コンバインで刈り取った水田の残渣を細断する残渣管理機

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5077 (2023) この記事を引用

725 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

現在、コンバインは作物を収穫するために最も一般的に使用されている装置です。その結果、大量の植物材料と作物残渣がコンバインから排出される植物材料の狭い帯に集中し、残留物管理の課題となっています。本論文は，水田複合収穫物の残渣を細断し，土壌に混合することができる作物残渣管理機の開発を目的とする。この目的のために、開発された機械には、細断ユニットと組み込みユニットという 2 つの重要なユニットが取り付けられています。トラクターはこの機械を主電源として動作させ、出力範囲は約 55.95 kW です。この研究のために選択された 4 つの独立したパラメータは、回転速度 (R1 = 900 & R2 = 1100 rpm)、前進速度 (F1 = 2.1 & F2 = 3.0 Kmph)、水平調整 (H1 = 550 & H2 = 650 mm)、および垂直です。わらチョッパーシャフトとローテーベーターシャフトの間の調整（V1 = 100 & V2 = 200 mm）とその効果が、刻み籾残渣の混入効率、破砕効率、およびゴミのサイズ削減に及ぼす影響が判明しました。残留物の取り込みおよび細断効率は、V1H2F1R2 (95.31%) および V1H2F1R2 (61.92%) の配置で最も高かった。刻んだ籾残渣のゴミ削減率は、V1H2F2R2 (40.58%) で最大値を記録しました。したがって、本研究は、動力伝達にいくつかの変更を加えた開発された残留物管理機が、複合収穫水田における水田残留物問題を克服するために農家に提案できると結論付けた。

何世紀にもわたって作物の収穫により副産物としてわらが生産され、重要な農業資源となってきました1。その天然資源にもかかわらず、収穫後のわらは、土壌の肥沃度および構造強化剤として非常に価値があります2。保全農業の 2 番目の原則は残留物を保持することであり、これは土壌の健全性に貢献し、土壌浸食を軽減し、土壌中の水分含有量を改善して土壌有機含有量を改善し、それによって作物の収量とエネルギー使用量を増加させます3。作物、土壌、気候、傾斜地、残留物の管理方法など、さまざまな要因が圃場残留物の保持に影響します。

1949年から1950年にかけて、2017年から2018年にかけて、主要作物の収量は大幅に増加しました。水田では約 379.8%、小麦では 1,460.4%、トウモロコシでは 1,337.6%、豆類では 209.9%、油糧種子では 388.7%、サトウキビでは 669.3%でした4。ほとんどの作物残渣は、農村部の供給と開発のためにバイオエネルギーとして利用できるにもかかわらず、動物の餌にしたり、栄養のある堆肥を作ったり、キノコを植えたりするために使用されるのではなく、畑で燃やされます。作物の生産性と農業生産における電力利用可能性の間には直接的な相関関係があります。インドでは毎年約 3 億 7,100 万トンの作物残渣が生産されており、そのうち小麦残渣が 27 ～ 36%、水田残渣が 51 ～ 57% を占めています 7,8。インドの北西部 (NW) 地域、つまりパンジャーブ州、ハリヤナ州、ウッタルプラデーシュ州では、水田作物の残渣をその場で焼却しており、これも一般的な管理慣行です。燃焼残留物は、インド北西部における農業廃棄物の燃焼排出予算の最大 20% に貢献しています9。わら (米と小麦) 1 トンを燃やすと、3 kg の特定物質、60 kg の CO、1,460 kg の CO2、199 kg の灰、2 kg の SO210 が放出され、重大な地球温暖化と酸性雨が発生します。そして、ストロー重量の約 32 ～ 67% と窒素の 27 ～ 73% が燃焼により失われます 1,11。 2000 年にインドで稲わらと小麦わらを燃やすと、それぞれ 110、2306、2、84 ギガグラム (Gg) の CH4、CO、NOx が排出されると予測されています12。したがって、国は食糧生産と生活の質のために農業の機械化を強化する必要があります。多くの農業慣行では、農場経営のさまざまな側面に集中的な労働が費やされるため、生産コストが非常に高くなります。対照的に、機械的および電力源の割合は、同じ期間に 7% から約 90% に増加しました。インドの農業では、主に農業経営に使用される小規模な事業保有が多数を占めています。これは、農業機械化の利益を享受するには土地保有の統合が必要であることを意味する13。

世界の経済成長に関しては、農業生産がその成長を牽引する重要な役割を果たしていると言えます。間違いなく、インドは世界第二位の米と小麦の生産国です。入手可能な文献によると、小麦または米の生産量 4 トンごとに約 6 トンの残留物が生成されており、これは年間安全かつ適切に処分できる膨大な量のわらを表しています。複合収穫圃場では、農場の籾残渣の合計収量はヘクタール当たり約 12.5 トンになります。比較すると、立ち株と緩いわらの収穫量は、それぞれ 1 ヘクタールあたり約 7 トンと 5.5 トンになります14。インドでは、さまざまな作物種から年間平均 500 トンの作物残渣が生産されました。米と小麦から得られる主な残留物は、それぞれ約 34% と 22% でした。作物残渣の総量のうち、360 MT は動物の飼料、土壌マルチング、生物肥料、農村住宅の茅葺き、家庭用および産業用の燃料に使用されます。この収集使用後には、140 トンの余剰残留物が存在し、そのうち 92 トンは、水田残留物管理のための適切な機械が利用できないことと、熟練度の低い農業労働者に関連した機械化農業のため、毎年農家によって焼却されている15,16。、17、18。

