Modeling and energy optimization of the operative parts of an air assisted drill

Dans le contexte du développement d’une agriculture durable, il est nécessaire d’optimiser le coût énergétique des opérations agricoles tout en garantissant des temps de travaux courts ainsi que la qualité des opérations réalisées. Cette question concerne en particulier l’opération du semis qui est déterminante pour la qualité de la future récolte. Les semoirs de grande capacité et à haute productivité conçus aujourd’hui se doivent d’être compatibles avec cet ensemble de contraintes. L’enjeu essentiel de cette thèse est donc d’élaborer une méthodologie innovante et utilisant des outils de modélisation dans le but de réduire la consommation énergétique des matériels de semis. En suivant cette logique, nous avons étudié quatre aspects clef de la conception des semoirs pneumatiques : la manœuvrabilité des semoirs poly-articulés, l’établissement des conditions du transport pneumatique des semences et des engrais, l’optimisation des systèmes de répartition des semences ou des engrais, et enfin les aspects énergétiques du mode d’introduction des semences dans le circuit pneumatique. Chaque modélisation a été précédée par une phase expérimentale de détermination des phénomènes majoritaires influençant le processus étudié. Ensuite une modélisation du processus étudié, basée sur la simulation des effets du phénomène majoritaire identifié a pu être mise en œuvre et des conclusions, appuyées par des essais expérimentaux, proposées quant à la conception des semoirs pneumatiques. L’étude de la manœuvrabilité des ensembles poly articulés a démontré qu’il était possible de proposer et de tester un modèle explicatif de prédiction de trajectoires adapté aux engins agricoles. Cette approche ouvre la voie à l’optimisation et à de nouvelles méthodes d’automatisation de manœuvres complexes, notamment des demi-tours en bout de champ. Il est par ailleurs possible de démontrer qu’une trémie en position arrière permet de réaligner plus rapidement la barre de semis après une manœuvre. L’étude des conditions du transport pneumatique a montré notamment que l’établissement de conditions de transport correctes au niveau des sorties de la tête de distribution conditionne l’ensemble de la conception du circuit de distribution de la matière. L’étude des systèmes de répartition des semences a permis d’expliquer l’origine des principaux défauts de répartition observés et notamment l’importance de l’adéquation entre le coude et la conduite verticale qui précède la tête de répartition des semences. Ces résultats ont ouvert la voie à l’étude de la mise en place de systèmes d’anticipation et de correction de ces défauts. Enfin l’étude comparée de deux systèmes d’introduction de la matière dans un circuit pneumatique a montré que du point de vue énergétique les systèmes pressurisés sont plus intéressants que les systèmes injecteurs.In the context of sustainable farming, the optimization of the energy costs of agricultural operations allows shorter working times and high quality of the agricultural operations. This question relates particularly to the seeding. This operation one is decisive for the quality of the future harvest. The modern high capacity seed drills must be compatible with all the constraints. The main goal of this PhD thesis is thus to develop an innovative methodology, integrating the modeling tools, in order to reduce the energy consumption of the heavy seeding equipment. Thus, we explored four key aspects concerning air seed drill design: maneuverability of poly-articulated seed drills; establishment of the pneumatic conveying conditions of seeds and fertilizers; seed distribution accuracy optimization, and finally the energy aspects of the air stream loading systems. Each modeling was preceded by a preliminary experimental phase, defying the majority phenomena influencing the studied process. The modeling of the studied process and the conclusions (supported by experimental trials) have been proposed for the design of air seed drills. The study of maneuverability of poly-articulated agricultural machines showed that it was possible to get and test an explanatory model of trajectory prediction adapted for agricultural machines. This approach opens the way for optimization and automation of complex operations, including U-turns on headlands. We showed that a towed behind storage hopper (air-cart) allows faster realignment of the coulter bar after maneuvers. The study of pneumatic conveying conditions showed that the establishment of the correct conveying conditions in the outlets after the dispensing head defines the entire design of the distribution system. The study of seed distribution systems explains that the origin of the low distribution accuracy is caused in particular by the elbow and the vertical pipe before the dispensing head. These results open the way for the development of anticipation systems and correction of these defects. Finally the comparative study of two air-stream loading systems has showed that from the energy point of view the pressurized systems are more interesting than the injectors systems.В рамках концепции устойчивого развития, необходимо учитывать энергетический аспект, сохраняя при этом эффективность использования рабочего времени и качества выполнения сельскохозяйственных операций. Особенно, это касается операции посева, определяющей в наибольшей степени будущий урожай. Современные широкозахватные зерновые сеялки и посевные комплексы вписываются в рамки устойчивого сельского хозяйства. Главной целью данной диссертации является разработка действенной методики проектирования пневматических сеялок, применяя методы моделирования и оптимизации, с целью уменьшения энергопотребления. Таким образом, мы использовали причинно-следственный подход для энергетической оптимизации четырех определяющих параметров: маневренность многозвеньевых посевных машин, обоснования необходимых условий пневмотранспорта, оптимизация распределения посевного материала, и ввода материала в магистральный трубопровод. В дополнение, снижение энергопотребления не должно сказываться на качестве выполнения технологического процесса посева. Моделирование каждого процесса, является следствием длительной экспериментальной фазы, посвященной определению наиболее значимых факторов, для каждого отдельного явления. В результате моделирований, симуляций и анализа, были составлены практические рекомендации, для конструкторов пневматических сеялок. Изучение маневренных характеристик многозвеньевых агрегатов позволило предложить и испытать физическую модель, позволяющую предопределить траекторию движение каждого звена машинно-тракторного агрегата. Такой подход позволяет автоматизировать выполнение наиболее сложных маневров (например, разворотов в конце гона). Кроме всего было показано, что заднеприцепные бункера позволяют более быстрое выравнивание агрегата после разворота. Изучение условий пневмотранспорта, позволило установить оптимальные, с точки зрения энергосбережения, параметры пневмотранспорта на выходе из распределительной головки, что послужило исходными данными для расчета характеристик пневмотранспорта в целом. Исследование процесса распределения семян в распределительной головке вертикального типа, позволило определить причины неравномерного распределения семян между выходными трубопроводами, в частности влияние отвода и вертикального трубопровода. На основании полученных данных, было предложена система устройств, позволяющих избежать возникновения завалов в системе, при минимальных энергопотерях. Сравнительные исследования двух систем ввода материала в магистральный трубопровод, позволили заключить, что питатели с наддувом являются менее энергоемкими по сравнению с питателями эжекторного типа

