پیش بینی و بهینه سازی نیروی کشش و خردشدگی خاک توسط گاوآهن دوار به کمک روش سطح پاسخ

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

2 دانشیار گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

3 نویسنده مسئول، استادیار گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

4 کارشناس گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: اندازه کلوخه‌ها از نظر کیفیت خاک‌ورزی و حفاظت از خاک و جلوگیری از فرسایش به همراه میزان مصرف انرژی در آماده‌سازی بستر بذر از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشند. هدف از این مطالعه اندازه‌گیری نیروی کششی مورد نیاز گاوآهن دوار و میزان خردشدگی خاک در اثر متغیرهای سرعت پیشروی، سرعت دورانی محور گردنده و وضعیت درپوش گاوآهن در شرایط مزرعه‌ای به منظور پیش‌بینی مقادیر اندازه‌گیری نشده و بهینه‌یابی متغیرهای خروجی جهت کاهش فرسایش خاک می‌باشد.
مواد و روش‌ها: آزمایش‌های مزرعه‌ای در قالب طرح بلوک کامل تصادفی به صورت فاکتوریل با 3 تکرار انجام گرفت. هر بلوک به 27 کرت‌ به عرض 3 متر و طول 20 متر تقسیم شد. اثر سه متغیر در ورودی شامل سرعت دورانی گاوآهن دوار در سه سطح (150، 200 و 250 دور بر دقیقه)، سرعت پیشروی تراکتور در سه سطح (3، 4 و 5 کیلومتر بر ساعت) و وضعیت قرارگیری درپوش در سه سطح (بالا، وسط و پایین) بر نیروی کششی مورد نیاز گاوآهن و میانگین قطر وزنی ذرات خاک به عنوان متغیر وابسته بررسی شد. نیروی کشش بر اساس روش دو تراکتوری اندازه‌گیری شد و میانگین قطر وزنی خاک‌دانه‌ها با استفاده از الک‌های با مش‌بندی 10، 4، 36/2، 4/1، 1، 5/0 و 18/0 میلی‌متر انداز‌گیری شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داده است که اثر سرعت پیشروی، سرعت دورانی گاوآهن و وضعیت درپوش بر نیروی کشش و خردشدگی خاک معنی‌دار می‌باشد. وضعیت درپوش بیشترین تأثیر را بر نیروی کشش و خردشدگی خاک داشته است. هرچه درپوش پایین‌تر و سرعت پیشروی و سرعت دورانی محور گردنده بیشتر تنظیم شدند، نیروی کشش افزایش یافته است. به علاوه، پایین بودن درپوش، کاهش سرعت پیشروی تراکتور و افزایش سرعت دورانی گاوآهن، خردشدگی و در نتیجه فرسایش خاک را به شدت افزایش داده است. بیشترین نیروی کشش در وضعیت درپوش پایین، سرعت پیشروی 5 کیلومتر بر ساعت و سرعت دورانی250 دور بر دقیقه به میزان 657 نیوتن بدست آمده است. کمترین میانگین قطر وزنی خاکدانه‌ها در وضعیت درپوش پایین، سرعت پیشروی 3 کیلومتر بر ساعت و سرعت دورانی 250 دور بر دقیقه به میزان 5 میلی‌متر بدست‌ آمده است. همچنین نتایج نشان داده است که روش منحنی سطح پاسخ توانایی بالایی در مدل‌سازی نیروی کشش گاوآهن دوار (ضریب تبیین=96/0) و خردشدگی خاک (ضریب تبیین= 99/0) دارد.
نتیجه‌گیری: در محدوده مورد مطالعه، وضعیت قرارگیری درپوش گاوآهن بیشترین تأثیر را بر نیروی کشش و خردشدگی خاک داشت. نتایج حاصل از بهینه‌یابی همزمان نیروی کشش 600 نیوتن و میانگین قطر وزنی خاکدانه‌ها 5/7 میلی‌متر، 9 راه حل را در محدوده مورد مطالعه معرفی کرد که بهترین راه حل بیانگر نقطه بهینه در سرعت پیشروی 82/4 کیلومتر بر ساعت، وضعیت درپوش پایین و سرعت دورانی 2/170 دور بر دقیقه با رضایتمندی 979/0 می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Prediction and optimization of the draft force and soil fragmentation by rotary plow using the response surface methodology

