Untersuchung der Leistung eines zylindrischen Trichters und einer Dosiervorrichtung einer Karottensämaschine

May 20, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 813 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurde eine Karottensämaschine entwickelt, die eine zylindrische Komponente verwendet, die sowohl als Trichter als auch als Dosiergerät dient, um Samen in gleichmäßigen Abständen entlang einer geraden Reihe über einem Pflanzenbeet präzise in Pflanzbeeten/Hügeln abzulegen. Die Sämaschine wurde bei verschiedenen Betriebsgeschwindigkeiten (89, 70, 61, 51, 48, 38 und 34 cm s−1) im Verhältnis zur durchschnittlichen Anzahl der auf jedem Hügel gepflanzten Samen, der Hügelmitte, dem Streuentfernungsverhältnis, dem Hügelabstand und den Fehlschlägen bewertet Hügel. Die Sämaschine war in der Lage, bei allen Geschwindigkeiten Samen in einem Bereich von 2,8 bis 4,0 auf jedem Hügel abzulegen. Die mittlere Hügelmitte und die fehlenden Hügel lassen darauf schließen, dass die Sämaschine am besten bei einer Geschwindigkeit unter 70 cm s−1 betrieben wird, wobei die jeweiligen Werte zwischen 0,9 und 1,6 cm und 0–5,5 % liegen. Dies weist darauf hin, dass die Anzahl der pro Hügel abgeworfenen Samen sehr gleichmäßig war, was ein guter Indikator für die Aussaatleistung ist. Die Hügelmitte und die fehlenden Hügel bei 89 cm s−1 lagen mit 3,08 cm bzw. 16,67 % deutlich höher als bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Andere Betriebsleistungen wie die durchschnittliche Anzahl der auf jedem Hügel abgelegten Samen und der Abstand zwischen den Hügeln schienen nicht mit der Pflanzgeschwindigkeit zu variieren. Die Streuentfernungsverhältnisse der Arbeitsgeschwindigkeiten von 34 bis 61 cm s−1 betrugen weniger als 30 % und waren daher für das Abwerfen von Karottensamen akzeptabel.

Karotten sind eine hochwertige Kulturpflanze, die häufig im philippinischen Hochland1 und in Polen2 angebaut wird. Sie gedeiht gut in der Cordillera Administrative Region (CAR), insbesondere an relativ kalten Orten wie den Provinzen Benguet, Mountain Province und Ifugao, zu denen auch die Provinz Benguet gehört der größte Produzent3. Andere Provinzen auf den Philippinen wie Nueva Vizcaya, Cebu, Davao del Sur, Negros Oriental und Bukidnon produzieren ebenfalls Karotten, allerdings in kleineren Mengen. Im Jahr 2019 betrug die Karottenproduktion im Land 65.069,67 Tonnen, wobei 58.116,08 Tonnen (89,31 %) von CAR4 geerntet wurden. Darüber hinaus betrug die gesamte landwirtschaftliche Nutzfläche im Jahr 2019 für den Karottenanbau 4550,09 ha, wovon 70,5 % (3210,81 ha) aus CAR4 stammten. Polen ist der drittgrößte Karottenproduzent in Europa und produzierte im Jahr 2020 733.000 Tonnen (ein Anteil von 12 %)2.

Im Karottenanbau ist ein optimaler Ernteertrag neben anderen Faktoren mit der richtigen Samenkeimung verbunden5. Eine optimale Keimung beginnt mit der Aussaat der entsprechenden Anzahl Samen im gewünschten Abstand5,6,7. Wenn Karotten zu dicht gepflanzt werden, ist die Chance, Wurzeln optimaler Größe zu entwickeln, geringer8. Ebenso sollten die Samen beim Pflanzen in einer geeigneten Tiefe gepflanzt werden, um ein Austrocknen zu vermeiden8. Darüber hinaus würden zu viele Karottensamen, die auf einem Hügel gepflanzt würden, eine umfangreiche Ausdünnung erfordern9. Dieser Ausdünnungsvorgang lässt sich nur schwer manuell durchführen und ist mit zusätzlichem Arbeits- und Kostenaufwand verbunden6. Dies kann auch zu Wurzelschäden an der verbleibenden Pflanze auf einem Hügel führen, da benachbarte Pflanzen entwurzelt werden. Idealerweise sollte auf jedem Hügel ein Karottensamen gepflanzt werden. Allerdings ist auf einem offenen Feld, insbesondere während der Regenzeit, eine einzelne Karottenpflanze anfällig für Schäden durch Regeneinwirkung und Insektenbefall. Um eine Neubepflanzung zu vermeiden, die kostspielig ist und zu einem ungleichmäßigen Pflanzenwachstum führt, werden nach tatsächlicher Beobachtung typischerweise 2–6 Samen pro Hügel gepflanzt. Die FAO empfiehlt eine Aussaatmenge von 6 kg ha−1, abhängig von den vorherrschenden Umweltbedingungen10. Yehia et al.11 untersuchten die Leistung einer Karottensämaschine bei unterschiedlichen Betriebsgeschwindigkeiten und drei Zellgrößen, darunter 3 Samen pro Zelle, wobei beschichtete und unbeschichtete Samen verwendet wurden.

Karottensamen werden direkt in das Pflanzenbeet gesät12. Denn sobald der Karottensamen zu keimen beginnt, darf seine Hauptwurzel nicht gestört werden, da sonst das Wachstum negativ beeinflusst wird. Wenn die Karottensamen im optimalen Abstand gepflanzt werden, wo sie nicht gestört werden oder der Konkurrenz durch andere Pflanzen ausgesetzt sind, haben sie die größte Chance, eine vermarktbare, hochwertige Wurzel zu entwickeln13. Daher ist eine der wichtigsten Anforderungen an eine Karottensämaschine ihre Fähigkeit, die Samen präzise und in gleichmäßigen Abständen auf den Hügeln abzulegen8,14.

Ein Möhrenpflanzgerät soll Samen in kürzester Zeit auf dem Feld aussäen und dabei dennoch eine gleichmäßige Keimung erreichen. Ein Ansatz, dies zu erreichen, besteht darin, die Kapazität der effektiven Arbeitsbreite der Sämaschine zu erhöhen15. Die effektive Arbeitsbreite kann durch Hinzufügen von Dosierscheiben erweitert werden, um zusätzliche Reihen zu säen, sodass die Sämaschine zu einer mehrreihigen Sämaschine wird. Dies muss jedoch sorgfältig abgewogen werden, da die Pflanzgenauigkeit bei extrem hoher oder niedriger Kapazität beeinträchtigt werden kann16.

Die Saatgutschädigung und die Saatgutverteilungseffizienz werden durch die Drehzahl der Dosierscheibe beeinflusst. Eine höhere Geschwindigkeit kann die Verteilungseffizienz verringern und die Schädigung des Saatguts erhöhen. Dieser Trend zeigt sich in den Erkenntnissen von Ekka et al.17, wo die Saatverteilungseffizienz einer Jute-Sämaschine von 91 auf 86 % abnahm, wenn die Geschwindigkeit der Dosierscheibe von 30 auf 60 U/min anstieg. Eine relativ geringe Saatgutschädigung von 3,51 % wurde von Bamgboye und Mofolasayo18 bei niedrigerer Geschwindigkeit in einer zweireihigen Okra-Pflanzmaschine in einem Labortest beobachtet.

