). Innovative methods of expanding the functional capabilities of the single-spindle lathe. Engineering, Energy, Transport AIC, 123(4), 21-30. doi: 10.37128/2520-6168-2023-4-3.
  46. Voloshina, A., Panchenko, A., Titova, O., Milaeva, I., & Pastushenko, A. (2021). Prediction of changes in the output characteristics of the planetary hydraulic motor. In V. Tonkonogyi, V. Ivanov, J. Trojanowska, G. Oborskyi, A. Grabchenko, I. Pavlenko, M. Edl, I. Kuric & P. Dasic (Eds.), Selected papers from the 2nd grabchenko’s international conference on advanced manufacturing processes: Advanced manufacturing processes II (pp. 744-754). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-68014-5_72.
  47. Wallander, E., Frank, B., Alaküla, M., & Márquez-Fernández, F.J. (2025). Full electric farming with on-field energy replenishment. Applied Energy, 377(A), article number 124416. doi: 10.1016/j.apenergy.2024.124416.
  48. Wang, Y., Sha, Y., Ren, Z., Huang, Y., Gao, Q., Wang, S., Li, X., & Feng, G. (2024). Conservative strip tillage system in maize maintains high yield and mitigates GHG emissions but promotes N2O emissions. Science of the Total Environment, 932, article number 173067. doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.173067.
  49. Wu, B., Zhang, S., Pan, X., & Yang, L. (2025). Design of structure and control system of all-terrain intelligent agricultural picking robot. In: D.T. Pham, Y. Lei & Y. Lou (Eds.), Proceedings of the 4th international conference on mechanical design and simulation: Mechanical design and simulation: Exploring innovations for the future (pp. 67-82). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-97-7887-4_6.
  50. Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L., & Zhu, J.Z. (2013). The Finite element method: Its basis and fundamentals. Oxford: Elsevier. doi: 10.1016/C2009-0-24909-9.