作物の残渣を燃やすと、大量の煙とすすが空気中に放出され、汚染が増加します。このプロセスは、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素などの温室効果ガス (GHG) の放出につながり、地球温暖化の一因となります。さらに、窒素、リン、カリウムなどの重要な植物栄養素が失われ、土壌特性に悪影響を及ぼし、貴重な有機炭素やエネルギー豊富な残留物が環境に失われます。田畑で稲わらを燃やすと汚染物質が大気中に放出され、気候変動問題の影響をさらに悪化させます19。

作物残渣を燃やす以外にも、化学補助剤で残渣を分解する、細断して土壌に混入するなど、作物残渣を燃やす代替手段が数多くあります。ゴミを細断することにはいくつかの利点があります。粒子のサイズが小さくなるため、より多くの微生物が残留物を迅速に分解できるようになり、残留物から石化される炭素と窒素の量が増加します。さらに、土壌に残留物が混入すると、土壌微生物と接触する残留物の表面積が増加し、分解プロセスが加速されます。作物残留物管理システムは、農業の生産性と持続可能性を高めるためにわらを組み込むことで恩恵を受ける可能性があります。これは、土壌の特性と肥沃度を改善するための最も効果的な方法であると考えられています20,21。

インド北西部では、小麦の播種の 15 ～ 20 日前に稲わらを燃やす代わりにわらを取り入れることが推奨されています 22,23。収穫残渣を土壌に取り込むと、土壌に生息する微生物と接触する残渣表面の量も増加し、その結果、残渣の分解が促進されます。したがって、近年達成された高い作物の生産性を維持するには、土壌肥沃度を維持するために作物残留物を適切に管理することの重要性を強調することが重要である24、25、26。同様に、作物残渣の導入により、土壌有機炭素、透水係数、浸透速度、保水性、陽イオン交換能、酵素活性、骨材の安定性の向上という点で土壌の品質が向上しました。一般に、作物残渣の細断は、炭素および窒素の無機化の増加によって示されるように、より速い分解速度を引き起こし、ピーク呼吸時間に影響を与えるか、または呼吸に影響を与えません。わらを組み込んで小麦播種用の苗床を準備するには、複数回の耕耘操作（ハロー/動力耕運機、またはロータベーターとプランカーを 2 ～ 3 回）が必要ですが、これにより栽培コストが上昇し、小麦の播種が遅れます。現場でのわらの組み込みは非常に時間がかかり、6 ～ 7 回の操作が必要です。したがって、農家は、用途が限られているため、次の小麦作物を播種するために畑を素早くきれいにするために水田わらを燃やすことを選択します27。作物残留物管理用の機械は、ロータベーターとストローチョッパー、ハッピーシーダー、ゼロシードドリル、ストローベーラー、コンバインハーベスター上のスーパーストロー管理システムを組み合わせたものです。

ロト耕うん機は、水田の収穫後に小麦を播種するために開発されました28。この機械はロータベーターとシードドリルを組み合わせたものでした。複合収穫水田では機械の性能が満足できないとのことでした。さらに、彼らは、ストローチョッパーを使用してストローを切り刻んだ後に使用した場合、機械の性能は許容範囲内であると主張しました28,29。嬉しいコンボシーダーが開発されました。緩んだわらや立ち株を切り、持ち上げ、投げるという作業を一度の操作で畑にまきます。動力源として 45 馬力のトラクターが必要で、トラクターでの操作中は圃場容量が 0.3 ～ 0.04 ha/h のトラクターの PTO によって駆動されます。機械の満足のいく性能は、藁負荷が 7 t/ha 未満の場合に見られました。湿った粘土質土壌では、ハッピーシーダータインに泥やわらが蓄積していることが観察されました。

機械は 1 回の操作で、梳いた後に残った刈り株を収穫し、細かく切り刻み、地面に広げます27。単一のロータベーターまたはディスクハロー操作を使用すると、切り刻まれて広げられた切り株は簡単に土壌に埋まり、灌漑後に腐朽します。稲わらチョッパー兼散布機は、緩い刈り株と立ち株の両方の条件で満足に機能します。しかし、切り刻まれたわらや切り株は分解に時間がかかり、次の作物の播種が遅れました。刈株収穫機兼チョッパーにおいて、バラ藁の詰まりが観察されました。ストローブルーザーとカンバースプレッダーは現在のコンバインの付属品です。それはコンバインの後部フード、チャフシーブの後ろ、ストローウォーカーのすぐ前に固定されていました。開発された機械の主な目的は、コンバインのストローウォーカーから出るわらともみがらを粉砕し、ふるいにかけ、収穫した畑にまき散らす前に、より小さな断片にすることでした30。