نویسندگان [English]

  • Amir Hossein Yavari 1
  • Seyedreza Mousavi Seyyedi 2
  • Mohammad Askari 3
  • Ramzan Hadipour Rokni 4
1 M.Sc. Graduate of Biosystems Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran
2 Associate Prof., Dept. of Biosystems Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari, Iran
3 Corresponding Author, Assistant Prof., Dept. of Biosystems Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
4 Educational Group Expert, Department of Biosystems Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
چکیده [English]

Background and purpose: The size of the clods is of great importance in terms of tillage quality and soil protection and erosion prevention along with the amount of energy consumption in seed bed preparation. The purpose of this study is to measure the draft force required by the rotary plow and mean weight diameter (MWD) due to the independent variables of the forward speed, the rotational speed and the plow cover position in field conditions and training the design expert software of the response surface methodology (RSM) section to predict the unmeasured values and optimize the output variables in order to reduce soil erosion.
Materials and methods: Field experiments were conducted in the form of a randomized complete block design (RCBD) with 3 replications. Each block was divided into 27 plots with a width of 3 meters and a length of 20 meters. The effect of three input variables, including the rotational speed at three levels (150, 200 and 250 rpm), the forward speed of the tractor at three levels (3, 4 and 5 km/h) and the position of the cover at three levels (top, middle and bottom) on the draft force required by the rotary plow and the MWD of soil as dependent variables. The draft force was measured based on the two-tractor test method and the MWD of the soil was measured using sieves with 10, 4, 2.36, 1.4, 1, and 0.5 and 0.18 mm meshes.
Findings: The results showed that the effect of forward speed, rotational speed of the plow and the cover position on the draft force and soil fragmentation are significant. The cover position had the greatest effect on the draft force and soil fragmentation. As the bottom position of cover and the forward speed and rotational speed of the plow were adjusted high, the draft force increased. In addition, bottom position of cover, reducing the tractor speed and increasing the rotational speed of the plow, greatly increased the fragmentation and as a result the high soil erosion. The highest draft force in the bottom cover position, the forward speed of 5 km/h and the rotational speed of 250 rpm is 657 newtons and the lowest MWD in the bottom cover position, the forward speed of 3 km/h and the rotational speed of 250 rpm It was obtained in the amount of 5 mm. Also, the results showed that the response surface methodology has a high ability in modeling the darft force of rotary plow (R2=0.96) and soil fragmentation (R2=0.99).
Conclusion: In the studied range, the position of the plow cover had the greatest effect on the darft force and soil fragmentation. The results of the simultaneous optimization of the draft force of 600 newtons and the MWD of 7.5 mm introduced 9 solutions in the studied range, and the best solution represents the optimal point at the forward speed of 4.82 km/hr, the bottom cover position and the rotational speed of 170.2 rpm with a satisfaction of 0.979.

کلیدواژه‌ها [English]

  • rotary tiller
  • clods mean weight diameter
  • draft force
  • tillage
  • soil fragmentation

