ニンジン播種機の円筒ホッパーと計量装置の性能調査

May 20, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 813 (2023) この記事を引用

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本研究では、ホッパー兼計量装置として機能する円筒形のコンポーネントを利用して、苗床上の直線列に沿って均一な間隔で苗床/丘に種子を正確に投入するニンジン播種機を開発しました。 シーダーは、各丘、丘の中心、散乱距離比、丘の間隔、およびミスに植えられた種子の平均数と比較して、さまざまな動作速度 (89、70、61、51、48、38、および 34 cm s-1) で評価されました。丘。 シーダーは、あらゆる速度で 2.8 から 4.0 の範囲の各丘にシードを堆積することができました。 平均丘中心と欠落丘は、播種機が 70 cm s-1 以下の速度で最適に動作することを示唆しており、それぞれの値は 0.9 ～ 1.6 cm および 0 ～ 5.5% の範囲です。 これは、丘ごとにドロップされたシードの数が非常に均一であることを示しており、シードのパフォーマンスを示す良い指標となります。 89 cm s-1 でのヒルセンターとミスヒルはそれぞれ 3.08 cm と 16.67% で、低速の場合よりも大幅に高かった。 各丘に堆積される種子の平均数や丘間の距離などの他の作業パフォーマンスは、植える速度によって変化するようには見えませんでした。 34 ～ 61 cm s-1 の動作速度の散乱距離比は 30% 未満であり、したがってニンジンの種子の丘からの落下には許容可能でした。

ニンジンは、フィリピンの高原地帯 1 とポーランド 2 で一般的に栽培されている高価値の作物です。 コルディリェラ行政地域 (CAR)、特にベンゲット州、山岳州、ベンゲット州が含まれるイフガオ州などの比較的寒い場所でよく育ちます。最大の生産者3. フィリピンの他の州、ヌエバ・ビスカヤ州、セブ州、南ダバオ州、東ネグロス州、ブキドノン州でもニンジンが生産されていますが、生産量は少ないです。 2019年の国内のニンジン生産量は65,069.67トンで、そのうち58,116.08トン（89.31％）がCAR4から収穫されました。 さらに、ニンジン生産のために栽培された2019年の総農場面積は4550.09ヘクタールであり、その70.5％（3210.81ヘクタール）がCAR4によるものでした。 ポーランドはヨーロッパで第 3 位のニンジン生産国であり、2020 年には 733,000 トン（シェア 12%）を占めました2。

ニンジン栽培では、最適な作物収量は、他の要因とともに適切な種子の発芽と関連しています5。 最適な発芽は、適切な数の種子を希望の間隔に植えることから始まることが知られています5、6、7。 ニンジンをあまり近くに植えると、最適なサイズの根が発達する可能性が低くなります8。 同様に、植え付けの際には、乾燥を避けるために種子を適切な深さに植える必要があります8。 さらに、丘に植えられたニンジンの種が多すぎると、大規模な間引きが必要になります9。 この薄化作業は手作業で行うのが難しく、追加の労力とコストがかかります6。 これにより、近くの植物が根こそぎにされて、丘に残っている植物に根が損傷する可能性もあります。 理想的には、各丘に 1 つのニンジンの種を植える必要があります。 しかし、露地では、特に雨季には、発芽したニンジン 1 株が雨の影響や昆虫の攻撃によって損傷を受けやすくなります。 これを念頭に置いて、コストがかかり、植物の成長が不均一になる再植林を避けるために、実際の観察では、通常、1 つの丘に 2 ～ 6 個の種子が植えられます。 FAO は、一般的な環境条件を条件として 6 kg ha-1 の播種量を推奨しています10。 Yehia ら 11 は、コーティングされた種子とコーティングされていない種子を使用して、1 セルあたり 3 つの種子を含む 3 つのセル サイズで、異なる動作速度でニンジン播種機の性能を調査しました。

ニンジンの種子は植物床に直接播種されます12。 これは、ニンジンの種が発芽し始めたら、その主根を乱してはならず、乱すと成長に悪影響が出るからです。 ニンジンの種子は、邪魔されず、他の植物との競争にさらされない最適な間隔で植えられた場合、市場価値のある高価値の根を育成する可能性が最も高くなります13。 したがって、ニンジン播種機の重要な要件の 1 つは、種子を丘に均一な間隔で正確に配置できる能力です 8,14。

ニンジン植え付け装置は、均一な発芽を達成しながら、できるだけ短時間で畑に種を植える必要があります。 これを達成する 1 つのアプローチは、シーダーの有効作業幅の容量を増やすことです15。 計量ディスクを追加して多条播種機にすることで、有効作業幅を拡張して追加の条を植えることができます。 ただし、能力が極端に高くても低くても、植付精度が犠牲になる可能性があるため、これは慎重に考慮する必要があります16。

種子の損傷と種子の分配効率は、計量ディスクの回転速度に影響されます。 速度が速いと分配効率が低下し、種子へのダメージが増加する可能性があります。 この傾向は Ekka et al.17 の調査結果に示されており、計量ディスク速度が 30 RPM から 60 RPM に増加するにつれて、ジュートシーダーの種子散布効率が 91% から 86% に減少しました。 実験室テストでは、2 列オクラ プランターで低速で Bamgboye と Mofolasayo18 によって 3.51% という比較的低い種子損傷が観察されました。