植物残渣チョッパーは、トウモロコシ、小麦、米、綿花、サトウキビなどのさまざまな圃場で使用できます。これらは、1JH (中国)、Tornado (イタリア)、Croplogix (米国)、RM (フランス) などのメーカーから入手できます。二輪、四輪、コンバインハーベスタで機械を操作できますが、四輪トラクターバージョンが最も人気があります。ハッピーシーダー、インコーレーター、ゼロシードドリル、ストローベーラー、水稲ワラチョッパー、コンバインハーベスターのスーパーストロー管理システムなどは、作物残渣管理用の市販農業機械です。しかし、刈り取り、細断、混入といった籾残渣の管理は、既存の機械だけでは実現できません。したがって、複合収穫水田の水田残渣を 1 回のパスで完全に管理するための適切な残渣管理機を開発する必要がある31。

本論文は、籾残渣管理のための機械を開発し、その性能を評価することを目的としている。ストローチョッパー兼組み込み装置の主な目的は、残留物のサイズを均一に縮小し、それらを 1 回のパスで土壌に組み込み、土壌の肥沃度と生物活性を高めることです。土壌の水分を保持し、土壌の多孔性と通気性を高めて、次のラビ作物の発芽と成長を促進します。提案された残渣管理機は、切り株を切断し、土と混合することができます。そこで、現在の籾残渣管理機の開発にあたっては、これらの事実を考慮した。

ストローチョッパーとインコーポレーターを調整可能なフレームと組み合わせて、ストローチョッパー兼インコーポレーターを開発しました。ストローチョッパー兼インコーポレーターの開発における事前の設計上の考慮事項には、幅の設計が含まれています。幅は、特にインド北西部の農民が使用する器具の通常のサイズであるため、2100 mm で一定に保たれました。水田残渣の混入中に土壌を適切に粉砕するために、インコーポレーターの推奨回転速度は 180 ～ 210 RPM に保たれました 32。過去の研究者は、フレイル型ストローチョッパーの性能が 750 ～ 1900 の回転速度範囲で最高であることを示しました。回転数。ストローチョッパー兼インコーポレーターの水平および垂直の調整は、作物を収穫した後の水田の切り株の長さに依存します。水田の刈株の平均長さは約 350 ～ 600 mm であった。ストローチョッパーのローター軸の中心とインコーレーターのローター軸の間の水平方向の間隔は、550 mm と 650 mm でした。ストローチョッパーのローター軸の中心と組み込みローターの軸との間の垂直方向のスペースは 100 mm と 200 mm でした33。籾残渣混入用の混入翼の形状はL型が一般的でした。したがって、この研究では L 型ブレードを検討しました 32。過去と同様に、J 型フレイルブレードがフレイル型チョッパーに使用されていましたが、それらのブレードは籾残渣の細断や細断には十分に機能しませんでした。逆ガンマ型ブレードは、Ｊ型およびカッターバー鋸歯型ブレード３４よりも良好に機能する。したがって、ストローチョッパーには逆ガンマ型ブレードが使用された。過去の研究によれば、籾残渣を適切に混入するための混入機の回転速度は 180 ～ 210 rpm であることが推奨されています32。

フレームはMS（軟鋼）角パイプとMSフラットを使用して開発。この目的には、サイズ 75 × 75 mm、長さ 800 mm の角パイプ 3 本を使用しました。フレームには100×25mmサイズのMSフラットを使用しました。開発したフレームは、インコーレータ軸とストローチョッパロータ軸との水平方向および垂直方向の隙間をどちら側でも調整できる点で優れている。水平および垂直のクリアランスが性能に影響を与える可能性があるため、この調整は機械の性能を向上させるために行われました 33。フレームの詳細を図 1 に示します。

開発されたマシンに使用されるフレームの等角図。

ストローチョッパーとインコーポレーターのトルク要件を個別に計算することで、ストローチョッパーとインコーポレーターのトルク要件が決定されました。ストローチョッパーとインコーレーターのトルク要件の合計が、開発機械の総トルク要件となりました。電力要件は、メーカーの推奨事項および以前の研究に従って想定されました。トルクは次の式を使用して計算されます。

ここで、P はストローチョッパーの動力要件 (kW)、T はストローチョッパーのトルク要件 (Nm)、N はストローチョッパーのローターシャフトの速度 (rpm) です。

表 1 に、ストローチョッパー兼インコーポレーターのトルク要件を示します。開発された機械の総トルク要件は、ストローチョッパー (435.24 Nm) とインコーレーター (1355.70 Nm) の個別のトルク要件の合計 1790.94 Nm です。