Modélisation et optimisation énergétique des organes d'un semoir pneumatique

In the context of sustainable farming, the optimization of the energy costs of agricultural operations allows shorter working times and high quality of the agricultural operations. This question relates particularly to the seeding. This operation one is decisive for the quality of the future harvest. The modern high capacity seed drills must be compatible with all the constraints. The main goal of this PhD thesis is thus to develop an innovative methodology, integrating the modeling tools, in order to reduce the energy consumption of the heavy seeding equipment. Thus, we explored four key aspects concerning air seed drill design: maneuverability of poly-articulated seed drills; establishment of the pneumatic conveying conditions of seeds and fertilizers; seed distribution accuracy optimization, and finally the energy aspects of the air stream loading systems. Each modeling was preceded by a preliminary experimental phase, defying the majority phenomena influencing the studied process. The modeling of the studied process and the conclusions (supported by experimental trials) have been proposed for the design of air seed drills. The study of maneuverability of poly-articulated agricultural machines showed that it was possible to get and test an explanatory model of trajectory prediction adapted for agricultural machines. This approach opens the way for optimization and automation of complex operations, including U-turns on headlands. We showed that a towed behind storage hopper (air-cart) allows faster realignment of the coulter bar after maneuvers. The study of pneumatic conveying conditions showed that the establishment of the correct conveying conditions in the outlets after the dispensing head defines the entire design of the distribution system. The study of seed distribution systems explains that the origin of the low distribution accuracy is caused in particular by the elbow and the vertical pipe before the dispensing head. These results open the way for the development of anticipation systems and correction of these defects. Finally the comparative study of two air-stream loading systems has showed that from the energy point of view the pressurized systems are more interesting than the injectors systems.Dans le contexte du développement d’une agriculture durable, il est nécessaire d’optimiser le coût énergétique des opérations agricoles tout en garantissant des temps de travaux courts ainsi que la qualité des opérations réalisées. Cette question concerne en particulier l’opération du semis qui est déterminante pour la qualité de la future récolte. Les semoirs de grande capacité et à haute productivité conçus aujourd’hui se doivent d’être compatibles avec cet ensemble de contraintes. L’enjeu essentiel de cette thèse est donc d’élaborer une méthodologie innovante et utilisant des outils de modélisation dans le but de réduire la consommation énergétique des matériels de semis. En suivant cette logique, nous avons étudié quatre aspects clef de la conception des semoirs pneumatiques : la manœuvrabilité des semoirs poly-articulés, l’établissement des conditions du transport pneumatique des semences et des engrais, l’optimisation des systèmes de répartition des semences ou des engrais, et enfin les aspects énergétiques du mode d’introduction des semences dans le circuit pneumatique. Chaque modélisation a été précédée par une phase expérimentale de détermination des phénomènes majoritaires influençant le processus étudié. Ensuite une modélisation du processus étudié, basée sur la simulation des effets du phénomène majoritaire identifié a pu être mise en œuvre et des conclusions, appuyées par des essais expérimentaux, proposées quant à la conception des semoirs pneumatiques. L’étude de la manœuvrabilité des ensembles poly articulés a démontré qu’il