ニンジン播種機のもう 1 つの重要なパラメータ (ただし測定は困難) は、丘間の望ましい間隔です 19。 作物収量を最大化するには、播種者は設計された間隔または間隔に近い間隔で種子を播種する必要があります20。 Yazgi と Degirmencioglu21 は、応答曲面法 (RSM) を使用して、シード プレートの周速、真空圧、穴の直径のさまざまなレベルを考慮して、垂直計量プレートを備えた精密シーダーの間隔均一性を最適化しました。 シーダーの動作に使用された周速度は、5.0、8、12.0、16.0、および 19.0 cm s-1 でした。 研究者らは、失敗した丘の割合と飼料指数の品質によって示されるように、播種機は周速が低いほど優れたパフォーマンスを発揮すると結論付けました21。

Singh et al.19 は、シードディスクのさまざまな線速度 (29.0、42.0、58.0、および 69.0 cm s-1)、真空圧 (1.0、1.5、2.0、および 2.5 kPa)、および進入角 (90°) の影響を調査しました。種子セル直径 0.02 cm の最適化されたサイズを使用した種子穴の、平均種子間隔と間隔の精度に対する空気圧綿実植付装置の性能。 評価で考慮された追加パラメータは、スキップまたはヒルのミス (ミス指数)、マルチ指数、および飼料指数の最高品質でした。 彼らは、最適な円錐角は 1200 度であり、シーダーのパフォーマンスにプラスの影響を与え、その結果、ミス指数とマルチ指数が最も低くなり、飼料指数の品質が最高になると結論付けました。 プラント間隔と精密間隔の平均値は、速度と圧力の影響を受けました。 種子の飼料品質指数は、線速度 42.0 cm s-1 で最高 (94.67%) でしたが、線速度 29.0 cm s-1 とは統計的に区別できませんでした。 さらに、シーダは、計量ディスクが４２．０ｃｍ ｓ−１で動作したとき、１．３３％の最低のミスインデックスと４．０％のマルチインデックスを有していた。 シード セルにシードをロードする十分な時間がなかったため、速度が上がるとミス インデックスが増加しました。

Zhan et al.14 は、実験室環境での数値解析を使用して、吸引圧力と播種角度の影響を受けるナタネ上の真空シリンダー精密播種機の種子間隔の均一性を調査しました。 彼らはまた、種子の自由飛行運動を評価し、種子に作用する対応する力を数値流体力学 (CFD) を利用して分析しました。 種子の落下軌跡は高速カメラと追跡装置を使って記録されました。 彼らは、種子の落下軌跡を分析したところ、播種の均一性はリリース角度の影響を受け、最適レベルは-10〜10°であることがわかりました。 間隔に関連する誤差は、リリース角度 5° で最小でした。

Ryu と Kim7 は、ローラー型計量機構を備えた精密プランターを設計し、022.0 ～ 83.0 cm s-1 の範囲の速度で散乱距離比 (SDR) に対して評価しました。 彼らの研究では、すべての速度での SRD が 25 ～ 30% であり、この設計が精密プランターとして考慮されるには十分であることが判明しました。

Karayel ら 22 は、実験室条件下で速度検出カメラ システム (Kodak Ektapro HS 高速) を使用して、種子と種子の落下速度の観点から小麦と大豆の種子に対する一般的なシードドリル ユニットの性能を調査しました。 100.0 cm s-1 の一定動作速度で 10、20、30、および 40 rpm での計量ローラーの回転によって影響される間隔。粘着ベルトを使用して比較評価も行いました。 彼らは、変動係数で表される間隔が、計量ローラーの速度が増加するとより均一になることを観察しました。 シードドリルで両方のシードに 40 rpm を使用すると、10 RPM よりも正確になりました。

一方、フィリピンのニンジン生産地域、特にベンゲット州は山が多く、小規模で断片的な農場が保有されているため、ニンジンの播種などの作業で機械化を利用するのが課題となっている。 Rasouli et al.23 は、小規模農場と分散した土地所有が機械化の大きな阻害要因であると指摘した。

この研究は、フィリピンの高地地域に適用可能な多列ニンジン播種機を初めて設計することを目的としました。 シーダーの作業パフォーマンスは、各丘、丘の中心、丘間の間隔、散乱距離比 (SDR)、および見逃した丘に堆積された種子の数の観点から評価されました。 性能は、他の場所で採用された方法論に従って、実験室および現場条件での前進動作速度の影響を受けるものとして分析されました19、22、24。

地元の農業供給業者から購入したニンジン種子から、コーティングされていないニンジン種子 (時田黒田ニンジン種子) 2.2 g 1000–1 種子 100 個のグループをランダムに選択しました。 これらのサンプルは実験室で測定され、結果の値が記録されました (表 1)。 測定は、それぞれの感度値が 0.005 mm および 0.01 g のノギスおよびデジタル秤量天秤を使用して行われました。

ニンジン播種機の設計目標では、各丘に植える種子の数、農場の規模と地形による可搬性、列の数、現在農家で行われている列と丘の間の距離など、いくつかの側面が考慮されました。 丘に配置される種子の設計数は、推奨される植物密度に基づいて計算された 6 種子を超えてはなりません10。 列と丘の間の間隔は、それぞれ 5.0 cm と 17.0 cm に設定されました。 さらに、農家が次の農場またはテラスに移動するために播種機を手で運ぶ必要がある農場の規模と地形条件を考慮すると、播種機の総重量は農家の運搬能力に一致する必要があります。 したがって、設計重量は 12.0 kg を超えてはなりません。