Ein weiterer wichtiger (jedoch schwer zu messender) Parameter einer Karottensämaschine ist der gewünschte Abstand zwischen den Hügeln19. Um den Ernteertrag zu maximieren, muss eine Sämaschine das Saatgut in der Nähe des vorgesehenen Intervalls oder Abstands ablegen20. Yazgi und Degirmencioglu21 optimierten mithilfe der Response-Surface-Methodik (RSM) die Gleichmäßigkeit der Abstände einer Einzelkornsämaschine mit vertikaler Dosierplatte unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Saatplatte, des Vakuumdrucks und der Lochdurchmesser. Die beim Betrieb der Sämaschine verwendeten Umfangsgeschwindigkeiten betrugen 5,0, 8, 12,0, 16,0 und 19,0 cm s−1. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Sämaschine bei niedrigeren Umfangsgeschwindigkeiten eine bessere Leistung erbringt, wie aus dem Prozentsatz der übersehenen Hügel und dem Index der Futterqualität hervorgeht21.

Singh et al.19 untersuchten den Einfluss verschiedener linearer Geschwindigkeiten der Saatscheibe (29,0, 42,0, 58,0 und 69,0 cm s−1), Vakuumdruck (1,0, 1,5, 2,0 und 2,5 kPa) und Eintrittswinkel (90). °, 120° und 150°) des Saatlochs unter Verwendung einer optimierten Größe von 0,02 cm Samenzelldurchmesser auf die Leistung einer pneumatischen Baumwollsamen-Pflanzvorrichtung im Verhältnis zum durchschnittlichen Samenabstand und der Abstandsgenauigkeit. Weitere bei der Bewertung berücksichtigte Parameter waren Sprünge oder fehlende Hügel (Miss-Index), Mehrfachindex und der Index für die höchste Futterqualität. Sie kamen zu dem Schluss, dass der optimale Kegelwinkel 120° betrug, was sich positiv auf die Leistung der Sämaschine auswirkte und zu dem niedrigsten Fehlindex und Mehrfachindex sowie der höchsten Qualität des Futterindex führte. Die Durchschnittswerte des Pflanzenabstands und des Präzisionsabstands wurden durch Geschwindigkeit und Druck beeinflusst. Der Futterqualitätsindex des Saatguts war bei linearen Geschwindigkeiten von 42,0 cm s−1 am höchsten (94,67 %), war jedoch statistisch nicht von einer linearen Geschwindigkeit von 29,0 cm s−1 zu unterscheiden. Darüber hinaus hatte die Sämaschine den niedrigsten Fehlindex von 1,33 % und den Mehrfachindex von 4,0 %, wenn die Dosierscheibe mit 42,0 cm s−1 betrieben wurde. Der Fehlerindex hatte mit zunehmender Geschwindigkeit zugenommen, da die Samenzellen nicht genügend Zeit hatten, Samen zu laden.

Zhan et al.14 untersuchten die Gleichmäßigkeit des Saatabstands einer Vakuumzylinder-Präzisionssämaschine bei Rapssamen in Abhängigkeit von Saugdruck und Säwinkel mithilfe einer numerischen Analyse in einer Laborumgebung. Außerdem untersuchten sie die freie Flugbewegung der Samen und analysierten die entsprechenden Kräfte, die auf die Samen einwirken, mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD). Die Fallbahnen der Samen wurden mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera und einem Ortungsgerät aufgezeichnet. Sie fanden heraus, dass bei der Analyse der Fallbahnen der Samen die Gleichmäßigkeit der Aussaat durch den Freisetzungswinkel beeinflusst wurde, wobei der optimale Wert bei −10 bis 10° lag. Der Abstandsfehler war bei einem Auslösewinkel von 5° minimal.

Ryu und Kim7 entwarfen eine Präzisionspflanzmaschine mit einem Dosiermechanismus vom Rollentyp und bewerteten sie bei Geschwindigkeiten im Bereich von 0,22,0 bis 83,0 cm s−1 gegen das Streuentfernungsverhältnis (SDR). In ihrer Studie wurde herausgefunden, dass die SRD bei allen Geschwindigkeiten 25 bis 30 % betrug, was ausreichte, um die Konstruktion als Einzelkornsämaschine einzustufen.

Mit Hilfe eines Geschwindigkeitsdetektor-Kamerasystems (Kodak Ektapro HS High-Speed) untersuchten Karayel et al.22 unter Laborbedingungen die Leistung einer herkömmlichen Sämaschine bei Weizen- und Sojabohnensamen im Hinblick auf die Fallgeschwindigkeit von Samen und Saatgut Abstand, beeinflusst durch die Drehung der Dosierwalzen bei 10, 20, 30 und 40 U/min bei einer konstanten Betriebsgeschwindigkeit von 100,0 cm s−1. Eine vergleichende Bewertung wurde auch mit einem klebrigen Band durchgeführt. Sie beobachteten, dass der Abstand, ausgedrückt als Variationskoeffizient, mit zunehmender Geschwindigkeit der Dosierwalzen gleichmäßiger war. Die Verwendung von 40 U/min für beide Samen in einer Sämaschine war genauer als 10 U/min.

Mittlerweile sind die Karottenanbauregionen auf den Philippinen, insbesondere in der Provinz Benguet, gebirgig mit kleinen und fragmentierten landwirtschaftlichen Betrieben, die den Einsatz von Mechanisierung für Aufgaben wie die Karottenaussaat und andere vor Herausforderungen stellen. Rasouli et al.23 stellten fest, dass kleine landwirtschaftliche Betriebe und verstreute Landbesitze ein großes Hindernis für die Mechanisierung darstellen.

Ziel dieser Studie war es, erstmals eine mehrreihige Karottensämaschine zu entwickeln, die für die Hochlandregionen der Philippinen einsetzbar ist. Die Arbeitsleistung der Sämaschine wurde anhand der Anzahl der auf jedem Hügel abgelegten Samen, der Hügelmitte, dem Abstand zwischen den Hügeln, dem Streuentfernungsverhältnis (SDR) und den fehlenden Hügeln bewertet. Die Leistung wurde als Einfluss der Vorwärtsbetriebsgeschwindigkeit im Labor und unter Feldbedingungen anhand anderswo übernommener Methoden analysiert19,22,24.

Eine Gruppe von 100 unbeschichteten Karottensamen (Tokita Kuroda-Karottensamen), 2,2 g 1000–1 Samen–1, wurde zufällig aus Karottensamen ausgewählt, die von einem örtlichen Agrarlieferanten gekauft wurden. Diese Proben wurden einer Labormessung unterzogen und die resultierenden Werte aufgezeichnet (Tabelle 1). Die Messung erfolgte mit Hilfe eines Messschiebers und einer digitalen Waage mit jeweiligen Empfindlichkeitswerten von 0,005 mm und 0,01 g.

Die Ziele für die Konstruktion der Karottensämaschine berücksichtigten mehrere Aspekte wie die Anzahl der auf jedem Hügel zu säenden Samen, die Tragbarkeit aufgrund der Betriebsgröße und Topographie, die Anzahl der Reihen und den Abstand zwischen Reihen und Hügeln, wie er derzeit von den Landwirten praktiziert wird. Die geplante Anzahl an Samen, die auf einem Hügel abgelegt werden sollen, sollte 6 Samen nicht überschreiten, basierend auf der empfohlenen Pflanzendichte10. Der Reihen- und Hügelabstand wurde auf 5,0 cm bzw. 17,0 cm festgelegt. Darüber hinaus muss das Gesamtgewicht der Sämaschine unter Berücksichtigung der Betriebsgröße und der topografischen Bedingungen, bei denen der Landwirt die Sämaschine von Hand tragen muss, um sie zum nächsten Grundstück oder zur nächsten Terrasse zu transportieren, mit der Tragfähigkeit eines Landwirts übereinstimmen. Daher darf das Auslegungsgewicht 12,0 kg nicht überschreiten.