était possible de proposer et de tester un modèle explicatif de prédiction de trajectoires adapté aux engins agricoles. Cette approche ouvre la voie à l’optimisation et à de nouvelles méthodes d’automatisation de manœuvres complexes, notamment des demi-tours en bout de champ. Il est par ailleurs possible de démontrer qu’une trémie en position arrière permet de réaligner plus rapidement la barre de semis après une manœuvre. L’étude des conditions du transport pneumatique a montré notamment que l’établissement de conditions de transport correctes au niveau des sorties de la tête de distribution conditionne l’ensemble de la conception du circuit de distribution de la matière. L’étude des systèmes de répartition des semences a permis d’expliquer l’origine des principaux défauts de répartition observés et notamment l’importance de l’adéquation entre le coude et la conduite verticale qui précède la tête de répartition des semences. Ces résultats ont ouvert la voie à l’étude de la mise en place de systèmes d’anticipation et de correction de ces défauts. Enfin l’étude comparée de deux systèmes d’introduction de la matière dans un circuit pneumatique a montré que du point de vue énergétique les systèmes pressurisés sont plus intéressants que les systèmes injecteurs.В рамках концепции устойчивого развития, необходимо учитывать энергетический аспект, сохраняя при этом эффективность использования рабочего времени и качества выполнения сельскохозяйственных операций. Особенно, это касается операции посева, определяющей в наибольшей степени будущий урожай. Современные широкозахватные зерновые сеялки и посевные комплексы вписываются в рамки устойчивого сельского хозяйства. Главной целью данной диссертации является разработка действенной методики проектирования пневматических сеялок, применяя методы моделирования и оптимизации, с целью уменьшения энергопотребления. Таким образом, мы использовали причинно-следственный подход для энергетической оптимизации четырех определяющих параметров: маневренность многозвеньевых посевных машин, обоснования необходимых условий пневмотранспорта, оптимизация распределения посевного материала, и ввода материала в магистральный трубопровод. В дополнение, снижение энергопотребления не должно сказываться на качестве выполнения технологического процесса посева. Моделирование каждого процесса, является следствием длительной экспериментальной фазы, посвященной определению наиболее значимых факторов, для каждого отдельного явления. В результате моделирований, симуляций и анализа, были составлены практические рекомендации, для конструкторов пневматических сеялок. Изучение маневренных характеристик многозвеньевых агрегатов позволило предложить и испытать физическую модель, позволяющую предопределить траекторию движение каждого звена машинно-тракторного агрегата. Такой подход позволяет автоматизировать выполнение наиболее сложных маневров (например, разворотов в конце гона). Кроме всего было показано, что заднеприцепные бункера позволяют более быстрое выравнивание агрегата после разворота. Изучение условий пневмотранспорта, позволило установить оптимальные, с точки зрения энергосбережения, параметры пневмотранспорта на выходе из распределительной головки, что послужило исходными данными для расчета характеристик пневмотранспорта в целом. Исследование процесса распределения семян в распределительной головке вертикального типа, позволило определить причины неравномерного распределения семян между выходными трубопроводами, в частности влияние отвода и вертикального трубопровода. На основании полученных данных, было предложена система устройств, позволяющих избежать возникновения завалов в системе, при минимальных энергопотерях. Сравнительные исследования двух систем ввода материала в магистральный трубопровод, позволили заключить, что питатели с наддувом являются менее энергоемкими по сравнению с питателями эжекторного типа