مراجع

1.Liu, Z., Cao, S., Sun, Z., Wang, H., Qu, S., Lei, N., & Dong, Q. (2021). Tillage effects on soil properties and crop yield after land reclamation. Scientific Reports, 11 (1), 1-12.
2.Shinoto, Y., Matsunami, T., Otani, R., & Maruyama, S. (2020). Effects of tillage on growth, yield and root lodging of six maize hybrids in upland fields converted from paddy fields in Andosol. Plant Production Science, 23 (1), 39-47.
3.Askari, M., Komarizade, M. H., Nikbakht, A. M., Nobakht, N., & Teimourlou, R. F. (2011). A novel three-point hitch dynamometer to measure the draft requirement of mounted implements. Research in agricultural engineering, 57 (4), 128-136.
4.Moitzi, G., Neugschwandtner, R. W., Kaul, H. P., & Wagentristl, H. (2021). Effect of tillage systems on energy input and energy efficiency for sugar beet and soybean under Pannonian climate conditions. Plant, Soil and Environment, 67 (3), 137-146.
5.Bogunovic, I., Pereira, P., Kisic, I., Sajko, K., & Sraka, M. (2018). Tillage management impacts on soil compaction, erosion and crop yield in Stagnosols (Croatia). Catena, 160, 376-384.
6.Orzech, K., Wanic, M., & Załuski, D. (2021). The Effects of Soil Compaction and Different Tillage Systems on the Bulk Density and Moisture Content of Soil and the Yields of Winter Oilseed Rape and Cereals. Agriculture, 11 (7), 666.
7.Drwish, L. A. (2020). Modeling the effect of soil-tool interaction on draft force using visual basic. Annals of Agricultural Science, Moshtohor, 58 (2), 223-232.
8.Sarkar, P., Upadhyay, G., & Raheman, H. (2021). Active-passive and passive-passive configurations of combined tillage implements for improved tillage and tractive performance: A review. Spanish Journal of Agricultural Research, 19 (4), 1-14. e02R01. https://doi.org/ 10. 5424/sjar/2021194-18387.
9.Schapel, A., Marschner, P., & Churchman, J. (2019). Influence of clay clod size and number for organic carbon distribution in sandy soil with clay addition. Geoderma, 33 (5), 123-132.
10.Kiani, GH., & Tabatabae Koloor, R. (2011). Investigation the rototiller blade operational factors on the soil tillage of orchard and paddy fields. Journal of Agricultural Machinery, 1 (1), 34-40. [In Persian]
11.Rajabi Vandchali, M., Hemmat, A., & Ghanbari Malidareh, A. (2015). Comparison of disk harrow, siclotiller and rotivator effectiveness at different humidities in a clay loam soil in Mazandaran. Journal of Agricultural Machinery, 5 (1), 63-72. [In Persian]
12.Usaborisut, P., Sukcharoenvipharat, W., & Choedkiatphon, S. (2020). Tilling tests of rotary tiller and power harrow after subsoiling. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 19 (6), 391-400.
13.Karami, H. R., Keyhani, M., & Mowla, D. (2016). Experimental analysis of drag reduction in the pipelines with response surface methodology. Journal of Petroleum Science and Engineering, 13 (8), 104-112.
14.Pramanik, M., Khanna, M., Singh, M., Singh, D. K., Sudhishri, S., Bhatia, A., & Ranjan, R. (2022). Automation of soil moisture sensor-based basin irrigation system. Smart Agricultural Technology, 2, 1-11.
15.Tang, C. S., Gong, X. P., Shen, Z., Cheng, Q., Inyang, H., Lv, C., & Shi, B. (2022). Soil micro-penetration resistance as an index of its infiltration processes during rainfall. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 1, 1-8.
16.ASABE Standards. 55th Ed. (2008a). S313.3 FEB99. Soil cone penetrometer. St. Joseph, Mich.: ASABE.
17.Askari, M., Shahgholi, Gh., & Abbaspour-Gilandeh, Y. (2019). New wings on the interaction between conventional subsoiler and paraplow tines with the soil: effects on the draft and the properties of soil. Archives of agronomy and soil science, 65 (1), 88-100.
18.Samavati, V. (2013). Polysaccharide extraction from Abelmoschus esculentus: Optimization by response surface methodology. Carbohydrate polymers, 95 (1), 588-597.
19.Alele, J. O., Ngunjiri, G. M., & Njue, M. R. (2018). Effects of depth and speed on power requirements for disc and mouldboard ploughs in silt loam soils. Int. J. Sci. Technol. Res. 7 (8), 167-174.
20.Salahloo, M., Mohammadi Alasti, B., Mardani, A., & Abbasgholipour, M. (2021). Effect of Forward Speed, Working Depth and Overlay Parameters of Cultivator Tillage on Power Consumption and Draft Force. Iranian Journal of Biosystems Engineering, 51 (4), 749-756. [In Persian]
