فهرست مطالب

ماشین های کشاورزی - سال چهاردهم شماره 1 (پیاپی 31، بهار 1403)

نشریه ماشین های کشاورزی
سال چهاردهم شماره 1 (پیاپی 31، بهار 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/01/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • صدیقه کریمی آورگانی، علی ملکی*، شاهین بشارتی، رضا ابراهیمی صفحات 1-13

    هدف اصلی این مقاله توسعه یک مدل دینامیک هفت لینکی از بدن اپراتور در هنگام کار با سمپاش کوله پشتی موتوری است. این مدل شامل مختصات سمپاش نسبت به بدن، اینرسی چرخشی سمپاش، گشتاور ماهیچه ای وارد بر روی مفاصل و یک کوپلینگ سینماتیکی است که تعادل بدن را بین دو پا حفظ می کند. توابع قید تعیین شدند و معادلات دیفرانسیل غیرخطی حرکت توسط معادلات لاگرانژ استخراج گردیدند. نتایج نشان می دهد که در ابتدا و انتهای مرحله شناوری، تغییرات نامطلوب نیروی مفصل مچ پا قابل توجه است. بنابراین، آسیب مچ پا به دلیل قرار گرفتن در معرض ارتعاش احتمال بیشتری دارد. سپس اثرات دور موتور و جرم سمپاش بر نیروهای مفصل ران و مچ پا بررسی شد. نتایج نشان داد که دور موتور و جرم سمپاش اثرات قابل توجهی بر نیروهای مفصل ران و مچ پا دارد و می تواند به عنوان پارامترهای کنترلی موثر مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، نتایج آنالیز نشان می دهد که با افزایش دور موتور، فرکانس نیروی مفصل ران افزایش می یابد. با این حال، اثرات قابل توجهی بر فرکانس نیروی مفصل مچ پا مشاهده نشده است. نتایج به دست آمده از این تحقیق می تواند راه کارهایی را به محققان در برآورد ساعات کار مجاز با سمپاش های کوله پشتی موتوری، طراحی پروتز و محاسبات نیرویی ایمپلنت های ران در آینده ارایه دهد.

    کلیدواژگان: اپراتور، ارتعاش، معادله لاگرانژ، وزن سمپاش
  • جواد رضایی فر، عباس روحانی*، محمدعلی ابراهیمی نیک صفحات 15-34

    در تلاش برای بهبود عملکرد و پایداری هضم بی هوازی (AD)، افزودنی های مبتنی بر آهن به عنوان ریزمغذی ها و لجن تصفیه آب آشامیدنی (DWTS) می توانند نقش کلیدی داشته باشند. این مطالعه به بررسی سینتیک تولید متان در طول AD کودهای گاوی می پردازد که شامل غلظت های مختلف Fe و Fe3O4 (10، 20 و 30 میلی گرم در لیتر) و DWTS (6، 12 و 18 میلی گرم در لیتر) می شود. با استفاده از یک کتابخانه گسترده از مدل های رگرسیون غیرخطی (NLR)، 26 نامزد مورد بررسی قرار گرفتند و هشت مورد به عنوان پیش بینی کننده های قوی برای کل فرآیند تولید متان ظاهر شدند. مدل Michaelis-Menten به عنوان انتخاب برتر برجسته شد و سینتیک کودهای دامی AD را با افزودنی های مشخص شده آشکار کرد. یافته ها نشان داد که سطوح مختلف DWTS بالاترین تولید متان را به همراه دارد، در حالی که Fe3O420 و Fe3O430 کمترین میزان را ثبت کردند. قابل ذکر است، DWTS6 تولید متان تقریبا 34% و 42% را در مقایسه با Fe20 و Fe3O430 نشان داد و آن را به عنوان موثرترین تیمار معرفی کرد. علاوه بر این، DWTS12 بالاترین میزان تولید متان را به نمایش گذاشت و به 6/147 سی سی در روز ششم رسید. با تاکید بر مفاهیم عملی، این تحقیق بر کاربرد مدل پیشنهادی برای تجزیه و تحلیل سایر پارامترها و بهینه سازی عملکرد AD تاکید می کند. این مطالعه با بررسی پتانسیل افزودنی های مبتنی بر آهن و DWTS، مسیر را در تولید متان از کودهای گاوی و پیشبرد شیوه های مدیریت زباله پایدار هموار می سازد.

    کلیدواژگان: عناصر کمیاب، کود دامی، مدل سازی، مطالعه سینتیک، هضم بی هوازی
  • داود باولی بهمئی، یحیی عجب شیرچی، شمس الله عبدالله پور*، سامان آبدانان مهدی زاده صفحات 35-47

    این تحقیق با هدف بهینه سازی هم زنی در هاضم های بی هوازی گاز-بالابر لجن فاضلاب شهری انجام شد، زیرا هم زنی یکنواخت برای ارتباط موثر بین باکتری های متانوژن و مواد مغذی مهم است. نمونه برداری لجن فاضلاب شهری در تصفیه خانه غرب اهواز (چنیبه) در تابستان 1401 انجام شد. یک مدل برای شبیه سازی، بهینه سازی و تایید فرآیند شبیه سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) توسط نرم افزار ANSYS Fluent 19.0 ارایه شد. سرعت گاز ورودی به هاضم تعیین شد و یک لوله گاز- بالابر و بافل آویزان مخروطی به طرح هاضم اضافه شد. سرعت های مختلف گاز ورودی برای بهینه سازی اختلاط در هاضم مورد بررسی قرار گرفت و شاخص های ارزیابی مانند سرعت ذرات لجن، گرادیان سرعت ذرات لجن، انرژی جنبشی تلاطم و ویسکوزیته گردابی ذرات لجن مورد ارزیابی قرار گرفت. سرعت بهینه گاز ورودی 0.3 ms-1 تعیین شد. نتایج شبیه سازی با استفاده از روش سرعت سنجی تصویری ذرات (PIV) تایید شد و درصد همبستگی کافی بین کانتورهای CFD و PIV وجود داشت (98.8% در محل اتصال دیواره به کف هاضم). نتایج نشان داد که مدل مورداستفاده برای شبیه سازی، بهینه سازی و تایید فرآیند شبیه سازی موفق بوده است و می توان آن را برای هاضم های بی هوازی گاز- بالابر استوانه ای شکل با نسبت ارتفاع به قطر 1.5، نسبت قطر لوله گاز- بالابر به قطر هاضم 0.2، نسبت ارتفاع لوله گاز- بالابر به ارتفاع سیال 0.75، فاصله بافل آویزان مخروطی از سطح سیال 0.125 برابر ارتفاع سیال و قطر بیرونی بافل به قطر هاضم 2/3 توصیه کرد.

    کلیدواژگان: دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، سرعت سنجی تصویر ذرات (PIV)، شبیه سازی، هضم
  • مجتبی نادری بلداجی*، هادی عظیمی نژادیان، مصطفی بهرامی صفحات 49-67

    تردد ماشین های کشاورزی با اعمال تنش بر سطح خاک دلیل اصلی تراکم خاک های کشاورزی است. مطالعه انتشار تنش در خاک نیاز به اندازه گیری تنش در خاک دارد، در حالی که تنش اندازه گیری شده با نصب هر نوع کاوشگر ممکن است با تنش واقعی خاک، یعنی تنش خاک در غیاب کاوشگر متفاوت باشد. این مطالعه با هدف شبیه سازی برهم کنش کاوشگر تنش در زیر یک چرخ صلب متحرک با استفاده از روش اجزای محدود به منظور بررسی تطابق تنش شبیه سازی شده با کاوشگر با تنش تجربی اندازه گیری شده در یک مخزن خاک انجام شد. خاک به عنوان یک ماده کشسان- خمیری مدل سازی و خواص آن با شبیه سازی نفوذ مخروط و نشست چرخ در خاک کالیبره شد. نتایج نشان داد که تنش به دست آمده از پروب با روش اجزای محدود به طور متوسط 28 درصد بیش تخمینی در مقایسه با تنش تجربی برای بارهای چرخ 600 و 1200 نیوتن داشته است. میانگین نسبت شبیه سازی شده تنش با کاوشگر به تنش بدون کاوشگر برای دو آزمون 1.22 به دست آمد که به طور معنی داری کوچک تر از همین نسبت تحت بارگذاری نشست صفحه دایره ای با مقدار 1.9 بود و همچنین به طور قابل توجهی بزرگ تر از نتیجه به به دست آمده از روش اجزای گسسته است. افزایش سرعت حرکت چرخ افزایشی جزیی در تنش خاک را نشان داد. نسبت بیش تخمینی تنش (همان نسبت تنش با کاوشگر به تنش بدون کاوشگر) به طور قابل توجهی با عمق افزایش یافت ولی افزایش کمی با سرعت در عمق زیر 0.2 متر داشت.

    کلیدواژگان: انباره خاک، تردد ماشین، تنش خاک، شبیه سازی اجزای محدود، کاوشگر تنش
  • بهزاد گلعنبری، عارف مردانی کرانی*، عادل حسین پور، حمید تقوی فر صفحات 69-82

    با توجه به متغیرهای متعددی که بر سیستم های اندرکنش خاک و ماشین تاثیرگذار هستند، پیش بینی پاسخ مکانیکی خاک در تعامل با دستگاه های کششی خارج از جاده چالش برانگیز است. در این مطالعه، شبکه های عصبی عمیق به دلیل توانایی آن ها در مدل سازی سیستم های پیچیده، چندمتغیره و دینامیک به عنوان یک راه حل بالقوه برای توضیح میزان فرورفتگی خاک در نرخ های مختلف از بار عمودی انتخاب شد. آزمایش های فشار-نشست خاک با استفاده از بوامتر در یک انباره خاک از نوع ثابت با طول 24 متر، عرض 2 متر و کانال خاک عمق 1 متر انجام شد. آزمایش های تجربی در سه سطح سرعت نشست، دو سطح اندازه صفحه، در محتوای آب خاک 10 درصد انجام شد که داده های تجربی در مورد روابط فشار و نشست خاک ارایه می کرد. این آزمایش ها به عنوان مبنایی برای الگوریتمی بود که قادر به تشخیص تعامل بین خاک ماشین پس از یک فرآیند تکراری دقیق بود. مشخص شد که یک شبکه عصبی عمیق، به ویژه یک شبکه عصبی عمیق با انتشار پیش خور با سه لایه پنهان، انتخاب بهینه برای این منظور است. معماری شبکه عصبی عمیق بهینه شده به صورت 1-10-15-8-3 شکل یافت که توسط الگوریتم بهینه سازی گرگ خاکستری تعیین شده است. در حالی که معادله بکر به طور سنتی به عنوان یک روش پذیرفته شده برای پیش بینی رفتار فشار- نشست خاک استفاده می شود، تاثیر سرعت نشست در خاک را نادیده می گرفت. با این حال، یافته های تحقیق تاثیر قابل توجهی از سرعت نشست بر پارامترهای حاکم بر پاسخ تغییر شکل خاک را نشان داد. شبکه عصبی عمیق آموزش دیده با موفقیت سرعت نشست را در ساختار خود گنجاند و نتایج دقیقی با مقدار میانگین مربعات خطای 0.0871 ارایه کرد.

    کلیدواژگان: انباره خاک، بوامتر، ترامکانیک، شبکه عصبی عمیق، وسیله نقلیه خارج از جاده
  • مریم پورباقر، رقیه پورباقر، محمدحسین عباسپورفرد* صفحات 83-104

    امروزه تقریبا نیمی از کل نیازهای غذایی انسان به ویژه در آسیا مستقیما از غلات تامین می شود و نزدیک به 70 درصد از سطح زیرکشت جهان که یک میلیارد هکتار است را غلات اشغال می کنند. بنابراین یافتن روش های غیرمخرب برای افزایش کیفیت بذر در کشاورزی و صنعت باید توسعه یابد. پلاسمای سرد روشی جدید و کارآمد در بخش کشاورزی و غذایی است که می توان از آن برای غیرفعال کردن میکروارگانیسم های سطحی و تحریک بذر استفاده کرد. این بررسی خلاصه ای از اثربخشی درمان با پلاسمای سرد بر ویژگی های چهار گیاه مهم غلات: گندم، برنج، ذرت و جو را ارایه می کند. تمرکز بر روی اثرات این تیمار بر روی جوانه زنی بذر، تغییرات خواص سطحی و جذب آب بذر، پارامترهای رشد ریشه، طول ساقه و نهال، پارامترهای زیست توده و فعالیت های متابولیکی است. با بررسی تحقیقات انجام شده توسط محققان مشاهده می شود که بذر غلات تیمارشده با پلاسمای سرد دارای قدرت جوانه زنی، جذب آب، طول ساقه و اندام هوایی، راندمان رشد، وزن اندام هوایی و ریشه و فعالیت متابولیکی بهتری بودند. این بررسی می تواند روندهای بالقوه امیدوارکننده ای را در استفاده از پلاسما به عنوان روشی برای کاهش شیوع بیماری های مضر گیاهی که از طریق بذر منتقل می شود و خواب دانه های سخت را کاهش دهد، ارایه دهد.

    کلیدواژگان: پلاسمای سرد، تیمار بذر، دانه غلات، ویژگی بیولوژیکی
|
  • S. Karimi Avargani, A. Maleki *, Sh. Besharati, R. Ebrahimi Pages 1-13

    The main objective of this paper is to develop a seven-link dynamic model of the operator’s body while working with a motorized backpack sprayer. This model includes the coordinates of the sprayer relative to the body, the rotational inertia of the sprayer, the muscle moments acting on the joints, and a kinematic coupling that keeps the body balanced between the two legs. The constraint functions were determined and the non-linear differential equations of motion were derived using Lagrangian equations. The results show that undesirable fluctuations in the ankle force are noticeable at the beginning and end of a swing phase. Therefore, injuries to the ankle joint are more likely due to vibrations. The effects of engine speed and sprayer mass on the hip and ankle joint forces were then investigated. It is found that the engine speed and sprayer mass have significant effects on the hip and ankle forces and can be used as effective control parameters. The results of the analysis also show that increasing the engine speed increases the frequency of the hip joint force. However, no significant effects on the frequency of the ankle joint force are observed. The results of this study may provide researchers with insight into estimating the allowable working hours with the motorized backpack sprayers, prosthesis design, and load calculations of hip implants in the future.

    Keywords: Lagrange equation, Operator, Vibration, Weight of sprayer
  • J. Rezaeifar, A. Rohani *, M. A. Ebrahimi-Nik Pages 15-34

    In the quest for enhanced anaerobic digestion (AD) performance and stability, iron-based additives as micro-nutrients and drinking water treatment sludge (DWTS) emerge as key players. This study investigates the kinetics of methane production during AD of dairy manure, incorporating varying concentrations of Fe and Fe3O4 (10, 20, and 30 mg L-1) and DWTS (6, 12, and 18 mg L-1). Leveraging an extensive library of non-linear regression (NLR) models, 26 candidates were scrutinized and eight emerged as robust predictors for the entire methane production process. The Michaelis-Menten model stood out as the superior choice, unraveling the kinetics of dairy manure AD with the specified additives. Fascinatingly, the findings revealed that different levels of DWTS showcased the highest methane production, while Fe3O420 and Fe3O430 recorded the lowest levels. Notably, DWTS6 demonstrated approximately 34% and 42% higher methane production compared to Fe20 and Fe3O430, respectively, establishing it as the most effective treatment. Additionally, DWTS12 exhibited the highest rate of methane production, reaching an impressive 147.6 cc on the 6th day. Emphasizing the practical implications, this research underscores the applicability of the proposed model for analyzing other parameters and optimizing AD performance. By delving into the potential of iron-based additives and DWTS, this study opens doors to revolutionizing methane production from dairy manure and advancing sustainable waste management practices.

    Keywords: Anaerobic digestion, Kinetic Study, Livestock Manure, Modeling, Trace elements
  • D. Baveli Bahmaei, Y. Ajabshirchy, Sh. Abdollahpour *, S. Abdanan Mehdizadeh Pages 35-47

    This research aims to optimize the mixing process in gas-lift anaerobic digesters of municipal sewage sludge since mixing and maintaining uniform contact between methanogenic bacteria and nutrients is essential. Wastewater municipal sludge sampling was performed at the Ahvaz West treatment plant (Chonibeh, Iran) during the summer of 2022. A Computational Fluid Dynamics (CFD) model was implemented to simulate, optimize, and confirm the simulation process using ANSYS Fluent software 19.0. The velocity of the inlet-gas into the digester was determined and a draft tube and a conical hanging baffle were added to the digester design. Different inlet-gas velocities were investigated to optimize the mixing in the digester. Furthermore, turbulence kinetic energy and other evaluation indexes related to the sludge particles such as their velocity, velocity gradient, and eddy viscosity were studied. The optimal inlet-gas velocity was determined to be 0.3 ms-1. The simulation results were validated using the Particle Image Velocimetry (PIV) method and the correlation between CFD and PIV contours was statistically sufficient (98.8% at the bottom corner of the digester’s wall). The results showed that the model used for simulating, optimizing, and verifying the simulation process is valid. It can be recommended for gas-lift anaerobic digesters with the following specifications: cylindrical tank with a height-to-diameter ratio of 1.5, draft tube-to-digester diameter ratio of 0.2, draft tube-to-fluid height ratio of 0.75, the conical hanging baffle distance from the fluid level equal to 0.125 of the fluid height, and its outer diameter-to-digester diameter of 2/3.

