Une machine de gestion des résidus pour hacher les résidus de paddy dans une rizière récoltée par moissonneuse-batteuse - Hefei StarBridge Ventures Group Co., Ltd.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5077 (2023) Citer cet article

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De nos jours, les moissonneuses-batteuses sont l'appareil le plus couramment utilisé pour la récolte des cultures ; par conséquent, une grande quantité de matériel végétal et de résidus de culture est concentrée dans une bande étroite de matériel végétal qui sort de la moissonneuse-batteuse, ce qui complique la tâche de gestion des résidus. Cet article vise à développer une machine de gestion des résidus de culture qui peut hacher les résidus de paddy et les mélanger avec le sol de la rizière récoltée combinée. A cet effet, deux unités importantes sont attachées à la machine développée : les unités de hachage et d'incorporation. Le tracteur fait fonctionner cette machine comme source principale, avec une plage de puissance d'environ 55,95 kW. Les quatre paramètres indépendants sélectionnés pour l'étude étaient la vitesse de rotation (R1 = 900 & R2 = 1100 tr/min), la vitesse d'avancement (F1 = 2,1 & F2 = 3,0 Kmph), le réglage horizontal (H1 = 550 & H2 = 650 mm) et la vitesse verticale. (V1 = 100 & V2 = 200 mm) entre l'arbre du broyeur de paille et l'arbre du rotavator et son effet a été trouvé sur l'efficacité d'incorporation, l'efficacité de déchiquetage et la réduction de la taille des déchets des résidus de paddy hachés. L'incorporation de résidus et l'efficacité du déchiquetage étaient les plus élevées dans les arrangements V1H2F1R2 (95,31 %) et V1H2F1R2 (61,92 %). La réduction des déchets des résidus de paddy haché a été enregistrée au maximum à V1H2F2R2 (40,58%). Par conséquent, cette étude conclut que la machine de gestion des résidus développée avec quelques modifications dans la transmission de puissance peut être suggérée aux agriculteurs pour surmonter le problème des résidus de paddy dans les rizières récoltées en combinaison.

La récolte des cultures a produit de la paille comme sous-produit pendant des siècles, ce qui en fait une ressource agricole importante1. Malgré ses ressources naturelles, la paille après récolte est d'une immense valeur en tant qu'amélioration de la fertilité et de la structure du sol2. Le deuxième principe de l'agriculture de conservation est la rétention des résidus, qui contribue à la santé du sol, réduit l'érosion du sol et améliore la teneur en humidité du sol, améliorant ainsi la teneur en matière organique du sol, augmentant ainsi les rendements des cultures et l'utilisation de l'énergie3. Divers facteurs influencent la rétention des résidus au champ, notamment les cultures, le sol, le climat, la pente et les pratiques de gestion des résidus.

Il y a eu une augmentation considérable des rendements des principales cultures de 1949–50 à 2017–18. Elle était d'environ 379,8 % dans le paddy, 1 460,4 % dans le blé, 1 337,6 % dans le maïs, 209,9 % dans les légumineuses, 388,7 % dans les oléagineux et 669,3 % dans la canne à sucre4. La plupart des résidus de culture sont brûlés dans les champs au lieu d'être utilisés pour nourrir les animaux, faire du compost nutritionnel ou planter des champignons, même s'ils peuvent être transformés en bioénergie pour l'approvisionnement et le développement rural5,6. Il existe une correspondance directe entre la productivité des cultures et la disponibilité de l'énergie dans la production agricole. Environ 371 millions de tonnes de résidus de cultures sont produites en Inde chaque année, dont les résidus de blé représentent 27 à 36 % et les résidus de paddy 51 à 57 %7,8. Dans la région du nord-ouest (NW) de l'Inde, à savoir le Punjab, l'Haryana et l'Uttar Pradesh, les résidus des cultures de paddy sont brûlés in situ, ce qui est une autre pratique de gestion courante. Les résidus de combustion contribuent jusqu'à 20 % du budget des émissions de combustion des déchets agricoles dans le nord-ouest de l'Inde9. Chaque tonne de paille (riz et blé) en brûlant libère 3 kg d'une matière particulière, 60 kg de CO, 1460 kg de CO2, 199 kg de cendres et 2 kg de SO210, provoquant un réchauffement climatique important et des pluies acides. Et environ 32 à 67 % du poids de la paille et 27 à 73 % de l'azote sont perdus en raison de la combustion1,11. La combustion de paddy et de paille de blé en Inde en 2000 devrait émettre respectivement 110, 2306, 2 et 84 gigagrammes (Gg) de CH4, CO et NOx12. Ainsi, le pays doit renforcer la mécanisation agricole pour la production alimentaire et la qualité de vie. Dans de nombreuses pratiques agricoles, les coûts de production sont assez élevés en raison de l'intensité de la main-d'œuvre consacrée aux différents aspects des opérations agricoles. En revanche, la part des sources d'énergie mécaniques et électriques est passée de 7 % à environ 90 % au cours de la même période. Dans l'agriculture indienne, il y a une prépondérance de petites exploitations opérationnelles principalement employées pour les opérations agricoles; cela signifie que la consolidation des propriétés foncières sera nécessaire pour récolter les fruits de la mécanisation agricole13.

