بهینه‌سازی تیغه برش دروگر برداشت کلزا با رویکرد کاهش مصرف انرژی و ارزیابی چرخه زیست

ماشین های کشاورزی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 16 تیر 1404   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی انگلیسی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jam.2025.92546.1353

نویسندگان

قانع احمدزاده؛ محمدرضا ملکی؛ پیمان سلامی^* ؛ کاوه ملازاده

گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

چکیده

عملیات برداشت غلات حدود 30-25% از کل مصرف مستقیم انرژی در سیستم‌های تولید محصولات کشاورزی را شامل می‌شود. با توجه به ویژگی‌های خاص کلزا در مقایسه با سایر غلات، طراحی تیغه‌های مناسب برداشت آن ضروری است. این پژوهش به بررسی تأثیر زوایای تیغه (زوایای قرارگیری و تیزی: 30، 45 و 60 درجه)، سرعت حرکت رفت و برگشتی (800، 1100 و 1400 رفت و برگشت در دقیقه) و سطوح رطوبتی (19، 22 و 24 درصد) بر نیروی برش، تنش برشی و مصرف انرژی در برداشت کلزا پرداخت. نتایج نشان داد زاویه تیزی 30 درجه و زاویه قرارگیری 45 درجه به‌ترتیب کمترین تنش برشی (0.175 و 0.177 نیوتن بر میلی‌متر مربع) را نسبت به زاویه 60 درجه (0.303 و 0.320 نیوتن بر میلی‌متر مربع) ایجاد می‌کنند. افزایش رطوبت از 19 به 24 درصد، تنش برشی را از 0.256 به 0.200 نیوتن بر میلی‌متر مربع کاهش داد. سرعت 1400 رفت و برگشت در دقیقه کمترین تنش برشی (0.167 نیوتن بر میلی‌متر مربع) را در مقایسه با 800 رفت و برگشت (0.286 نیوتن بر میلی‌متر مربع) نشان داد. ارزیابی چرخه حیات نشان داد تغییر زوایای قرارگیری، تیزی و سرعت رفت و برگشتی به ترتیب می‌تواند سمیت اکولوژیکی آبزیان دریایی را تا 55,762.55، 377,429.87 و 143,185.69 کیلوگرم معادل دی‌کلروبنزن افزایش دهد. ترکیب بهینه (زاویه تیزی 30 درجه، قرارگیری 45 درجه، رطوبت 24 درصد و 1400 رفت و برگشت در دقیقه) انرژی برشی و اثرات زیست‌محیطی را به طور قابل توجهی کاهش داد.

کلیدواژه‌ها

ارزیابی اثرات چرخه زیست؛ انرژی برشی؛ تنش برشی؛ زاویه تیزی تیغه؛ زاویه قرارگیری تیغه