ストローチョッパー兼インコーポレーターの動力伝達には、オープンベルトとプーリーシステムが使用されました。開発機の動力伝達系にはV型Bカテゴリーベルトを採用しました。ベルトの長さは次の式を使用して決定されました。

ここで、L はベルトの長さ (mm)、D は従動プーリーの直径 (mm)、d は駆動プーリーの直径 (mm)、X は従動プーリーと駆動プーリーの間の中心距離 (mm) です。計算されたベルト長さ L1、L2、L3 を表 2 に示します。

ベルトまたはプーリ溝の数の選択は、ベルトの材質のゴム質量密度 (ρ) が 1140 kg/m3、ゴムベルトの許容応力 \(\left({ \varvec{\upigma}}\right)\) は 21 MPa、ベルトとプーリ間の摩擦係数 (μ) は 0.30、1 メートルあたりのゴムベルトの重量 (m) は 4.31 N です。

ストローチョッパーとインコーレーターに必要なベルトの数は、次の式を使用して計算されました。

ここで、n はベルトの数、a はベルトの計算断面積 mm2、A はベルトの標準断面積 mm2 です。計算された断面積 (a) は次のように取得されます。

ここで、θ は接触角 (ラジアン)、v はベルトの速度 (m/s) です。ベルトの標準断面積 (A) = bt、ここで、b はベルトの幅 (mm)、t はベルトの厚さ (mm) です。 B ベルトタイプの場合、幅は 17 mm、厚さは 11 mm です35。

ストローチョッパーの想定電力 Ps = 41 kW。 α = 接触角、度、したがって、

したがって、必要なベルトの数 = \(\frac{a}{A}\) ; 必要なベルトの数は3本です。

ストローチョッパーの想定電力 Pr = 30 kW

したがって、必要なベルトの数 = \(\frac{a}{A}\)、必要なベルトの数は 3 となります。

ストローチョッパーとインコーレーターのシャフト直径は、許容せん断応力 \(\uptau =70\mathrm{ MPa}\) を仮定したねじり方程式を使用して決定されました。

ここで、T はシャフトに作用するねじりモーメントまたはトルク Nm、\({\varvec{\tau}}\) はねじりせん断応力 MPa、d はシャフト直径 mm です。シャフト 1、シャフト 2、およびシャフト 3 の直径は、式 1 を使用して計算されました。表3の7。

ベルトとプーリーのシステムは、あるシャフトから別のシャフトに動力を伝達しました。ベルト、プーリー、ギア、シャフト、ベアリングが動力伝達部品です。様々な径のB型多溝プーリーを5個使用し、そのうち2個のプーリー、つまり1番プーリーと2番プーリーをわら切断機で使用し、残りの3個のプーリーを組み込み機、つまりプーリーで使用しました。同じ直径の平歯車 (歯数 75) を 1 セット使用しました。これら 2 つの歯車の主な目的は、プーリー 4 の回転方向を逆転させることでした。プーリー 4 への動力はプーリー 3 から伝達されました。動力伝達システムのコンポーネントは図 1、2、3 に説明されています。 2と3。

チョッパー兼インコーポレーター機械の動力伝達の等角図。

トラクターの PTO (パワーテイクオフ) シャフトからの動力は、伸縮シャフトを利用してストローチョッパーギアボックスに伝達されました。次に、ベルトとプーリーの配置を利用して、動力がチョッパーのローターシャフトに伝達されました。オープンベルトプーリーシステムは、端部の適切なプーリー配置によってチョッパーシャフトをギアボックスに接続しました。プーリー 1 はストローチョッパーの上部側に配置され、プーリー 2 はローターシャフトに配置されました。ストローチョッパーのローターシャフトは時計回りに回転します。プーリー 2 には、プーリー 1 と 3 に接続された 6 つの溝があります。プーリー 1 はプーリー 2 から動力を受け取り、プーリー 3 はプーリー 2 の残りの 3 つの溝から動力を受け取ります。これら 3 つのプーリー全体の回転方向は時計回りです。プーリー 3 からの動力はシャフト 1 からシャフト 2 に取り付けられ、平歯車によって伝達されました。プーリー番号 4 はそれぞれのシャフトに取り付けられました。プーリーNo.4の回転方向を反時計方向に変更しました。 4 番プーリーからの動力は 5 番プーリーに伝達され、5 番プーリーはローターシャフトインコーレーターを回転させます。したがって、インコーレータのロータシャフトは反時計方向に回転します。

ドライバーと従動プーリーの速度は速度比と呼ばれます。速度比は次の式を使用して計算されました。

N、D = それぞれ速度 (rpm)、駆動プーリーの直径 (mm) とします。 n、d = それぞれ速度 (rpm) および従動プーリーの直径 (mm)。プーリー 1 での速度 (N1) = 650 rpm、プーリー 1 の直径 (D1) = 228.6 mm。プーリー 2 の速度 (N2) = 900 rpm、プーリー 2 の直径 (D2) = 165.1 mm。