En ce qui concerne la croissance économique mondiale, on peut dire que la production agricole joue un rôle important dans la conduite de cette croissance. Sans aucun doute, l'Inde est le deuxième producteur mondial de riz et de blé. Selon la littérature disponible, environ 6 tonnes de résidus sont produites pour 4 tonnes de production de blé ou de riz, ce qui représente une énorme quantité de paille disponible pour une élimination sûre et appropriée chaque année. Dans un champ récolté en combinaison, le rendement total de l'exploitation en résidus de paddy sera d'environ 12,5 tonnes par hectare. En comparaison, le rendement des chaumes sur pied et des pailles en vrac sera d'environ 7 tonnes par hectare et 5,5 tonnes par hectare, respectivement14. En Inde, une moyenne de 500 MT par an de résidus de culture a été produite à partir de différentes espèces de cultures ; le principal résidu obtenu à partir du riz et du blé était d'environ 34 % et 22 %, respectivement. Sur le total des résidus de culture, 360 MT sont utilisées pour l'alimentation animale, le paillage du sol, le fumier biologique, le chaume pour les maisons rurales et le carburant à usage domestique et industriel. Après cette utilisation de collecte, il y a un excédent de résidus de 140 MT, dont 92 MT sont brûlées par les agriculteurs chaque année en raison de l'indisponibilité de machines appropriées pour la gestion des résidus de paddy et de l'agriculture mécanisée liée à une main-d'œuvre agricole peu qualifiée15,16 ,17,18.

Le brûlage des résidus de culture libère une quantité importante de fumée et de suie dans l'air, provoquant une pollution accrue. Ce processus conduit à la libération de gaz à effet de serre (GES), comme le dioxyde de carbone, le méthane et l'oxyde nitreux, contribuant au réchauffement climatique. De plus, cela entraîne la perte d'éléments nutritifs importants pour les plantes tels que N, P et K, ce qui a un impact négatif sur les propriétés du sol et une perte de carbone organique précieux et de résidus riches en énergie dans l'environnement. La combustion de la paille de paddy dans les champs libère des polluants dans l'atmosphère, aggravant encore l'impact des problèmes liés au changement climatique19.

Outre le brûlage des résidus de culture, il existe de nombreuses alternatives possibles au brûlage des résidus de culture, notamment la décomposition du résidu avec un adjuvant chimique, le déchiquetage du résidu, puis son incorporation dans le sol. Le déchiquetage des déchets présente plusieurs avantages : il réduit la taille des particules, et donc plus de microbes pourront dégrader rapidement les résidus, augmentant la quantité de carbone et d'azote minéralisés à partir des résidus. De plus, l'incorporation de résidus dans le sol augmenterait la surface des résidus en contact avec les microbes du sol, accélérant ainsi le processus de décomposition. Les systèmes de gestion des résidus de culture peuvent bénéficier de l'incorporation de paille pour améliorer la productivité et la durabilité agricoles. Ceci est considéré comme la pratique la plus efficace pour améliorer les propriétés et la fertilité du sol20,21.

Il a été recommandé que l'incorporation de paille 15 à 20 jours avant le semis du blé dans le nord-ouest de l'Inde soit un substitut à la combustion de la paille de paddy22,23. L'incorporation de résidus de récolte dans le sol augmenterait également la quantité de surface de résidus qui entrerait en contact avec les microbes vivant dans le sol et, par conséquent, accélérerait la décomposition des résidus. Ainsi, il est important de souligner l'importance d'une bonne gestion des résidus de culture pour maintenir la fertilité du sol afin de soutenir la productivité élevée des cultures obtenue ces dernières années24,25,26. De même, l'incorporation de résidus de culture a amélioré la qualité du sol en termes d'amélioration du carbone organique du sol, de la conductivité hydraulique, du taux d'infiltration, de la rétention d'eau, de la capacité d'échange cationique, de l'activité enzymatique et de la stabilité des agrégats. En général, le déchiquetage des résidus de culture a entraîné un taux de dégradation plus rapide, comme l'indique une augmentation de la minéralisation du carbone et de l'azote, a influencé le temps de respiration maximal ou n'a eu aucun effet sur la respiration. De multiples opérations de travail du sol (2 à 3 fois herse/motoculteur, ou motoculteur et planeuse) sont nécessaires pour incorporer la paille et préparer le lit de semence pour le semis du blé, ce qui augmente le coût de la culture et retarde le semis du blé. L'incorporation de la paille au champ prend beaucoup de temps et nécessite 6 à 7 opérations. Par conséquent, les agriculteurs optent pour la combustion de la paille de paddy pour nettoyer rapidement le champ pour semer la prochaine récolte de blé car son utilisation est limitée27. Le parc machines de gestion des résidus de culture associe un rotavator et un broyeur de paille, un happy seeder, un semoir à grain zéro, une presse à paille et un super système de gestion de la paille sur une moissonneuse-batteuse.

Le semoir Roto till a été développé pour semer le blé après la récolte du paddy28. La machine était un rotavator combiné à un semoir. Ils ont déclaré que les performances de la machine n'étaient pas satisfaisantes dans les rizières récoltées en combinaison. De plus, ils ont affirmé que lorsqu'il était utilisé après que la paille avait été hachée à l'aide d'un broyeur de paille, les performances de la machine étaient acceptables28,29. Un semoir combo heureux a été développé; il sème le champ en une seule opération tout en coupant, soulevant et jetant la paille en vrac et le chaume sur pied. Il nécessite un tracteur de 45 ch comme source d'alimentation et entraîné par la prise de force du tracteur avec une capacité au champ de 0,3 à 0,04 ha/h lorsqu'il est utilisé avec un tracteur. Les performances satisfaisantes de la machine ont été constatées lorsque la charge de paille était inférieure à 7 t/ha. L'accumulation de boue et de paille sur les dents des semoirs heureux a été observée dans les sols argileux humides.