Die Dosierkomponente der Sämaschine ist ein Zylinder, der sowohl als Trichter als auch als Dosiergerät dient (Abb. 1 und S3). Der Zylinder verfügt über eine Reihe von Löchern am Umfang, die als Samenzellen dienen, die Samen sammeln und sie über die vorgesehene Abgabestelle in den Boden abgeben. Am Umfang des Dosierzylinders befinden sich 7 Saatzellen. Die Samenzelle ist für die Aufnahme von 2 bis 6 Samen ausgelegt, wie unten beschrieben. Um den Umfang des Dosierzylinders ist ein Band angebracht, das ein Viertel seines Umfangs abdeckt und als Samenstopper dient, sodass die Samen zum vorgesehenen Zeitpunkt auf den Boden fallen. Der Saatgutabgabepunkt befindet sich im oberen Teil des Zylinders, sodass überschüssiges Saatgut in der Saatzelle in den unteren Teil des Zylinders zurückfällt, bevor es den Abgabepunkt erreicht.

Schematische Darstellung der Dosierbaugruppe mit folgenden Merkmalen: (A) starrer Rahmen, der das Band und den Zylinder durch Bolzen hält; (B) Schließmechanismus des Zylinders; (C) Dosierzylinder; (D) Welle, durch die sich der Dosierzylinder dreht; (E) Lochauswurfpunkt des Riemens, der einen Samen zeigt, der kurz davor steht, in den Boden zu fallen; (F) überschüssige Samen aus der Samenzelle fallen zurück in den Zylinder; (G) Riemen; (H) Samenzelle um 45° geneigt; und (I) ausgeschiedenes Saatgut.

Die Größe der Samenzelle in Bezug auf Neigungswinkel, Durchmesser und Höhe wurde im Hinblick auf die gewünschte Anzahl an Samen, die sie enthalten würde, nämlich 2 bis 6 Samen, ausgelegt. Das Volumen der Samenzelle wurde auf der Grundlage des projizierten Volumens von 6 Karottensamen berechnet, was der maximalen Samenmenge entspricht, die die Zelle enthalten sollte. Unter Berücksichtigung der möglichen Ausrichtung eines Samens in der Zelle wird das Szenario, bei dem der Samen am Austrittspunkt entweder aus dem Zylinder fallen würde oder nicht, durch den in Abb. 2 gezeigten Gleichgewichtszustand veranschaulicht. Der verwendete Zylinder war ein PVC-Rohr mit 10,16 cm Durchmesser, 25 cm effektive Länge und Dicke von 0,05 cm. Als Riemen wurde ein flexibler, transparenter Kunststoff verwendet.

Schematische Darstellung des gefertigten Dosierzylinders mit der Fokussierung der Saatzelle auf das Saatgut, das an der Auswurfstelle aus der Saatzelle herauszufallen droht, und der dabei auf das Saatgut einwirkenden Kräfte; W, das Gewicht des Karottensamens; N ist die senkrecht zur Neigung wirkende Normalkraft und Ff ist die Reibungskraft des Saatguts am Dosierzylinder.

Am vorgesehenen Punkt, an dem das Saatgut aus dem Zylinder fallen soll, ergibt sich unter Berücksichtigung der möglichen Kräfte, die den Fall des Saatguts beeinflussen, eine Arbeitsgleichung zur Schätzung des Neigungswinkels der Saatzelle (Gleichung 1).

Dabei ist \({F}_{c}\) die Zentrifugalkraft aufgrund der Zylinderrotation, \({F}_{f}\) die Reibungskraft, die das Gleiten des Samens verhindert, und \(\theta\). der Neigungswinkel der Samenzelle, \(\mu\) ist der statische Reibungskoeffizient (SFC) des Samens auf dem Zylinder, \(m\) ist die Masse des Samens und \(g\) ist die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft. Die günstigste Voraussetzung dafür, dass das Saatgut frei vom Zylinder gleiten kann, ist, wenn die Reibungskraft minimal ist. Diese Kraft kann durch Erhöhen des Neigungswinkels der Samenzelle verändert werden. Zur Bestimmung des SFC wurde eine Ebene mit einstellbarer Neigung verwendet, die zuvor veröffentlichte Arbeiten adaptierte26,27. Für das Experiment wurde ein Satz von 50 Samen verwendet. Jeder Samen wurde auf eine Ebene aus Polyvinylchloridmaterial gelegt und die Ebene allmählich aus ihrer horizontalen Position geneigt, bis der Samen zu rutschen begann. Der Winkel, in dem das Saatgut zu gleiten begann, wurde als Neigungswinkel aufgezeichnet. Der Reibungskoeffizient und der Winkel wurden nach Gl. berechnet. 2, übernommen von Kaliniewicz et al.28

Der Neigungswinkel \(\theta\) ist ein entscheidender Designparameter der Samenzelle. Dies beeinträchtigt den regelmäßigen Samenabwurf aus der Zelle selbst7. Der Durchmesser der Samenzelle, \(d\), muss etwas größer sein als die Samenlänge, damit der Samen sowohl in schräger als auch in vertikaler Position geladen werden kann. Die Schräghöhe \(sh\) der Saatzelle ist eine Funktion der Dicke des Dosierzylinders und des Neigungswinkels \(\theta\). Bei 90 Grad entspricht \(sh\) der Dicke des Zylinders, aber bei Winkeln kleiner oder größer als 90 Grad beginnt die Neigungshöhe zuzunehmen. Bei einem kleineren \(sh\) kann die Zelle noch Samen laden, selbst wenn ein Teil davon hängt (Abb. 3A). In diesem Szenario kann das Saatgut während der Rotation immer noch vom Dosierzylinder zum Abgabepunkt transportiert werden, vorausgesetzt, dass sich der größte Teil seiner Länge in der Saatzelle befindet. andernfalls fällt das Saatgut in den Behälter zurück. Wenn die Dicke des Zylinders zu gering ist, ist die Saatzelle möglicherweise nicht in der Lage, Saatgut zu laden, insbesondere solche in schräger Position, sie kann aber dennoch Samen laden, die sich in vertikaler Position befinden. Es ist jedoch nicht immer so, dass die Samen beim Laden in die Zelle in einer aufrechten Position ausgerichtet sind. Daher werden einige in einer schrägen Ausrichtung geladen. Dieses Belastungsszenario, bei dem die Neigungshöhe der Saatzelle zu gering ist, kann dazu führen, dass Hügel übersehen werden.

Mögliche Szenarien für die Samenbeladung von Karottensamen in die Samenzelle: (A) Der Samen wird in einer schrägen Position in die Zelle geladen. (B) Saatgut wird in vertikaler Position geladen; und (C) Samenzelle mit größerer Dicke.

Die Größe der Samenzelle ist ein entscheidender Faktor, insbesondere da die Karottensamen keine einheitliche Größe haben. Für den optimalen Zustand wurde bei der Gestaltung der Samenzelle die größte Größe eines Karottensamens aus der Probe berücksichtigt. Es wurde eine Toleranz bei der Größe der Saatzelle in Bezug auf die Saatgröße in Betracht gezogen, um ein mögliches Verstopfen zu vermeiden, insbesondere wenn das Saatgut eng an der Zelle anliegt, was sich auf die Entladungseffizienz auswirken würde. Das bedeutet, dass die Samenzelle in der Lage sein sollte, die minimal gewünschte Anzahl großer Samen zu laden. Wenn die Samen also unter der durchschnittlichen Größe liegen, haben die Samenzellen die Möglichkeit, eine größere Anzahl Samen gleichzeitig zu beladen. Ausgehend von diesen Prämissen und unter Berücksichtigung der empfohlenen Pflanzendichte von 6 kg ha−110, einer Keimrate der Samen von 5–10 kg ha−11 und der Berücksichtigung von Hügel- und Reihenabständen (Abb. S1) ergibt die Berechnung, dass 6,0 Karottensamen pro Hügel ausreichend sind wie in Abschnitt 2 des Zusatzmaterials dargestellt. Ein ähnlicher Vorschlag wurde auch von örtlichen Landwirten eingeholt, wonach mindestens 6 Samen pro Hügel gepflanzt werden können. Anschließend wurde die Größe der Samenzelle so ausgewählt, dass sie maximal 6 Samen aufnehmen konnte, was ebenfalls im Labor validiert und angepasst wurde.

Auch der Durchmesser der Samenzelle sollte etwas größer sein als die Samenlänge. Wenn der Durchmesser zu groß ist, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die Samenzelle eine größere Anzahl von Samen aufnimmt, und würde zu einer Variabilität in der durchschnittlichen Anzahl von Samen beitragen, die auf jedem Hügel abgeworfen werden. Wenn das Saatgut in vertikaler Position in die Zelle geladen wird, könnte Platz für die Unterbringung eines weiteren Saatguts vorhanden sein (Abb. 3B). Wenn dieser Raum jedoch so klein ist, dass er kein weiteres Saatgut aufnehmen kann, fällt das überschüssige Saatgut in den Zylinder zurück. Wenn das Saatgut immer schräg in die Zelle geladen wird, sollte der Durchmesser etwas größer sein als die Breite des Saatguts. Dies ist jedoch nicht möglich, da die Saatgutladeposition nicht reguliert ist. Andernfalls führt dies zu verpassten Hügeln. Die Dicke des Zylinders beeinflusst die Neigungshöhe der Samenzelle und sollte etwas kleiner sein als die durchschnittliche Samenlänge. Bei größerer Dicke hat die Zelle die Möglichkeit, mehr Samen zu laden, selbst wenn sich die Samen in einer schrägen Position befinden (Abb. 3C).

Die Größe einer Samenzelle, wie in Abb. 4 dargestellt, besteht aus dem Zelldurchmesser d, der Neigungshöhe oder der Tiefe der Zelle, \(sh\), die um \(\theta\) geneigt ist oder dies ist Winkel, bei dem der Samen beginnt, von der Zelloberfläche abzurutschen. Höhere Werte des Neigungswinkels begünstigen ein schnelleres Gleiten oder Entweichen der Samen aus der Samenzelle. Die Dicke des Zylinders ist die Differenz zwischen dem Außenradius \(R\) und dem Innenradius \(r\).

Die Variablen umfassen die Samenzellengröße, den Durchmesser der Samenzelle, d; Tiefe oder Schräghöhe der Samenzelle, sh; Neigungswinkel, der der Winkel ist, in dem das Saatgut von der Samenzellenoberfläche abzurutschen beginnt, θ; Innenradius, r; und Außenradius, R.

Unter Anwendung des Kosinusgesetzes ist die in Abb. 4 beschriebene Beziehung der Abmessungen der Samenzelle in Gl. (3):

Die Größe der Samenzelle beeinflusst die Effizienz der Samenbeladung. Der Wert der Schräghöhe \(sh\) sollte die mittlere Samenlänge \(l\) nicht überschreiten, die experimentell mit 3,8 mm ermittelt wurde (Tabelle 1), aber groß genug sein, um den Großteil des Samens aufzunehmen Vermeiden Sie, dass es in die Saatkammer zurückfällt. Die Neigungshöhe wurde für diesen Zustand nach einem an anderer Stelle entwickelten Ansatz29 entwickelt. In dieser Studie wurde die Grenze der Schräghöhe auf 50–80 % der Samenlänge festgelegt.

In ähnlicher Weise wurde der Durchmesser \(d\) der Samenzelle berechnet mit:

Die Dicke \(t_{c}\) der zylindrischen Dosiertrommel wurde durch Einsetzen der Gleichungen bestimmt. (1), (4) und Gl. (5) bis (3):

Die Anzahl der Saatzellen im Dosierzylinder ist eine Funktion des Abstands zwischen den Saathügeln auf dem Boden und wurde anhand von Gl. (7).

Dabei ist \(n\) die Anzahl der Saatzellen um den Dosierzylinder, \(D_{c}\) der Durchmesser des Dosierzylinders in \(cm\), \(i\) die Übertragungsrate zwischen den Rädern und Dosierzylinder und \(HS\) ist der empfohlene Abstand zwischen den Hügeln für Karotten, der 17,7 cm beträgt.

Der Durchmesser des Dosierzylinders wurde ebenfalls im Verhältnis zu seiner optimalen äquivalenten Lineargeschwindigkeit bestimmt. Ein kleinerer Durchmesser würde es dem Dosierzylinder ermöglichen, sich schneller zu drehen, was die Samen beschädigen und eine „Lawinenbewegung“30 der Samen auslösen könnte, sodass die Höhe der Samenschicht über der Samenzelle unregelmäßig wird und die Samen nicht genug Zeit haben in die Samenzellen geladen werden. Außerdem hängt die Größe des Zylinders von seiner Kapazität zur Aufnahme einer Samenmenge ab, die wiederum von der Häufigkeit des Nachfüllens während des Pflanzvorgangs abhängt. Häufiges Nachfüllen aufgrund eines kleineren Dosierzylinders kann die Säleistung der Sämaschine beeinträchtigen. In dieser Studie wurde die maximale Füllkapazität des Zylinders auf 80 % seines Volumens festgelegt. Ausgehend von einer Fläche von 0,5 ha mit einem Hügelabstand von 17,7 cm und einem Reihenabstand von 5,0 cm und unter Berücksichtigung der möglichen maximalen Anzahl an Samen, die pro Hügel gepflanzt werden kann, also 6 Samen, muss der Dosierzylinder etwa 34.000 Samen aufnehmen Diese Nachfüllung würde nur alle 0,5 Hektar bepflanzter Fläche erfolgen. Das Volumen der Samen im Zylinder und das Volumen des Dosierzylinders wurden dann durch die Gleichungen (1) in Beziehung gesetzt. (8) und (9). Die in dieser Berechnung verwendete Samenmasse umfasste eine kleine Anzahl verbleibender Samen (20,0 g) nach der Pflanzung von 0,5 ha. Dadurch soll ein praktischer Spielraum für Fehler geschaffen und eine gute Leistung der Sämaschine bis zum Ende ihrer 0,5 ha-Kapazität sichergestellt werden.

wobei \(V_{s}\) das maximale Volumen der Karottensamen im Dosierzylinder ist, \(m_{s}\) die gemessene äquivalente Masse der Karottensamen im Dosierzylinder ist und \(\rho\) ist die äquivalente Schüttdichte von Karottensamen.

Unter Berücksichtigung des tatsächlichen Volumens des Dosierzylinders im Verhältnis zur maximalen Saatgutkapazität, die er enthalten kann, ergeben sich die Gleichungen. (8) und (9) ergibt Gl. (10).

Die lineare Geschwindigkeit des Zylinders ist durch Gleichung (1) gegeben. (11)

Dabei ist \(v_{c}\) die lineare Geschwindigkeit des Dosierzylinders, gemessen an seinem äußersten Umfang, \(D_{c}\) der Durchmesser des Zylinders, \(t\) die mit der Drehung verbundene Zeit des Dosierzylinders. Darüber hinaus hängt die zum Drehen des Zylinders erforderliche Kraftmenge, die eine Schätzung der Kraft liefert, die über den Griff der Sämaschine ausgeübt werden muss, um den Zylinder zu drehen, während dieser die zwischen dem Zylinder und dem Stopper entwickelte Reibung überwindet, durch die Gleichungen ab. (12) und (13).

