Моделирование и оптимизация рабочих параметров электронного дозирующего механизма ячеечного типа для сверхгранул мочевины (USG) с использованием подхода EDEM‑RSM

Почему важна более умная подача удобрений

Рисоводы по всему миру зависят от азотных удобрений для поддержания высокой урожайности, но значительная часть этих удобрений теряется, вымываясь в воду или превращаясь в мощные парниковые газы. Один из способов сократить эти потери — помещать компактные сверхгранулы мочевины (USG) глубоко в почву рядом с корнями риса. В этой работе описывается новое электронное устройство, которое может точно сбрасывать эти гранулы туда, где они нужны, одновременно используя компьютерное моделирование для настройки конструкции до её выхода в поле.

От ручного труда к умным машинам

Глубокое размещение USG уже показало прирост урожайности риса до 40 процентов и почти двукратное повышение эффективности усвоения азота растениями. Проблема в том, что размещение каждой гранулы вручную — это медленная и утомительная работа, поэтому многие фермеры её избегают. Ранние инструменты для размещения USG требовали ручного труда и не всегда обеспечивали равномерные интервалы. Авторы поставили задачу разработать электронную систему дозирования, которую можно было бы прикрепить к рисопосадочной машине, чтобы автоматически подавать USG в почву в нужных точках при минимальном участии человека.

Как новое устройство подаёт каждую гранулу

Ядром системы является вращающийся ролик с четырьмя небольшими карманами, или ячейками, по его окружности. Над ним находится бункер, наполненный USG. По мере вращения ролика каждая ячейка должна захватывать ровно одну гранулу и затем выпускать её в направляющую трубку, которая доставляет её в борозду между четырьмя кустами риса. Шаговый двигатель, управляемый микроконтроллером Arduino и синхронизированный с трансплантером через ротационный энкодер, обеспечивает поворот ролика на нужную долю оборота для каждого набора высаживаемых сеянцев. Команда могла изменять размер карманов с помощью 3D‑печатных роликов и регулировать скорость ролика и уровень заполнения бункера, чтобы изучать, как эти факторы влияют на работу.

Использование виртуальных гранул для настройки конструкции

Вместо того чтобы полагаться только на метод проб и ошибок в лаборатории, исследователи создали детальную компьютерную модель системы с использованием метода дискретных элементов — техники, моделирующей движение и столкновения тысяч отдельных частиц. Они воссоздали форму и физические свойства гранул USG, геометрию бункера и ролика, а также контакты между пластиковыми деталями и удобрением. Датчики в симуляции считали, сколько гранул попало в каждую ячейку, как часто ячейка оказывалась пустой и как часто в ней было более одной гранулы. Затем применили статистический метод, называемый методологией поверхностей отклика (RSM), чтобы исследовать комбинации площади кармана, скорости ролика и уровня заполнения бункера в поисках настроек, обеспечивающих заполнение ячеек в основном по одной грануле и с минимальным числом пропусков или двойных захватов.

Поиск оптимума для равномерной подачи

Симуляции выявили четкие закономерности. Увеличение размеров карманов повышало вероятность заполнения ячеек, но также увеличивало риск захвата более одной гранулы. Меньшие карманы и очень высокая скорость ролика склоняли к оставлению ячеек пустыми, потому что гранулам не хватало времени, чтобы осесть на место. Более полный бункер помогал ячейкам заполняться, но мало влиял на то, несла ли ячейка одну или несколько гранул. Уравновешивая эти эффекты, оптимизация предложила идеальную площадь кармана примерно 1088 мм², скорость ролика около четверти метра в секунду и заполнение бункера до трех четвертей его объема. При этих условиях модель предсказывала полное заполнение ячеек, высокую долю ячеек с одной гранулой и очень низкие показатели пропусков и двойных захватов.

Проверка модели на практике

Чтобы проверить виртуальные результаты, команда изготовила физическое дозирующее устройство с оптимальным размером кармана и установила его на испытательный стенд в ящике с почвой. При заданных скорости ролика и уровне заполнения бункера они измеряли, как часто ячейки заполнялись, сколько из них несли ровно одну USG и насколько равномерно гранулы располагались вдоль борозды. Результаты в реальных условиях близко соответствовали симуляции: 97 процентов ячеек были заполнены, 91 процент доставлял одну гранулу, и лишь несколько ячеек оставались пустыми или содержали по две. На отрезке в 10 метров расположение гранул в почве соответствовало принятым стандартам хорошей равномерности. Простая оценка затрат показала, что в сочетании с трансплантером аппликатор может окупиться примерно за полтора года эксплуатации.

Что это значит для фермеров и климата

Проще говоря, исследование показывает, что возможно разработать навесное устройство, позволяющее трансплантеру риса почти идеально размещать гранулы USG с гораздо меньшими трудозатратами, чем ручное размещение. Сочетая детальные моделирования частиц с лабораторными испытаниями, авторы определили рабочие параметры, обеспечивающие в основном по одной грануле на ячейку через регулярные интервалы в почве. При широком внедрении такие системы могут помочь фермерам применять меньше азота при сохранении или увеличении урожайности, снижая и затраты, и выбросы парниковых газов с затопляемых рисовых полей.

Цитирование: Swain, S.S., Khura, T.K., Arjun, P. et al. Modelling and optimization of operating parameters of an electronic cell type metering mechanism for urea super granules (USG) using EDEM-RSM approach. Sci Rep 16, 15622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43407-w

Ключевые слова: сверхгранулы мочевины, удобрение для риса, прецизионное земледелие, аппликатор удобрений, метод дискретных элементов