En une seule opération, la machine récolte les chaumes laissées après le peignage, coupées en morceaux, et les épand au sol27. En utilisant une seule opération de rotavator ou de herse à disques, les chaumes hachées et étalées étaient facilement enfouies dans le sol et pourries après l'irrigation. Le broyeur-épandeur de paille de riz fonctionne de manière satisfaisante dans des conditions de chaume lâche et de peuplement. Cependant, la paille et le chaume hachés ont nécessité plus de temps de décomposition, ce qui a retardé le semis de la prochaine récolte. Le colmatage de la paille en vrac a été observé dans la déchaumeuse et le broyeur. Une broyeuse de paille et un épandeur de concombres sont des accessoires pour la moissonneuse-batteuse actuelle. Il était fixé sur le capot arrière de la moissonneuse-batteuse, derrière les tamis à pailles et juste devant les secoueurs. L'objectif principal de la machine développée était de briser la paille et les paillettes du secoueur de paille et du tamis de la moissonneuse-batteuse en plus petits morceaux avant de les disperser sur le champ récolté30.

Les broyeurs de résidus végétaux peuvent être utilisés dans divers champs, notamment le maïs, le blé, le riz, le coton et la canne à sucre. Ils sont disponibles auprès de fabricants tels que 1JH (Chine), Tornado (Italie), Croplogix (États-Unis) et RM (France). Les moissonneuses-batteuses à deux roues, quatre roues et moissonneuses-batteuses peuvent faire fonctionner les machines, la version tracteur à quatre roues étant la plus populaire. Le semoir heureux, l'incorporateur, le semoir à grain zéro, la presse à balles de paille, le broyeur de paille de paddy et le système de gestion de la super paille sur une moissonneuse-batteuse sont des machines agricoles disponibles dans le commerce pour la gestion des résidus de récolte. Cependant, la gestion des résidus de paddy, qui comprend la coupe, le hachage et l'incorporation, ne peut être réalisée seule par les machines existantes. Par conséquent, il est nécessaire de développer une machine de gestion des résidus appropriée pour gérer complètement les résidus de paddy des rizières récoltées combinées en un seul passage31.

Cet article vise à développer une machine et à évaluer ses performances pour la gestion des résidus de paddy. L'objectif principal du broyeur de paille et de l'incorporateur est de réduire uniformément la taille des résidus et de les incorporer dans le sol en un seul passage pour augmenter la fertilité du sol et l'activité biologique. Il peut retenir l'humidité du sol et augmenter la porosité et l'aération du sol pour une germination et une croissance améliorées pour la prochaine culture Rabi. La machine de gestion des résidus proposée peut couper les chaumes et les mélanger avec de la terre. Par conséquent, ces faits ont été pris en compte lors du développement de la présente machine de gestion des résidus de paddy.

Un broyeur de paille et un incorporateur ont été combinés avec un châssis réglable pour développer le broyeur de paille et l'incorporateur. La considération de conception préalable pour le développement du broyeur de paille et de l'incorporateur comprend la conception de sa largeur, qui a été maintenue constante à 2100 mm car il s'agit de la taille normale des outils utilisés par les agriculteurs, en particulier dans la région du nord-ouest de l'Inde. La vitesse de rotation recommandée de l'incorporateur a été maintenue à 180–210 tr/min pour une pulvérisation appropriée du sol pendant l'incorporation des résidus de paddy 32. Des chercheurs antérieurs ont montré que les performances du broyeur de paille de type fléau étaient meilleures dans les plages de vitesse de rotation comprises entre 750 et 1900 tr/min. Le réglage horizontal et vertical du broyeur de paille et de l'incorporateur dépend de la longueur des chaumes de riz après la récolte. La longueur moyenne des chaumes de paddy était d'environ 350–600 mm. L'espace horizontal entre le centre de l'axe du rotor du broyeur de paille et l'axe du rotor de l'incorporateur était de 550 mm et 650 mm. L'espace vertical entre le centre de l'axe du rotor du broyeur de paille et l'axe du rotor de l'incorporateur était de 100 mm et 200 mm33. La forme des lames de l'incorporateur pour l'incorporation des résidus de paddy était généralement de type L. Par conséquent, les lames de type L ont été prises en compte pour cette étude 32. Comme par le passé, les lames de fléau de type J ont été utilisées dans un broyeur à fléaux, mais ces lames n'ont pas fonctionné de manière satisfaisante pour déchiqueter et hacher les résidus de paddy. Les lames de type gamma inversé fonctionnent de manière plus satisfaisante que la lame de type J et la lame de type dentelée de la barre de coupe 34. Par conséquent, des lames de type gamma inversé ont été utilisées dans le broyeur de paille. Selon des études antérieures, il est recommandé que la vitesse de rotation de l'incorporateur pour une incorporation correcte des résidus de paddy soit de 180 à 210 tr/min32.

Le cadre a été développé à l'aide de tubes carrés MS (acier doux) et de tubes MS plats. Trois tuyaux carrés de taille 75 × 75 mm de longueur 800 mm ont été utilisés à cet effet. Le plat MS de taille 100 × 25 mm a été utilisé pour le cadre. Le cadre développé est supérieur en ce que chaque côté peut être utilisé pour régler le jeu horizontal et vertical entre l'arbre de l'incorporateur et l'arbre du rotor du broyeur de paille. Étant donné que les dégagements horizontaux et verticaux peuvent avoir un impact sur les performances, cet ajustement a été effectué pour améliorer les performances de la machine 33. Les détails du châssis sont illustrés à la Fig. 1.

Vue isométrique du cadre utilisé dans une machine développée.

Le calcul des exigences de couple du broyeur de paille et de l'incorporateur a déterminé séparément les exigences de couple du broyeur de paille et de l'incorporateur. La somme de l'exigence de toque du broyeur de paille et de l'incorporateur était l'exigence de couple totale de la machine développée. La puissance requise a été supposée conformément aux recommandations des fabricants et aux études précédentes. Le couple est calculé à l'aide de l'équation suivante :

où, P est la puissance requise du broyeur de paille, kW, T est le couple requis du broyeur de paille, Nm, et N est la vitesse de l'arbre du rotor du broyeur de paille, tr/min.