مراجع

1. Aghbashlo, M., Kianmehr, M. H., & Hassan-Beygi, S. R. (2008). Specific heat and thermal conductivity of Berberis fruit (Berberis vulgaris). American Journal of Agricultural and Biological Sciences, 3, 330-336. https://doi.org/10.3844/ajabssp.2008.330.336
2. Amirian, F., Shahbazi, F., & Taheri Garavand, A. (2018). Effects of moisture content and stem region on the bending characteristics of chickpea stem. Agricultural Engineering International, 20(2), 190-196.
3. Azadbakht, M., Esmaeilzadeh, E., & Esmaeili-Shayan, M. (2015). Energy consumption during impact cutting of canola stalk as a function of moisture content and cutting height. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 14(2), 147-152. https://doi.org/10.1016/j.jssas.2013.10.002
4. Baruah, D. C., & Panesar, B. S. (2005). Energy requirement model for combine harvester, Part 2: Integration of component models. Biosystems Engineering, 90(2), 161-171. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2004.10.003
5. Chattopadhyay, P. S., & Pandey, K. P. (2001). Impact cutting behavior of sorghum stalks using a flail-cutter-a mathematical model and its verification. Journal of Agricultural Engineering Research, 78(4), 369-376. https://doi.org/10.1006/jaer.2000.0623
6. Gan, H., Mathanker, S., Abdul Momin, M., Kuhns, B., Stoffel, N. Hansen, A., & Grift, T. (2018). Effects of three cutting blade designs on energy consumption during mowing-conditioning of Miscanthus Giganteus, Biomass and Bioenergy, 109, 166-171. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2017.12.033
7. Heidari, A., Chegini, G., & Kianmehr, M. H. (2012). Influence of knife bevel angle, rate of loading and stalk section on some engineering parameters of lilium stalk. Iranian Journal of Energy and Environment, 3(4), 333-340. https://doi.org/10.5829/idosi.ijee.2012.03.04.07
8. Johnson, P. C., Clementson, C. L., Mathanker, S. K., Grift, T. E., & Hansen, A. C. (2012). Cutting energy characteristics of Miscanthus x giganteus stems with varying oblique angle and cutting speed. Biosystems Engineering, 112(1), 42-48. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2012.02.003
9. Kushwaha, R. L., Vashnav, A. S., & Zoerb, G. C. (1983). Shear strength of wheat straw. Canadian Agricultural Engineering, 25(2), 163-166.
10. Kronbergs, E. (2000). Mechanical strength testing of stalk materials and compacting energy evaluation. Industrial Crops and Products, 11, 211-216. https://doi.org/10.1016/S0926-6690(99)00052-7
11. Mathanker, S. K., Grift, T. E., & Hansen, A. C. (2015). Effect of blade oblique angle and cutting speed on cutting energy for energycane stems. Biosystems Engineering, 133, 64-70. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2015.03.003
12. Maughan, J. D., Mathanker, S. K., Grift, T. E., Hansen, A. C., & Ting, K. C. (2013). Impact of blade angle on miscanthus harvesting energy requirement. Transactions of the ASABE, 57(4), 999-1006. https://doi.org/10.13031/trans.57.10373
13. Mirzaee, P., Salami, P., Akhijahani, H. S., & Zareei, S. (2023). Life cycle assessment, energy and exergy analysis in an indirect cabinet solar dryer equipped with phase change materials. Journal of Energy Storage, 61, 106760. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106760
14. Mohammadi Baneh, N., Navid, H., Alizadeh, M. R., & Ghasem Zadeh, H. R. (2012). Design and development of a cutting head for portable reaper used in rice harvesting operations. Journal of Applied Biological Sciences, 6(3), 69-75.
15. Nazari Galedar, M., Jafari, A., Mohtasebi, S. S., Tabatabaeefar, A., Sharifi, A., O’Dogherty, M. J., Rafiee, S., & Richard, G. (2008). Effects of moisture content and level in the crop on the engineering properties of alfalfa stems. Biosystems Engineering, 101(2), 199-208. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2008.07.006
16. Okyere, F. G., Kim, H. T., Basak, J. K., Khan, F., Bhujel, A., Park, J., & Lee, D. (2022). Influence of operational properties and material’s physical characteristics on mechanical cutting properties of corn stalks. Journal of Biosystems Engineering, 47, 197-208. https://doi.org/10.1007/s42853-022-00140-2
17. Persson, S. (1987). Mechanics of cutting plant material. ASAE Publications, Michigan.
18. Paris, B., Vandorou, F., Balafoutis, A. T., Vaiopoulos, K., Kyriakarakos, G., Manolakos, D., & Papadakis, G. (2022). Energy use in open-field agriculture in the EU: A critical review recommending energy efficiency measures and renewable energy sources adoption. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 158, 112098. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112098
19. Rezahosseini, A., Jafari Naeimi, K., & Mortezapour, H. (2019). Development and field evaluation of a cabbage harvester unit. Journal of Agricultural Machinery, 9(1), 1-13. https://doi.org/10.22067/jam.v9i1.62703
20. Roudbari, M., Refahati, N., & Mehdipour, A. (2021). Improvement of mechanical properties of aluminum base composite reinforced by steel Ck75 wire through explosive welding. Revista De Metalurgia, 57(2), e196. https://doi.org/10.3989/revmetalm.196
21. Soleimani, N., Kamandar, M. R., Khoshnam, F., & Soleimani, A. (2023). Defining and modelling sesame stalk shear behaviour in harvesting by reciprocating cutting blade. Biosystems Engineering, 229, 44-56. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2023.03.008
22. Song, R., & Muliana, A. (2019). Modeling mechanical behaviors of plant stems undergoing microstructural changes. Mechanics of Materials, 139, 103175. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2019.103175
23. Song, S., Zhou, H., Jia, Z., Xu, L., Zhang, C., Shi, M., & Hu, G. (2022). Effects of cutting parameters on the ultimate shear stress and specific cutting energy of sisal leaves. Biosystems Engineering, 218, 189-199. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2022.03.011
24. Wang, Y., Yang, Y., Zhao, H., Liu, B., Ma, J., He, Y., Zhang, Y., & Xu, H. (2020). Effects of cutting parameters on cutting of citrus fruit stems. Biosystems Engineering, 193, 1-11. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2020.02.009
25. Yeganeh, R., & Trystram, G. (2013). Intensification of pistachio by deep frying. Quality Assurance and Safety of Crops & Foods, 5(2), 131-139. https://doi.org/10.3920/QAS2012.0144
26. Yin, Y., Qin, W., Zhang, Y., Chen, L., Wen, J., Zhao, C., Meng, Z., & Sun, S. (2021). Compensation control strategy for the cutting frequency of the cutter bar of a combine harvester. Biosystems Engineering, 204, 235-246. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2021.01.023
27. Yuan, L., Lan, M., He, X., Wei, W., Wang, W., & Qu, Z. (2023). Design and experiments of a double-cutter bar combine header used in wheat combine harvesters. Agriculture, 13(4), 817. https://doi.org/10.3390/agriculture13040817