Oluklu makaralarla farklı tohumların iletiminde dolma katsayısının tahminlenmesine yönelik bir matematiksel modelin geliştirilmesi
Development of a mathematical model for predicting the volumetric efficiency for fluted rolls metering different crop seeds
Yazar: MUHAMMED HAKAN ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. ADNAN DEĞİRMENCİOĞLU
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tarım Makinelerı ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Ziraat = Agriculture

Özet:
Bu çalışmanın amacı, oluklu makaralar ile çalışmada farklı tohumların iletiminde dolma katsayısının tahminlenmesine olanak veren bir matematiksel modelin geliştirilmesidir.
Bu amaca yönelik olarak normal sıravari olarak ekimi yapılan; arpa, aspir, buğday, çavdar, keten, kişniş, susam, yonca ve yulaf tohumları ve bu tohumların akışını sağlayan dozajlama organı olarak normal sıravari ekim makinalarında yaygın olarak kullanılan oluklu makaralar kullanılmıştır. Oluklu makaralar, iki farklı çap (25 ve 50 mm) ve her biri on iki adet yarım daire oluğa sahip olacak şekilde fleksiglas malzemeden imal edilmiştir. Denemeler öncesinde tohumluk olarak kullanılan materyallerin fiziksel özellikleri belirlenmiş ve bu fiziksel özelliklerden biri olan hacim ağırlığı değeri teorik akışı hesaplamada kullanılmıştır. Her bir tohumun dolma katsayısı değerinin bulunabilmesi ve yapılacak akış denemeleri için bu çalışma çerçevesinde özel bir deneme düzeneği tasarlanmış ve imal edilmiştir. Tümüyle bilgisayar kontrollü ve makaraların step motor ile tahrik edildiği bu deneme düzeninde, her bir tohumun farklı ekim normu değerlerini sağlayacak şekilde farklı makara devri ve makara uzunluklarını içeren değerlerde çalışılmıştır. Her bir çalışma koşulunda beş tekerrürlü olarak yapılan denemeler sonucunda 1660 adet akış verisi (Q; g/dak) elde edilmiştir. Akıştaki düzgünlüğün bir göstergesi olarak beş tekerrürden hesaplanan varyasyon katsayısı, makara uzunluğu ve devir ile ilintilendirilmiştir. 
Elde edilen tüm veriler kullanılarak dolma katsayısı modeli geliştirmek amacıyla beş farklı matematiksel model yaklaşımında bulunulmuştur. Geliştirilen her bir model, makara konstrüktif özelliği olarak toplam oluk hacmi (toplam oluk kesit alanı x makara uzunluğu) ve tohumun fiziksel özellikleri (tohum hacim ağırlığı, bin dane ağırlığı, iz düşüm alanı, uzunluk, genişlik, kalınlık, iki farklı sürtünme katsayısı ve küresellik) yanı sıra çalışma şartlarına ilişkin değişkenin (makara devri; d/dak) bir fonksiyonu olarak düşünülmüştür. 
Her bir tohuma özgü dolma katsayısının () bulunmasında basit regresyon analizleri için Microsoft Excel ve tüm akış verilerinin kullanıldığı genel dolma katsayısı tahminleme modeli analizleri için Minitab paket programları kullanılmıştır. Genel tahminleme modellerinin oluşturulmasında Stepwise regresyon analizinde 95% olasılık düzeyinde çalışılmıştır. Her bir modelden elde edilen tahmini dolma katsayısı ve buna bağlı hesaplanan akış değerleri, ölçülen dolma katsayısı ve akış değerleri ile kıyaslanmıştır. 
Çalışma sonucunda geliştirilen beş farklı dolma katsayısı modelinden en iyisini seçmek amacıyla farklı uygunluk kriterleri kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda en uygun modelin en az bağımsız değişkene sahip olan ve dolma katsayısının transforme (/1-) edildiği üstel model (R2=%89,42) olduğu belirlenmiştir.
Söz konusu iki model arasında kıyaslama amaçlı ilave denemeler gerçekleştirilmiştir.  Bu amaçla, söz konusu bu çalışmada kullanılan iki farklı tohum (keten ve yonca) için farklı devir ve makara uzunluklarında akış verileri elde edilmiştir. Bu verilerle yapılan kıyaslamalar sonucunda en iyi dolma katsayısı modelinin, dolma katsayısının transforme (/1-) edildiği üstel model olduğu belirlenmiştir. Seçilen bu model, farklı kesitteki bir oluklu makaradan soğan, kaplı ve kapsız kanola akış verilerini tahminlemede kullanılmıştır. Her üç tohumluk materyal için yapılan tahminlemeler ile ölçülen akış değerleri arasında çok yakın ilişki elde edilmiştir. 
Yürütülen bu çalışma sonucunda, dolma katsayısı tahminleme modelleri geliştirilmesinin yanı sıra makaralardan tohum akışındaki düzgünlük (VK, %) değerlerinden hareketle mevcut normal sıravari ekim makinalarında konstrüktif bazı değişiklikler yapılarak daha iyi bir sıra üzeri tohum dağılımının elde edilebileceği yargısına varılmıştır. 
Anahtar sözcükler: Normal sıravari ekim, tohum akışı, akış düzgünlüğü, matematiksel modelleme, model seçimi

Abstract:
The objective of this study was to develop a mathematical model for predicting the volumetric (or mass flow rate) efficiency for fluted rolls metering different crop seeds. In order to meet this objective, some seeds planted by seed drills such as barley, safflower, wheat, rye, flax, coriander, sesame, alfalfa and oat as metered by fluted rolls that are commonly used for metering seeds and fertilizers were used in this study.
The fluted rolls used in this study was manufactured at two different diameters (25 and 50 mm) and each one was made of Plexiglass material with 12 flutes in a semicircle shape. The physical properties of the seeds were determined prior to experiment and the bulk density, one of these physical properties, was used to calculate the theoretical flow rate. A special test stand was designed and manufactured in order to conduct experiments in this study in order to find out the volumetric efficiency of the fluted rolls once different seeds were metered. Experiments were conducted at different roll revolutions (rpm) and roll lengths by considering the seed rate for each crop seeds and the rolls were driven by a step motor as controlled by a software installed on a laptop computer. Five replications were achieved for each experiment and a total of 1660 flow rate (Q; g/min) data was obtained. The seed flow evenness values were calculated and reported as CV (%) values and correlated with the rpm and length of the rolls. 
In order to predict the volumetric efficiency (and mass flow rate) from fluted rolls, five different mathematical models were developed. Each efficiency model developed was considered to be the function of the total volume (as found by multiplication of total cross sectional area of flutes and roll length) of the roll as a constructional variable and the physical properties of the seeds (bulk density, mass of thousand seeds, projected area, length, width, thickness, two different friction coefficients and sphericity) as seed related variables along with roll revolutions (rpm) as an operational variable.  
Microsoft Excel and Minitab were used for the simple regression analysis and multiple regression analysis to create general prediction models to find out the volumetric efficiency for each crop seed, respectively. Stepwise regression analysis was achieved to create general prediction functions at a probability level of 95%. The volumetric efficiency and flow rate predictions obtained from each model was compared with the measured data.
Analysis based on different goodness of fit criteria were achieved to compare five different models in to order to select the appropriate one. The model selected by these analysis was the one in which  the efficiency values were transformed using (/1-) transformation. 
The verification of the predictions obtained from the selected model I (linear model) and model V (/1- transformed) was also achieved. For this purpose, some additional experiments to obtain the flow rate for two crops seeds used in this study were achieved at different rpm and roll lentghs. It was found that the Model V revealed better predictions as compared to Model I. Hence, further comparisons with literature data were carrried out for only Model V. 
For the comparison with the literature data, the flow rate values obtained from a fluted roll metering onion, carrot, coated and uncoated canola seeds were used. These seeds were the ones that were not selected and included in the flow rate data to develop not only the selected model but also other four different mathematical models developed in this study. The volumetric efficiency and flow rate predictions obtained from the selected model was compared with the measured data for the onion, coated and uncoated canola seeds and a good agreement was found between the predicted and measured values. 
The study conducted not only resulted in developing volumetric efficiency models but also revealed an important finding based on low flow evenness (low CV, %) values obtained. This information is such that some modifications to be made on seed drills may result in better seed distribution when planting cereals or other crops seeds. 
Keywords: Planting by seed drills, seed flow, flow evenness, mathematical modelling, model selection