Le tableau 1 fournit les exigences de couple pour le broyeur de paille et l'incorporateur. Le couple requis total pour la machine développée est de 1790,94 Nm, la somme du couple requis individuel du broyeur de paille (435,24 Nm) et de l'incorporateur (1355,70 Nm).

Le système ouvert de courroie et de poulie a été utilisé pour la transmission de puissance du broyeur de paille et de l'incorporateur. Une courroie de type V de catégorie B a été utilisée dans le système de transmission de puissance de la machine développée. La longueur de la ceinture a été déterminée en utilisant l'équation suivante :

où, L est la longueur de la courroie (mm), D est le diamètre de la poulie entraînée, mm, d est le diamètre d'une poulie motrice, mm, et X est la distance centrale entre la poulie entraînée et la poulie motrice, mm. La longueur calculée de la ceinture de L1, L2 et L3 est donnée dans le tableau 2.

La sélection du nombre de courroies ou de gorges de poulie a été effectuée selon les hypothèses suivantes23,25,33,35 car un matériau de masse volumique de courroie en caoutchouc (ρ) est de 1140 kg/m3, contrainte admissible dans la courroie en caoutchouc \(\left({ \varvec{\upsigma}}\right)\) est de 21 MPa, le coefficient de frottement entre la courroie et la poulie (µ) est de 0,30 et le poids de la courroie en caoutchouc par mètre (m) est de 4,31 N.

Le nombre de courroies nécessaires a été calculé pour le broyeur de paille et l'incorporateur à l'aide des équations suivantes :

où, n est le nombre de courroies, a est la section calculée de la courroie, mm2, et A est la section standard de la courroie, mm2. L'aire de la section transversale calculée (a) est obtenue par :

où θ est l'angle de contact, en radians, et v est la vitesse de la courroie, m/s. La section standard de la bande (A) = bt, où b est la largeur de la bande en mm et t est l'épaisseur de la bande en mm. Pour le type de courroie B, la largeur et l'épaisseur sont respectivement de 17 et 11 mm35.

Puissance supposée du broyeur de paille Ps = 41 kW ; α = Angle de contact, degré, donc,

Donc, le nombre de courroies nécessaires = \(\frac{a}{A}\) ; le nombre de ceintures nécessaires est de 3.

Puissance supposée du broyeur de paille Pr = 30 kW

Par conséquent, le nombre de courroies requises = \(\frac{a}{A}\), le nombre de courroies requises est de 3.

Le diamètre de l'arbre du broyeur de paille et de l'incorporateur a été déterminé à l'aide de l'équation de torsion en supposant une contrainte de cisaillement admissible, \(\uptau =70\mathrm{MPa}\).

où, T est le moment de torsion ou le couple agissant sur l'arbre, Nm, \({\varvec{\tau}}\) est la contrainte de cisaillement de torsion, MPa, et d est le diamètre de l'arbre, mm. Les diamètres de l'arbre-1, de l'arbre-2 et de l'arbre-3 ont été calculés à l'aide de l'équation. 7 dans le tableau 3.

Le système de courroie et de poulie transmettait la puissance d'un arbre à l'autre. La courroie, la poulie, les engrenages, l'arbre et les roulements étaient les composants de transmission de puissance. Différents diamètres de 5 poulies à rainures multiples de type B ont été utilisés, dont deux poulies ont été utilisées à la machine à hacher la paille, c'est-à-dire la poulie numéro 1 et la poulie numéro 2, et les trois poulies restantes ont été utilisées à la machine d'incorporation, c'est-à-dire la poulie 3, 4 et 5. Un jeu d'engrenages droits (75 dents) de même diamètre a été utilisé ; le but principal de ces deux engrenages était d'inverser le sens de rotation de la poulie 4. La puissance pour la poulie quatre était transmise à partir de la poulie 3. Les composants du système de transmission de puissance sont décrits dans les Fig. 2 et 3.

Vue isométrique de la transmission de puissance d'une machine hacheuse-incorporatrice.

La puissance de l'arbre de prise de force (prise de force) du tracteur était transmise à la boîte de vitesses du broyeur de paille à l'aide d'un arbre télescopique ; ensuite, la puissance était transmise à l'arbre du rotor du hacheur à l'aide d'un agencement de courroie et de poulie. Un système de poulie à courroie ouverte reliait l'arbre du hacheur à la boîte de vitesses par un agencement de poulie approprié à son extrémité. La poulie numéro 1 était placée sur le côté supérieur et la poulie numéro 2 sur l'arbre du rotor du broyeur de paille. L'arbre du rotor du broyeur de paille tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. La poulie numéro 2 a six rainures reliées aux poulies 1 et 3. La poulie numéro 1 reçoit la puissance de la poulie numéro 2 et la poulie 3 reçoit la puissance des trois rainures restantes de la poulie numéro 2. Ces trois poulies entières ont un sens de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre. La puissance de la poulie trois était montée sur l'arbre numéro 1 à l'arbre numéro 2, transférée par des engrenages droits. La poulie numéro 4 était montée sur l'arbre respectif. Le sens de rotation de la poulie numéro 4 a été modifié dans le sens antihoraire. La puissance de la poulie numéro 4 a été transférée à la poulie numéro 5. La poulie numéro 5 fait tourner l'incorporateur de l'arbre du rotor. Par conséquent, l'arbre du rotor de l'incorporateur tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Les vitesses de la poulie menante et menée sont appelées le rapport de vitesse. Le rapport de vitesse a été calculé en utilisant l'équation suivante :

Soit N, D = vitesse (rpm) et diamètre d'une poulie motrice (mm), respectivement ; n, d = vitesse (tr/min) et diamètre de la poulie entraînée (mm), respectivement ; la vitesse à la poulie 1 (N1) = 650 tr/min, le diamètre de la poulie 1 (D1) = 228,6 mm ; la vitesse à la poulie 2 (N2) = 900 tr/min, le diamètre de la poulie 2 (D2) = 165,1 mm ;

Vitesse à la poulie 3 (N3) = 450, diamètre de la poulie 3 (D3) = 304,8 mm, vitesse à la poulie 4 (N4) = 450, diamètre de la poulie 4 (D4) = 101,6 mm, vitesse à la poulie 5 (N5) = 200 tr/min, diamètre de la poulie 5 (D5) = 228,6 mm :

Rapport de vitesse principal G = G1 X G2 = 1,51.

Le dégagement horizontal et vertical entre les deux axes du broyeur de paille et de l'incorporateur a été calculé à l'aide des équations suivantes. Le dégagement vertical est donné par :

Le dégagement horizontal est donné par :

où, V est le jeu vertical en mm, H est le jeu horizontal, h1 est la longueur de hachage (= 80 à 100 mm), R1 est le rayon de roulement de l'arbre du broyeur de paille à pales de type gamma inversé (= 170 mm ), R2 est le rayon de roulement de l'arbre de l'incorporateur avec des pales de type L (= 150 mm) et h2 est la profondeur d'incorporation (= 100 mm). H2 = 1,1 H1.

où, α est l'angle inclus entre le sol et la vitesse absolue du résidu de paddy haché (= 45°). Le dégagement vertical et les dégagements ont été calculés à environ 220 mm et 640 mm, respectivement.

La machine développée combinait le châssis réglable, l'incorporateur et le broyeur de paille. Le broyeur de paille a des lames de type gamma inversées, et les résidus de paddy traités seront incorporés à l'aide d'un incorporateur avec des lames de type L. La machine développée complète la coupe, le hachage et l'incorporation de la paille en un seul passage. La santé du sol serait améliorée en augmentant le taux de décomposition des résidus de paddy et en l'incorporant au sol. Les figures 4 et 5 illustrent la machine développée en vues isométrique, de dessus, latérale, avant et arrière et une vue isométrique de l'arrière. La spécification détaillée de la machine développée est présentée dans le tableau 4.

Vue isométrique de la machine de gestion des résidus développée.

(a) Haut (b) côté, (c) avant et (d) vues d'engrenage de la machine de gestion des résidus développée.

L'essai sur le terrain a été effectué au Centre de recherche sur les cultures Norman Borlaug de l'Université d'agriculture et de technologie Govind Ballabh Pant Pantnagar, Uttarakhand, Inde. Situé à 29° de latitude N, 79,29° de longitude E et à une altitude de 243,80 m du niveau moyen de la mer dans la ceinture de Tarai de notre pays, comme le montre la Fig. 6. Le tracteur a été utilisé pour des essais sur le terrain de 56 kW. La teneur en humidité (%), la densité apparente (kg/cm3) et la résistance du sol (kg/cm2) du champ d'essai sont respectivement de 13,63 à 14,30, 1,5 à 1,6 et 1,52. Les paramètres indépendants et dépendants pris en compte pour l'évaluation des performances de la machine de gestion des résidus développée lors de l'évaluation sur le terrain étaient la vitesse d'avancement (km/h), le réglage vertical entre l'arbre du rotor du broyeur de paille et le rotavator (cm), la vitesse de rotation du broyeur de paille (tr/min), et réglage horizontal de l'arbre du rotor du broyeur de paille et du rotavator (cm), capacité au champ (ha h–1), réduction de la taille des résidus de paddy (%), efficacité au champ (%), efficacité de déchiquetage (%), efficacité d'incorporation (%) et la consommation de carburant (l/h). Les paramètres indépendants des différents niveaux sont présentés dans le tableau 5. Les essais ont été effectués après la récolte de la rizière par une moissonneuse-batteuse.

La machine de gestion des résidus développée lors du test sur le terrain.

La sélection des jeux verticaux et horizontaux sont les paramètres clés qui influencent la structure et les performances opérationnelles de la machine développée. Un dégagement horizontal excessif étendra le châssis de la machine, surchargeant la tringlerie de montage du tracteur. Un jeu horizontal trop petit provoquera une interférence mutuelle entre les deux rotors, augmentant le risque d'enroulement et de blocage de la tige. Le dégagement horizontal doit être optimal pour garantir les performances optimales de la machine. L'espace horizontal entre le centre du broyeur de paille et le rotor du rotavator a été maintenu à 550 mm, et 650 mm a été maintenu dans le cadre de l'étude. L'espace vertical entre le centre du rotor du broyeur de paille et le rotor du rotavator a été maintenu à 100 mm et 200 mm33. La vitesse de rotation recommandée du rotavator a été maintenue à 180–210 tr/min pour une bonne pulvérisation du sol lors de l'incorporation des résidus de paddy30 ; des chercheurs antérieurs ont montré que les performances du broyeur de paille de type fléau étaient meilleures dans les plages de vitesse de rotation comprises entre 750 et 1 900 tr/min27. La forme des pales du rotavator pour l'incorporation des résidus de paddy est généralement de type L. Par conséquent, les lames de type L ont été considérées pour cette étude32. Les lames de type gamma inversé fonctionnent de manière plus satisfaisante que les lames de type J et les lames dentelées de la barre de coupe34. Par conséquent, nous avons utilisé des lames de type gamma inversées dans le broyeur de paille.

La surface totale utilisée pour évaluer la machine développée était d'environ 2,5 ha. La superficie de la parcelle expérimentale individuelle était d'environ 30 × 15 m2. Le nombre total d'expériences était de 16 et répliqué ces expériences en trois fois. La conception en parcelles divisées (4 × 4 × 3) a été utilisée pour l'évaluation statistique du broyeur de paille et de la machine d'incorporation afin d'analyser l'effet de quatre variables indépendantes, à savoir la vitesse d'avancement de la machine développée, la vitesse du rotor du broyeur de paille. , des ajustements horizontaux et verticaux entre le broyeur de paille et le rotavator sur les variables dépendantes telles que l'efficacité d'incorporation, la réduction de la taille des résidus de paddy et l'efficacité de broyage. L'analyse a été effectuée à un niveau de signification de 5 %. Le schéma expérimental est présenté dans le tableau 6.