Dabei ist \(F\) die zum Drehen des Dosierzylinders erforderliche Kraft, \(m_{mc}\) die Masse der Dosierkomponente, \(g\) die Beschleunigung des Dosierzylinders, \(Fr\) die Die Reibungskraft, die zwischen der Oberfläche des Dosierzylinders und dem Saatstopper entsteht, \(N\) ist die senkrecht zur Oberfläche des Dosierzylinders wirkende Normalkraft und \(\mu\) ist der Reibungskoeffizient, der zwischen dem Dosierzylinder und entsteht der Saatstopper. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Größe der Kraft zum Drehen des Zylinders der Reibungskraft entspricht, wird in Gleichung (1) eine nützliche Beziehung zur Beschleunigung des Zylinders eingeführt. (14).

Die Beschleunigung des Dosierzylinders kann weiter mit seiner Anfangs- und Endgeschwindigkeit über die in Gleichung definierte Zeit in Zusammenhang gebracht werden. (15)

wobei \(v_{f}\) die Endgeschwindigkeit des Dosierzylinders ist, die einfach seine Arbeitsgeschwindigkeit ist, \(v\), \(v_{o}\) die Anfangsgeschwindigkeit des Dosierzylinders ist, also Null zu Beginn der Drehung, \(t\) ist die Zeit der Drehung des Dosierzylinders, die üblicherweise als eine Drehung angesehen werden kann. Zugehörige Gleichungen. (14) bis (15) geben zusätzliche Einzelheiten zum Durchmesser des Dosierzylinders in Gl. (16).

Kombinieren von Gleichungen. (13) und (16) ergibt

Gleichung (17), ausgedrückt als Volumen und Durchmesser des Dosierzylinders, würde zu Gleichung (17) führen. (18).

Schließlich ist der Durchmesser des Zylinders, der sich auf seine Lineargeschwindigkeit und seinen Reibungskoeffizienten bezieht, in Gleichung angegeben. (19). Die Länge des Zylinders wird durch die Standardbreite eines Pflanzbeets als Grundlage für die Breite der Sämaschine definiert.

Die Dosierbaugruppe besteht aus einer zylindrischen Trommel, einem Saatgutfach, einem Riemen, einer Achse und einem Rahmen und ist in Abb. 5 dargestellt. Im Inneren des Zylinders befindet sich ein Fach zur Aufnahme des Saatguts für jede einzelne Saatreihe. Das als Samenstopper dienende Band bestand aus transparentem Flexiglas mit einer Dicke von 0,2 cm und einer Breite von 2,50 cm. Vier Gurte wurden vorbereitet und mit Schrauben und Muttern am Rahmen zusammengehalten. Eine abnehmbare Abdeckung, die mit einer Gürtelschraube verriegelt wird, ermöglicht das Nachfüllen des Saatguts und das Entfernen überschüssiger Saat nach der Operation.

Schematische Darstellung der Dosiereinheit der Karottensämaschine; (A) Samenfach; (B) Samenauswurfloch, wie zuvor in Abb. 4 dargestellt; (C) Rahmenmontage mit Schrauben und Muttern; (D) Saatloch um den Umfang des Zylinders; (E) abnehmbare Abdeckung zum Laden von Saatgut und Entfernen von überschüssigem Saatgut; (F) Verriegelungskomponente zum Verriegeln der abnehmbaren Abdeckung; und (G) Achse, um die sich der Dosierzylinder dreht.

Die Dosiereinheit wurde in eine komplette Säeinheit eingebaut (Abb. 6) und wurde in dieser Studie einer Bewertung unterzogen. Auf dem vorderen Zylinder sind vier Gurte aus Gummi aufgerollt, die als Furchenöffner dienen und in die die Samen gepflanzt werden. Diese Gurte haben eine Breite von 2,54 cm und eine Dicke von 3,0 cm und sind auf die Samenzellen ausgerichtet. Der Zylinder, an dem die Gurte montiert sind, trägt dazu bei, eine gleichmäßige Tiefe der Furche aufrechtzuerhalten und dient außerdem als Ausgleichskomponente.

Das in dieser Studie hergestellte und getestete Karottensägerät zeigt die (A) Dosiereinheit, wie in Abb. 3 beschrieben; (B) Furchenöffner mit einem Rad zur Steuerung der Tiefe der Furchenöffnung; (C) Ketten- und Kettenradbaugruppe, die die Drehbewegung vom Rad auf die Dosierbaugruppe überträgt; und (D) das tatsächliche Bild der hergestellten Karottensämaschine.

Die Sämaschine wurde bei verschiedenen Betriebsgeschwindigkeiten bewertet, wobei jede Behandlung dreifach durchgeführt wurde (Tabelle 2). Die Geschwindigkeiten wurden ausgewählt, indem sieben Bediener die Sämaschine mit ihrer individuellen „Normalgeschwindigkeit“ bedienen ließen. Es wurden verschiedene Arbeitsgeschwindigkeiten bewertet, um zu testen, ob die Sämaschine ihre Leistung beibehält, wenn sie von verschiedenen Bedienern mit unterschiedlichen Arbeitsgeschwindigkeiten betrieben wird, da nicht alle Landwirte die gleiche Geschwindigkeit verwenden. Während des Tests durfte der Bediener zunächst die Sämaschine über die ersten 2,0 m des Pflanzenbeets fahren, um die Geschwindigkeit zu stabilisieren, woraufhin der Timer startete. Die Dauer jedes Tests wurde gemessen und zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet. Es wurde eine Kiste mit den Maßen 1000,0 cm Länge, 75,0 cm Breite und 14,0 cm Höhe verwendet, die dem echten Pflanzenbeet für die Karottensamenproduktion nachempfunden war. Die Oberfläche des Kastens wurde mit Fett beschichtet, um zu verhindern, dass das Saatgut abprallt, wenn es vom Dosierzylinder fällt, wie an anderer Stelle beschrieben6,12. Die Feldbewertung wurde in einem Hochlandboden durchgeführt, der durch manuelle Bodenbearbeitung zur Bildung eines erhöhten Saatbetts vorbereitet wurde. Der Boden hatte einen Feuchtigkeitsgehalt von 32,99 % und eine Schüttdichte von 903,32 kg m3, wie vom Agricultural Machinery Testing and Evaluation Center (AMTEC)31 ermittelt.

Die Gleichmäßigkeit der Hügelabsenkung wurde nach der an anderer Stelle beschriebenen Methode analysiert7,20,32,33. Die zentrale Position der Samen in einem Hügel und der Abstand zwischen den Hügeln wurden gemessen und zur Bestimmung der Samenposition, des Dispersionsverhältnisses und des Streuentfernungsverhältnisses (SDR) nach den von Ryu7 und Kim und Topakci et al.33 beschriebenen Methoden verwendet. die mit Gl. berechnet wurden. (7) bis Gl. (10). Die Positionen der verstreuten Samen auf einem Hügel wurden relativ zu dem Samen gemessen, der zuerst auf den Hügel geworfen wurde. Der Samenort wird als \(X_{i, j}\) zugewiesen, wobei die Indizes \(i\) und \(j\) den \(jth\) Samen im \(ith\) Hügel angeben (Abb. 7) .

Schematische Darstellung der ausgesäten Samen, die die Position jedes Samens im Verhältnis zum ersten in einen Hügel fallengelassenen Samen (Xi,1) und der Hügelmitte zeigt, wie im größten Kreis beschrieben, der die Samen in einen Hügel einschreibt.

Die Hügelmitte der in jedem Hügel abgelegten Samen wurde gemessen, indem der Mittelpunkt des Kreises genommen wurde, der alle Samen in einem Hügel auf einer horizontalen Ebene einschrieb. Dies wurde vereinfacht, indem der Abstand zwischen dem ersten Samen, der in den Hügel fiel, gemessen wurde. Die Hügelmitte der Samen im \({\text{i}}-ten\) Hügel, \(C_{i}\), wurde mit Gleichung berechnet. (20).

wobei \(n_{i}\) die Summe der Anzahl der auf dem \(ith\)-Hügel abgelagerten Samen ist. Der Abstand des Samens im \(ith\) Hügel wird als \(X_{i,j}\) zum berechneten Hügelmittelpunkt, \(C_{i}\) und sein Verhältnis zum nachfolgenden Abstand zwischen Hügeln \ bezeichnet. (S_{i}\) ist die Position des Samens, berechnet mit Gl. (21).

Die Leistung der Sämaschine beim Ablegen von Saatgut auf einem Hügel wird auch mithilfe des Streuentfernungsverhältnisses (SDR) beschrieben und mithilfe von Gleichung (1) berechnet. (22) und (23).

Dabei ist \(\sigma \left( {SP} \right)\) die Standardabweichung des gemessenen Abstands zwischen dem Samen und der Hügelmitte und \(m\) die Gesamtzahl der Hügel. Der Variationskoeffizient des Abstands zwischen den Hügeln wurde mithilfe der Gleichungen berechnet. (24) und (25).

Dabei ist \(SD\) die Standardabweichung, \(\overline{x}\) der theoretische Saatabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hügeln in der Reihe, der 17,7 cm beträgt, und \(x_{i}\) der gemessene Abstand dazwischen Hügel, \(N\) ist die Gesamtzahl der gemessenen Distanzen und \(CV\) ist der Variationskoeffizient.

Bei der Feldbewertung der Sämaschine wurden auch die Richtlinien des Agricultural Machinery and Testing Center (AMTEC) und der Philippine Agricultural Engineering Standards für Spezifikationen und Methoden zum Testen von Sä- und Pflanzmaschinen beachtet (Abb. 8).

Feldtests der Karottensämaschine, durchgeführt vom Agricultural Machinery and Testing Evaluation Center der University of the Philippines Los Baños (AMTEC-UPLB).

Die aufgezeichneten Daten zur Anzahl der Samen in jedem Hügel, zur Hügelmitte, zum Abstand zwischen den Hügeln, zum Prozentsatz übersehener Hügel und zum Streuabstandsverhältnis wurden mithilfe der Varianzanalyse (ANOVA) analysiert. Mithilfe von LSD konnten signifikant unterschiedliche Mittelwerte innerhalb der Leistungsparameter ermittelt werden.

Die Leistung der Karottensämaschine hinsichtlich der durchschnittlichen Anzahl der auf jedem Hügel gepflanzten Samen, der durchschnittlichen Hügelmitte der auf jedem Hügel verstreuten oder gepflanzten Samen, des Streuentfernungsverhältnisses (SDR), des durchschnittlichen Hügelabstands und des Prozentsatzes ausgelassener Hügel wurde mit 7 bewertet Stufen der Betriebsgeschwindigkeit. Diese Parameter wurden durch Mittelwertbildung und unter Berücksichtigung von SD, CV und Varianzanalyse analysiert. Der Prozentsatz der Hügelmitte und des verpassten Hügels wurde maßgeblich von der Betriebsgeschwindigkeit beeinflusst (Tabelle 3). Allerdings zeigten die durchschnittliche Anzahl der pro Hügel abgeworfenen Samen, der mittlere Hügelabstand, die fehlenden Hügel und das Streuentfernungsverhältnis keine statistisch signifikante Beziehung in Bezug auf die Betriebsgeschwindigkeit.

Die durchschnittliche Anzahl der auf jedem Hügel abgelegten Samen lag zwischen 2,8 und 4,0 (Tabelle 4), was innerhalb der gewünschten Anzahl von Samen von 2 bis 6 Samen pro Hügel liegt. In ähnlicher Weise stimmte die mittlere Anzahl der ausgeworfenen Samen mit den Ergebnissen der Bewertung derselben Sämaschine überein, die vom Test- und Bewertungszentrum für landwirtschaftliche Maschinen gemäß Testbericht Nr. 2020-044834 und Testbericht Nr. 2021-002531 durchgeführt wurde. Die Varianzanalyse zeigte, dass die Unterschiede in der durchschnittlichen Anzahl von Samen in jedem Hügel bei allen Vorwärtsgeschwindigkeiten statistisch unbedeutend waren, obwohl sie bei höheren Geschwindigkeiten geringer waren. Dies weist darauf hin, dass das Saatzellendesign effektiv war, um bei allen Geschwindigkeiten eine statistisch gleichmäßige Anzahl von Saatkörnern zu laden, die ebenfalls innerhalb der Zielanzahl an Saatkörnern liegt. Die anhand des Variationskoeffizienten gemessene Anzahl der auf jedem Hügel abgelagerten Samen war bei einer Geschwindigkeit von 70 cm s−1 am höchsten (43,62 %) und sank allmählich auf 21,7 % bei 48 cm s−1.

Bei 34 cm s−1 wurde ein Anstieg des CV auf 37,44 % beobachtet. Die relativ niedrige Geschwindigkeit könnte dazu geführt haben, dass sich die Samen im Trichter so verhielten, dass die durch die kreisförmige Bewegung des Zylinders entwickelte Rührkraft nicht ausreichte, um den Karottensamen in die Samenzelle fließen zu lassen. Andererseits könnte bei etwas höheren Geschwindigkeiten, bei denen niedrigere CVs beobachtet wurden, die Geschwindigkeit so viel Vibration unter den Samen erzeugt haben, dass die Zellen in der Lage waren, Samen zu laden. Bei relativ hohen Geschwindigkeiten wie 70 und 89 cm s−1 mit hohen CVs von 37,11 und 43,62 % könnte die höhere Geschwindigkeit dazu geführt haben, dass sich die Samen im Trichter in einer „Bombardierungsbewegung“ bewegten, sodass die Ladezeit der Zelle nicht verkürzt wurde ausreichend. Ein weiterer Faktor ist die haarige Beschichtung der Karottensamen, die zu Clusterbildung führt, was möglicherweise auch die Samenbeladungskapazität der Samenzelle beeinträchtigt hat4.

Die mittlere Hügelmitte variierte in Abhängigkeit von der Betriebsgeschwindigkeit (p < 0,05). Insbesondere waren die Hügelmitten bei einer Geschwindigkeit von 70 bis 34 cm s−1 statistisch gesehen gleich und lagen zwischen 0,99 und 1,6 cm (Abb. 9).

Der Einfluss unterschiedlicher Arbeitsgeschwindigkeiten (cm s−1) auf die Hügelmitte von Karottensamen. Betriebsgeschwindigkeiten mit unterschiedlichen Buchstaben bedeuten einen signifikanten Unterschied (p < 0,005) in der Bergmitte.