シーダーの計量コンポーネントは、ホッパーと計量装置の両方として機能するシリンダーです (図 1 および S3)。 シリンダーには、種子を収集し、指定された放出ポイントを介して地面に散布する種子セルとして機能する一連の穴が円周上にあります。 計量シリンダーの周囲には 7 つのシードセルがあります。 シードセルは、以下に詳述するように、2 ～ 6 個のシードを収容できるように設計されています。 計量シリンダーの周囲には、その周囲の 4 分の 1 をカバーするストラップが設けられており、これが種子ストッパーとして機能し、種子が意図したタイミングで地面に落ちるようにします。 種子排出点はシリンダーの上部に配置されているため、種子セル内の余分な種子は排出点に到達する前にシリンダーの底部に戻ります。

特徴を備えた計量アセンブリの概略図。(A) ボルトを通してストラップとシリンダーを保持する剛性フレーム。 (B) シリンダーのロック機構。 (C) 計量シリンダー。 (D) 計量シリンダーが回転するシャフト。 (E) 地面に落ちようとしている種子を示すストラップの穴放出ポイント。 (F) 種子セルからの余分な種子はシリンダー内に戻ります。 (G) ストラップ。 (H) 45°に傾斜したシードセル。 (I) 排出された種子。

傾斜角度、直径、および高さに関する種子セルのサイズは、それに含まれる種子の望ましい数、つまり 2 ～ 6 個の種子に関連して設計されました。 種子セルの体積は、6 個のニンジン種子の予測体積に基づいて計算されました。これは、セルに含まれる種子の最大量です。 セル内のシードの可能な方向を考慮すると、出口点でシードがシリンダーから落ちるか落ちないかのシナリオは、図 2 に示す平衡状態によって示されます。使用したシリンダーは、PVC パイプで、直径10.16cm、有効長さ25cm、厚さ0.05cm。 ストラップは柔軟な透明プラスチックを使用した。

製造された計量シリンダーの概略図。排出点でシードセルから落ちようとする種子に焦点を合わせているシードセルと、それに伴う種子に作用する力を示しています。 W、ニンジンの種の重量。 N、傾斜に垂直に作用する垂直抗力、Ff、計量シリンダーに対するシードの摩擦力。

種子がシリンダーから落ちる指定された点で、種子の落下に影響を与える可能性のある力を考慮すると、種子セルの傾斜角を推定するための作業方程式が得られます (式 1)。

ここで、 \({F}_{c}\) は円柱の回転による遠心力、 \({F}_{f}\) はシードの滑りを妨げる摩擦力、 \(\theta\) はシードセルの傾斜角、\(\mu\) は円柱上のシードの静摩擦係数 (SFC)、\(m\) はシードの質量、\(g\) は加速度重力のせいで。 シードがシリンダーから自由にスライドするのに最も好ましい状態は、摩擦力が最小のときです。 この力は、シード セルの傾斜角を増やすことで変更できます。 以前に出版された作品に適合する SFC を決定するために、調整可能な傾斜を持つ平面が使用されました 26,27。 実験では 50 個の種子のセットを使用しました。 各種子をポリ塩化ビニル材料で作られた平面上に置き、種子が滑り始めるまで平面を水平位置から徐々に傾けた。 種子が滑り始めた角度を傾斜角度として記録した。 摩擦係数と角度は式(1)を使用して計算されました。 2 Kalinewicz らによって採用されたもの 28

傾斜角 \(\theta\) は、シード セルの重要な設計パラメータです。 これは、細胞自体からの定期的なシードの落下に影響します7。 シード セルの直径 \(d\) は、シードを斜めまたは垂直の位置にロードできるように、シードの長さよりわずかに大きくなければなりません。 シードセルの傾斜高さ \(sh\) は、計量シリンダーの厚さと傾斜角 \(\theta\) の関数です。 90 度では、 \(sh\) は円柱の厚さと同じですが、角度が 90 度より低くても高くても、傾斜の高さは増加し始めます。 \(sh\) が小さい場合、セルの一部がハングしている場合でも、セルはシードを読み込むことができます (図 3A)。 このシナリオの種子は、その長さの大部分が種子セル内にある限り、回転中に計量シリンダーによって排出ポイントまで運ぶことができます。 そうしないと、種子がホッパー内に戻ってしまいます。 シリンダーの厚さが薄すぎると、シードセルはシード、特に傾斜した位置にあるシードをロードできない可能性がありますが、垂直位置にあるシードは引き続きロードできます。 ただし、セルにロードされるときにシードが常に直立した位置にあるとは限りません。 そのため、斜めの姿勢で積載される場合があります。 シード セルの傾斜高さが小さすぎる場合のこの荷重シナリオは、丘の欠落につながる可能性があります。

種子セルへのニンジン種子の考えられる種子装填シナリオ。(A) 種子は斜めの位置でセルに装填されます。 (B) シードは垂直位置でロードされます。 (C) より厚いシードセル。