Des abréviations d'arrangements ont été utilisées à l'étude :

F1R1 : Vitesse d'avancement à bas niveau soit 2,1 km/h et vitesse de rotation à bas niveau soit 900 tr/min.

F1R2 : Vitesse d'avancement à un niveau bas, soit 2,1 km/h, et vitesse de rotation à un niveau élevé, soit 1100 tr/min.

F2R1 : Vitesse d'avancement à un niveau élevé, c'est-à-dire 3,0 km/h, et vitesse de rotation à un niveau bas, c'est-à-dire 900 tr/min

F2R2 : Vitesse d'avancement à un niveau élevé, c'est-à-dire 3,0 km/h, et vitesse de rotation à un niveau élevé, c'est-à-dire 1100 tr/min.

H1V1 : Réglage horizontal à un niveau bas soit 550 mm, réglage vertical à un niveau bas soit 100 mm.

H1V2 : Réglage horizontal à un niveau bas soit 550 mm, réglage vertical à un niveau haut soit 200 mm.

H2V1 : Réglage horizontal à un niveau haut soit 650 mm, réglage vertical à un niveau bas soit 100 mm.

H2V2 : Réglage horizontal à un niveau haut soit 650 mm, réglage vertical à un niveau haut soit 200 mm.

Les paramètres du sol et de la culture ont été mesurés avant de procéder à l'essai sur le terrain de la machine développée et sont présentés dans les tableaux 7 et 8.

Paramètres machines.

L'expérience sur le terrain a été menée dans une rizière récoltée combinée pour déterminer la consommation de carburant de la machine de gestion des résidus développée, la capacité réelle au champ, la capacité théorique au champ et l'efficacité au champ. Les résultats de ces études sont présentés dans le tableau 7. Le temps consommé pour l'expérience individuelle était d'environ 7 à 8 min. La méthode d'appoint a été utilisée pour mesurer la consommation de carburant au cours de l'étude. La plus faible consommation de carburant de 12,5 l/h a été observée lorsque la vitesse de rotation du broyeur de paille et de l'incorporateur était à un niveau bas, c'est-à-dire respectivement 900 tr/min et 180 tr/min (tableau 7). Les capacités réelles et théoriques maximales au champ étaient d'environ 0,35 et 0,64 ha/h, respectivement (tableau 7). L'efficacité de champ maximale a été observée à 60,46 % Tableau 9.

La vitesse de l'arbre du rotor d'un broyeur de paille varie avec le changement de vitesse de la boîte de vitesses et avec la position de l'accélérateur. L'utilisation d'un tachymètre mesurait cette vitesse de rotation. Un tachymètre de type sans contact a été considéré dans cette étude. Des étiquettes ont été collées sur les arbres du rotor du rotavator et du broyeur de paille. Le faisceau laser du tachymètre était focalisé sur l'étiquette et la lecture était affichée sur l'écran en tr/min.

L'efficacité de broyage est le pourcentage de résidu de paille de paddy haché sur le champ après l'opération par rapport au résidu de paille de paddy sur l'opération du champ.

où, Ec = Efficacité de broyage de la machine, % ; F = Quantité de résidus de paddy haché sur le champ après l'opération, q/ha ; C = Quantité de résidus de paddy sur le champ avant l'opération, q/ha.

C'est le rapport de la longueur moyenne des résidus de paddy après exploitation à la longueur avant exploitation. Pour mesurer la longueur des chaumes de paddy hachées, environ 100 g d'échantillons de paille hachée ont été collectés dans un sac en polyéthylène à chaque parcelle. Des étiquettes ont été conservées pour chaque échantillon à des fins d'identification. Pour quantifier les résidus de paddy haché, l'échantillon a été différencié par taille en mesurant manuellement la longueur de la paille à l'aide d'une échelle de mesure. La réduction de la taille des résidus de paddy a été déterminée en utilisant la relation suivante :

où, Eb = réduction de la taille des résidus de paddy, % ; F = Longueur du résidu de paddy après opération, mm ; B = Longueur du résidu de paddy avant opération, mm.

L'efficacité d'incorporation a été mesurée par le poids de paille de paddy incorporé par la machine dans la zone d'un mètre carré et le poids après le fonctionnement de la machine développée de gestion des résidus de résidus de paddy avant l'opération au même endroit de la parcelle expérimentale. Un pourcentage l'indique.

L'effet combiné des vitesses de rotation et d'avancement et des ajustements verticaux et horizontaux a été présenté dans le tableau 10. L'analyse statistique présentée dans le tableau 11 a indiqué que l'effet des vitesses d'avancement et de rotation, ainsi que les ajustements verticaux et horizontaux, étaient significatifs sur l'efficacité d'incorporation. L'efficacité d'incorporation maximale des résidus de paddy a été obtenue à l'arrangement V1H2F1R2 (95,31%), suivi de V1H1FIR2 (94,30%). En revanche, l'efficacité d'incorporation la plus faible a été enregistrée au niveau de l'arrangement V1H2F2R2 (59,42 %) et V1H1F2R2 (59,43 %), suivi de V2H1F2R2 (64,63 %) et V2H2F2R2 (64,98 %). La valeur du coefficient de différence a été calculée, soit 7,58. L'efficacité d'incorporation pour tous les arrangements dans différentes combinaisons variait de 59,42 % à 95,30 %. Les résultats ont montré que l'efficacité d'incorporation était plus élevée pour la vitesse de rotation au 2ème niveau (1100 tr/min) et que l'efficacité d'incorporation était inférieure pour la vitesse d'avancement au 2ème niveau (3,0 km/h). Aucune différence de valeur statistique n'est observée à différents niveaux d'arrangements horizontaux sur l'efficacité de l'incorporation. Un résultat similaire a montré que le pourcentage de résidus d'enfouissement augmentait avec la valeur moyenne de la vitesse de rotation. Cela est dû à la diminution de la fréquence de coupe ou de coupe du sol lorsque la vitesse de rotation augmente et que la vitesse d'avancement diminue36. Un schéma similaire a été rapporté par Destain et Houmy37, qui ont étudié l'effet de la fraise rotative sur la structure du sol.