Soil-tool interaction for an agro-ecological performance of the tillage implements

International audienc

Experimental determination of flow concentration for pneumatic conveying systems of air-seeders

International audienceTaking into account the complexity of wide width air-seeders, they remain less studied. The chief point for air-seeder designers is conception of the pneumatic conveying system. It must be precise in terms of uniformity so that that the agro-technical goals should be achieved. It must also ensure high rates without causing damages to seeds. This paper provides a theoretical analysis of pneumatic conveying designing applied to air-seeders. It shows that the conveying of particles (seeds, fertilizers or their mixture) in a given pipe depends on two interconnected parameters: flow concentration and air velocity. The knowledge of these two parameters is a necessity for the design of conveying systems but they are not defined in the case of agricultural machinery. This paper proposes a method to measure the flow concentration and the air velocity values which must be used to optimize an existing seeder (relatively to machine's outflow) or to design a new pneumatic seeder. In this case choices about pipes' diameters in each part of conveying system can be optimized from an energy point of view and this paper presents how the collected values can be used in a global methodology of design for air-seeders' conveying system

Establishing the conveying parameters required for the air-seeders

International audienceCorrect energy management offers the best possibility for reducing the costs in agricultural production. In present day farming energy and agronomic efficiencies are both important factors. As the working-width of implements has increased, air-seeding is the best solution for the sowing of cereal crops. One of the problematic areas is the design of the air-delivery system, particularly if the pneumatic conveying system is wrongly dimensioned. The flow of seeding material during conveying must be high and regular enough for a high-speed seeding. There are three parameters that ensure the conveying of seeding material in a pipe: air velocity, flow concentration and pipe diameter. It is demonstrated that the outlets of the divider heads are the most critical part of the conveying system. Outlet pipes relatively small diameters and must allow for the highest seeding rates without clogging. It was hypothesised that the air velocity in outlet pipe may be used as an input data for designed a completed conveying system. This paper determines I) a minimal air velocity and flow concentration per type of seeds relative to pipe diameter; II) establishes a method to measure the air velocity of the loaded flow, which could be used to optimise existing seeders from an energy point of view; III) describes a global design methodology for air-seeder conveying systems; IV) reports an comparative study of energy of the most commonly used outlet pipe diameters within the air-seeders; V) describes a method for calculating the energy consumption evaluation; VI) prescribes the optimum outlet pipe diameter deduced from our experimental results, necessary for the design of the following divider heads. Tests were carried out using for wheat and barley seeds, starter fertilisers and a wheat–fertiliser mixture, for three currently used pipe diameters (20, 25 and 30 mm)

Reasons of irregularity of seed's distribution in the divider heads of air-seeders