種子細胞のサイズは、特にニンジンの種子のサイズが均一ではないため、重要な考慮事項です。 最適な条件を得るために、種子セルの設計では、サンプルから採取したニンジン種子の最大サイズを考慮しました。 特にシードがセルにぴったりと取り付けられている場合、放電効率に影響を与える可能性のある目詰まりを回避するために、シードサイズを基準にしてシードセルのサイズに余裕を持たせることが考慮されました。 これは、シード セルが必要な最小数の大きなサイズのシードをロードできなければならないことを意味します。 したがって、シードが平均サイズより小さい場合、シード セルは一度により多くのシードをロードできる可能性があります。 これらの前提から、推奨植物密度 6 kg ha-110、種子の発芽率 5 ～ 10 kg ha-11、丘と列の間隔を考慮すると (図 S1)、計算では丘あたり 6.0 個のニンジンの種子で十分であることがわかります。補足資料の第 2 節に示されているとおり。 地元の農家からも、丘ごとに少なくとも 6 個の種子を植えることができるという同様の提案が得られました。 次に、最大 6 個の種子を収容できるようにシード セルのサイズが選択され、これも実験室で検証および調整されました。

シードセルの直径もシードの長さよりわずかに大きくなければなりません。 直径が大きすぎる場合、シードセルがより多くのシードをロードする可能性が高くなり、各丘にドロップされるシードの平均数が変動する原因となります。 シードがセル内の垂直位置に装填されると、別のシードを収容できるスペースができる可能性があります (図 3B)。 ただし、このスペースが小さすぎて別の種子をサポートできない場合、余分な種子はシリンダーに戻ります。 種子を常に斜めの位置でセルに装填する場合、直径は種子の幅よりわずかに大きい必要がありますが、種子の装填位置は規制されていないため、これは不可能です。 そうしないと、丘を見逃す原因になります。 円柱の厚さはシード セルの傾斜の高さに影響するため、シードの平均長さよりも少し小さくする必要があります。 厚さが厚くなると、シードが斜めの位置にある場合でも、セルはより多くのシードをロードできるようになります (図 3C)。

図4に示すシードセルのサイズは、セルの直径d、セルの傾斜高さまたは深さ\(sh\)で構成されます。\(\theta\)で傾いているか、これはシードが細胞の表面から滑り始める角度。 傾斜角の値が大きいほど、シードがシード セルから素早くスライドまたは脱出するのに適しています。 円柱の厚さは、外側半径 \(R\) と内側半径 \(r\) の差です。

変数には、種子細胞のサイズ、種子細胞の直径、d が含まれます。 シードセルの深さまたは傾斜高さ、sh; 種子が種子細胞表面から滑り始める角度である傾斜角、θ。 内側半径、r; そして外側の半径、R.

余弦の法則を適用すると、図 4 に示すシード セルの寸法の関係は式 4 で与えられます。 (3):

シードセルの寸法は、シードの充填効率に影響します。 傾斜高さ \(sh\) の値は、実験的に決定された 3.8 mm (表 1) の平均種子長さ \(l\) を超えてはなりませんが、種子の大部分を収容できる十分な大きさでなければなりません。種子室への落下を避けてください。 傾斜の高さは、他の場所で開発されたアプローチに従って、この条件に合わせて設計されました29。 この研究では、傾斜高さの制限はシードの長さの 50 ～ 80% に設定されました。

同様に、シードセルの直径 \(d\) は次を使用して計算されました。

円筒形計量ドラムの厚さ \(t_{c}\) は、式 (1)、(2) を代入して決定されました。 (1)、(4)、および方程式。 (5)～(3)：

計量シリンダー内の種子セルの数は、地面上の種子の丘の間の間隔の関数であり、式 1 を使用して決定されます。 （7）。

ここで、\(n\) は計量シリンダーの周囲のシードセルの数、\(D_{c}\) は計量シリンダーの直径 (\(cm\))、\(i\) はホイール間の伝達率です。 \(HS\) はニンジンの丘間の推奨間隔で、17.7 cm です。

計量シリンダーの直径も、その最適な等価線速度に関連して決定されました。 直径が小さいと、計量シリンダーの回転速度が速くなり、種子が損傷する可能性があり、種子の「雪崩」30 運動が誘発され、種子セル上の種子層の高さが不規則になり、種子に十分な時間が与えられなくなる可能性があります。シードセルにロードされます。 また、シリンダーのサイズは、植え付け作業中の種子の補充頻度に関係する、種子の量を保持する容量に関係します。 計量シリンダーが小さいために頻繁に補充が行われると、シーダーの植付能力に影響を与える可能性があります。 この研究では、シリンダーの最大充填容量はその体積の 80% に設定されました。 丘の間隔が 17.7 cm、列の間隔が 5.0 cm の 0.5 ヘクタールに基づいて、種子セルが丘ごとに植えることができる最大種子数 (6 種子) を考慮すると、計量シリンダーには約 34,000 の種子を運ぶ必要があります。埋め戻しは作付面積の 0.5 ヘクタールごとにのみ行われます。 シリンダー内の種子の体積と計量シリンダーの体積は、式 (1) によって関係付けられました。 (8)と(9)。 この計算で使用した種子の質量には、0.5 ヘクタールに植えた後に残った少数の残留種子 (20.0 g) が含まれていました。 これは実際的な誤差のマージンを提供し、0.5 ヘクタールの生産能力を最後まで播種機の良好なパフォーマンスを確保するためです。

ここで、 \(V_{s}\) は計量シリンダー内のニンジン種子の最大体積、 \(m_{s}\) は計量シリンダー内のニンジン種子の測定された等価質量、 \(\rho\) です。はニンジンの種子の同等のかさ密度です。