プーリー 3 の速度 (N3) = 450、プーリー 3 の直径 (D3) = 304.8 mm、プーリー 4 の速度 (N4) = 450、プーリー 4 の直径 (D4) = 101.6 mm、プーリー 5 の速度 (N5) = 200 rpm、プーリー 5 の直径 (D5) = 228.6 mm:

主速度比 G = G1 X G2 = 1.51。

ストローチョッパーとインコーレーターの両軸間の水平および垂直クリアランスは、次の式を使用して計算されました。垂直方向のクリアランスは次の式で求められます。

水平方向のクリアランスは次の式で求められます。

ここで、V は垂直クリアランス (mm)、H は水平クリアランス、h1 は切断長さ (= 80 ～ 100 mm)、R1 は逆ガンマ型ブレードを備えたわらチョッパーシャフトの回転半径 (= 170 mm) )、R2 は L 型ブレードを備えたインコーレーターシャフトの回転半径 (= 150 mm)、h2 は組み込み深さ (= 100 mm) です。 H2 = 1.1 H1。

ここで、α は地面と刻まれた籾残渣の絶対速度との間の夾角 (= 45°) です。垂直方向のクリアランスとクリアランスは、それぞれ約 220 mm と 640 mm と計算されました。

開発した機械は、調整可能なフレーム、インコーレーター、ストローチョッパーを組み合わせたものです。ストローチョッパーは逆ガンマ型ブレードを備えており、処理された籾残渣はL型ブレードを備えたインコーレーターを使用して組み込まれます。開発した機械は、わらの切断、細断、組み込みをワンパスで完了します。水田残渣の分解速度を高め、それを土壌に取り込むことにより、土壌の健康が改善されると考えられます。図 4 と図 5 は、開発された機械を等角投影図、上面図、側面図、正面図、背面図、および背面からの等角図で示しています。開発機の詳細仕様を表4に示す。

開発された残留物管理機の等角図。

開発した残留物管理機の（a）上面、（b）側面、（c）正面、（d）ギアの図。

野外試験は、インドのウッタラーカンド州パントナガル農工大学ゴビンド・バラブ・パンツのノーマン・ボーローグ作物研究センターで実施された。図6に示すように、我が国のタライ帯の北緯29度、東経79.29度、標高243.80mに位置します。トラクターは56kWの野外試験に使用されました。試験圃場の含水率 (%)、かさ密度 (kg/cm3)、土壌強度 (kg/cm2) は、それぞれ 13.63 ～ 14.30、1.5 ～ 1.6、1.52 です。開発した残渣管理機の現場評価での性能評価で考慮した独立パラメータと依存パラメータは、前進速度（kmph）、わらチョッパーのローターシャフトとロータベーターの間の垂直調整（cm）、わらチョッパーの回転速度（rpm）、わらチョッパーとロータベーターのローターシャフトの水平調整（cm）、圃場容量（ha h-1）、籾残渣の減容率（%）、圃場効率（%）、破砕効率（%）、混入効率（%）および燃料消費量 (l/h)。さまざまなレベルの独立パラメータを表 5 に示します。試験はコンバインによる水田の収穫後に実行されました。

フィールドテスト中に開発した残留物管理機。

垂直および水平クリアランスの選択は、開発された機械の構造と動作性能に影響を与える重要なパラメータです。水平方向のクリアランスが過剰になると、機械のフレームが拡張し、トラクターの取り付けリンケージに過負荷がかかります。水平方向のクリアランスが小さすぎると、2 つのローターが相互に干渉し、ストークの巻き付きや詰まりの可能性が高くなります。機械の最適なパフォーマンスを確保するには、水平方向のクリアランスを最適にする必要があります。ストローチョッパーの中心と回転式ローターの中心間の水平方向のスペースは 550 mm に保たれ、研究では 650 mm に保たれました。ストローチョッパーローターの中心とローテーベーターローターの間の垂直方向の間隔は 100 mm と 200 mm に保たれました33。水田残渣の混入中に土壌を適切に粉砕するために、ロータベーターの推奨回転速度は 180 ～ 210 rpm に保たれました 30。過去の研究者は、フレイル型ストローチョッパーの性能が 750 ～ 1900 rpm の回転速度範囲で最高であることを示しました27。水田残渣混入用回転翼の形状はL型が一般的です。したがって、この研究では L 型ブレードが検討されました 32。逆ガンマタイプのブレードは、J タイプやカッターバー鋸歯状タイプのブレードよりも良好に機能します34。そこでストローチョッパーには逆ガンマ型ブレードを採用しました。

開発された機械の評価に使用された総面積は約 2.5 ヘクタールでした。個々の実験区画の面積は約 30 × 15 m2 であった。実験の総数は 16 で、これらの実験を 3 回繰り返しました。分割プロット (4 × 4 × 3) 設計は、わらチョッパー兼組み込み機械の統計的評価に使用され、4 つの独立変数、つまり開発された機械の前進速度、わらチョッパーのローター速度の影響を分析しました。、取り込み効率、籾残渣のサイズ縮小、破砕効率などの従属変数に関するわらチョッパーとロータベーターの間の水平および垂直調整。分析は 5% の有意水準で行われました。実験レイアウトを表 6 に示します。