ISBN : 978-3-18-092300-0International audienceModern seeding equipment must allow to cultivate sizeable areas efficiently and finalize the seeding in a short amount of time. Air-seeder is a solution for a fast seeding: seeds are conveyed from the high-capacity seed hopper to the coulter-bar by an air-stream. Taking into account the complexity of this type of seed drills, they stay little-studied. Few developments have been done on divider headers responsible of distribution accuracy. This paper deals with a study on the influence of divider head geometry and functioning conditions on the seed's distribution accuracy. Moreover, observation of the seed's behaviour is done using a high-speed camera system. These experimental results allowed proposals of hypothesis about the parameters influencing the final result, necessary for future divider heads design

Maneuverability of Wheeled Poly-Articulated Agricultural Vehicles: Modeling and Field Testing

International audienceHighlights Modeling provides the relationships between path, kinematics, geometry, and towed implements. Linear interpolation allows trajectories to be compared if data recording is random. Correction coefficients can be a solution to compensate for soil resistance. Abstract . Automatic guidance systems and autonomous vehicles require tested methods of path generation to ensure successful maneuvers (such as automatic trajectory correction and headland turn management). In this study, an evolution of Zakin’s kinematic modeling, as applied in the automobile industry, is proposed for an agricultural poly-articulated vehicle (representing a tractor or other type of towing vehicle with one or more towed implements attached with an articulated hitch). Geometry, vehicle ground speed, and angular steering velocity are considered in the generation of maneuvering paths. Based on the specifics of real field conditions (slope, plant residue, resistance due to soil compaction, etc.), the initial model was improved by introducing correction coefficients. An experimental setup is proposed using a tractor with two towed implements and a testing method involving point-to-point path comparison. The modeling method has potential for integrating more complex procedures (such as path generation, geolocation, and following) into the design of a maneuvering management system for agricultural machines, which can contribute to the efficiency of field operations

Influence of the divider head functioning conditions and geometry on the seed's distribution accuracy of the air-seeder

EA GEAPSI AGROSUPInternational audienceAs the working width of sowing implements increases, the use of conventional mechanical seed drills, with hoppers above all the implement working width, has reachedits limits. Any further increase of the working width (more than 4-6 m) or the coupling of conventional additional apparatus is expensive, complex and time-consuming. Air-seeding appears thus as the best solution to solve this problem. One storage hopper is able to supply the working width of 24 m or more. However, it should be noticed that to ensure uniform crop growing, a machine needs an accurate, technical solution to ensure seeding material to be distributed across the full implement working width. Indeed, low transversal distribution accuracy is one of the most important shortcomings of modem air-seeders. Even if air-seeding has been used for more than 50 years, few developments have been carried out on divider headers responsible for distribution accuracy.This paper deals with a study on the influence of divider head geometry and functioning conditions on the seed's distribution accuracy. The first part concerns the study of the influence of the air velocity and the material flow rate on the distribution accuracy. A second study deals with the influence of the outlet closing, of different outlet pipes lengths, of distribution head tightness, of the angle position of distribution heads. Finally the influence of the structural elements such as the pipe elbow, the tower configurations, the tower height and the cone shape deflectors' implementation on the divider lid is proposed. Moreover, observation of the seed's behaviour is undertaken using a high-speed camera system. These experimental results allowed for proposals of hypothesis about the parameters influencing the final result. This paper also proposes theoretical and mathematical explanations of the observed effects, necessary for future divider heads design

Tendances de l’innovation des entreprises de l’agro-machinisme

International audienceL’objectif de cette présentation est de déterminer les tendances de l’innovation des firmes de l’agro-machinisme. En s’appuyant sur une série de rapports techniques faisant l’état de la production des agroéquipements, nous avons identifié les principaux moteurs et freins de l’innovation selon les agro-équipementiers, pour définir ensuite une typologie des innovations et des acteurs industriels. L’étude a été complétés par une veille brevet sur (1) les tracteurs et la transmission mécanique et (2) les robots agricoles afin de réaliser une comparaison des groupes et des startups