計量シリンダーの実際の体積を、それに含まれる種子の最大容量との関係で考慮すると、式 (1)、(2)、(1) のようになります。 (8) と (9) の結果は式 1 になります。 (10)。

一方、シリンダの線速度は式(1)で与えられます。 (11)

ここで、\(v_{c}\) は最外周で測定された計量シリンダーの線速度、\(D_{c}\) はシリンダーの直径、\(t\) は回転に関連する時間です。計量シリンダーの。 さらに、シリンダを回転させるのに必要な力の量は、シリンダとストッパとの間に生じる摩擦に打ち勝つときにシーダのハンドルを介してシリンダを回転させるために及ぼされる必要がある力の推定値を与えるものであり、式１〜３によって関係付けられる。 (12) と (13)。

ここで、 \(F\) は計量シリンダーを回転させるのに必要な力、 \(m_{mc}\) は計量コンポーネントの質量、 \(g\) は計量シリンダーの加速度、 \(Fr\) は計量シリンダーの表面とシードストッパーの間に生じる摩擦力、\(N\) は計量シリンダーの表面に垂直に作用する垂直抗力、\(\μ\) は計量シリンダーとシードストッパーの間に発生する摩擦係数です。シードストッパー。 シリンダーを回転させる力の大きさが摩擦力に等しいことを考慮すると、シリンダーの加速度に関する有用な関係が式 (1) に導入されます。 (14)。

計量シリンダーの加速は、式 1 で定義される時間の経過に伴う初期速度と最終速度にさらに関係付けることができます。 (15)

ここで、 \(v_{f}\) は計量シリンダーの最終速度であり、これは単なる動作速度です、 \(v\)、 \(v_{o}\) は計量シリンダーの初速度です。回転開始時のゼロ、\(t\) は計量シリンダーの回転時間であり、通常は 1 回転と見なされます。 関連する方程式 (14) ～ (15) は、式 (14) の計量シリンダーの直径をさらに詳細に示します。 (16)。

方程式を組み合わせる (13) と (16) は次のようになります。

計量シリンダーの体積と直径に関して式 (17) を表現すると、式 (17) が得られます。 (18)。

最後に、線速度と摩擦係数に関連するシリンダーの直径は、式 (1) で与えられます。 (19)。 シリンダーの長さは、播種機の幅の基準となる植物床の標準幅によって定義されます。

円筒形のドラム、種子コンパートメント、ストラップ、車軸、およびフレームで構成される計量アセンブリを図 5 に示します。各種子列の種子を保持するためのコンパートメントがシリンダーの内側に設けられています。 シードストッパーとして機能するストラップは、厚さ 0.2 cm、幅 2.50 cm の透明なフレキシガラスで作られました。 ストラップは4本用意され、ボルトとナットを使ってフレームに固定されていました。 ガートネジを使用してロックされた取り外し可能なカバーが提供されており、手術後に種子を補充したり、余分な種子を除去したりできます。

ニンジン播種機の計量アセンブリの概略図。 (A) 種子コンパートメント。 (B) 図 4 に示した種子排出穴。 (C) ボルトとナットを使用したフレームアセンブリ。 (D) 円柱の周囲の種穴。 (E) 種子の装填および余分な種子の除去のための取り外し可能なカバー。 (F) 取り外し可能なカバーをロックするためのロックコンポーネント。 (G) 計量シリンダーが回転する軸。

計量アセンブリは完全な播種アセンブリ (図 6) に取り付けられ、この研究での評価の対象となりました。 ゴム製の胴回りが 4 つあり、前部のシリンダー上で転がされ、種子を植える溝切りとして機能します。 これらの周囲の幅は 2.54 cm、厚さは 3.0 cm で、シード セルと位置合わせされています。 胴回りが取り付けられているシリンダーは、バランス部品として機能するだけでなく、溝の深さを均一に維持するのに役立ちます。

この研究で製造およびテストされたニンジン播種装置。(A) 図 3 に示す計量アセンブリを示します。 (B) 溝の開口部の深さを制御するためのホイールを備えた溝オープナー。 (C) 回転運動をホイールから計量アセンブリに伝達するチェーンとスプロケットのアセンブリ。 (D) 製作したニンジン播種機の実際の写真。

シーダーは、各処理を 3 回実行して、さまざまな動作速度で評価されました (表 2)。 速度は、7 人のオペレーターがそれぞれの「通常の速度」でシーダーを操作することによって選択されました。 すべての農家が同じ速度を使用するわけではないため、異なる操作者が異なる操作速度で操作した場合に播種機の性能が維持されるかどうかをテストするために、さまざまな操作速度が評価されました。 テスト中、オペレーターはまず苗床の最初の 2.0 m で播種機を操作して速度を安定させ、その後タイマーが開始されました。 各テストの継続時間を計測し、速度の計算に使用しました。 ニンジン種子生産用の実際の植物床を模倣した長さ 1000.0 cm、幅 75.0 cm、高さ 14.0 cm の箱が使用されました。 他の場所で説明されているように、種子が計量シリンダーから落ちるときに跳ね返るのを避けるために、箱の表面はグリースでコーティングされていました6、12。 圃場評価は、手作業で耕起して高苗床を形成した畑地の土壌条件で実施した。 農業機械試験評価センター (AMTEC) によると、土壌の水分含量は 32.99%、かさ密度は 903.32 kg m3 でした 31。

ヒルドロップの均一性は、他の場所で説明されている方法に従って分析されました7、20、32、33。 Ryu7、Kim、Topakci et al.33 によって記載された方法に従って、丘の中の種子の中心位置と丘の間の距離が測定され、種子の位置、分散比、および散乱距離比 (SDR) を決定するために使用されました。これは式を使用して計算されました。 (7) から式 (7) (10)。 丘に散布された種子の位置は、最初に丘に落ちた種子を基準にして測定されました。 シードの位置は \(X_{i, j}\) として割り当てられます。ここで、添字 \(i\) と \(j\) は \(ith\) 丘内の \(jth\) シードを示します (図 7)。 。

播種された種子の概略図。丘に落ちた最初の種子 (Xi,1) および丘の種子に内接する最大の円で示される丘の中心に対する各種子の位置を示します。

各丘に堆積した種子の丘中心は、水平面上で丘内のすべての種子に内接する円の中心を取ることによって測定した。 これは、丘に落ちた最初の種子間の距離を測定することによって簡略化されました。 \({\text{i}}th\) の丘にあるシードの丘の中心 \(C_{i}\) は、式 1 を使用して計算されました。 (20)。

ここで、 \(n_{i}\) は \(ith\) の丘に置かれた種子の数の合計です。 \(ith\) の丘内のシードの距離は、計算された丘の中心 \(C_{i}\) までの \(X_{i,j}\) と、その後の丘間の距離との比率 \ で表されます。 (S_{i}\) は、式 (1) を使用して計算されたシードの位置です。 (21)。

丘にシードを堆積する際のシーダーのパフォーマンスも、散乱距離比 (SDR) を使用して説明され、式 1 を使用して計算されました。 (22) と (23)。

ここで、 \(\sigma \left( {SP} \right)\) はシードと丘の中心の間の測定された距離の標準偏差、 \(m\) は丘の総数です。 丘間の間隔の変動係数は、方程式を使用して計算されました。 (24) と (25)。

ここで、 \(SD\) は標準偏差、 \(\overline{x}\) は列内の 2 つの連続する丘の間の理論上のシード間隔 (17.7 cm)、 \(x_{i}\) はそれらの間の測定された距離です。 \(N\) は測定された距離の合計数、\(CV\) は変動係数です。

シーダーとプランターの仕様とテスト方法に関して、農業機械試験センター (AMTEC) とフィリピン農業技術基準によって提供されたガイドラインも、シーダーの現場評価中に遵守されました (図 8)。

フィリピン大学ロスバニョス校農業機械試験評価センター（AMTEC-UPLB）が実施したニンジン播種機の野外試験。

各丘の種子の数、丘の中心、丘間の間隔、見逃した丘の割合、および散乱距離比に関する記録データは、分散分析 (ANOVA) を使用して分析されました。 LSD は、パフォーマンス パラメーター内で大きく異なる平均値を決定するために使用されました。

各丘に植えられた種子の平均数、各丘に散在または植えられた種子の平均丘中心、散乱距離比 (SDR)、平均丘間隔、および見逃した丘の割合に関するニンジンシーダーの性能は、7 で評価されました。動作速度のレベル。 これらのパラメータは、平均化、SD、CV、分散分析を考慮して分析されました。 ヒルセンターとミスヒルの割合は、動作時の前進速度に大きく影響されました (表 3)。 ただし、丘ごとにドロップされた種子の平均数、平均丘間隔、見逃した丘、および散乱距離比は、動作速度に関して統計的に有意な関係を示さなかった。

各丘に堆積した種子の平均数は 2.8 ～ 4.0 の範囲であり (表 4)、これは丘あたり 2 ～ 6 種子という望ましい種子数の範囲内です。 同様に、平均排出種子数は、（財）農業機械試験評価センターによる試験成績書第2020-044834号および試験成績書第2021-002531号による同一播種機の評価結果に準拠した。 分散分析により、すべての前進速度における各丘の種子の平均数の差は、高速になると減少するものの、統計的に有意ではないことが示されました。 これは、シード セルの設計が、統計的に均一な数のシードをロードするのに効果的であり、すべての速度で同様にターゲットのシード数内にあることを示しています。 変動係数によって測定された各丘に堆積した種子の数は、70 cm s-1 の速度で最も高く (43.62%)、48 cm s-1 では 21.7% まで徐々に減少しました。

34 cm s-1 では、CV が 37.44% に増加することが観察されました。 速度が比較的遅いため、ホッパー内の種子は、シリンダーの円運動で発生する撹拌力がニンジンの種子を種子セルに流入させるのに十分ではないような挙動を示した可能性があります。 一方、より低い CV が観察されたわずかに高い速度では、その速度によりシード間に十分な振動が生じ、セルがシードをロードできるようになった可能性があります。 37.11 および 43.62% という高い CV を伴う 70 および 89 cm s-1 のような比較的高速では、高速によりホッパー内の種子が「ボンバード」動作で移動し、セルの装填時間が短縮された可能性があります。十分な。 もう1つの要因は、ニンジン種子の毛深いコーティングであり、クラスター化を引き起こし、これも種子細胞の種子積載能力に影響を与えている可能性があります4。

丘の中心の平均値は動作速度に応じて変化しました (p < 0.05)。 具体的には、速度 70 から 34 cm s-1 までの丘の中心は統計的に同じで、値の範囲は 0.99 ～ 1.6 cm でした (図 9)。