研究中に使用された取り決めの略語は次のとおりです。

F1R1: 前進速度は低速、つまり 2.1 kmph、回転速度は低速、つまり 900 rpm。

F1R2: 前進速度は低速、つまり 2.1 kmph、回転速度は高速、つまり 1100 rpm。

F2R1: 前進速度は高レベル (時速 3.0 km)、回転速度は低レベル (900 rpm)

F2R2: 前進速度は高レベル、つまり 3.0 kmph、回転速度は高レベル、つまり 1100 rpm。

H1V1: 低レベル (つまり 550 mm) での水平調整、低レベル (つまり 100 mm) での垂直調整。

H1V2: 水平調整は低レベル (つまり 550 mm)、垂直調整は高レベル (つまり 200 mm) です。

H2V1: 水平調整は高レベル (つまり 650 mm)、垂直調整は低レベル (つまり 100 mm) です。

H2V2: 水平調整は高レベル (つまり 650 mm)、垂直調整は高レベル (つまり 200 mm) です。

土壌および作物のパラメータは、開発された機械の野外試験を実施する前に測定され、表 7 および 8 に示されています。

マシンパラメータ。

開発した残渣管理機の燃料消費量、実際の圃場容量、理論上の圃場容量、および圃場効率を測定するために、複合収穫水田で圃場実験を実施した。これらの研究の結果を表 7 に示します。個々の実験に要した時間は約 7 ～ 8 分でした。研究中の燃料消費量の測定には補充法が使用されました。ストローチョッパーおよびインコーレーターの回転速度が低いレベル、すなわちそれぞれ９００ｒｐｍおよび１８０ｒｐｍである場合、１２．５リットル／時間の最低燃料消費量が観察された（表７）。実際の最大圃場容量と理論上の最大圃場容量は、それぞれ約 0.35 ヘクタール/時と 0.64 ヘクタール/時でした (表 7)。最大電界効率は 60.46% で観察されました (表 9)。

ストローチョッパーのローターシャフトの速度は、ギアボックスのギアの変更やアクセル位置によって変化します。タコメーターを使用してこの回転速度を測定しました。本研究では非接触型タコメータを検討した。ロータベーターとストローチョッパーのローターシャフトにタグを貼り付けました。タコメーターのレーザー光線がタグに焦点を合わせ、読み取り値が rpm でディスプレイに表示されました。

破砕効率とは、圃場作業上の藁籾残渣について、作業後の圃場に残る細断藁籾残渣の割合である。

ここで、Ec = 機械の細断効率、%。 F = 作業後の圃場上の細断籾残渣の量、q/ha; C = 作業前の圃場にある籾残渣の量、q/ha。

施業前の長さに対する施業後の籾残渣の平均長さの比率です。刻んだ水田の切り株の長さを測定するために、各プロットで約 100 g の刻んだわらサンプルをポリエチレン袋に収集しました。識別のために各サンプルにタグを付けました。刻んだ籾残渣を定量化するために、測定スケールを使用してわらの長さを手動で測定することにより、サンプルのサイズを区別しました。籾残渣のサイズ減少は、次の関係を使用して決定されました。

ここで、Eb = 籾残渣サイズの削減、%; F = 作業後の籾残渣の長さ、mm; B = 作業前の籾残渣の長さ、mm。

混入効率は、実験圃場の同じ場所において、開発した籾残渣の残渣管理機を稼働させた後、1平方メートルの面積内に混入した籾わらの重量と稼働後の重量で測定した。パーセンテージがそれを示します。

回転速度と前進速度、および垂直方向と水平方向の調整を組み合わせた効果を表 10 に示します。表 11 に示す統計分析では、垂直方向と水平方向の調整とともに前進速度と回転速度の効果が組み込み効率に大きく影響することを示しました。水田残渣の最大取り込み効率は、配列 V1H2F1R2 (95.31%) で得られ、次に V1H1FIR2 (94.30%) でした。対照的に、最も低い取り込み効率は配置 V1H2F2R2 (59.42%) および V1H1F2R2 (59.43%) で記録され、続いて V2H1F2R2 (64.63%) および V2H2F2R2 (64.98%) でした。差係数の値は 7.58 と計算されました。異なる組み合わせにおけるすべての配置の組み込み効率は、59.42% から 95.30% まで変化しました。その結果、回転速度2段目（1100rpm）では吸入効率が高く、前進速度2段目（3.0km/h）では吸入効率が低かった。取り込み効率に関しては、水平配置のさまざまなレベルで統計的な値の差は観察されません。同様の結果から、回転速度の平均値に応じて埋設残渣の割合が増加することが示された。これは、回転速度が上昇し、前進速度が低下すると、バイトカットまたは土壌切削の頻度が減少するためです36。同様のパターンは、土壌構造に対するロータリー耕運機の影響を研究した Destain と Houmy37 によって報告されています。