Bei 89 cm s−1 vergrößerte sich die Hügelmitte dramatisch auf 3,08 cm, was darauf hindeutet, dass die Samen bei dieser Geschwindigkeit stärker verteilt werden als bei der anderen. Die Fallbewegung einer Gruppe von Karottensamen vom Samenabgabepunkt wird durch das Gesetz des frei fallenden Körpers bestimmt, wobei die Masse der wichtigste Faktor dafür ist, dass sich ein Samen auf einer einheitlichen Bahn verhält. Wenn zwei Samen gleichzeitig vom gleichen Ursprungsort, in diesem Fall von der Samenzelle, fallen, ist im Prinzip zu erwarten, dass sie, vorausgesetzt, sie haben die gleiche Masse, gleichzeitig und möglicherweise gleichzeitig den Boden erreichen der gleiche Landeplatz. Da Karottensamen jedoch sehr klein sind und eine unterschiedliche Masse aufweisen, ist die Fallbewegung jedes Samens nicht die gleiche wie die des anderen. Darüber hinaus folgt die Konfiguration der Samen in einer Samenzelle einem Füllmuster, bei dem ein Samen zuerst fallen muss, bevor der andere. Dies gilt insbesondere bei größeren Samen. Der kombinierte Effekt dieser Szenarien mit der schnellen Vorwärtsgeschwindigkeit erklärt die höheren Werte der Bergmitte. Insgesamt verbessert sich mit abnehmender Vorwärtsgeschwindigkeit die Bergmitte. Diese Beobachtung wird durch die Erkenntnisse von Karayel9 gestützt. Die Aerodynamik, die das Fallen von Samen von einem sich bewegenden Objekt bestimmt, kann zur weiteren Bestätigung dieser Beobachtung herangezogen werden.

Der Variationskoeffizient der mittleren Bergmitte zeigt keinen erkennbaren Trend in Bezug auf die Geschwindigkeit (Tabelle 5). Die Anzahl der auf jedem Hügel abgelagerten Samen könnte die hohe Variabilität der Hügelmitte bei allen Geschwindigkeiten beeinflusst haben. Ein Faktor, der dies beeinflusst, ist die unterschiedliche Größe der Karottensamen, wobei in manchen Fällen nur wenige Samen auf einem Hügel gepflanzt wurden. Bei der visuellen Untersuchung schienen die Hügel mit weniger Samen Samen zu enthalten, deren Größe über der Durchschnittsgröße lag. Es gab auch Hügel, die mit einer höheren Anzahl an Samen besät wurden. Es wurde visuell beobachtet, dass die Samen in diesen Hügeln kleiner zu sein schienen als die durchschnittliche Größe der Karottensamen. Daten zur Größe des Saatguts müssen möglicherweise noch in zukünftigen Studien validiert werden. Die gleiche Beobachtung wurde von Gaikwad und Sirohi35 berichtet. Darüber hinaus waren diese kleineren Samen in einem größeren Bereich verstreut, was durch höhere Hügelzentren im Vergleich zu den größeren angezeigt wurde, wobei sie näher beieinander gruppiert waren.

Der mittlere Hügelabstand und die Betriebsgeschwindigkeit zeigten keinen statistischen Zusammenhang mit der Geschwindigkeit (Abb. 10). Der Variationskoeffizient der Hügelabstände in Abhängigkeit von der Betriebsgeschwindigkeit ist in Tabelle 6 dargestellt. Der Variationskoeffizient stieg bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 89 cm s−1 erheblich an.

Der Einfluss der unterschiedlichen Betriebsgeschwindigkeiten (cm s−1) auf den Abstand zwischen Hügeln abgelegter Karottensamen durch die Karottensämaschine entlang der Reihe.

Ein niedrigerer Variationskoeffizient des Hügelabstands wurde bei 70 cms−1 und darunter erhalten. Die Abnahme der Gleichmäßigkeit der Hügelabstände kann auf Faktoren zurückzuführen sein, die in früheren Studien beschrieben wurden. Die hohe Geschwindigkeit des Dosierzylinders bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit könnte zu einer unregelmäßigen Saatgutverteilung geführt haben. Ebenso Karayel und Özmerzi9; Topakci et al.32; und Karayel33 beobachteten, dass sich die Gleichmäßigkeit des Hügelabwurfs der Sämaschinen bei schnellerer Saatgutdosierung am stärksten unterschied. Die gleiche Beobachtung über eine höhere Variabilität des Hügelabstands bei erhöhter Geschwindigkeit wurde von Badua et al.36 berichtet. Pareek et al.5 kam zu dem Schluss, dass der CV des Abstands ihrer Sämaschine bei erhöhter Vorwärtsgeschwindigkeit deutlich zunahm. Unter den vier Stufen der Vorwärtsgeschwindigkeit, die in ihrer Sämaschine getestet wurden, wurde der höchste CV (25,55 %) bei der höchsten Geschwindigkeit von 33 ms−1 beobachtet. Virk et al.37 fügten hinzu, dass eine Erhöhung der Metergeschwindigkeit die Gleichmäßigkeit des Saatabstands verschlechtert, als Ergebnis ihrer Bewertung an zwei verschiedenen Arten von Sämaschinen bei 20 Metergeschwindigkeitsstufen im Bereich von 15,4–43 U/min mit CVs von 26,1–36,4 %. jeweils. Darüber hinaus könnte die höhere Geschwindigkeit zu Vibrationen des Saatguts im Zylinder geführt haben, was zu einem Aufprall des Saatguts und möglicherweise zu einer Beeinträchtigung der Streuung des Saatguts in den Boden geführt hätte. Ein ähnliches Ergebnis wurde von Mangus et al.38 berichtet, nämlich dass die Variabilität im Pflanzenabstand mit höherer Pflanzgeschwindigkeit zunahm.

Das Streuentfernungsverhältnis (SDR) der Betriebsgeschwindigkeiten der Sämaschine von 34 bis 61 cm s−1 betrug 17,74–28,10 % und reichte für das Abwerfen von Karotten aus (Abb. 11).

Der Einfluss der unterschiedlichen Betriebsgeschwindigkeiten (ms−1) auf das Streuentfernungsverhältnis der von der Karottensämaschine entlang der Reihe abgelegten Karottensamen. Die Betriebsgeschwindigkeit mit unterschiedlichem Buchstaben weist auf einen signifikanten Unterschied (p < 0,005) beim SDR hin.

Dies weist darauf hin, dass die auf den einzelnen Hügeln abgelegten Samen bei 34–61 cm s−1 weniger verstreut waren und dass die Sämaschine in der Lage war, die Samen auf allen Hügeln mit einer gleichmäßigen Flächenabdeckung abzulegen. Die SDRs lagen bei diesen Geschwindigkeiten unter 30 %, was deutlich besser war als bei der von Ryu und Kim7 getesteten Rollsämaschine bei Betriebsgeschwindigkeiten von 20–90 cm s−1 mit SDR-Werten zwischen 76 und 115 %. Da jedoch das Streuentfernungsverhältnis der Karottensämaschine bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten schlechter war (31,6 % und 44,97 % bei 70 bzw. 89 cms−1), sollte der Effekt des Samenabfalls als kritischer Faktor angesehen werden. Die höheren Arbeitsgeschwindigkeiten führten zu unregelmäßigen Fallgeschwindigkeiten und Flugbahnen der Samen. Mit zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit erhöhte sich die Geschwindigkeit des Saatguts, das sich in Fahrtrichtung der Sämaschine bewegte, mit einer damit einhergehenden Verringerung der Gleichmäßigkeit der Hügeldistanz und einem Anstieg des Streudistanzverhältnisses.