ニンジン種子の丘の中心に対する異なるレベルの動作速度(cm s−1)の影響。 異なる文字の動作速度は、丘の中心での有意な差 (p < 0.005) を示します。

89 cm s-1 では、丘の中心が 3.08 cm まで劇的に増加しました。これは、種子が他の速度と比較してこの速度でより分散することを示しています。 ニンジンの種子のグループが種子の排出点から落下する動きは、種子が均一な経路で動作するかどうかの主な考慮事項である自由落下体の法則に支配されます。 原則として、2 つの種子が同じ起源 (この場合は種子細胞) から同時に落下した場合、それらが同じ質量を持っていると仮定すると、それらは同時に、おそらくは次の時刻に地面に到達すると予想されます。同じ着陸位置。 ただし、ニンジンの種子はサイズが小さく、質量が異なるため、各種子の落下動作は他の種子と同じではありません。 さらに、シード セル内のシードの構成は充填パターンに従い、一方のシードが他方のシードより先に落下する必要があります。 これは特に大きな種子の場合に顕著です。 これらのシナリオと速い前進速度の組み合わせの効果により、丘の中心の値がより高くなることを説明できます。 全体として、前進速度が低下するにつれて、丘の中心は改善されます。 この観察は、Karayel9 の発見によって裏付けられています。 移動物体から落下する種子を支配する空気力学を使用して、この観察をさらに検証することができるかもしれません。

平均丘の中心の変動係数は、速度に関して顕著な傾向を示しません (表 5)。 各丘に堆積された種子の数は、あらゆる速度での丘の中心の大きな変動に影響を与えた可能性があります。 これに影響を与える要因の 1 つは、ニンジンの種のサイズがさまざまであり、場合によっては丘に数個の種しか植えられていないこともありました。 目視検査すると、種子の少ない丘には、平均サイズより大きいサイズの種子が含まれているように見えました。 より多くの種が蒔かれた丘もありました。 これらの丘の種子は、ニンジンの種子の平均サイズよりも小さいように見えることが視覚的に観察されました。 種子のサイズに関するデータは、今後の研究でまだ検証される必要があるかもしれません。 同じ観察が Gaikwad と Sirohi によって報告されました 35。 さらに、これらの小さな種子は、大きな種子と比較してより高い丘の中心によって示されるように、より広い範囲に散在しており、それらは互いに近くに集まっていました。

平均丘間隔と動作速度は、速度に関して統計的な関係を示しませんでした (図 10)。 動作速度の影響を受けた丘間隔の変動係数を表 6 に示します。変動係数は、89 cm s-1 の動作速度で大幅に増加しました。

ニンジン播種機による列に沿ったニンジン種子の堆積の山間の間隔に対する、さまざまなレベルの動作速度 (cm s−1) の影響。

丘間隔のより低い変動係数は、70 cms-1 以下で得られました。 丘の間隔の均一性の低下は、以前の研究で説明されているような要因による可能性があります。 高い操作速度での計量シリンダーの高速化により、種子が不規則に分配される可能性があります。 同様に、Karayel と Özmerzi9; Topakci et al.32; Karayel33 は、播種機の丘落としの均一性が種子の計量速度が速い場合に最も異なることを観察しました。 速度を上げると丘の間隔が大きく変動するという同じ観察が Badua らによって報告されています 36。Pareek らは 5、シーダーの間隔の CV は前進速度が上がると大幅に増加すると結論付けています。 シーダーでテストした 4 つの前進速度の中で、最も高い CV (25.55%) は 33 ms-1 の最速速度で観察されました。 Virk ら 37 は、2 つの異なるタイプのシーダーを 15.4 ～ 43 RPM、CV 26.1 ～ 36.4% の範囲の 20 レベルのメーター速度で評価した結果、メーター速度の増加によりシード間隔の均一性が低下すると付け加えています。それぞれ。 さらに、高速化によりシリンダー内の種子が振動し、種子が跳ね返り、地面に散布される種子の変動に影響を与える可能性があります。 同様の結果が Mangus らによって報告されています 38。つまり、植栽速度が速くなると植物の間隔の変動が増加するということです。

播種機の動作速度 34 ～ 61 cm s-1 の散乱距離比 (SDR) は 17.74 ～ 28.10% であり、ニンジンの小山落としには十分でした (図 11)。

ニンジン播種機による列に沿ったニンジン種子の散乱距離比に対する、さまざまなレベルの動作速度 (ms−1) の影響。 異なる文字の動作速度は、SDR での有意な差 (p < 0.005) を示します。

これは、34 ～ 61 cm s-1 では、各丘に堆積された種子の散乱が少なく、播種機がすべての丘に均一な面積範囲で種子を堆積できたことを示しています。 これらの速度での SDR は 30% 未満であり、Ryu と Kim7 が動作速度 20 ～ 90 cm s-1 でテストしたローラーシーダーよりもはるかに優れており、SDR 値は 76 ～ 115% でした。 それにもかかわらず、ニンジンシーダーの飛散距離比は、70 cms-1 と 89 cms-1 でそれぞれ 31.6% と 44.97% が記録されるなど、より高い動作速度では低下するため、種子落下の影響は重要な要素と考えられる必要があります。 動作速度が高くなると、種子の落下速度と軌道が不規則になりました。 動作速度の増加により、播種機の移動方向に移動する種子の速度が増加し、それに伴って丘の距離の均一性が低下し、飛散距離の比率が増加しました。