L'effet combiné des vitesses de rotation et d'avancement et des ajustements horizontaux et verticaux sur la réduction de la taille des résidus est présenté dans le tableau 12. L'analyse statistique présentée dans le tableau 13 a indiqué que l'effet de la rotation, de la vitesse d'avancement et des réglages verticaux et horizontaux de la machine de gestion des résidus était important dans la réduction de taille d'un résidu de paddy haché. La réduction de taille maximale des résidus de paddy a été obtenue pour les arrangements V1H2F1R2 (61,92 %) suivi de V1H1FIR2 (60,35 %), V1H1F1R1 (54,76) et V1H2F1R1 (54,49 %). La réduction de taille minimale a été trouvée pour les arrangements V2H2F2R2 (22,99 %) et V2H1F2R2 (24 %), suivis de V2H1F2R1 (24,13 %). L'analyse statistique n'a révélé aucune différence significative dans la réduction de la taille des résidus pour l'ajustement horizontal et vertical avec une combinaison de vitesse de rotation et d'avancement. La réduction de la taille des résidus a augmenté avec une augmentation de la vitesse de rotation, alors qu'elle a diminué avec une augmentation de la vitesse d'avancement. Les résultats ont montré que lorsque la vitesse d'avancement était à un niveau inférieur (2,1 km/h), la réduction de taille des résidus était plus élevée. La diminution de la vitesse d'avancement de la machine développée entraîne un moindre nombre de coupes par unité de temps de résidus de paddy, ce qui se traduit par une diminution du pourcentage de réduction de la hauteur des résidus de paddy haché38.

L'analyse statistique présentée dans le tableau 14 a indiqué que différentes vitesses d'avancement et de rotation et des ajustements verticaux et horizontaux étaient significatifs dans l'efficacité de déchiquetage. L'efficacité de broyage de la machine de gestion des résidus variait entre 4,69 % et 40,57 % pour toutes les combinaisons d'arrangements, comme indiqué dans le tableau 15. L'efficacité minimale de broyage des résidus de paddy a été atteinte pour les arrangements V1H2F1R2 (4,69 %), suivi de V1H1FIR2 (5,70 %). %). L'efficacité de broyage maximale a été observée pour V1H2F2R2 (40,58 %) et V1H1F2R2 (40,57 %). Il a été observé que l'efficacité de broyage était plus élevée lorsque la vitesse d'avancement était de 3,0 km/h. L'efficacité de broyage la plus faible a été trouvée à la vitesse d'avancement à un niveau inférieur (2,1 km/h). L'effet de divers niveaux d'arrangements horizontaux et des mêmes niveaux de vitesse d'avancement et de rotation sur l'efficacité du déchiquetage n'a pas été jugé significatif.

Par conséquent, les résultats montrent une diminution de la longueur coupée de la paille à mesure que la vitesse d'avancement de la machine augmente. Il se peut que la diminution de la longueur coupée de la paille soit le résultat de l'augmentation de la vitesse d'avancement, ce qui réduira le glissement et assurera une bonne compression de la paille car il y a plus de paille à couper, c'est-à-dire que le débit d'alimentation augmentera à mesure que la vitesse d'avancement augmente. De plus, au cours de l'expérience, on a observé que la longueur coupée de la paille diminuait à mesure que la vitesse du cylindre augmentait de 1600 à 1800 tours par minute. Pendant le fonctionnement à basse vitesse, les lames du cylindre de hachage se déplacent plus rapidement par rapport au matériau qu'elles ne le font pendant le fonctionnement à grande vitesse, ce qui se traduit par une coupe de paille maximale, ce qui se traduit par une longueur de paille coupée minimale, et ceci est causés par plusieurs coupures par unité de temps et des vitesses élevées36,39.

Les résultats montrent que l'efficacité d'incorporation est proportionnelle à la vitesse de rotation et inversement proportionnelle à la vitesse d'avancement. À mesure que la vitesse de rotation des machines de gestion des résidus développées augmente, le nombre de coupes par unité de sol et de résidus de paddy augmente, entraînant une incorporation accrue de résidus de paddy et vice-versa. Cette tendance des résultats était similaire à l'étude menée par Satish40. Les résultats ont montré que lorsque la vitesse d'avancement était à un niveau inférieur (2,1 km/h), la réduction de taille des résidus était plus élevée. La diminution de la vitesse d'avancement de la machine développée a entraîné moins de coupes par unité de temps de résidus de paddy, ce qui a entraîné une diminution du pourcentage de réduction de la hauteur des résidus de paddy hachés et était due à moins de temps disponible pour couper les résidus de paddy à un niveau supérieur. vitesse38. La tendance montre que l'efficacité de broyage était plus élevée lorsque la vitesse d'avancement était de 3,0 km/h. En revanche, l'efficacité de broyage la plus faible a été trouvée à la vitesse d'avancement à un niveau inférieur (2,1 km/h). La vitesse d'avancement de la machine de gestion des résidus développée a augmenté le nombre de coupes par unité de temps par unité de longueur, diminuant le pourcentage de poids de résidus de paddy haché, entraînant une diminution de l'efficacité du déchiquetage38. Plutôt que de développer une machine à résidus de culture, Sidhu et al. (2015)34 développent et évaluent Turbo Happy Seeder pour semer du blé dans des résidus de riz lourds dans le nord-ouest de l'Inde. Plusieurs essais à la ferme ont démontré que les Turbo Happy Seeders à 9 rangs sont égaux ou supérieurs au travail conventionnel du sol et à la combustion de la paille pour le semis de blé dans les résidus de riz. Zhang et al. (2017) 1 ont résumé les recherches mondiales sur la conception des lames, la disposition des lames et la consommation d'énergie en se basant sur deux principaux facteurs clés de la qualité du broyage des résidus et de l'uniformité de l'épandage. Daï et al. (2010)41 ont développé un broyeur de paille avec un pulvérisateur d'inoculant à décomposition rapide pour accélérer la décomposition du paillis de paille sur le sol. Un broyeur de paille et un pulvérisateur d'inoculant en décomposition se combinent pour fabriquer la machine. Avant que le broyeur de paille ne hache la paille de la culture, le pulvérisateur d'inoculant en décomposition pulvérise l'inoculant en décomposition (inoculant microbien) dans l'air. Il fonctionne avec un moteur de 22,4 kW et hache la paille en morceaux de 5 à 9 cm.