残留物サイズの減少に対する回転および前進速度と水平および垂直調整の総合的な効果を表 12 に示します。表 13 に示す統計分析では、残留物管理機の回転、前進速度、および垂直および水平調整の効果が、表 12 に示されています。細断籾残渣のサイズ縮小に顕著です。水田残渣の最大のサイズ縮小は、配列 V1H2F1R2 (61.92%) で得られ、続いて V1H1FIR2 (60.35%)、V1H1F1R1 (54.76)、および V1H2F1R1 (54.49%) でした。最小のサイズ削減は、配置 V2H2F2R2 (22.99%) および V2H1F2R2 (24%) で見つかり、V2H1F2R1 (24.13%) が続きます。統計分析により、回転速度と前進速度の組み合わせによる水平方向および垂直方向の調整では、残留物サイズの減少に有意な差がないことが明らかになりました。残留物サイズの減少は回転速度の増加とともに増加しましたが、送り速度の増加とともに減少しました。結果は、前進速度が低いレベル (時速 2.1 km) の場合、残留物のサイズがより大きく減少することを示しました。開発機の送り速度の低下により単位時間当たりの籾残渣の切断回数が減少し、籾残渣の細断高さの低下率が低下する38。

表 14 に示す統計分析は、異なる前進速度と回転速度、および垂直方向と水平方向の調整が細断効率に重要であることを示しました。表 15 に示すように、残渣管理機の細断効率は、すべての配置の組み合わせで 4.69% から 40.57% の間で変化しました。籾残渣の最小細断効率は、配置 V1H2F1R2 (4.69%) で達成され、次に V1H1FIR2 (5.70%) でした。 %)。最大の細断効率は、V1H2F2R2 (40.58%) および V1H1F2R2 (40.57%) で観察されました。前進速度が 3.0 kmph の場合に細断効率が高くなることが観察されました。破砕効率が最も低かったのは、前進速度が低い場合 (時速 2.1 km) でした。さまざまなレベルの水平配置と同じレベルの送り速度と回転速度が細断効率に及ぼす影響は顕著ではありませんでした。

その結果、機械の前進速度が増加するにつれて、ストローの切断長さが減少することが結果からわかります。ストローの切断長さの減少は、前進速度の増加の結果である可能性があります。これにより、滑りが減少し、切断されるストローの量が増えるため、ストローの適切な圧縮が確保されます。つまり、前進速度が上がるにつれて送り速度が増加します。が増加します。さらに、実験中、シリンダーの速度が毎分 1600 回転から 1800 回転に増加するにつれて、ストローの切断長さが減少することが観察されました。低速運転中は、チョッピングシリンダーの刃が高速運転時よりも材料に対して速く動き、その結果、わらの切断量が最大となり、わらの切断長さが最小になります。単位時間当たりの数回のカットと高速によって引き起こされます36,39。

結果は、組み込み効率が回転速度に比例し、送り速度に反比例することを示しています。開発された残渣管理機の回転速度が上がると、土壌残渣や水田残渣の単位当たりのカット数が増加し、水田残渣の混入が増加し、またその逆も起こります。この結果の傾向は、Satish40 が実施した研究と同様でした。結果は、前進速度が低いレベル (時速 2.1 km) の場合、残留物のサイズがより大きく減少することを示しました。開発機の前進速度の低下により、籾残渣の単位時間あたりの切断量が減少し、その結果、籾残渣の細断高さの減少率が低下し、前進速度を上げて籾残渣を切断できる時間が減少したためである。スピード38。この傾向は、前進速度が 3.0 km/h の場合に破砕効率が高かったことを示しています。対照的に、破砕効率が最も低かったのは、前進速度が低い場合 (時速 2.1 km) でした。開発した残渣管理機の前進速度により、単位長さが減少するごとに単位時間当たりの切断回数が増加し、細断籾残渣の重量割合が減少し、破砕効率が低下した38。 Sidhuらは作物残渣機械を開発するのではなく、 (2015)34 インド北西部の重米残渣に小麦を播種するための Turbo Happy Seeder を開発し、評価します。いくつかの農場での試験により、9条ターボハッピーシーダーは、米残渣内で小麦を播種する場合の従来の耕耘や藁焼きと同等以上であることが実証されています。張ら。 (2017)1 は、残留物の細断品質と散布の均一性という 2 つの主要な要素に基づいて、ブレードの設計、ブレードの配置、消費電力に関する世界的な研究を要約しました。ダイら。 (2010)41 は、土壌上のわらマルチの分解を促進するために、速分解性の接種剤噴霧器を備えたわらチョッパーを開発しました。ストローチョッパーと分解接種剤噴霧器を組み合わせて機械を作ります。ストローチョッパーが作物わらを細断する前に、分解型接種剤噴霧器が分解型接種剤（微生物接種剤）を空気中に噴霧します。 22.4kWのエンジンで作動し、藁を5～9cm程度に切り刻みます。