動作速度の増加は、播種機が一定の間隔で種子を堆積する能力に大きな影響を与えました (p < 0.05) (表 7)。 スキップは 70 cm s-1 で発生し始め、ニンジン播種機が丘の 5.55% に種子を堆積できませんでしたが、89 cm s-1 では 16.67% に増加しました。 シード セルが高速でシードをロードできない状況は、回転中にセルにシードをロードするのに十分な時間がなかった可能性があります。 Singh et al.19; Yazgi と Degirmencioglu21 も同様の観察結果を報告しました 19,21。 Kumar et al.30は、円筒形ドラムの高速回転により種子が雪崩を起こし、高速回転により遠心力が発生して種子が種子セルの外に逸れる可能性があると主張した。 最高のミス指数 22.0% は、播種ディスク 39 の最高速度で発生しました。 Kowalzuk et al.40 は、実験室での播種ディスクのさまざまな周速の中で、最高速度 (42 cm s-1) では 13.6% のスキップが観察され、最低速度 (23 cm s-1) では 7.8% のスキップが記録されたと報告しました。 −1)39．

これらの丘の欠落は、これらの速度での丘間の平均間隔が、70 cm s-1 未満の動作速度での丘の間隔よりも高く、平均値がそれぞれ 19.94 cm と 23.46 cm であり、平均して 22.62% 大きい理由を説明しています。設計上の丘間隔 17.7 cm よりも大きくなります。 70 cm s-1 未満の操作速度では、すべての丘に種子を落とすことができました。

この研究では、ニンジン播種機の設計、製造、テストが成功しました。 シーダの性能に対する動作速度の影響を評価した結果、シーダはすべての速度で 2 ～ 4 個のシードを堆積することができ、これは 1 丘あたり 2 ～ 6 個のシードという設計目標の範囲内であることがわかりました。 丘の中心と丘の間隔の変動係数は、89 cm s-1 の最高動作速度で大幅に増加しました。 70 cm s-1 以下の動作速度でのヒル中心は、0.9 ～ 1.6 cm の範囲の値であり、89 cm s-1 での 30.8 mm よりも統計的に低くなります。 これは、最高速度で植えられた種子は、70 cm s-1 の動作速度で滴下された種子と比較して、種子が互いに近く、丘の中心が低くなり、より広い範囲に散布されることを示しています。 一方、丘間の間隔は 17.9 ～ 23.4 cm の範囲の値で動作速度の影響を受けませんでした。 播種機は、この範囲内で丘間の均一な間隔を維持しました。 70 cm s-1 未満の動作速度では、丘の見逃しは観察されませんでした。 動作速度 34 ～ 61 cm s-1 の散乱距離比は 17.74% ～ 28.09% でした。 この範囲は、ニンジンの種子を丘から落とすのに十分です。

この研究で使用されたデータは、要求に応じて責任著者に提供されます。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29356-8

変動係数

ミーンヒルセンター

摩擦力

ホイールと計量シリンダー間の伝達率

重力による加速度

シードの長さ

シリンダーの長さ

種子塊

計量コンポーネントの質量

丘の中の種子の総数

計量シリンダの内径

計量シリンダの外径

飛散距離比

標準偏差

シードセルの傾斜高さ

丘間の距離

ニンジンの種の厚さ

シリンダーの厚み

定量シリンダーの容積

計量シリンダー内のニンジン種子の最大量

ニンジンの種の幅

\(j{\text{th}}\) の丘における \(i{\text{th}}\) のニンジンの種の位置

静摩擦係数（SFC）

シードセルの傾斜角

丘間の理論上の間隔

丘間の距離の標準偏差

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APC はヴロツワフ環境生命科学大学との共同出資を受けています。 ニンジン播種機の研究開発は、技術応用促進研究所 (DOST-TAPI) 傘下の科学技術省によって財政的に支援されています。

APC はヴロツワフ環境生命科学大学から資金援助を受けました。 さらに、この研究は科学技術省技術応用推進研究所から資金援助を受けました。

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ジェフリー・A・ラバリアス

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MV - 原稿の初稿の準備。 MTV、AB、AJ、JL、DC、DK - シードメカニズムの概念化。 AJ と DK の方程式の作成。 AJ および DV、AB、DC、および DK - 結果の改訂、分析、および解釈。 AB は出版資金の提供を担当します。 著者全員が原稿をレビューしました。

マービン・T・バレンティンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事のオリジナルのオンライン版は改訂されました: この記事のオリジナル版では、Andrzej Białowiec は誤って「Department of Agriculture Engineering and Safety, Vytautas Magnus University, Agriculture Academy Studentu 15A, 53362, Akademija, Kaunas Reg., Lithuania」に所属していました。 。 正しい所属はここにリストされています: ヴロツワフ環境生命科学大学、応用生物経済学部、25th Norwida Str. 51-630、ヴロツワフ、ポーランド。

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転載と許可

Valentin, MT、Białowiec, A.、Karayel, D. 他ニンジン播種機の円筒ホッパーと計量装置の性能調査。 Sci Rep 13、813 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25798-8

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受信日: 2022 年 1 月 20 日

受理日: 2022 年 12 月 5 日

公開日: 2023 年 1 月 16 日

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

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