Die Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit wirkte sich erheblich auf die Fähigkeit der Sämaschine aus, Samen in regelmäßigen Abständen abzulegen (p < 0,05) (Tabelle 7). Bei 70 cm s−1 traten Sprünge auf, bei denen die Karottensämaschine die Samenablage auf 5,55 % der Hügel verfehlte und bei 89 cm s−1 auf 16,67 % anstieg. Die Situation, in der die Samenzellen nicht mit höheren Geschwindigkeiten mit Samen geladen werden konnten, könnte daran liegen, dass die Zellen während der Rotation nicht genügend Zeit hatten, Samen zu laden. Singh et al.19; und Yazgi und Degirmencioglu21 berichteten ebenfalls über ähnliche Beobachtungen19,21. Kumar et al.30 behaupteten, dass die schnelle Drehung einer zylindrischen Trommel dazu führt, dass Samen in Lawinen herabfallen, und dass eine schnelle Drehung eine Zentrifugalkraft erzeugen könnte, die die Samen aus der Samenzelle ablenkt. Der höchste Fehlindex von 22,0 % trat bei der höchsten Geschwindigkeit der Säscheibe auf39. Kowalzuk et al.40 berichteten, dass bei den unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Säscheibe im Labortest 13,6 % Sprünge bei der höchsten Geschwindigkeit (42 cm s−1) beobachtet wurden, während 7,8 % Sprünge bei der niedrigsten Geschwindigkeit (23 cm s−1) aufgezeichnet wurden −1)39.

Diese fehlenden Hügel erklären, warum der mittlere Abstand zwischen Hügeln bei diesen Geschwindigkeiten größer war als die Hügelabstände bei Betriebsgeschwindigkeiten unter 70 cm s−1 mit einem Mittelwert von 19,94 cm bzw. 23,46 cm, was im Durchschnitt 22,62 % höher ist als der vorgesehene Hügelabstand von 17,7 cm. Bei Arbeitsgeschwindigkeiten unter 70 cm s−1 konnten Samen auf allen Hügeln abgeworfen werden.

In dieser Studie wurde eine Karottensämaschine erfolgreich entworfen, hergestellt und getestet. Die Ergebnisse der Bewertung des Einflusses der Betriebsgeschwindigkeit auf die Leistung der Sämaschine ergaben, dass die Sämaschine bei allen Geschwindigkeiten 2–4 Samen ablegen kann, was innerhalb des Konstruktionsziels von 2–6 Samen pro Hügel liegt. Der Hügelmittelpunkt und der Variationskoeffizient des Hügelabstands stiegen bei der höchsten Betriebsgeschwindigkeit von 89 cm s−1 erheblich an. Die Hügelzentren liegen bei Betriebsgeschwindigkeiten von 70 cm s−1 und darunter mit Werten zwischen 0,9 und 1,6 cm statistisch gesehen niedriger als bei 89 cm s−1, was 30,8 mm entspricht. Dies weist darauf hin, dass die mit der höchsten Geschwindigkeit gepflanzten Samen über eine größere Fläche verteilt werden als die Samen, die mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 70 cm s−1 abgeworfen werden, wo sie näher beieinander liegen und eine niedrigere Hügelmitte haben. Der Abstand zwischen den Hügeln hingegen wurde von der Fahrgeschwindigkeit nicht beeinflusst und lag zwischen 17,9 und 23,4 cm. Innerhalb dieses Bereichs sorgte die Sämaschine für einen gleichmäßigen Abstand zwischen den Hügeln. Bei Betriebsgeschwindigkeiten unter 70 cm s−1 wurden keine übersehenen Hügel beobachtet. Die Streuentfernungsverhältnisse für Betriebsgeschwindigkeiten von 34 bis 61 cm s−1 betrugen 17,74 % bis 28,09 %; Dieser Bereich ist für das Abwerfen von Karottensamen auf Hügeln ausreichend.

Die in dieser Studie verwendeten Daten stehen dem entsprechenden Autor auf Anfrage zur Verfügung.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29356-8

Variationskoeffizient

Mittleres Hügelzentrum

Reibungskraft

Übertragungsrate zwischen Rad und Dosierzylinder

Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft

Samenlänge

Länge des Zylinders

Samenmasse

Masse der Dosierkomponente

Gesamtzahl der Samen in einem Hügel

Innenradius des Dosierzylinders

Außenradius des Dosierzylinders

Streuabstandsverhältnis

Standardabweichung

Schräge Höhe der Samenzelle

Abstand zwischen Hügeln

Dicke der Karottensamen

Dicke des Zylinders

Volumen des Dosierzylinders

Maximale Menge an Karottensamen im Dosierzylinder

Breite des Karottensamens

Position des \(i{\text{th}}\) Karottensamens im \(j{\text{th}}\) Hügel

Haftreibungskoeffizient (SFC)

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Standardabweichung des Abstands zwischen Hügeln

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Das APC wird von der Universität für Umwelt- und Biowissenschaften Breslau kofinanziert. Die Forschung und Entwicklung der Karottensämaschine wird vom Department of Science and Technology des Technology Application and Promotion Institute (DOST-TAPI) finanziell unterstützt.

Das APC wurde finanziell von der Universität für Umwelt- und Biowissenschaften Breslau unterstützt. Darüber hinaus wurde diese Arbeit vom Department of Science and Technology-Technology Application and Promotion Institute finanziell unterstützt.

Breslauer Universität für Umwelt- und Biowissenschaften, Abteilung für Angewandte Bioökonomie, 25. Norwida Str. 51-630, Breslau, Polen

Marvin T. Valentin & Andrzej Bialowiec

Assoziiertes Mitglied, Ingenieur- und Industrieforschung, Nationaler Forschungsrat der Philippinen, Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taguig, Philippinen

Marvin T. Valentin

Benguet State University, km. 5, The Trinity, 2601, Benguet, Philippinen

Marvin T. Valentin

Abteilung für Agrartechnik und Sicherheit, Vytautas-Magnus-Universität, Landwirtschaftsakademie Studentu 15A, 53362, Akademija, Kaunas Reg., Litauen

Davut Karayel & Algirdas Jasinskas

Fakultät für Landwirtschaft, Abteilung für Landmaschinen- und Technologietechnik, Akdeniz-Universität, 07070, Antalya, Türkei

David Karayel

Abteilung für Agrar- und Biotechnik, Pennsylvania State University, University Park Campus, State College, USA

Daniel Ciolkosz

Abteilung für Agrar- und Biosystemtechnik, College of Engineering, Central Luzon State University, Wissenschaftsstadt Muñoz, Nueva Ecija, Philippinen

Jeffrey A. Lavarias

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MV-Vorbereitung des ersten Entwurfs des Manuskripts; MTV, AB, AJ, JL, DC und DK – Konzeptualisierung des Seeding-Mechanismus; AJ und DK Vorbereitung von Gleichungen; AJ und DV, AB, DC und DK-Revision, Analyse und Interpretation der Ergebnisse. AB-verantwortlich für die Finanzierung der Veröffentlichung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Marvin T. Valentin.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: In der Originalversion dieses Artikels war Andrzej Białowiec fälschlicherweise der „Abteilung für Agrartechnik und Sicherheit, Vytautas-Magnus-Universität, Landwirtschaftsakademie Studentu 15A, 53362, Akademija, Kaunas Reg., Litauen“ zugeordnet. . Die korrekte Zugehörigkeit ist hier aufgeführt: Universität für Umwelt- und Biowissenschaften Breslau, Abteilung für Angewandte Bioökonomie, 25. Norwida Str. 51-630, Breslau, Polen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Valentin, MT, Białowiec, A., Karayel, D. et al. Untersuchung der Leistung eines zylindrischen Trichters und einer Dosiervorrichtung einer Karottensämaschine. Sci Rep 13, 813 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25798-8

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Eingegangen: 20. Januar 2022

Angenommen: 05. Dezember 2022

Veröffentlicht: 16. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25798-8

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