この機械には他の機械に比べて多くの利点がありますが、大きな課題があるため、多くの農家がこの播種機を採用することは依然として困難です。この機械の導入に対する主な障壁の 1 つは、資本コストの高さ、農民 (特に限界農場または小規模農場の農民) 側のリスク回避、そして農業用の電気とディーゼルに対する多額の補助金です。意識向上の段階では、機械に対する補助金が技術の魅力を高める上で極めて重要な役割を果たしました。多くの地域では、農家は依然として残留レベルの低いきれいな畑を好みます。農家にとって、米の残渣を燃やすことは、田畑をきれいにする簡単で安価な方法です。これらの問題を克服するには、作物残留物管理機を使用したいくつかの現場デモンストレーションを、さまざまな気候や季節の下、さまざまな種類の土壌で行う必要があります。

作物わらの切断品質を向上させるために、わらチョッパーの構造/残留管理と操作パラメータ、作物わらの機械的、物理的特性、および機械のスループットに関する広範な研究が行われているにもかかわらず、これらのパラメータを切断と散布に関連付ける試みはほとんど行われていません。。この研究から次の主要な結論が導き出されます。

開発した残留物管理機を実際に試した結果、満足のいく結果が得られました。

開発した残留物管理機の理論上の圃場能力、有効能力、圃場効率は、それぞれ0.43～0.64 ha/h、0.26～0.35 ha/h、55～60.46%であった。

開発マシンの燃費は12.5～14lphを記録した。

ストローチョッパー兼インコーポレーターによる籾残渣の取り込み効率は59.42%から95.31%の範囲にあります。

ストローチョッパー兼インコーポレーターによる再発行籾のゴミサイズの削減は 22.99 ～ 24.13% の範囲にあります。

最大細断効率は約40.58%を記録しました。

この研究で提示された開発の新規性と実際的な貢献にもかかわらず、主な制限は、動力伝達システムを変更できるというインドの農民の提案に基づいた高出力範囲のトラクター（> 60 hp）を必要とすることです。開発した残渣管理機にはベルトとプーリーの伝動装置が使用されています。インコーターで負荷が増加するたびに、ベルトとプーリーの間でより多くの熱が発生することが観察されました。したがって、この動力伝達システムは長くは機能しません。ストローチョッパー兼インコーポレーターに使用されている動力伝達装置は、長期間の運転ができません。

それにも関わらず、細断ユニットと組み込みユニットの両方を単一のフレームにすることで、機械の重量を軽減できます。したがって、残留物管理マシンの電力要件をさらに削減できます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、科学研究副学部長を通じて資金提供をしていただいたキング・サウード大学科学研究学部長に感謝の意を表します。スルタン・ビン・アブドゥルアズィーズ王子国際水賞の研究委員長。

この研究は、キング・サウード大学科学研究学部長から、科学研究副学部長を通じて資金提供を受けました。スルタン・ビン・アブドゥルアズィーズ王子国際水賞の研究委員長。

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チェルプリラムル、ラージナラヤンパテリヤ、ムデアルジュンナイク

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チェルプリラムル

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ディネシュクマールヴィシュワカルマ

CERIS、Instituto Superior T'Ecnico、リスボン大学、1649–004、リスボン、ポルトガル

アルバン・クリキ

コソボ、プリシュティナのビジネス＆テクノロジー大学土木工学科

アルバン・クリキ

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ナディール・アル・アンサリ

スルタン・ビン・アブドゥルアジズ王子国際水賞受賞、キング・サウード大学、スルタン王子環境・水・砂漠研究所、リヤド、11451、サウジアラビア

アベド・アラタウェイ、アハメド・Z・デウィダル、モハメド・A・マタール

キングサウード大学食品農業科学部農業工学科、リヤド、11451、サウジアラビア

アーメド Z. デウィダル & モハメド A. マタール

農業工学研究所 (AEnRI)、農業研究センター、ギザ、12618、エジプト

モハメド・A・マタール

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概念化、CR、RNP、NA-A。方法論、CR、RNP、および NA-A。ソフトウェア、CR; 検証、CR、RNP、および NA-A。形式分析、CR、DKV。調査、CR、RNP。リソース、マン。データキュレーション、MAN; 執筆 - 原案の準備、CR、MAN、DKV。執筆 – レビューと編集、DKV、AK、NA-A. 、MAM。視覚化、CR、MAN。監督、RNP、NA-A. 、DKV。プロジェクト管理、RNP。資金調達、NA-A.、AA、AZD、MAM すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

ディネシュ・クマール・ヴィシュワカルマ、ナディール・アル・アンサリ、またはモハメド・A・マタールへの通信。

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。

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転載と許可

Ramulu, C.、Pateriya, RN、Naik, MA 他。コンバインで刈り取った水田の籾残渣を細断する残渣管理機です。 Sci Rep 13、5077 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32148-9

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受信日: 2022 年 11 月 29 日

受理日: 2023 年 3 月 23 日

公開日: 2023 年 3 月 28 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32148-9

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