Bien que la machine présente de nombreux avantages par rapport à d'autres machines, il est encore difficile pour de nombreux agriculteurs d'adopter ce semoir en raison de défis importants. L'un des principaux obstacles à l'adoption de la machine est son coût d'investissement élevé, l'aversion au risque de la part des agriculteurs (en particulier ceux des exploitations marginales ou petites) et les fortes subventions à l'électricité et au diesel pour l'agriculture. Au cours de la phase de sensibilisation, les subventions aux machines ont joué un rôle central pour rendre la technologie plus attrayante. Dans de nombreuses régions, les agriculteurs préfèrent encore des champs propres avec de faibles niveaux de résidus. Pour les agriculteurs, le brûlage des résidus de riz est un moyen facile et peu coûteux de défricher leurs champs. Plusieurs démonstrations sur le terrain avec la machine de gestion des résidus de culture doivent être menées sur différents types de sols sous différents climats et saisons pour surmonter ces problèmes.

Malgré les recherches approfondies sur la structure du broyeur de paille / la gestion des résidus et les paramètres de fonctionnement, les propriétés mécaniques et physiques de la paille de culture et le débit de la machine qui ont été menées pour améliorer la qualité de broyage de la paille de culture, très peu de tentatives ont été faites pour relier ces paramètres à la coupe et à l'épandage. . Les principales conclusions suivantes peuvent être tirées de cette étude :

Les essais réels de la machine de gestion des résidus développée ont été jugés satisfaisants.

La capacité au champ théorique, la capacité effective et l'efficacité au champ de la machine de gestion des résidus développée étaient respectivement de 0,43 à 0,64 ha/h, de 0,26 à 0,35 ha/h et de 55 à 60,46 %.

La consommation de carburant de la machine développée a été enregistrée entre 12,5 et 14 l/h.

L'efficacité d'incorporation des résidus de paddy par broyeur de paille-incorporateur varie entre 59,42% et 95,31%.

La réduction de la taille des déchets de la réédition de paddy par le broyeur de paille et l'incorporateur se situe dans la plage de 22,99 à 24,13 %.

L'efficacité de broyage maximale a été enregistrée à environ 40,58 %.

Malgré la nouveauté et l'apport pratique du développement présenté dans cette étude, la principale limitation est qu'il nécessite un tracteur de grande puissance (> 60 ch), ce qui était basé sur les suggestions des agriculteurs indiens que le système de transmission de puissance pourrait modifier. La transmission par courroie et poulie est utilisée dans la machine de gestion des résidus développée. Il a observé que plus de chaleur est générée entre la courroie et la poulie chaque fois que la charge augmente au niveau de l'incorporateur. Par conséquent, ce système de transmission de puissance ne fonctionne pas plus longtemps. La transmission de puissance utilisée dans le broyeur de paille et l'incorporateur ne peut pas fonctionner pendant une longue période.

Néanmoins, le poids de la machine peut être réduit en réalisant un seul châssis pour l'unité de hachage et l'unité d'incorporation ; par conséquent, les besoins en énergie de la machine de gestion des résidus peuvent être encore réduits.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient le doyen de la recherche scientifique de l'Université King Saud pour le financement par l'intermédiaire du vice-doyen des chaires de recherche scientifique ; Chaire de recherche du Prix international Prince Sultan Bin Abdulaziz pour l'eau.

Cette recherche a été financée par le décanat de la recherche scientifique de l'Université King Saud par l'intermédiaire du vice-décanat des chaires de recherche scientifique ; Chaire de recherche du Prix international Prince Sultan Bin Abdulaziz pour l'eau.

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Chelpuri Ramulu, Raj Narayan Pateriya & Mude Arjun Naik

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Chelpuri Ramulu

Département de génie de l'irrigation et du drainage, GB Pant University of Agriculture and Technology, Pantnagar, Uttarakhand, 263145, Inde

Dinesh Kumar Vishwakarma

CERIS, Instituto Superior T´Ecnico, Université de Lisbonne, 1649–004, Lisbonne, Portugal

Alban Kuriqi

Département de génie civil, Université des affaires et de la technologie, Pristina, Kosovo

Alban Kuriqi

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Nadhir Al-Ansari

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Abed Alataway, Ahmed Z. Dewidar & Mohamed A. Mattar

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Ahmed Z. Dewidar & Mohamed A. Mattar

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Mohamed A. Mattar

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Correspondance à Dinesh Kumar Vishwakarma, Nadhir Al-Ansari ou Mohamed A. Mattar.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Reçu : 29 novembre 2022

Accepté : 23 mars 2023

Publié: 28 mars 2023

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

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