    Keywords: Computational Fluid Dynamics (CFD), Digestion, Particles Image Velocimetry (PIV), simulation
  • M. Naderi-Boldaji *, H. Azimi-Nejadian, M. Bahrami Pages 49-67

    Machinery traffic is associated with the application of stress onto the soil surface and is the main reason for agricultural soil compaction. Currently, probes are used for studying the stress propagation in soil and measuring soil stress. However, because of the physical presence of a probe, the measured stress may differ from the actual stress, i.e. the stress induced in the soil under machinery traffic in the absence of a probe. Hence, we need to model the soil-stress probe interaction to study the difference in stress caused by the probe under varying loading geometries, loading time, depth, and soil properties to find correction factors for probe-measured stress. This study aims to simulate the soil-stress probe interaction under a moving rigid wheel using finite element method (FEM) to investigate the agreement between the simulated with-probe stress and the experimental measurements and to compare the resulting ratio of with/without probe stress with previous studies. The soil was modeled as an elastic-perfectly plastic material whose properties were calibrated with the simulation of cone penetration and wheel sinkage into the soil. The results showed an average 28% overestimation of FEM-simulated probe stress as compared to the experimental stress measured under the wheel loadings of 600 and 1,200 N. The average simulated ratio of with/without probe stress was found to be 1.22 for the two tests which is significantly smaller than that of plate sinkage loading (1.9). The simulation of wheel speed on soil stress showed a minor increase in stress. The stress over-estimation ratio (i.e. the ratio of with/without probe stress) noticeably increased with depth but increased slightly with speed for depths below 0.2 m.

    Keywords: FEM simulation, Machinery traffic, Soil bin, Soil stress, Stress probe
  • B. Golanbari, A. Mardani *, A. Hosainpour, H. Taghavifar Pages 69-82

    Due to the numerous variables that may influence the soil-machine interaction systems, predicting the mechanical response of soil interacting with off-road traction equipment is challenging. In this study, deep neural networks (DNNs) are chosen as a potential solution for explaining the varying soil sinkage rates because of their ability to model complex, multivariate, and dynamic systems. Plate sinkage tests were carried out using a Bevameter in a fixed-type soil bin with a 24 m length, 2 m width, and 1 m depth. Experimental tests were conducted at three sinkage rates for two plate sizes, with a soil water content of 10%. The provided empirical data on the soil pressure-sinkage relationship served as the basis for an algorithm capable of discerning the soil-machine interaction. From the iterative process, it was determined that a DNN, specifically a feed-forward back-propagation DNN with three hidden layers, is the optimal choice. The optimized DNN architecture is structured as 3-8-15-10-1, as determined by the Grey Wolf Optimization algorithm. While the Bekker equation had traditionally been employed as a widely accepted method for predicting soil pressure-sinkage behavior, it typically disregarded the influence of sinkage velocity of the soil. However, the findings revealed the significant impact of sinkage velocity on the parameters governing the soil deformation response. The trained DNN successfully incorporated the sinkage velocity into its structure and provided accurate results with an MSE value of 0.0871.

    Keywords: Bevameter, Deep Neural Network, Off-road vehicle, Soil bin, Terramechanics
  • M. Pourbagher, R. Pourbagher, M. H. Abbaspour-Fard * Pages 83-104

    Today, almost half of the total human food, especially in Asia, is directly supplied from grains, and nearly 70% of the cultivated area of the world, which is one billion hectares, is used for growing grains. Therefore, non-destructive methods must be found and developed to increase seed quality in agriculture and industry. Cold plasma is a novel and efficient method that can be used in the agricultural and food sectors for the inactivation of surface microorganisms and the excitation of seeds. This review presents a summary of the effectiveness of cold plasma treatment on the characteristics of four important cereal plants: wheat, rice, corn, and barley. The focus is on the effects of this treatment on seed germination, surface property changes, water uptake of seeds, growth parameters of root, shoot, and seedling length, biomass parameters, and metabolic activities. By examining the research conducted by the researchers, it can be seen that the cereal seeds treated with cold plasma had better germination power, water absorption, shoot length, growth efficiency, shoot and root weight, and metabolic activity. This review can provide insight into the promising trends in utilizing plasma as a method to decrease the prevalence of harmful plant diseases transmitted through seeds and reduce the dormancy of hard seeds.

    Keywords: biological feature, Cereal grain, Cold Plasma, Seed treatment