21.Moeinfar, A., Mousavi-Seyedi, S. R., & Kalantari, D. (2014). Influence of tillage depth, penetration angle and forward speed on the soil/thin-blade interaction force. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 16 (1), 69-74.
22.Anpat, R. M., & Raheman, H. (2017). Investigations on power requirement of active-passive combination tillage implement. Engineering in agriculture, environment and food, 10 (1), 4-13.
23.Usaborisut, P., Sukcharoenvipharat, W., & Choedkiatphon, S. (2020). Tilling tests of rotary tiller and power harrow after subsoiling. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 19 (6), 391-400.
24.Hirasawa, K., Kataoka, T., & Kubo, T. (2013). Relationship between required power and PTO speed in rotary tiller. IFAC Proceedings Volumes, 46 (4), 141-146.
25.Fajardo, A. L., Suministrado, D. C., Peralta, E. K., Bato, P. M., & Paningbatan Jr, E. P. (2014). Force and puddling characteristics of the tilling wheel of float-assisted tillers at different lug angle and shaft speed. Soil and Tillage Research, 14 (1), 118-125.
26.Kheiralla, A. F., Yahya, A., Zohadie, M., & Ishak, W. (2004). Modelling of power and energy requirements for tillage implements operating in Serdang sandy clay loam, Malaysia. Soil and Tillage Research, 78 (1), 21-34.
27.Mandal, S. K., Bhattacharyya, B., & Mukherjee, S. (2013). Design optimization of rotary tiller blades: a critical review. Scientific Journal of Pure and Applied Sciences, 2 (6), 260-269.
28.Mandal, S. K., Bhattacharyya, B., Mukherjee, S., & Karmakar, S. (2014). Soil-Blade interaction of a rotary tiller: Soil bin evaluation. International journal of sustainable agricultural research, 1 (3), 58-69.
29.Salokhe, V. M., & Ramalingam, N. (2001). Effects of direction of rotation of a rotary tiller on properties of Bangkok clay soil. Soil and Tillage Research, 63 (1-2), 65-74.
30.Matin, M. A., Hossain, M. I., Gathala, M. K., Timsina, J., & Krupnik, T. J. (2021). Optimal design and setting of rotary strip-tiller blades to intensify dry season cropping in Asian wet clay soil conditions. Soil and Tillage Research, 20 (7), 104854.
31.Riegler-Nurscher, P., Moitzi, G., Prankl, J., Huber, J., Karner, J., Wagentristl, H., & Vincze, M. (2020). Machine vision for soil roughness measurement and control of tillage machines during seedbed preparation. Soil and Tillage Research, 196, 104351.
32.Mohammadi, F., Maleki, M. R., & Khodaei, J. (2022). Control of variable rate system of a rotary tiller based on real-time measurement of soil surface roughness. Soil and Tillage Research, 21 (5), 105216.
33.Danbaba, N., Nkama, I., Badau, M. H., Ukwungwu, M. N., Maji, A. T., Abo, M. E., & Oko, A. O. (2014). Optimization of rice parboiling process for optimum head rice yield: a response surface methodology (RSM) approach. International Journal of Agriculture and Forestry, 4 (3), 154-165.
34.Myers, R. H., Montgomery, D. C., & Anderson-Cook, C. M. (2016). Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. John Wiley & Sons. 89 p.
35.Perfect, E., & Kay, B. D. (1994). Statistical characterization of dry aggregate strength using rupture energy. Soil science society of America Journal, 58 (6), 1804-1809.
36.Li, Z. Q., Kong, L. Y., Yang, L. F., Zhang, M., Cao, T., Xu, J., & Lei, Y. (2012). Effect of substrate grain size on the growth and morphology of the submersed macrophyte Vallisneria natans L. Limnologica, 42 (1), 81-85.
37.Huang, L., Dong, B. C., Xue, W., Peng, Y. K., Zhang, M. X., & Yu, F. H. (2013). Soil particle heterogeneity affects the growth of a rhizomatous wetland plant. PLoS One, 8 (7), 1-6. e69836.
38.Himoud, M. S. (2015). Field study performance of traction of Massey Ferguson tractor. Misr Journal of Agricultural Engineering, 32 (3), 955-964.
39.Ranjbarian, S., Askari, M., & Jannatkhah, J. (2017). Performance of tractor and tillage implements in clay soil. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 16 (2), 154-162.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 31، شماره 3
مهر 1403
صفحه 109-131

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار