Invloeden van strooierinstellingen op het strooibeeld en validatie van de modelleringsmethode voor het bepalen van het strooibeeld

Transcriptie

1 Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar Invloeden van strooierinstellingen op het strooibeeld en validatie van de modelleringsmethode voor het bepalen van het strooibeeld Joachim Voet Promotor: Co-promotors: Prof. dr. ir. B. Sonck Dr. ir. J. Vangeyte Ir. S. Cool Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master of Science in de biowetenschappen: land- en tuinbouwkunde

2

3 Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar Invloeden van strooierinstellingen op het strooibeeld en validatie van de modelleringsmethode voor het bepalen van het strooibeeld Joachim Voet Promotor: Co-promotors: Prof. dr. ir. B. Sonck Dr. ir. J. Vangeyte Ir. S. Cool Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master of Science in de biowetenschappen: land- en tuinbouwkunde

4 Auteursrecht De auteur en de promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. The author and the promoter give the permission to use this thesis for consultation and to copy parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically the source must be extensively specified when using the results from this thesis. Gent, juni 2014 Joachim Voet Auteur Prof. dr. ir. B. Sonck Promotor

5 Voorwoord In het begin van het jaar dacht ik dat het schrijven van een masterproef redelijk zou meevallen en dat de mensen in het laatste jaar gewoon graag klaagden over het vele werk aan hun masterproef. Het tegeel is nu bewezen en nu ben ik degene die aan het klagen is over het verdacht vele werk hieraan. Een masterproef is zowat een beetje het einde van een vier jaar dure studietraject in Gent. Ik heb ontzett veel mensen leren kennen in die vier jaar, die jammer genoeg voorbij vlogen. Graag zou ik daarom mijn dank uitbrengen aan volge personen. Als eerste zou ik mijn dank willen uiten aan al mijn docenten waarvan ik de voorbije jaren les van heb gekregen. Ze hebben me boordevol kennis bezorgd over allerlei vakken. Voor mijn masterproef wil ik vooral mijn co-promotor Simon Cool bedanken. Hij was er altijd voor mij, bezorgde mij tal van informatie en hielp me wanneer nodig. Vooral het programmeren in Matlab was iets compleet nieuws, waarbij Simon mij zeer goed geholpen heeft. Verder wil ik mijn dank uiten aan het ILVO en het CRA en in het bijzonder Jurgen Vangeyte, Bruno Huyghebaert en Thomas Francois. Zij gaven mij de kans om dit onderwerp uit te voeren en stelden hun personeel en faciliteiten ter beschikking. Ook dank voor Jonas Van Damme en Gunther De Caluwe die hun masterproef/bachelorproef ook uitvoerden bij Simon. We hebben elkaar goed geholpen bij het uitvoeren van de praktische testen. Dhr. Sonck wil ik ook nog bedanken die ondanks zijn vele werk, toch nog tijd wilde vrijmaken voor mijn thesis na te lezen. Ik zou ook nog graag mijn ouders, Michel Voet en Martine De Bels, bedanken dat zij mij de mogelijkheid hebben gegeven om verder te studeren en me financieel in wilden steunen. Ook mentaal steunen ze me zoveel mogelijk. Hetzelfde voor mijn vriin Annelies, die mij zoveel mogelijk gesteund heeft. Ook wil ik de leden van mijn leescommissie bedanken voor hun interesse in dit onderwerp. Tot slot zou ik nog willen vermelden dat mijn tijd in Gent een van de mooiste tijd van mijn leven was, dit kan ik nu al met zekerheid zeggen. Vooral studentenclub lila heeft mij geweldige momenten opgeleverd en vele mensen leren kennen. Vrischappen zijn ontstaan die hopelijk lang na Gent blijven bestaan. Mijn dank gaat dan ook naar mijn klasgenoten, vooral de reis naar California is iets om nooit meer te vergeten. Allemaal van harte dank!

6 Abstract In de hedaagse landbouw speelt bemesting een grote rol. Een correcte bemesting is niet alleen belangrijk om maximale opbrengsten te bekomen, maar ook om ecologische redenen. Door de inzet van belangrijke hoeveelheden stikstof en fosfor verhoogt het risico op waterverontreiniging. Het toedienen van meststof kan op verschille manieren gebeuren, waarbij kunstmest onder vaste vorm één van de hoofdspelers is. De verspreiding van kunstmestkorrels gebeurt hoofdzakelijk via centrifugaalstrooiers. De variabiliteit in samenstelling, grootte en vorm van de korrels zorgen ervoor dat een uniforme verspreiding op het land moeilijk is. Om deze redenen worden hoge eisen gesteld aan kunstmeststrooiers. In deze masterproef werd onderzoek verricht naar de invloedsfactoren van een strooibeeld van een centrifugaalkunstmeststrooier; meer specifiek de factoren die te maken hebben met de strooier zelf, zoals: de schoeplengte, het toerental van de schijven, de steekhoek, het aantal schoepen, de grootte van de toevoeropening, de positie van de opening tegenover de schijf, de conische hoek en de schoepvorm. Verschille strooierconfiguraties werden onderzocht via simulaties in Matlab en praktische testen met behulp van opvangbakken via de ontwikkelde radiale meetmethode. Er werd vastgesteld dat vele eigenschappen het strooibeeld sterk beïnvloeden. De voornaamste zijn: de schoeplengte, het toerental van de schijf, de steekhoek, de positie van de opening en de conische hoek. Deze resultaten kwamen goed overeen met de literatuur. Omwille van de specifieke eigenschappen van elke kunstmeststofsoort en doordat het strooibeeld beïnvloed wordt door vele eigenschappen van de strooier, die omwille van slijtage kunnen veranderen, is kalibratie van de kunstmeststrooier noodzakelijk. Voor het kalibreren van strooiers zijn er methoden nodig voor het opmeten het strooibeeld. Deze methoden kunnen opgesplitst worden in drie groepen: de klassieke collectiemethode, de volledige modelleringsmethode en de hybridemethode. Er werden modellen uit de literatuur getest en vergeleken met de radiale meetmethode. De wiskundige modellen waren niet nauwkeurig genoeg om een exacte bepaling van het strooibeeld uit te voeren. Er zijn waarschijnlijk te veel interacties tussen de korrels onderling en tussen de korrels en de strooischijf, waardoor de simulaties niet overeenstemmen met de werkelijkheid. Voor de parameter ideale werkbreedte komen die simulaties in de buurt, maar meer onderzoek is nodig om deze nog op punt te stellen.

7 Summary In today s agricultural, fertilisation plays a major role. Proper fertilisation is important not only to obtain maximum yields, but also for environmental reasons. By deploying significant amounts of nitrogen and phosphorus, there is a risk of water pollution. Dosing of fertilizer can be done in different ways. Hereby, fertilizer under solid form is one of the main players. The distribution of fertilizer granules occurs primarily by centrifugal spreaders. The variability in composition, size and shape of the grains make sure that a uniform distribution on the soil is difficult. For these reasons, high demands of the fertilizer spreaders are requested. In this master thesis, research was conducted to evaluate the impact factors of a spreading pattern. More specifically, the factors dealing with the spreader itself, such as: the vane length, the rotational speed of the disks, the pitch angle, the number of vanes, the size of the supply opening, the position of the opening, the conical angle and the vane shape. Several configurations of the spreader were investigated by simulations in Matlab and experiments using bins by the developed radial method. It was found that many properties strongly influenced the spreading pattern. The main ones were: the vane length, the rotational speed of the disk, the pitch angle, the position of the opening and the conical angle. These results corresponded very well with the literature. Because the spreading pattern is affected by many properties of the spreader, that due to wear may change, the calibration of the fertilizer spreader is necessary. To calibrate spreaders, methods are needed for measuring the spreading pattern. These methods can be divided into three groups: the classic collection method, the complete modeling method and the hybrid method. Models from the literature were tested and compared with the radial method. The mathematical models were not yet accurate enough to perform an exact measurement of the spread pattern. There are likely to be many interactions between the granules and between the granules and the spreading disc, so the simulations did not correspond to the reality. For the ideal working width parameter simulations came close, but more research is required to optimize them.

8 Inhoud Auteursrecht... 1 Voorwoord... 2 Abstract... 3 Summary... 4 Inhoud... 5 Figurenlijst... 7 Tabellenlijst...10 Inleiding Bemesting in de landbouw Bemesting Economisch belang...13 Ecologisch belang...14 Precisielandbouw VRT...15 Literatuurstudie Opbouw van een kunstmeststrooier Strooibeeld van een centrifugaalstrooier Distributiepatronen Analyse van strooibeelden Bepalingsmethoden van strooibeelden Inleiding Collectiemethode Modelleringsmethode Hybridemethode Invloeden van strooierinstellingen Onderzochte factoren met invloed op strooibeeld Technologieën in de praktijk Incentrisch versus offcentrisch strooien Dosering op de schijven Instellen van de werkbreedte Aantal schoepen Kantstrooien Computergestuurde weegtechniek GPS/sectiestrooien Ontwikkeling van een radiale meetopstelling Optimale parameters van de radiale opstelling...65

9 3.1.1 Het werkelijk strooibeeld Het gecapteerd strooibeeld Het geïnterpoleerd strooibeeld Evaluatie van het algoritme en bepaling optimale parameters Resultaten Discussie...71 Conclusie Invloed van de strooierconfiguratie op het strooibeeld...72 Algemeen Simulaties en discussie Toerental De schijfdiameter Positie van de toevoeropening Steekstraal Hoek van de schoep met het horizontaal vlak Praktische testen Materiaal en methode Variatie binnen de testen Resultaten en discussie Conclusie Modellering van een volledig strooibeeld...89 Parameters Resultaten en discussie...92 Conclusie Algemeen besluit...96 Referenties...97 Bijlagen Bijlage 1: Het algoritme voor radiale meetmethode Bijlage 2: Het algoritme voor de modelleringsmethode

10 Figurenlijst Figuur 1: Bruto gewasopbrengst, bemestingskost en netto opbrengst in functie van het bemestingsniveau (Sogaard en Kierkegaard, 1994)...14 Figuur 2: Online en offline systemen voor precisiebemesting (Cool, 2013)...16 Figuur 3: Opbouw van een centrifugaalstrooier...19 Figuur 4: Overzicht van de verschille distributiepatronen (Dintwa et al., 2004a)...21 Figuur 5: Een statisch distributiepatroon (Piron et al., 2010b)...22 Figuur 6: Een dynamisch distributiepatroon (Fulton et al., 2001)...22 Figuur 7: Illustratie voor de berekening van de tweede robuustheidparameter (Piron et al., 2010b)...24 Figuur 8: Collectiemethode in het veld (Vangeyte, 2013)...25 Figuur 9: Algemeen principe van CEMIB (Piron et al., 2010a)...26 Figuur 10: CEMIB-collectiemethode (Piron et al., 2010a)...26 Figuur 11: Oriëntatie van de vertreksnelheid (Olieslagers et al., 1996)...28 Figuur 12: De dimensies van de toevoeropening (Olieslager et al., 1996)...29 Figuur 13: Krachten die inwerken op het partikel op schijf (Olieslagers et al., 1996)...31 Figuur 14: De partikelbaan doorheen de lucht (Olieslager et al., 1996)...31 Figuur 15: Drie-dimensioneel zicht van de schoep en van de coördinatenstelsels (Villette et al., 2005)...33 Figuur 16: Bovenzicht van de schoep en de coördinatenstelsels (Villette et al., 2005)...33 Figuur 17: De fysische krachten werk op een kunstmestkorrel (Villette et al., 2005)...34 Figuur 18: Bovenzicht van de strooischijf met de snelheidscomponenten van de vertreksnelheid van het partikel (Villette et al., 2005)...35 Figuur 19: Simulatie van het strooibeeld en vergelijking met testresultaten (Olieslagers et al., 1996)...39 Figuur 20: Principe van de optische detector (Grift en Hofstee, 1997b)...41 Figuur 21: De verschille onderdelen van de opstelling van Hijazi (2012)...42 Figuur 22: De 3D hoekverdelingen verkregen door de collector (a), de geschatte 3D hoekverdeling verkregen door het beeldvormingssysteem (b) (Hijazi, 2012)...44 Figuur 23: Simulatie van het strooibeeld met een variër toerental van schijf (Olieslager et al., 1996)...45 Figuur 24: De invloed van de vorm van de toevoeropening op het strooipatroon (Olieslagers et al., 1996)...45 Figuur 25: De toevoeropening versus massastroom van de kunstmestkorrels (Fiala en Oberti, 1999)...46 Figuur 26: Simulatie van het strooibeeld met een variëre grootte van de toevoeropening d (Olieslagers et al., 1996)...47 Figuur 27: Transvers strooipatroon met variëre segmenthoek van de toevoeropening bij een tweeschijfstrooier (Kweon en Grift, 2006)...47 Figuur 28: Simulatie van het strooibeeld met variëre positie van de toevoeropening (Olieslagers et al., 1996)...48

11 Figuur 29: Transvers strooibeeld met variëre grootte van de toevoeropening na toevoeropening-aanpassing (Kweon en Grift, 2006)...48 Figuur 30: De massastroom versus vulniveau van de voorraadbak (Fiala en Oberti, 1999)..49 Figuur 31: Illustratie van de snijhoek (α x ) en de steekhoek (α lv )...49 Figuur 32: De inwerke krachten op een partikel langs een voorwaarts helle rechte schoep α x < Figuur 33: De inwerke krachten op een partikel langs een achterwaarts helle rechte schoep α x >0 (Olieslager et al., 1996)...50 Figuur 34: Variatie van de snijhoek α x in functie tot de radiale positie r voor verschille voorwaarts helle schoeptypes. A) rechte schoepen, B) cirkelvormige schoepen, C) parabolische schoepen (Hofstee, 1995)...51 Figuur 35: Het effect van de steekhoek en wrijvingscoëfficiënt op de verblijftijd (a), de snelheid langs de schoep (b), de vertreksnelheid (c) en de vertrekhoek (d) (Hofstee, 1995) 52 Figuur 36: Het effect van de wrijvingscoëfficiënt en de steekhoek op de landingspositie van het partikel op de grond voor de verschille steekhoeken (Hofstee, 1995)...53 Figuur 37: Incentrisch versus offcentrisch (Bogballe L-line, 2013)...55 Figuur 38: Borstelvormige turbulentiestoppers van Rauch (Rauch Axis, 2013)...55 Figuur 39: RotaFlow strooisysteem van Vicon (Vicon Rotaflow RO, 2013)...56 Figuur 40: Meerdere schoepen per schijf bij Vicon (Vicon Rotaflow RO, 2013)...57 Figuur 41: Kantstrooien (links) en grensstrooien (rechts) (Amazone ZA-M, 2013)...58 Figuur 42: Greppelstrooien (links) en randstrooien (rechts) (Amazone ZA-M, 2013)...58 Figuur 43: Telimat bij Rauch (zijaanzicht) (Rauch Axis, 2013)...59 Figuur 44: Limiter bij Amazone (onderaanzicht) (Amazone ZA-M, 2013)...59 Figuur 45: TRIBORD 2D systeem van Sulky (Sulky DPX system, 2013)...60 Figuur 46: Tr strooivleugel van Bogballe (Bogballe L-line, 2013)...60 Figuur 47: Schema van de uitgevoerde simulaties...65 Figuur 48: Simulatie van de beweging op de schijf...66 Figuur 49: Opvangmatrix...67 Figuur 50: Statische strooibeelden bij een strooitijd van 5 seconden en een hoekverdraaiing van Figuur 51: Het transvers werkelijk strooibeeld en transvers geïnterpoleerd strooibeeld bij opvangbakken van 0,1x0,1m...70 Figuur 52: Grafische voorstelling van de strooischijf met een aantal parameters...72 Figuur 53: Traject op de schijf bij verschille toerentallen van de schijf...73 Figuur 54: Traject op de schijf bij wijziging positie van de toevoeropening (r 0 )...75 Figuur 55: Traject op de schijf bij wijziging positie van de toevoeropening (α)...75 Figuur 56: Traject op de schijf bij voorwaarts helle schoepen...77 Figuur 57: Traject op de schijf bij achterwaarts helle schoepen...77 Figuur 58: Traject op de schijf bij verschille hoeken van de schoep met het horizontaal vlak...78 Figuur 59: Meetopstelling in Gembloux...79 Figuur 60: Laserpointer om vallocatie te bepalen...79

12 Figuur 61: Statisch strooibeeld van de basiscase (gram/gridcel)...81 Figuur 62: Statische strooibeeld van de verschille toerentallen (gram/gridcel)...83 Figuur 63: Transvers strooibeeld bij verschille toerentallen...83 Figuur 64: Het verloop van de CV bij verschille toerentallen...83 Figuur 65: Statische strooibeelden van de verschille toevoerhoeken (gram/gridcel)...84 Figuur 66: Transvers strooibeeld bij verschille toevoerhoeken...84 Figuur 67: Het verloop van de CV bij verschille toevoerhoeken...84 Figuur 68: Statische strooibeelden van de verschille toevoerstralen (gram/gridcel)...85 Figuur 69: Transvers strooibeeld bij verschille toevoerstralen...85 Figuur 70: Het verloop van de CV bij verschille toevoerstralen...85 Figuur 71: Statische strooibeelden van de verschille steekstralen (gram/gridcel)...86 Figuur 72: Transvers strooibeeld bij verschille steekstralen...86 Figuur 73: Het verloop van de CV bij verschille steekstralen...86 Figuur 74: Statische strooibeelden van een platte en conische schijf (gram/gridcel)...87 Figuur 75: Transvers strooibeeld bij platte en conische schijf...87 Figuur 76: Het verloop van de CV bij een platte en een conische schijf...87 Figuur 77: Camerabeeld van de valle korrels op de schijf...89 Figuur 78: Camerabeeld van de korrels die hun traject op schoep volgen...90 Figuur 79: Gesimuleerd statisch strooibeeld van de basiscase (kg/gridcel)...92 Figuur 80: Werkelijk statisch strooibeeld van de basiscase (kg/gridcel)...92 Figuur 81: Vergelijking gesimuleerd en werkelijk transvers strooibeeld van de basiscase...93 Figuur 82: De CV in functie van de werkbreedte...93

13 Tabellenlijst Tabel 1: Overzicht van de verschille GPS-gestuurde strooiers (Koerhuis, 2013)...62 Tabel 2: De relatieve afwijking bij opvangbakken van 0,5x0,5m...69 Tabel 3: De relatieve afwijking bij opvangbakken van 0,25x0,25m...69 Tabel 4: De relatieve afwijking bij opvangbakken van 0,10x0,10m...69 Tabel 5: Wijzigingen van de parameters...73 Tabel 6: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille toerentallen...74 Tabel 7: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille schijfdiameters...74 Tabel 8: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille afstanden tot het centrum...75 Tabel 9: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille posities (α) van de toevoeropening...76 Tabel 10: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille steekstralen...77 Tabel 11: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille hoeken van de schoep met het horizontaal vlak...78 Tabel 12: Praktische testen in Gembloux...80 Tabel 13: Relatieve afwijking tussen de herhalingen...80 Tabel 14: Massa's van de geïnterpoleerde statische strooibeelden (kg) vergeleken met de werkelijk uitgestroomde massa...81 Tabel 15: Het zwaartepunt van de verschille statische strooibeelden...82 Tabel 16: De spreiding van de verschille statische strooibeelden...82 Tabel 17: De optimale werkbreedte van de verschille transverse strooibeelden...82 Tabel 18: Vaste parameters in het algoritme...90 Tabel 19: Variabele parameters in het algoritme...91 Tabel 20: Granulometrie van KAS (zonder incubatie) (Van Damme, 2014)...91 Tabel 21: Vergelijking van het gesimuleerd en werkelijk strooibeeld...94

14 Inleiding Door de steeds toeneme wereldbevolking staat de voedselvoorziening onder een hoge druk. In de landbouw is men dan ook genoodzaakt om de hoogste rementen uit de grond te halen. Om deze hoog productieve landbouw te verwezenlijken, speelt bemesting een grote rol. De intensivering in de 20e eeuw gaat gepaard met een stijg gebruik aan meststoffen. Dit leidt echter tot toeneme verliezen aan stikstof (N) en fosfor (P) en in mindere mate van kalium (K) naar het milieu, met een dale kwaliteit van het grond- en oppervlaktewater als gevolg. Tal van Europese maatregelen hebben bijvoorbeeld in de periode het totale overschot van de bodembalans in Vlaanderen reeds doen dalen van 43,9 miljoen kg N en 5,5 miljoen kg P in 2007 tot 30,5 miljoen kg N en 2,2 miljoen kg P in 2009 (Platteau et al., 2012). Dit is echter nog niet genoeg. Blijve focus op het verminderen van verliezen aan N, P en K is dan ook nodig. Voor de aanrijking van de bodem met de benodigde nutriënten zijn er verschille mogelijkheden. Een belangrijke deelstroom van deze nutriënten gebeurt via kunstmest. In 2012 werd 28,64% van totale stikstof (N) en 2,61% van de totale fosfor (P) op het land aangevoerd via kunstmest (Voortgangsrapport Mestbank, 2013). Door de hoge eisen die gesteld worden aan bemesting en o.a. de verspreiding van kunstmest, is het belangrijk dat kunstmest op een zo homogeen mogelijke wijze wordt verdeeld op het veld. Zo bekomt men een maximale opbrengst en een minimum aan negatieve gevolgen voor het milieu (Platteau et al. 2012). Kunstmeststoffen worden hoofdzakelijk in vaste vorm verspreid wegens de mindere kostprijs in vergelijking van vloeibare kunstmest (Stijger, 2006). Bij het gebruik van korrels is er ook minder kans op verbranding van het bladerdek van het gewas. Om deze redenen wordt in deze masterproef enkel de verspreiding van vaste kunstmestkorrels behandeld. Voor een juiste bemesting is het belangrijk dat een gelijkmatig strooibeeld gerealiseerd wordt. Hiervoor is een correct gekalibreerde strooier noodzakelijk. Het bepalen van het strooibeeld is een belangrijke stap in het kalibratieproces, wat niet eenvoudig is. In Vangeyte (2013) worden methoden om het strooibeeld te bepalen op drie manieren ingedeeld: de klassieke collectiemethode, de volledige modelleringsmethode en de hybridemethode. Deze worden verder beschreven in de masterproef. De ontwikkelde methodes kunnen gebruikt worden in onderzoek naar de verdeling van kunstmeststrooiers. Het strooibeeld dat geleverd wordt door een bepaalde strooier is namelijk geen constant gegeven. Er zijn verschille factoren die een effect op het strooibeeld kunnen hebben, zoals de strooierinstellingen, korreleigenschappen, externe factoren, de bestuurder, enz. (Cool, 2013). Doordat het strooibeeld door deze vele factoren wordt beïnvloed, is er nood aan een validatiesysteem om statische strooibeelden op te meten en te analyseren. Daarom is het Instituut voor Landbouw- en Visserijonderzoek (ILVO) momenteel bezig met het ontwikkelen van een meetsysteem dat het strooibeeld via 11

15 de hybridemethode in de praktijk kan opmeten. Er wordt gebruik gemaakt van twee hogesnelheidscamera s om de beweging van de korrels in drie dimensies te bepalen. Aan de hand van de grootte, de vorm en de verplaatsing van de korrels wordt via een ballistisch model het statisch strooibeeld bepaald. Deze methode staat echter nog niet op punt en methodes zijn nodig om het meetsysteem te vergelijken met de werkelijkheid. Om deze redenen wordt er in deze masterproef een radiale meetmethode ontwikkeld die het statisch strooibeeld opmeet via de klassieke collectiemethode. Door de hoge nood aan een validatiesysteem wordt ook een modelleringsmethode samengesteld om het strooibeeld aan de hand van simulaties volledig te voorspellen. In deze masterproef worden de camera s niet gebruikt, maar zal er gefocust worden op het ontwikkelen van de radiale meetmethode en de modelleringsmethode. Voor het uitvoeren van de testen zal er gebruik gemaakt worden van de apparatuur die ter beschikking gesteld wordt door het ILVO en het CRA. Naast het ontwikkelen van het optisch meetsysteem is nood aan kennis over het effect van strooierparameters op het strooibeeld. Dit onderzoek is nodig om in de toekomst een ongewenst strooibeeld van een kunstmeststrooier zodanig te kunnen corrigeren tot een gewenst strooibeeld. In deze masterproef zullen dan ook de voornaamste factoren onderzocht worden die te maken hebben met de strooier zelf: de schoeplengte, het toerental van de schijven, de steekhoek, het aantal schoepen, de grootte van de toevoeropening, de positie van de opening tegenover de schijf, de conische hoek en de schoepvorm. Eerst wordt de invloed van de verschille instellingen bepaald via simulaties in Matlab en daarna opgemeten via de ontwikkelde radiale meetmethode. Bij de praktische testen wordt gestart vanuit een basiscase en zal er telkens één parameter gewijzigd worden. Bij iedere test zal een statisch en transvers strooibeeld bepaald worden. Op deze manier wordt er nagegaan welk specifiek effect elke parameter heeft op het strooibeeld. Vervolgens wordt de basiscase zo nauw mogelijk benaderd en gesimuleerd met de samengestelde modelleringsmethode. De resultaten zullen vergeleken worden met deze van de radiale meetmethode. Zo kunnen de modellen uit de literatuur beoordeeld worden op accuraatheid en betrouwbaarheid. 12

16 1 1.1 Bemesting in de landbouw Bemesting Het doel van bemesting in de landbouw is om een bepaalde teelt in voldoe mate te voorzien van alle voedingselementen die nodig zijn voor een optimale productie. Deze behoefte voor het gewas is echter niet eenvoudig te bepalen en kan sterk variëren afhankelijk van de teelt en de bestemming ervan (Praktijkgids bemesting, 2014). De input van deze behoefte gebeurt via verschille kanalen: oogstresten, dierlijke mest, atmosferische depositie, groenbemesters en industrieel geproduceerde meststoffen (kunstmest). Organisch materiaal, afkomstig van oogstresten, dierlijke mest, groenbemesters, moet eerst gemineraliseerd worden in de bodem vooraleer de nutriënten beschikbaar komen voor de plant. Het gedeelte dat niet meteen gemineraliseerd wordt, zorgt voor een verhoging van het humusgehalte. Het humus- of organisch koolstofgehalte heeft een invloed op de fysische, biologische en chemische eigenschappen van de bodem (Madrid et al., 2009). Volgens het Mestactieplan mag slechts een deel van de behoefte N via dierlijke mest toegedi worden. De algemeen gelde norm is 170kg N/ha. De rest wordt hoofdzakelijk via kunstmest toegedi. In 2012 bestond 29% van alle toegedie meststof in Vlaanderen uit industrieel geproduceerde kunstmest, ongeveer ton N (Voortgangsrapport Mestbank, 2013). Dit wil zeggen dat niet alleen een correcte verspreiding van dierlijke mest, maar ook van kunstmest belangrijk is. De variabiliteit in samenstelling, korrelgrootte- en vorm van de meeste organische stoffen zorgen ervoor dat een uniforme verspreiding op het land moeilijk is. Om deze redenen wordt er ook van de kunstmeststrooiers hoge eisen gevraagd. 1.2 Economisch belang Om de opbrengst bij de landbouwer te maximaliseren dient de hoeveelheid kunstmest exact toegedi te worden. Hierbij is vooral de kost van het aankopen van kunstmest en de bruto opbrengst belangrijk. Zowel een teveel als een tekort aan bepaalde voedingselementen kan, afhankelijk van de teelt, de opbrengst negatief beïnvloeden (Praktijkgids bemesting, 2014). 13

17 Figuur 1: Bruto gewasopbrengst, bemestingskost en netto opbrengst in functie van het bemestingsniveau (Sogaard en Kierkegaard, 1994) Figuur 1 toont dat de bruto opbrengst niet blijft stijgen bij stijge hoeveelheid kunstmest. Vanuit economisch standpunt wordt er ook waargenomen dat vanaf een bepaald punt een toeneme bemestingskost geen toename in netto opbrengst levert. Bij de bemestingskost x n zal het meest winst gemaakt worden. 1.3 Ecologisch belang Doordat de intensiteit en productiviteit van de landbouw in Vlaanderen de afgelopen 60 jaar sterk is toegenomen, werd er vastgesteld dat de biologische en chemische kwaliteit van de waterlopen sterk achteruit is gegaan. Door de inzet van belangrijke hoeveelheden stikstof en fosfor probeert de landbouwer maximale opbrengsten te behalen van zijn gewassen. Helaas worden deze voedingsstoffen niet volledig opgenomen door de geteelde gewassen en zullen ze zich via de bodem en het water verspreiden. Vooral nitraat, een anorganische vorm van stikstof, is zeer goed oplosbaar in water en kan daardoor makkelijk uitspoelen. De nitraatstikstof die na de oogst van de gewassen nog steeds aanwezig is in de bodem zal tijdens de winter makkelijk uitspoelen naar het ondiepe grondwater. Fosfor is in mindere mate ernstig omdat de meeste bodems een vrij grote hoeveelheid fosfor kunnen vasthouden. Enkel als de gronden verzadigt zijn kan het fosfaat doorslaan. Ook op erosiegevoelige gebieden is er gevaar voor afspoeling van bodemdeeltjes waaraan fosfor en in mindere mate stikstof aangehecht is (Praktijkgids bemesting, 2014). Volgens Tissot et al. (2002) treden er voornamelijk ecologische problemen op bij slecht gekalibreerde strooiers die plaatselijk een overdosering veroorzaken. Door de waterverontreiniging is het visbestand in de Vlaamse waterlopen er slecht aan toe of zelfs volledig verdwenen en daalt de biodiversiteit sterk. Een overmaat aan nutriënten zorgt ervoor dat bepaalde plantensoorten zich explosief gaan ontwikkelen, waardoor anderen onderdrukt worden. s Nachts treden er zuurstoftekorten op, terwijl er overdag een oververzadiging is aan zuurstof. Algemeen wordt dit fenomeen eutrofiëring genoemd (Praktijdgids bemesting, 2014). 14

18 1.4 Precisielandbouw Door de steeds toeneme wereldbevolking en toename van de levensstandaarden wordt de intensifiëring van de landbouw meer en meer noodzakelijk. Ook om de netto opbrengst van de landbouwer te maximaliseren en de nadelige ecologische effecten, die een gevolg zijn van de intense bemesting op de landbouwgrond, wordt er meer en meer aandacht besteed aan precisielandbouw. Er zijn vele vormen van precisielandbouw, maar algemeen kan precisielandbouw beschreven worden als een aanpak waarbij rekening gehouden wordt met de spatiale variabiliteit op het veld. Spatiale variabiliteit binnenin een veld betekent voornamelijk dat de fysische, chemische en biologische toestand van de bodem niet uniform is voor het volledige veld, waardoor geen constante opbrengst bereikt kan worden. Een variatie in opbrengst kan te wijten zijn aan een verschil in nutriëntgehalte, ph, organisch stofgehalte, bodemstructuur en bodemtextuur (Cassman, 1999). Traditioneel gebeurt de bemesting op een dosering die geschikt is voor het gemiddelde van het veld. Dit gemiddelde wordt bepaald op basis van een bodemanalyse, waarbij een aantal stalen uit het perceel genomen en gemengd worden (Van Liedekerke et al., 2006b). Bij precisielandbouw is het de bedoeling dat deze variabiliteit in kaart wordt gebracht en op basis van deze kaarten gehandeld wordt. De toepassingsapparatuur hiervoor wordt geclassificeerd onder Variable Rate Technologie (VRT) VRT Voor het toepassen van VRT bij bemesting is er enerzijds een methode nodig om de spatiale variabiliteit in kaart te brengen en anderzijds een kunstmeststrooier/spuittoestel die zijn dosering en eventueel de werkbreedte automatisch kan regelen. Voor het vastleggen van de spatiale variabiliteit kan er onderscheid tussen een offline en online systeem gemaakt worden (Schueller, 1992) (Figuur 2). 15

19 Figuur 2: Online en offline systemen voor precisiebemesting (Cool, 2013) Bij online systemen gebeurt het bepalen van de spatiale variabiliteit tijdens het strooier zelf met behulp van sensoren die de informatie verzamelen (bv. Stikstofsensor van Yara). Op basis van deze informatie wordt de behoefte aan meststoffen bepaald. Vervolgens wordt er via algoritmes berek welke wijzigingen er moeten gebeuren bij de actuatoren om de gewenste dosering te verkrijgen. Bij offline systemen dienen er kaarten van de percelen worden gemaakt met daarop de spatiale variabiliteit. Deze applicatiemappen kunnen opgesteld worden via bodemanalyses, drones, satellietbeelden enz Het is ook mogelijk het perceel op te delen volgens geschatte potentiële opbrengstcapaciteit (Cool, 2013). Met behulp van Differential Global Positioning Systems (DGPS) en Real Time Kinematic Global Positioning Systems (RTK GPS) wordt de positie van het werktuig op een accurate manier in het perceel bepaald. Applicatiekaarten worden vervolgens gelinkt aan de dynamische positie van de trekker. Verder verloopt het systeem hetzelfde als een online systeem waarbij de gewenste dosering wordt ingesteld. Op deze manier gebeurt het gebruik van kunstmest meer efficiënt en krijgt men een stijging in netto opbrengst voor de landbouwer en een daling van de ecologische nadelen naar het milieu (Dintwa et al., 2004a). 16

20 De nieuw opkome VRT-technologie is echter geen eenvoudig gegeven en moet op vele vlakken worden onderzocht. Een aantal belangrijke items zijn: De technologie moet rabel blijven voor de hedaagse landbouw, economische analyses zijn belangrijk waarin men de kostprijs van het systeem opweegt tegen de verkregen meeropbrengst. De aanpassing van de werkbreedte in functie van de applicatiemappen kan gebeuren met behulp van online feedback sensoren (Axmat bij Rauch, Argus bij Amazone en Justax bij Sulky). Kennis over de invloeden van de strooierparameters is nodig om aanpassingen aan het strooibeeld uit te voeren (deze masterproef). Er zijn ook veldproeven nodig om een correct verband op te stellen tussen de sensorwaarde en de ideale dosering. 17

21 2 2.1 Literatuurstudie Opbouw van een kunstmeststrooier Een kunstmeststrooier is een landbouwwerktuig die meestal aan de driepuntshefinrichting van de trekker wordt opgehangen. In grotere toepassingen wordt deze uitgevoerd in een getrokken werktuig met een veel grotere voorraadbak. De strooier kan hydraulisch of mechanisch aangedreven worden via een Power Take Off I (PTO) aandrijving Eventueel zijn er nog enkele elektrische of olieleidingen die aangesloten worden voor het bedienen van actuators bedoeld voor kantstrooien, sluiten/openen van de toevoeropening, enz. Er zijn drie types kunstmestrooiers te onderscheiden: pelstrooiers, pneumatische strooiers en centrifugaalstrooiers (of schijfstrooiers). Pelstrooiers behoren groteels tot het verleden door hun beperkte strooibreedte en worden toegepast op kleinschalige landbouwbedrijven. Bij pneumatische strooiers worden de kunstmeststoffen via een verdeelboom op het landoppervlak verspreid. De verplaatsing gebeurt door een geforceerde luchtstroom. Het voordeel van pneumatische strooiers is dat ze ook kunnen gebruikt worden voor het verspreiden van ureum in poedervorm. Toch worden ze in beperkte mate gebruikt om verschille redenen: kostprijs (vooral bij grote strooibreedtes), grotere constructie, enz. (Sonck, 2013). Pneumatische strooiers en pelstrooiers worden in deze masterproef dan ook niet meer verder behandeld. Centrifugaalstrooiers zijn meestal opgebouwd uit twee ronddraaie schijven die de kunstmest zo homogeen mogelijk verspreiden via centrifugale krachten. Deze strooiers worden tegenwoordig het meest gebruikt wegens de vele voordelen: robuust, simpel proces, grote werkbreedte en lage kostprijs (Sonck, 2013). De opbouw wordt geïllustreerd in Figuur 3. De kunstmest bevindt zich in een trechtervormige voorraadbak die kan variëren van 700 tot 4000 liter. Via de uitstroomopeningen komen de korrels terecht op snel ronddraaie schijven. Om verstoppingen te voorkomen en een homogene uitstroom te verzekeren kunnen er roerwerken voorzien zijn. De schijven draaien met een snelheid tussen de 300 en 1000 toeren per minuut afhankelijk van de constructeur en werkbreedte. Op de ronddraaie schijven zijn schoepen gemonteerd die de korrels op de schijf meenemen en door de centrifugaalkracht wegslingeren. Bij een tweeschijfstrooier draaien de schijven tegengesteld aan elkaar, meestal van binnen naar buiten. Aan de voorkant van de strooier wordt een beschermplaat bevestigd om te voorkomen dat er korrels tegen de trekker vliegen. Verder zijn er nog een aantal extra toepassingen op de strooier die verder in de masterproef worden beschreven. I Een PTO is een ronddraaie mechanisch aangedreven as van een trekker, gebruikt voor de aandrijving van landbouwwerktuigen. 18

22 Figuur 3: Opbouw van een centrifugaalstrooier 19

23 2.2 Strooibeeld van een centrifugaalstrooier Dit type kunstmeststrooiers verspreiden korrels via een snel ronddraaie schijf en vormen zo een bepaald patroon op het grondoppervlak. Distributiepatronen worden opgemeten om strooiers te kalibreren en strooitabellen op te stellen (Van Liedekerke et al., 2009) Deze tabellen geven weer welke machineconfiguratie de landbouwer moet instellen en welke rijsnelheid en werkbreedte hierbij moet aangehouden worden om de gewenste dosering van een bepaalde kunstmestkorrelsoort te bekomen (Vangeyte, 2013). Deze strooitabellen zijn echter wel benaderingen en kunnen niet rekening houden met alle invloedsfactoren op het strooibeeld. Zo kunnen de eigenschappen van de kunstmestkorrels wijzigen gedure de opslag. De constructeurs kunnen ook niet alle kunstmestsoorten testen, bij Amazone kan men bijvoorbeeld kunstmeststalen insturen voor analyse. Ook slijtage van de strooier zal een invloed hebben op het distributiepatroon. Voor het correct toedienen van kunstmest via centrifugaalstrooiers dienen de landbouwers volgens Vangeyte (2013) op regelmatige basis kalibraties van de strooier uit te voeren en moeten de strooitabellen op correcte wijze worden toegepast. Hierdoor is er nood aan accurate en gebruiksvrielijke methoden die de landbouwer zelf toelaten om het strooibeeld te bepalen en te evalueren (Cool, 2013) Distributiepatronen Voor het vastleggen van het strooibeeld zijn er verschille soorten distributiepatronen. Een distributiepatroon is de massaverdeling van kunstmest in één of twee dimensies. Sommige worden bepaald wanneer ze terecht komen op de grond, andere worden op korte afstand opgevangen na de strooier. Op Figuur 4 wordt een overzicht gegeven van de verschille distributiepatronen. 20

24 Figuur 4: Overzicht van de verschille distributiepatronen (Dintwa et al., 2004a) Het tangentieel en het cilindrisch distributiepatroon wordt in tegenstelling tot de andere niet opgenomen wanneer de korrels op de grond terecht komen. Maar ze worden gecapteerd op een bepaalde radiale afstand van het middelpunt van de strooischijf. Het tangentieel patroon is één-dimensioneel, waarbij de cilindrische opvangconstructie ingedeeld is in cirkelsegmenten met een bepaalde middelpuntshoek of booglengte. Bij het cilindrisch patroon wordt er ook een verticale segmentatie gemaakt en is dus twee-dimensioneel. Het geeft de verdeling weer langs het manteloppervlak van een cilinder op een bepaalde radiale afstand van het middelpunt van de strooischijf (Cool, 2013). Op basis van het tangentieel en cilindrisch distributiepatroon kan er weinig informatie bekomen worden over hoe de korrels zullen terecht komen op het oppervlak. Maar het kan wel gebruikt worden om samen met andere parameters het strooibeeld te voorspellen via modellering (Vangeyte, 2013; Reumers et al., 2013). Het statisch distributiepatroon wordt opgemeten in twee dimensies wanneer de korrels op de grond terecht komen (Cool, 2013). In deze meting staat de kunstmeststrooier stil en is de tijd waarbij er gestrooid werd van belang voor de absolute massadistributie (Reumers et al., 2003). Een voorbeeld is weergegeven in Figuur 5. 21

25 Figuur 5: Een statisch distributiepatroon (Piron et al., 2010b) Het dynamisch distributiepatroon kan vergeleken worden met een statisch distributiepatroon waarbij de kunstmeststrooier niet stil staat, maar met een constante snelheid over het oppervlak rijdt waar de korrels worden opgevangen. Het is dus ook twee-dimensionele weergave van het strooibeeld. Op Figuur 6 is duidelijk te zien dat een strooibeeld niet constant is en longitudinale en transverse variabiliteit bevat. Men kan ook spreken over een totaal dynamisch strooibeeld, waarbij rekening gehouden wordt met opeenvolge strooigangen. Zo worden er meerdere strooigangen vertoond met een bepaalde overlap afhankelijk van de vorm van het dynamisch distributiepatroon en aangehouden werkbreedte. Bij opeenvolge strooigangen kan in dezelfde of in tegenstelde richting gereden worden. Figuur 6: Een dynamisch distributiepatroon (Fulton et al., 2001) De verdeling van de kunstmest loodrecht op de rijrichting van het dynamisch distributiepatroon wordt de transverse distributie genoemd. Het is een verdeling in één dimensie en voor één strooigang. Net zoals het totaal dynamisch strooibeeld is er ook een totaal transvers strooibeeld waarbij rekening gehouden wordt met de overlap van de strooibeelden van opeenvolge strooigangen. De longitudinale distributiepatroon is dan de verdeling van de kunstmest in de richting waarin de strooier beweegt (Jones et al., 2008). Voor een uniforme distributie van de kunstmest over het hele veld dient dit patroon zo constant mogelijk te zijn. De distributie is wel verschill voor de verschille afstanden ten opzichte van het middelpunt van de strooischijf. Bij een perfect homogeen totaal dynamisch distributiepatroon zou de longitudinale in theorie constant moeten zijn (Cool, 2013). 22

26 Bij het radiale distributiepatroon wordt de verdeling van het strooibeeld opgemeten vanuit het strooischijfmiddelpunt. De rechten worden onder welbepaalde hoeken gesteld ten opzichte van de rijrichting. Dit type strooibeeld kan gebruikt worden wanneer er geen plaats genoeg is om het volledige statisch distributiepatroon op te meten. Via interpolatiealgoritmen kan deze omgevormd worden tot statische en transverse distributiepatronen (4.3.1) Analyse van strooibeelden Er zijn verschille parameters die kunnen toegepast worden om strooibeelden te analyseren en te vergelijken ten opzichte van elkaar. Een eerste parameter is de relatieve afwijking die kan gebruikt worden om twee of meerdere strooibeelden te vergelijken. De dosering op iedere positie wordt in de twee strooibeelden vergeleken en tenslotte samengeteld tot één waarde. Ze kan gebruikt worden voor transverse en statische strooibeelden (Vangeyte, 2013). De relatieve afwijking voor de transverse strooibeelden: (2.1) Met: Mi de massa op transverse positie i van strooibeeld 1 (kg/ha), Ni de massa op transverse positie i van strooibeeld 2 (kg/ha) De relatieve afwijking voor de statische strooibeelden: (2.2) Met: Mij de massa in statische gridcel ij van strooibeeld 1 (kg/ha), Nij de massa in statische gridcel ij strooibeeld 2 (kg/ha) Volgens Vangeyte (2013) wordt er in België hoofdzakelijk bij opeenvolge strooigangen in tegenovergestelde richting gereden, waardoor men voor een uniforme verdeling moet beschikken over een strooibeeld die zo veel mogelijk symmetrisch is rond het rijpad van de trekker. Voor transverse strooibeelden te analyseren kan men ook de symmetrie van het strooibeeld bepalen (Cool, 2013). Een tweede parameter om transverse strooibeelden te analyseren is de skewing value f skew. Deze wordt gebruikt als ratio tussen de gestrooide massa links en rechts van het strooiercentrum (Yildirim, 2006). 23

27 De meest gebruikte parameter voor het analyseren van strooibeelden is de variatiecoëfficiënt (VC). Ze wordt toegepast voor totaal transverse strooibeelden (zie 2.2.1) en kan berek worden tussen de centrumlijnen van de strooier in twee opeenvolge werkgangen of op de uiterste centrumlijnen bij meerdere opeenvolge gangen. (2.3) Met: de gemiddelde massa kunstmest voor alle transverse posities xi de massa kunstmest in de i-de transverse positie Volgens Piron et al. (2010b) is de robuustheid van deze variatiecoëfficiënt ook een belangrijke parameter voor het uniform strooien. Dit wil zeggen dat de variabiliteit van VC zo klein mogelijk moet blijven in geval van rijpadafwijkingen. Deze robuustheid is vooral afhankelijk van de vorm van het strooibeeld. Transverse strooibeelden met een M- en W- vorm dienen vermeden te worden. Er wordt best zo veel mogelijk gestreefd naar driehoekige of gauss-vormige curves met niet te steile randen (Piron et al., 2010b; Olieslagers et al., 1996). De robuustheidsparameter kan in twee mogelijke manieren gekwantificeerd worden (Piron et al., 2010b). Een eerste is de verhouding tussen twee keer de werkbreedte Ww en de werpbreedte Tw (2.Ww/Tw). Wanneer deze verhouding gelijk is aan één, dan is het verspreidingsgebied in overeenstemming met de werkbreedte. Bij grotere waarden dan één zal de variatiecoëfficiënt grotere variabiliteit vertonen bij afwijke rijpaden. Een tweede is afkomstig vanuit een criterium geïntroduceerd door Kweon en Grift (2006). Het is de verhouding van de oppervlakte onder de VC-curve rond de gewenste werkbreedte bij een perfect driehoekig strooibeeld en de oppervlakte onder de VC-curve rond de gewenste werkbreedte bij het te analyseren strooibeeld (Figuur 7). Figuur 7: Illustratie voor de berekening van de tweede robuustheidparameter (Piron et al., 2010b) 24

28 De berekening van de tweede parameter van het strooibeeld gebeurt als volgt: (2.4) Met integraalbereik: [optimale Ww - 3; optimale Ww + 3] De parameter is zeer gevoelig met een groot bereik van 100% tot 2500%. Hoe groter de waarde hoe kleiner de robuustheid van de variatiecoëfficiënt Bepalingsmethoden van strooibeelden Inleiding Bij bemesting is het belangrijk dat de meststoffen homogeen verdeeld worden op het veld. Hiervoor is een correct gekalibreerde strooier noodzakelijk. Het bepalen van het strooibeeld is een belangrijke stap in het kalibratieproces, wat niet eenvoudig is. In Vangeyte (2013) worden methoden om het strooibeeld te bepalen op drie manieren ingedeeld: de klassieke collectiemethode, de volledige modelleringsmethode en de hybridemethode Collectiemethode Bij de collectiemethode worden de korrels opgevangen in een reeks van bakken die loodrecht in de rijrichting geplaatst worden. Iedere bak wordt afzonderlijk gewogen. Hiermee kan men dan het statisch, dynamisch of transvers strooibeeld bepalen. Deze methode kan plaatsvinden in strooihallen of onder veldomstandigheden en wordt meestal gebruikt voor het samenstellen van strooitabellen. Het bepalen van het strooibeeld met opvangbakken vergt veel tijd en geld en verspilt heel wat kunstmest (Figuur 8). Figuur 8: Collectiemethode in het veld (Vangeyte, 2013) 25

29 Een andere collectiemethode is op een radiale manier, de CEMIB of CEmagref Mineral Bench. De opstelling bestaat uit een vaste rij opvangbakken met automatische weegcellen. Aan het begin van de rij opvangbakken is de strooier statisch gemonteerd aan een rotere drager. Deze drager zal de strooier continue verdraaien met een snelheid tussen de 0,5 en 8 per seconde afhankelijk van de massastroom. De kunstmest die in de opvangbakken valt wordt automatisch gewogen en geregistreerd. Op deze manier wordt het statisch 3D strooibeeld bepaald (Figuur 9). Met deze resultaten kan vervolgens het transvers strooibeeld bepaald worden. De CEMIB (Figuur 10) werd ontwikkeld door IRSTEA, het Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture, om bovenstaande klassieke collectiemethode te verbeteren. De oppervlakte en tijd die nodig zijn voor het kalibreren van een strooier wordt sterk gereduceerd door de automatische weegcellen en door de statische opvangbakken en strooier. Een testhal van bijvoorbeeld 40 op 10 meter is hiervoor al ruim voldoe (Piron et al., 2010a). Figuur 9: Algemeen principe van CEMIB (Piron et al., 2010a) Figuur 10: CEMIB-collectiemethode (Piron et al., 2010a) 26

30 2.3.3 Modelleringsmethode Een meer theoretische manier om het strooibeeld na te gaan is via de volledige modelleringsmethode. Hierbij worden alle bewegingen van de korrels start vanaf de voorraadbak tot op het land in model gebracht. Een voordeel van de bepalingsmethode via modelering (model op schijf + ballistisch model) is dat deze geïmplementeerd kan worden op een strooier met Variable Rate Technology (VRT). Dit is een toepassing die rekening houdt met spatiale variabiliteit. Het laat de gebruiker toe om de input van bijvoorbeeld kunstmeststoffen aan te passen naargelang de plaats op het veld of behoefte van de planten. Ze kunnen ook bijgevolg bijzonder nuttig zijn voor het kalibreren van de kunstmeststrooiers (Dintwa et al., 2004a). Patterson en Reece (1962) waren de eerste die een model beschreven voor de beweging van de korrels op een schijf op basis van een toevoer dicht bij het centrum. Hierbij werden analytische modellen opgesteld die de beweging van individuele partikels op de schijf modelleren. Er werd ook onderscheid gemaakt tussen rollen en glijden van de korrels. Cunningham (1963) beschreef de korrelbanen op conische schijven en schijven met gekromde, niet radiale schoepen. Olieslagers et al. (1996) trachtte op basis van deze modellen (Patterson en Reece, 1962 en Cunningham, 1963) het strooibeeld te bepalen. Villette et al. (2005) ontwikkelde voor de beweging op de schijf een nieuw model aan de hand van een inertiaalstelsel. Van Liedekerke et al. (2006a) introduceerde de Discrete Element Method (DEM) model om tekortkomingen op vlak van partikelinteracties op te heffen. DEM modellen kunnen met deze interacties op een fysische geldige manier rekening houden. De ballistische vlucht in de lucht kan bepaald worden via een stelsel van tweedegraads differentiaalvergelijkingen (Vangeyte, 2013; Cool, 2013). Tijdens de ballistische vlucht kunnen sferische korrels onderhevig zijn aan de zwaartekracht, luchtweerstand en de Magnuskracht ten gevolge van de rotatie van de korrels (Cool, 2013). De modellen die verder in deze masterproef gebruikt worden, zullen hieronder nog wat verder beschreven worden. 27

31 Model van Olieslagers et al. (1996) Een veel gebruikt model in de literatuur is dit van Olieslagers et al. (1996). Hij ontwikkelde een algemeen model die rekening houdt met de vorm van de schijf en de hoek van de schoepen. Het beschrijft de beweging van de korrels vanaf ze de schijf aanraken tot wanneer de korrels de grond raken. Op de schijf ondergaan de korrels een versnelling door contact met de schoepen, waarna ze de schijf verlaten in een bepaalde richting en snelheid. Figuur 11 toont de baan van het partikel op de schijf met hoeksnelheid ω, de oorspronkelijke hoek van het partikel op de schijf φ i, positie van het partikel op de schijf r 0, de hoek waar het partikel de schijf verlaat φ d, de tangentiële snelheid v t, de radiale snelheid v r, de totale snelheid v tot en de vertrekhoek β t. De plaats waar de korrels op schijf terecht komen is beschreven in Figuur 12. De grootte wordt hierbij gewijzigd door de segmenthoek d te veranderen. d is positief evenredig met de massastroom. De segmentopening wordt verder begrensd door de binnenstraal r b en de buitenstraal r e. Figuur 11: Oriëntatie van de vertreksnelheid (Olieslagers et al., 1996) 28

32 Figuur 12: De dimensies van de toevoeropening (Olieslager et al., 1996) Olieslagers et al. (1996) beschrijft dat een korrel een aantal krachten ondergaat tijdens zijn baan op een conische schijf. De hoofdzakelijke krachten die inwerken op het partikel zijn de centrifugaalkracht (F c ), de zwaartekracht (F g ) en de wrijvingskracht (F f ). Door de inwerking van deze krachten op de massa van de partikels, wordt er een versnelling gegeven aan de partikels (tweede wet van Newton). (2.5) (2.6) (2.7) ( ) (2.8) (2.9) II (2.10) Met: de hoek van de schoep met het horizontale vlak, de snijhoek van de korrel met de schoep, m de massa van het partikel, g de zwaartekracht, r de positie van het partikel op tijdstip t, ω de hoeksnelheid, F cor de corioliskracht II In het wetenschappelijk artikel is Olieslagers et al. (1996) waarschijnlijk cosα vergeten. 29

33 Samenvoeging van vergelijkingen 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 en 2.10 bekomt: (2.11) Met In het geval van een niet-conische schijf ( =0 ) en radiale schoepen ( differentiaalvergelijking volgens Grift et al. (2006) analytisch opgelost worden. ) kan de ( ) ( ) (2.12) Met: A en B integratieconstanten, µ d = µ v = µ Volgens Grift et al. (2006) kan dit zonder veel verlies aan voorspellingskracht herleidt worden tot: ( ) (2.13) Hoe de krachten gericht zijn op de korrel ziet op Figuur 13. De conische vorm van de schijf zorgt ervoor dat de korrels tijden de ballistische vlucht in de atmosfeer een opgaande beweging krijgen vooraleer ze naar beneden vallen op de grond (Olieslagers et al., 1996; Hofstee, 1995). Dit wordt geïllustreerd in Figuur 14. Aan de hand van de ontwikkelde modellen op de schijf en in de lucht wordt er gesimuleerd op welke plaats de korrels terechtkomen en kan zo het strooibeeld weergegeven worden. 30

34 Figuur 13: Krachten die inwerken op het partikel op schijf (Olieslagers et al., 1996) Figuur 14: De partikelbaan doorheen de lucht (Olieslager et al., 1996) Met: r p de steekstraal van de schoep, r d de diameter van de schijf, v y de snelheid in de y- as, v x de snelheid in de x-as, x k de afstand waar het partikel terecht komt 31

35 De radiale snelheid die het partikel zal krijgen aan de rand van de schijf kan vanuit de vergelijking 2.13 door differentiëren afgeleid worden: ( ) (2.14) De tangentiale v t, resultere horizontale snelheid v tot en horizontale vertrekhoek β t worden als volgt berek: (2.15) (2.16) ( ) (2.17) Model van Villette et al.(2005) Villette et al. (2005) presenteerde een nieuwe vorm van differentiaalvergelijking voor de beweging van een partikel op de schijf door gebruik te maken van een coördinatenstelsel gelinkt aan de schoep. Op deze manier werd een vergelijking bekomen voor conische schijven met niet-radiale schoepen die analytisch oplosbaar is, in tegenstelling tot de vergelijking 2.11 van Olieslagers et al. (1996). Om de plaats, snelheid en versnellingsvectors in dit model te kunnen uitdrukken worden vier rechtshandige Cartesiaanse coördinatenstelsels gebruikt. Drie stelsels hebben hun oorsprong in O op de rotatie-as van de schijf: het inertieel stelsel (O, i, j, k), een roter stelsel draai met schijfhoeksnelheid ω en u ρ in dezelfde richting als de projectie van de schoep op het horizontale vlak door de oorsprong O (O, u ρ, u θ, k) en een roter stelsel met u R in de richting van de projectie van het partikel op het horizontale vlak door de oorsprong O (O, u R, u T, k). Het vierde stelsel heeft zijn oorsprong O V op de projectie van O op de schoep met u v in de richting van de schoep (O V, u V, u N, u k ) (Figuren 15 en 16). De schoepen van de strooischijf zijn op een bepaalde afstand geplaatst ten opzichte van het centrum O, deze afstand wordt de steekstraal r p genoemd. Door de conische schijf, de steekstraal en de steekhoek α lv komen de schoepen een bepaalde hoek te staan tegenover het horizontale vlak,. 32

36 Figuur 15: Drie-dimensioneel zicht van de schoep en van de coördinatenstelsels (Villette et al., 2005) Figuur 16: Bovenzicht van de schoep en de coördinatenstelsels (Villette et al., 2005) Met: α x de hoek tussen de horizontale projectie van de schoep met de radiale locatie van het partikel of ook de snijhoek genoemd x v de afstand van het partikel op de schoep tot de oorsprong O v r de radiale locatie van het partikel tot de oorsprong O M de locatie van het partikel ω de hoeksnelheid van de schijf De bewegingsvergelijking van het partikel wordt ontbonden volgens het vierde stelsel (O V, u V, u N, u k ) De externe krachten die zullen inwerken op het partikel zijn de zwaartekracht F g, de wrijvingskracht F f, de verticale reactiekracht van de schijf F Rd, en de reactiekracht van de schoep F Rv. Ze zijn weergegeven op Figuur

37 Figuur 17: De fysische krachten werk op een kunstmestkorrel (Villette et al., 2005) Waarbij: (2.17) (2.18) (2.19) (2.20) Door het inwerken van deze krachten zal er volgens de tweede wet van Newton een versnelling gegeven worden aan het partikel. (2.21) ( ) (2.22) Samenvoegen van vergelijkingen verkrijgen we: = (2.23) Met: de versnelling van het partikel in m/s², de snelheid van het partikel in m/s, de wrijvingscoëfficient van het partikel langs de schoep en de schijf, zwaartekracht de 34

38 De oplossing van vergelijking 2.23 is: ( ) (2.24) De constante K en zijn: (2.25) (2.26) De snelheid van het partikel langs de schoep wordt dan: ) (2.27) Zoals eerder gezegd wordt de hoek tussen de schoep en het horizontale vlak bepaald door de conische hoek van de schijf, de steekhoek en de steekstraal of op eenvoudigere wijze door de lengte van de schoep, de steekstraal en de steekhoek (Figuur 18). Figuur 18: Bovenzicht van de strooischijf met de snelheidscomponenten van de vertreksnelheid van het partikel (Villette et al., 2005) 35

39 De hoek kan berek worden via volge formules: (2.28) (2.29) Met: de lengte van de schoep, de straal van de schoep die gelijk is aan de straal van de strooischijf en de steekhoek van de schoep Via de coördinatenstelsels kunnen we de snelheidsvector van het partikel bepalen op het einde van de strooischijf, waaruit de radiale (v r ), de tangentiële (v t ) en de verticale snelheidscomponent (v vert ) afgeleid wordt. (2.30) (2.31) (2.32) (2.33) Ballistisch model Voor het modelleren van de ballistische vlucht van de kunstmestkorrels in de lucht wordt vertrokken van algemene vergelijkingen voor de beweging van een rotere sfeer in een fluïdum. en (2.34) Met: en, respectievelijk de snelheid en rotatiesnelheid van de sfeer m[kg] en I[kgm²], respectievelijk de massa en het traagheidsmoment van de sfeer, respectievelijk de luchtweerstandkracht, de zwaartekracht, de Magnus kracht en de Archimedeskracht [N], het luchtweerstandsmoment dat de rotatiebeweging tegengaat [Nm] In de algemene vergelijkingen zitten er verschille krachten die berek worden volgens onderstaande vergelijkingen. Enkel de Archimedeskracht wordt verwaarloosd aangezien de dichtheid van de korrels veel groter is dan de dichtheid van de lucht waarin ze zich bewegen. Als eerste is er de luchtweerstandkracht die volgens Tabak en Wolf (1998) opgebouwd is een frictieweerstand en een drukweerstand en wordt als volgt berek: 36

40 (2.35) Met: C d, de luchtweerstandscoëfficiënt [-] A, de dwarsdoorsnede van de korrel loodrecht op de bewegingsrichting [m²], de dichtheid van lucht [kg/m³], de snelheid van de korrel [m/s], de snelheid van het fluïdum [m/s], de relatieve snelheid van het partikel tegenover het fluïdum Doordat de korrels roteren tijdens de ballistische vlucht ontstaat er een kracht die loodrecht staat op vlak die gevormd wordt door de koppelvector van de rotatie en de relatieve snelheidsvector van het deeltje tegenover het fluïdum. Deze kracht noemt de Magnuskracht en wordt als volgt berek (Cool, 2013): (2.36) Met: V, het volume van de korrel [m³], de Magnus coëfficiënt, de dichtheid van lucht [kg/m³] De zwaartekracht wordt al volgt berek: (2.37) Met: m, de massa van het partikel [kg], de valversnelling [m/s²] Tijdens de ballistische vlucht zal het partikel een moment ondervinden die zijn rotatiebeweging tegenwerkt. Dit moment wordt het luchtweerstandsmoment genoemd. Volgens Lukerchenko (2012) kan men het luchtweerstandsmoment met volge formule berekenen. (2.38) Met: C ω, de luchtweerstandsmomentcoëfficiënt, de dichtheid van lucht [kg/m³] r, de straal van de dwarsdoorsnede van het partikel [m], de rotatiesnelheid van het partikel [rad/s] 37

41 De luchtweerstandscoëfficiënt is niet enkel afhankelijk van de vorm en de rotatiesnelheid van het partikel, maar ook van het turbulentieniveau van het fluïdum. Deze wordt weergegeven door het Reynoldsgetal (Re) en het rotationeel Reynoldsgetal Re ω. Voor een ideale sfeer wordt dit als volgt berek (Cool, 2013): (2.39) (2.40) Met: d, de diameter [m], de dynamische viscositeit van lucht = 18, kg/ms, de dichtheid van het fluïdum [kg/m³] Deze krachten en momenten worden gecombineerd tot een ballistisch model (Cool, 2013). Door het gebrek aan informatie over het effect van rotatie op de luchtweerstandcoëfficiënt, de Magnuscoëfficiënt en de luchtweerstandcoëfficiënt van onregelmatige partikels werd hierbij uitgegaan van ideale sferen. Het driedimensionele model is enkel geldig wanneer < Re < en < Re ω < ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (2.41) Met: C d, de luchtweerstandscoëfficiënt C M, de Magnus coëfficiënt C ω, de luchtweerstandsmomentcoëfficiënt A, de dwarsoppervlakte van de korrel [m²] m, de massa van de korrel [kg] v, de snelheid van de korrel [m/s] u, de snelheid van het fluïdum [m/s] 38

42 V, het volume van de korrel [m³], de dichtheid van lucht [kg/m³] r, de straal van de dwarsdoorsnede van de korrel [m] ω x, ω y, ω z, de rotatiesnelheid van de korrel in de x-, y- en z-richting [rad/s] I x, I y, I z, het rotationeel traagheidsmoment van de korrel in de x, y en z-richting Er zijn ook modellen ontwikkeld die rekening houden met wind. Hierbij zal het fluïdum relatief tegenover het referentiestelsel bewegen (Cool, 2013). In deze masterproef wordt dit niet besproken aangezien het model niet gebruikt wordt en er verondersteld wordt dat er geen wind is Validatie van simulatiemodellen In Olieslagers et al. (1996) en Dintwa et al. (2004b) werden gesimuleerde strooibeelden vergeleken met experimenteel bepaalde strooibeelden. Er werd vastgesteld dat er slechts een correcte overeenkomst was van de simulaties met de werkelijkheid na veranderen van de beginvoorwaarden van het model. De beginvoorwaarden werden aanvankelijk afgeleid uit de dimensies van de toevoeropening, maar door tal van interacties tussen de partikels worden de valposities op schijf en baan langs de schoep beïnvloed. De wiskundige modellen houden namelijk geen rekening met alle mogelijke interacties tussen de korrels (Figuur 19). Figuur 19: Simulatie van het strooibeeld en vergelijking met testresultaten (Olieslagers et al., 1996) 39

43 2.3.4 Hybridemethode De hybridemethode is een combinatie tussen meten en modellering. Hierbij worden een aantal begincondities experimenteel opgenomen met bepaalde meetapparatuur. Deze gegevens worden dan als input gebruikt in een wiskundig model. Meestal worden de condities van de korrels bepaald bij het verlaten van de strooischijf en worden deze gegevens dan in een ballistisch model ingevoerd. De begincondities die nodig zijn voor het vervolledigen van het model zijn: de horizontale en verticale vertrekhoek, de snelheid, de massa en de diameter van de korrels. Het meten van sommige van deze begincondities wordt het best uitgevoerd met behulp van digitale beeldverwerking. Voor het ontwikkelen van een hybridemethode bestaan er verschille systemen De fotosensors Grift en Hofstee (1997b) waren één van de eerste die een systeem ontwikkelden voor het opmeten van de radiale snelheid en diameter van de korrels. Ze ontworpen een optisch elektronisch apparaat die twee arrays van infrarode fotosensors bevatten. Elke fotosensor ontving een lichtstraal van een halogene lichtbron. De korrels blokkeren het licht wanneer ze de strooischijf verlaten en door de sensor passeren. Met het tijdsinterval werd zo de snelheid en de diameter berek. Figuur 20 illustreert het principe. Een tweedimensionale versie is er ook ontworpen om van aparte korrels, gelanceerd vanuit een partikelversneller, de horizontale snelheidscomponenten op te meten (Grift en Hofstee, 1997a) De akoestische methode Hofstee (1994) ging op een akoestische manier te werk, namelijk met een Doppler frequentie shift. Via de amplitude en de frequentie van de ontvangen Doppler signalen wordt zo de horizontale snelheid en bewegingsrichting bepaald. De systemen van Grift en Hofstee (1997a) en Hofstee (1994) waren echter wel beperkt in hun gezichtsveld. Hierdoor werden ze rond de schijf geroteerd om de begincondities van alle korrels te bepalen. 40

44 Figuur 20: Principe van de optische detector (Grift en Hofstee, 1997b) Beeldverwerking Olieslagers (1997) en Reumers et al. (2003) werkten met een commerciële lage kost digitale camera. Door de sluitertijd, het diafragma en de brandpuntsafstand juist in te stellen kon men de korrels als afzonderlijke lijnen voorstellen op het beeld (blurring effect). Hiermee kon men dan de horizontale vertrekhoek mee bepalen. De verticale vertrekhoek wordt bepaald met een cilindrische collector die radiaal rond de strooischijf wordt geplaatst. De korrels worden opgevangen in verschille compartimenten, gescheiden door verticale kabels, en dan verzamelt in bekers. Zo wordt er van elke korrel de hoekbreedte en hoogte opgemeten, m.a.w. het cilindrisch strooibeeld. Uit dit strooibeeld en de digitaal bepaalde horizontale vertrekhoek kan de verticale vertrekhoek berek worden. Ook Villette et al. (2006) werkte met dit principe. Hij toonde echter wel aan dat voor een nietconische schijf met radiale en niet-radiale schoepen de snelheid van de partikels op de rand van de schijf modelmatig afgeleid kan worden uit de horizontale vertrekhoek via een geoptimaliseerde Hough transformatie. Vangeyte (2013) ontwikkelde een nieuwe opstelling voor het bereiken van het doel om met gemeten begincondities het strooibeeld van een kunstmeststrooier te bepalen. Zijn onderzoek ontwikkelde twee technieken met gelijkaardige resultaten. Enerzijds een opstelling met een high speed camera en anderzijds met een commerciële goedkopere digitale camera gecombineerd met stroboscooptechniek. Beide camera s leggen de korrels vast als afzonderlijke elementen respectievelijk door een korte sluitertijd of door licht kort aan en uit te knipperen met een stroboscoop. Kwalitatief leveren beide technieken simultane resultaten voor snelheid en hoekbepaling. Om informatie uit de beelden te halen zijn algoritmen ontworpen. Eerst worden de ruwe beelden verfijnd en aangepast om het beeld visueel te verbeteren. Met behulp van filters wordt de ruis verwijderd. Eens de korrels 41

45 herk worden als objecten worden de posities bepaald. Aan de hand van deze posities in een bepaald tijdsinterval wordt de snelheid en horizontale vertrekhoek berek. De opstelling heeft echter nog altijd nood aan het cilindrisch strooibeeld voor het bepalen van de verticale vertrekhoek. Deze wordt op dezelfde manier bepaald als met de blurred techniek. Villette et al. (2008) en Hijazi (2012) zijn op zoek gegaan naar een systeem om de beweging van de korrels in drie dimensies vast te leggen. Zo kan niet alleen de horizontale vertrekhoek en de snelheid bepaald worden, maar ook de verticale vertrekhoek. Door de grootte, vorm en verplaatsing van de korrels is de best geschikte methode voor het vastleggen van het 3D-beeld een optische stereomethode. Hierbij worden er twee of meerdere beelden gemaakt vanuit licht verschille posities. De opstelling is weergegeven in Figuur 21 (Hijazi, 2012). Figuur 21: De verschille onderdelen van de opstelling van Hijazi (2012) 42

46 De voornaamste stappen vanaf het vastleggen van de beelden tot de 3D-reconstructie zijn: kalibratie, rectificatie, stereomatching en triangulatie. Bij de kalibratie worden intrinsieke en extrinsieke parameters bepaald van elke camera. Een aantal belangrijke karakteristieken zijn hierin van cruciaal belang: de belichtingstijd, de beeldopnamefrequentie, de lenseigenschappen en de resolutie van de camera. Bijvoorbeeld als de belichtingstijd lang is ten opzichte van de korrelsnelheid, dan verkrijgen we een wazig beeld van de korrels (blurring). Hoe kleiner de belichtingstijd, hoe minder lichtintensiteit die het beeld maakt. Hierin moet er dus compromis gezocht worden. Vervolgens vindt de rectificatie plaats. Het doel hierin is om beeldgeometrie te transformeren naar een eenvoudige geometrie waarbij de beelden in hetzelfde vlak liggen en de overeenkomstige pixels op dezelfde horizontale lijnen liggen. Met de stereovisie techniek wordt het menselijk zicht geïmiteerd. Door de geometrie en intrinsieke parameters te weten van de camera s kan de diepte via driehoeksmeting of triangulatie berek worden door de binoculaire dispariteit van de beelden. Om deze ongelijkheid te achterhalen, is het noodzakelijk om een overeenkom punt te vinden in het linkse beeld met een gegeven punt in het rechtse beeld. Dit proces noemt stereo correspondentie of stereo matching. Na het toepassen van deze reeks van complexe algoritmen is de positie en de snelheid in 3D bepaald met een schatting van de diameter. Deze parameters worden samen met de luchtweerstandscoëfficiënt en de densiteit van de korrels ingegeven in een ballistisch vluchtmodel om zo de valpositie van de korrels te vinden. Het ontwikkelde systeem van Hijazi (2012) werd getest met een cilindrische collector en vertoonde een goede nauwkeurigheid (Figuur 22). Bijkome validatie via het statisch strooibeeld is echter noodzakelijk. In de huidige staat is het systeem niet bruikbaar in veldomstandigheden wegens de hoge kostprijs en broosheid van de high speed camera s. Het kan wel gebruikt worden voor strooierkarakterisatie in gecontroleerde omstandigheden, evaluatie van het effect van strooier instellingen op het strooibeeld en studies over het gedrag van korrels en verbeteren van ballistische vluchtmodellen. 43

47 Figuur 22: De 3D hoekverdelingen verkregen door de collector (a), de geschatte 3D hoekverdeling verkregen door het beeldvormingssysteem (b) (Hijazi, 2012) 2.4 Invloeden van strooierinstellingen Het strooierbeeld van een centrifugaalstrooier kan aangepast worden via verschille parameters. Volgens Hofstee (1995) kan dit vanuit een onderzoekstandpunt aanzien worden als een voordeel. Dit voordeel kan ook beschouwd worden als een nadeel aangezien de vele factoren steeds gecontroleerd moeten worden. Er treden ook interacties op tussen de verschille factoren, waardoor vergaande kalibratie nodig is om een zo goed mogelijk strooibeeld te verkrijgen. In Cool (2013) worden deze factoren ingedeeld onder externe factoren, de bestuurder, korreleigenschappen en de machine-instellingen. In deze masterproef zullen enkel de laatste groep onderzocht worden. Ze kunnen nog eens onderverdeeld worden in vaste factoren en aanpasbare factoren. De specifieke instelling van de strooier wordt ook wel de strooierconfiguratie genoemd. Vele onderzoekers hebben gewerkt aan modellen om de beweging van de korrels op de schijf en in de lucht in kaart te brengen (Patterson en Reece, 1962; Grift en Hofstee, 2002; Villette et al., 2005; Dintwa et al., 2004b; Aphale et al., 2003; Cool, 2013 ), om zo de invloeden van verschille factoren op het strooibeeld te kunnen simuleren. Ze zijn uitvoerig vergeleken met strooibeelden opgemeten door de collectiemethode en men kan besluiten dan ze een vrij goede benadering geven van de werkelijkheid. 44

48 2.4.1 Onderzochte factoren met invloed op strooibeeld Verschille onderzoekers hebben onderzoek uitgevoerd op de invloeden van strooierconfiguraties. Deze studies werden uitgevoerd door simulaties, het opvangen van de korrels of een combinatie van beiden. Er werd aangetoond dat de vorm van strooibeeld en de strooibreedte sterk gevoelig zijn voor de gebruikte strooierconfiguratie. Het toerental van de schijf beïnvloedt sterk de strooibreedte (Olieslagers et al., 1996; Villette et al., 2011; Parish, 2002). Figuur 23 toont aan dat de strooibreedte van het transvers strooibeeld toeneemt met stijg toerental van de schijf. Dit komt doordat de korrels een hogere vertreksnelheid hebben bij het verlaten van de schijf. De totale gedoseerde hoeveelheid wijzigt niet, maar de gemiddelde dosering op elke transverse positie is relatief gezien kleiner doordat de korrels over een breder oppervlak verdeeld worden. Figuur 23: Simulatie van het strooibeeld met een variër toerental van schijf (Olieslager et al., 1996) De eigenschappen van de toevoeropening hebben een grote invloed op het strooibeeld. Zo heeft de vorm van de opening een grootte invloed op de vorm van strooipatroon (Olieslagers et al., 1996). In de simulatie van Olieslagers et al. (1996) werd een segmentopening en een ellipsvormige opening vergeleken met elkaar. Een segmentopening resulteert duidelijk in een veel beter strooibeeld dan een ellipsvormige opening in dit geval. Dit wordt geïllustreerd op Figuur 24. Figuur 24: De invloed van de vorm van de toevoeropening op het strooipatroon (Olieslagers et al., 1996) 45

49 De toevoeropening van een centrifugaalstrooier kan gewijzigd worden in grootte. Dit heeft een rechtstreekse invloed op de dosering van kunstmestkorrels. Het verband tussen de grootte van de opening en massastroom is weergegeven in Figuur 25. Voor homogene materialen zoals ureum is de relatie hiertussen bijna lineair. In het geval van ruwe en nietsferische korrels zoals kaliumchloride (KCl) heeft de curve eerder een kwadratische vorm door de grotere wrijving van de korrels. Door de grotere wrijving bezit KCl ook een lagere flowrate bij een bepaalde toevoeropening dan bij andere kunstmestsoorten (Fiala en Oberti, 1999; Van Damme, 2014). Figuur 25: De toevoeropening versus massastroom van de kunstmestkorrels (Fiala en Oberti, 1999) Figuur 26 toont het effect van een verandere grootte van de toevoeropening op de strooibreedte en de vorm van het transvers strooibeeld. Het veranderen van de massastroom, die gerelateerd is aan de grootte van de toevoeropening, heeft een grote invloed op de vorm en breedte van het strooipatroon. Dit resulteert in een grote afwijking van de effectieve hoeveelheid kunstmest op het veld ten opzichte van de benodigde hoeveelheid kunstmest. Dit zal vooral doorwegen wanneer de benodigde kunstmest in het veld varieert. Door het veranderen van enkel de grootte van de toevoeropening zal de strooibreedte en vorm van het strooibeeld wijzigen en resulteert dit in verschille overlappingen. Om bij het strooien van verschille doseringen een constante werkbreedte te behouden, zal er gelijktijdig met de grootte van de toevoeropening nog andere parameters aangepast moeten worden (Olieslagers et al, 1996; Hofstee, 1995). Ook Kweon en Grift (2006) kwamen tot dezelfde resultaten (Figuur 27). 46

50 Figuur 26: Simulatie van het strooibeeld met een variëre grootte van de toevoeropening d (Olieslagers et al., 1996) Figuur 27: Transvers strooipatroon met variëre segmenthoek van de toevoeropening bij een tweeschijfstrooier (Kweon en Grift, 2006) Olieslagers et al. (1996) rapporteerde dat de vorm van het strooibeeld en de strooibreedte constant zou moeten blijven bij variëre dosering om zo een efficiënte overlap te creëren. Het strooibeeld moet ook symmetrisch zijn, want niet-symmetrische patronen zorgen voor ongelijkmatige verdeling, vooral bij de heen en weer methode van strooien op het veld. Zoals eerder aangehaald zijn de meest geschikte vormen van het strooibeeld de normale verdeling of Gaussverdeling, de driehoekvorm of trapeziumvorm. M, W en scheve verdelingen moeten vermeden worden (Kweon en Grift, 2006). 47

51 Door Olieslagers et al. (1996) is er gevonden dat de positie van de toevoeropening een groot effect heeft op het strooipatroon. Figuur 28 toont dat het veranderen van de positiehoek 0 (Figuur 12) een grote invloed heeft op de vorm en de breedte van het strooibeeld. Deze gevoeligheid laat toe om het strooibeeld bij variëre dosering te optimaliseren door de positie van de toevoeropening te controleren en aan te passen gelinkt aan de dosering (Kweon en Grift, 2006). Hierdoor worden voor verschille doseringen transverse strooibeelden bekomen van gelijke breedte, symmetrie en vorm (Figuur 29). Figuur 28: Simulatie van het strooibeeld met variëre positie van de toevoeropening (Olieslagers et al., 1996) Figuur 29: Transvers strooibeeld met variëre grootte van de toevoeropening na toevoeropening-aanpassing (Kweon en Grift, 2006) 48

52 Deze massastroom afkomstig van de voorraadbak zou beïnvloed worden door het niveau van de voorraadbak, wat een wijziging in het strooibeeld oplevert (Fiala en Oberti, 1999; Parish, 1999). De invloed van deze factor is wel eerder zwak. Figuur 30 toont dat bij een volle voorraadbak in vergelijking met een niveau van 20 %, de massastroom slechts met 4% afneemt (Fiala en Oberti, 1999). Figuur 30: De massastroom versus vulniveau van de voorraadbak (Fiala en Oberti, 1999) Volgens Hofstee (1995) en Yildirim (2008b) is de configuratie van de strooischijf waarop de korrels op terechtkomen belangrijk voor het simuleren van het strooibeeld. Belangrijke factoren zijn de schijfdiameter (r d ), de voedingsdiameter (r 0 ), de steekstraal van de schoep (r p ), de hoek van de schoep met het horizontale vlak ( ) en de vorm van de schoep. Een aantal van deze factoren zijn ook in te geven in de modellen van Olieslagers et al. (1996) en Villette et al. (2005), zoals r d, r p en. Een belangrijke factor van alle ontwerpen is de snijhoek (α x ) tussen de schoep en de radiale lijn. Op Figuur 31 wordt de snijhoek geïllustreerd, op het einde van de schoep zal de snijhoek gelijk zijn aan de steekhoek van de schoep (α lv ). Figuur 31: Illustratie van de snijhoek (α x) en de steekhoek (α lv) 49

53 De snijhoek is sterk afhankelijk van de vorm van de schoep en wijzigt in functie waar de korrel zich bevindt op de schoep. Het bepaalt hoe de krachten op de korrels terecht komen. Bij een voorwaarts helle schoep is de snijhoek α x < 0, dit resulteert in een centrifugaal krachtcomponent loodrecht naar de schoep toe (Figuur 32). Figuur 32: De inwerke krachten op een partikel langs een voorwaarts helle rechte schoep α x <0 Hierdoor neemt de wrijvingskracht met de schoep toe en moet deze ook overwonnen worden. De snijhoek zal voor de meeste schoepen veranderen met de radiale afstand tot het centrum, waardoor de krachten Figuur 34 toont de snijhoek van verschille voorwaarts helle schoepen in functie van de radiale afstand. Bij achterwaarts helle schoepen zijn de lijnen gelijkaardig, ze zijn dan enkel gespiegeld rond de lijn α x = 0. De centrifugale krachtcomponent staat dan van de schoep weg, waardoor de wrijving vermindert (Hofstee, 1995) (Figuur 33). Figuur 33: De inwerke krachten op een partikel langs een achterwaarts helle rechte schoep α x >0 (Olieslager et al., 1996) 50

54 Figuur 34: Variatie van de snijhoek α x in functie tot de radiale positie r voor verschille voorwaarts helle schoeptypes. A) rechte schoepen, B) cirkelvormige schoepen, C) parabolische schoepen (Hofstee, 1995) Hofstee (1995) onderzocht ook het gecombineerd effect van de wrijvingscoëfficiënt met de steekhoek van rechte schoepen op de beweging van de partikels op een platte schijf. De gesimuleerde resultaten zijn geïllustreerd in Figuur 35a-d. Figuur 35a toont de invloed van steekhoek op de verblijftijd. Deze zal sterk wijzigen en bereikt een minimum juist over 0, waarna het terug lichtjes stijgt. De duur van de verblijftijd bepaalt sterk de plaats waar het partikel de schijf verlaat. 51

55 Figuur 35: Het effect van de steekhoek en wrijvingscoëfficiënt op de verblijftijd (a), de snelheid langs de schoep (b), de vertreksnelheid (c) en de vertrekhoek (d) (Hofstee, 1995) Figuur 35b toont dat de snelheid van het partikel langs de schoep toeneemt met een vergroting van de steekhoek, maar de daadwerkelijke vertreksnelheid zal hierbij afnemen (Figuur 35c). Dit komt doordat de tangentiële snelheidscomponent van de snelheid langs de schoep juist het tegenovergestelde is met de tangentiële snelheid van de tip van de schoep (Figuur 32). Figuur 35d toont dan uiteindelijk het effect op de vertrekhoek, deze zal toenemen met een vergroting van de wrijvingscoëfficiënt en een verkleining van de steekhoek. Bij vergelijking van de schoeptypes was de verblijftijd bij voorwaarts helle schoepen het langst en het kleinst bij rechte radiale of achterwaarts helle schoepen. De vertreksnelheid van partikels was het hoogst bij de voorwaarts helle schoepen. Het effect op de beweging van de partikels op de schijf, die hierboven beschreven is, zal een invloed hebben op het verspreidingspatroon van de korrels. Figuur 36 toont duidelijk dat de relatie van de wrijvingscoëfficiënt en de landingspositie van de korrel afhankelijk is van de steekhoek van de schoepen. De punten links op de figuur hebben de kleinste weerstand, deze zal telkens in sprongen van 0,025 toenemen naar rechts. Een voorwaarts helle schoep is zeer gevoelig voor de wrijvingscoëfficiënt. Hoe kleiner de steekhoek, hoe minder gevoelig de schoep wordt voor de wrijving (Hofstee, 1995). 52

56 Figuur 36: Het effect van de wrijvingscoëfficiënt en de steekhoek op de landingspositie van het partikel op de grond voor de verschille steekhoeken (Hofstee, 1995) Met: + α lv =-30, x α lv =-20,* α lv =-10, α lv =0, α lv =20, Δ α lv =40, # α lv =60 Algemeen zou er volgens het model van Hofstee (1995) bij een verkleining van de wrijvingscoëfficiënt een hogere snelheid van de korrels langs de schoepen resulteren. Waardoor de vertreksnelheid toeneemt en verblijftijd op de schijf afneemt. Testen met een Doppler snelheidsmeter en strooi-experimenten in een strooihal toonden echter geen significant verschil tussen de verschille wrijvingscoëfficiënten. Dit komt waarschijnlijk doordat de variabele massastroom niet is opgenomen in het model. Het model geeft dus geen exacte weergave, maar wel een goed inzicht in de kwalitatieve effecten op de verschille variabelen. Niet alleen de vorm van de schoepen heeft een invloed op het strooibeeld maar ook de hoogte ervan. Verschille hoogtes in combinatie met verschille massastromen werden getest door Yildirim en Kara (2003). Er werd een significante interactie gevonden tussen de schoephoogte en toevoerdiameter. Wanneer de diameter toenam, steeg de VC voor alle schoephoogtes, de kleinste variatie werd gevonden bij de hoogste schoephoogte. 53

57 Yildirim (2006) onderzocht ook het effect van het aantal schoepen in combinatie met verschille massastromen. In de praktijk worden er voor tweeschijfstrooiers over het algemeen slechts twee schoepen gebruikt per schijf. Het onderzoek toonde ook aan dat strooier met twee schoepen de laagste VC gaf. Wanneer het aantal schoepen toenam (van 2 tot 12), stegen de waarden van VC ook voor alle massastromen. De vlakheid van de strooier heeft ook een invloed op het distributiepatroon. Dit heeft Yildirim (2008a) onderzocht bij één- en tweeschijvige strooiers. Yildirim (2008a) vond een significant verschil wanneer de strooier van links naar rechts 5 schuin hangt. Zowel voor een één- en een tweeschijfstrooier en dit voor alle parameter: VC, symmetrie, minimum en maximum. De éénschijfstrooier vertoonde minder veranderingen dan een tweeschijfstrooier. Dit kan makkelijk behandeld worden door een automatisch nivelleringssysteem dat reageert op basis van een hellingsensor of een voorgeteke topografische map. 2.5 Technologieën in de praktijk De productie van centrifugaalstrooiers in West-Europa wordt gerealiseerd door een aantal grote merken, waaronder Amazone, Bogballe, Rauch, Vicon, Bredal en Sulky. De technologie is er sterk op vooruit gegaan, momenteel zijn er zelfs kunstmeststrooiers met een werkbreedte van 52 m. Het Nederlands magazine Boerderij voerde een strooiertest uit met zes kunstmeststrooiers van bovenstaande fabrikanten. Ze werden in het onafhankelijke Researchcentrum Bygholm van de universiteit van Aarhus uitvoerig getest op strooibeeld, gebruiksgemak en constructie. De testen werden uitgevoerd bij vollevelds- strooien en kantstrooien. Hun conclusie was dat er in Europa geen slecht functionere centrifugaalstrooiers worden ontwikkeld en dat algemeen alle strooiers een goed strooibeeld realiseren met een variatiecoëfficiënt VC lager dan 15%. Iedere strooier heeft natuurlijk zijn eigen constructiekenmerken met specifieke voor- en nadelen waarbij ook het prijskaartje verschilt. De gebruikte systemen worden hieronder verder besproken (Zes strooiers op de korrel, 2011) Incentrisch versus offcentrisch strooien Bij incentrisch strooien draaien de strooischijven van buiten naar binnen (van achter gezien) (Figuur 37). Dit principe wordt toegepast bij Bogballe en Bredal. Het voordeel ten opzichte van offcentrisch is dat de overlap tussen de twee strooischijven veel groter is waardoor de kans op strooiafwijkingen kleiner wordt. Voor kantstrooien vergt dit wel een bijkomstig probleem. Door de grote overlap zullen beide strooischijven korrels naar de kant werpen. Als men het strooibeeld van de éne schijf zou afbuigen, zal de andere strooischijf nog steeds veel korrels werpen naar de kant van de aangepaste schijf. Bogballe lost dit op door de draairichting bij kantstrooien te veranderen. Hierdoor wordt de overlap kleiner zoals bij offcentrisch strooien en wordt het strooibeeld aan de éne kant gewijzigd via de speciaal ontworpen kantstrooischoep (zie 2.5.5). 54

58 Bij Bredal blijft de draairichting ongewijzigd, maar wordt het toerental en de dosering verlaagd van de linker schijf voor kantstrooien aan de linkerkant. Bij de rechterkant wordt de rechter schijf verlaagd in toerental en dosering. Dit is echter wel niet effectief door de grote overlap van beide schijven. Figuur 37: Incentrisch versus offcentrisch (Bogballe L-line, 2013) De andere merken maken gebruik van het offcentrisch principe, van binnen naar buiten dus. Doordat er een geringe overlap is, kunnen de schijven onafhankelijk van elkaar uitgeschakeld worden op de kopakkers en in geren om overbemesting te vermijden, wat een zeer groot voordeel is ten opzichte van Bogballe en Bredal Dosering op de schijven Bij de dosering van de kunstmeststrooiers staat alles in teken om de korrels op een zorgvuldige en exacte overdracht vanuit de voorraadbak op het land te brengen via de strooischijven. Verpulveren en kapotslaan wordt zoveel mogelijk voorkomen zodat een gelijkmatig strooibeeld verzekerd blijft (Hofstee en Huisman, 1990). Bij iedere fabrikant zijn er gelijkaardige elementen aanwezig die verstoppingen proberen te vermijden, zoals: roervingers, roerwerken, trille veren en zeven. Bij Rauch bevinden zich zelf borstelvormige turbulentiestoppers (Figuur 38). Figuur 38: Borstelvormige turbulentiestoppers van Rauch (Rauch Axis, 2013) 55

59 De grootte van de opening, die samen met de rijsnelheid en werkbreedte de afgifte per hectare bepaald, kan manueel aangepast worden via bedieningshels of kan elektrisch computergestuurd zijn vanuit de trekker. Enkel Bredal werkt niet met een centrale opening onderaan de voorraadbak, maar hier wordt kunstmest via aangedreven toevoerbandjes op de strooischijven gebracht. De aandrijving gebeurt via een gedwongen rijsnelheidsafhankelijk loopwiel. De plaats van de uitstroomopening ten opzichte van de schijf verschilt in aantal merken wel. Zo werkt Vicon (Kneverland Group) met het RotaFlow strooisysteem (Figuur 39). Hier worden de korrels via drie uitstroomopeningen naar het hart van strooischijf gebracht. Vanuit het centrum worden de korrels naar de schoepen geleid in plaats van direct op de schijf te vallen en weggeslagen te worden. Zo creëert men een constant afgiftepunt. Figuur 39: RotaFlow strooisysteem van Vicon (Vicon Rotaflow RO, 2013) Sulky en Rauch gaan op een ander manier te werk, waarbij de plaats van de uitstroomopening op de schijf varieert. Bij Sulky het zogenaamde DPX-systeem. Hiermee wordt de strooibreedte aangepast Instellen van de werkbreedte Een correcte werkbreedte III is zeer belangrijk om de kunstmest homogeen te verspreiden. Hier gaan de constructeurs zeer verschill te werk. Bij een traditionele kunstmeststrooier van Vicon (zonder gps-sectieschakeling) wordt de strooibreedte IV aangepast door de lengte van de schoepen manueel te veranderen. Hoe langer de schoepen, hoe groter de snelheid van de korrels bij het verlaten van de strooischijf, hoe langer de ballistische vlucht, hoe groter de strooibreedte. Bij Sulky en Rauch wordt de strooibreedte veranderd aan de hand van de positie waar de korrels terecht komen op de schijf. Als de korrels in het midden van de strooischijf terecht komen dan wordt er een grote werkbreedte verkregen. Meer naar de buitenkant resulteert in een kleinere werkbreedte. III De werkbreedte is de afstand tussen twee opeenvolge rijpaden. IV De strooibreedte is de volledige breedte van de verspreide korrels door de strooischijven. 56

60 Het instellen van een Amazone-strooier gebeurt met behulp van de zwenkbare schoepen. Het strooibeeld wijzigt door de schoepen onder een bepaalde steekhoek te plaatsen op de schijf. Bij Bogballe kan de strooibreedte bij een aantalt types dan weer aangepast worden door de verticale hoek van de strooier te veranderen ten opzichte van het landoppervlak. Wanneer de hoek vergroot wordt, zullen de strooischijven meer hell naar boven gericht staan, waardoor een grotere werkbreedte wordt gerealiseerd Aantal schoepen Over het algemeen worden er twee schoepen gemonteerd per strooischijf. Enkel Vicon plaatst vier tot acht schoepen per strooischijf. Volgens hen zou dit een nauwkeurige kunstmestverdeling leveren (Figuur 40). Bij acht schoepen wordt er veel geworpen met weinig korrels per schoep. Theoretisch gezien mag het aantal schoepen geen effect hebben op de dosering. Figuur 40: Meerdere schoepen per schijf bij Vicon (Vicon Rotaflow RO, 2013) Kantstrooien Voor het strooien op de randen van een perceel zijn er verschille benamingen en afstanden die gerespecteerd moeten worden, hieronder een kort overzicht met bijhore Figuren 41 en 42: Kantstrooien: De rand van het perceel ligt naast een perceel met landbouwdoeleinden, hierdoor is het toegelaten dat een klein deel van de kunstmest over de perceelrand geworpen wordt. Grens- en greppelstrooien: Hier ligt de rand van het perceel naast een oppervlak waar er geen kunstmestkorrels terecht mogen komen. Bijvoorbeeld een straat, rivier, beek, enz. 57

61 Randstrooien: In dit geval zal het rijspoor van de trekker vlak tegen de rand van het perceel zijn. De kunstmeststrooier moet dan de korrels vrijwel volledig naar één zijkant en de achterkant van de trekker werpen. Figuur 41: Kantstrooien (links) en grensstrooien (rechts) (Amazone ZA-M, 2013) Figuur 42: Greppelstrooien (links) en randstrooien (rechts) (Amazone ZA-M, 2013) Om deze reductie van de werkbreedte aan één kant te verwezenlijken zijn er een aantal traditionele methodes die bij een aantal fabrikanten worden toegepast, zoals een kantstrooiplaat of een speciale kantstrooischoep. Bij Vicon kan er de optionele schuinstelcilinder geplaatst worden. Hierbij wordt de kunstmeststrooier schuin geplaatst, waardoor de kunstmest, die naar de sloot toe geworpen wordt, in een scherper afgelijnde baan volgens het gewenste strooibeeld komt te liggen. Het strooibeeld landinwaarts wordt volgens hen nauwelijks beïnvloed. Een andere mogelijkheid die Vicon, Rauch en Amazone toepassen, is met behulp van een roestvrijstalen lamellenblok. Deze buigt de werplijnen van een deel van de kunstmestkorrels af en reduceert zo hun werpbreedte. Iedere fabrikant geeft aan dit systeem een eigen naam, maar de werking komt bij alle drie op hetzelfde neer (Limiter bij Amazone, Telimat bij Rauch en Trimflow bij Vicon). Het lamellenblok kan manueel of automatisch vanuit de trekker geactiveerd worden. 58

62 Figuur 43: Telimat bij Rauch (zijaanzicht) (Rauch Axis, 2013) Figuur 44: Limiter bij Amazone (onderaanzicht) (Amazone ZA-M, 2013) Sulky gaat bij kantstrooien gebruik maken van hun eigen TRIBORD 2D systeem. Het is gebaseerd op hetzelfde principe als men de werkbreedte aanpast van de strooier. In het geval van kantstrooien wordt uitstroomopening zodanig verplaatst dat de korrels niet meer terecht komen voor de lange schoep, maar nu meegenomen worden door een kortere kantstrooischoep (Figuur 45). 59

63 Figuur 45: TRIBORD 2D systeem van Sulky (Sulky DPX system, 2013) De strooischijven van Bogballe draaien incentrisch. Zoals eerder vermeld werpen beide strooischijven korrels over de volledige werkbreedte. Voor kantstrooien is men hiertoe genoodzaakt om dan de draairichting van de schijven te veranderen. De schoepen van de strooischijf aan de zijde van de strooier naar de rand van het perceel zijn voor randstrooien speciaal ontworpen. De voor- en achterkant van deze schoepen verschillen van elkaar. Bij vollevelds strooien wordt de voorkant van de strooivleugel gebruikt, waarbij de korrels de volledige lengte van de schoep passeren. Wanneer de draairichting wordt omgekeerd zullen de korrels weggeslingerd worden via de achterkant van de strooivleugel en niet de volledige lengte van de schoep passeren ten gevolge van de speciaal hier voorziene opening in de schoep (Figuur 46). Figuur 46: Tr strooivleugel van Bogballe (Bogballe L-line, 2013) 60

64 Kunstmeststrooiers kunnen tegenwoordig gestuurd worden door een elektronische controller vanuit de trekker. Doordat de werkbreedte van de éne strooischijf vermindert, kan via deze computersturing de hoeveelheid korrels die op die éne strooischijf terecht komen automatisch evenredig verminderd worden. Hierdoor krijgen we een concentratie kunstmest aan de rand die gelijk is aan de rest van het perceel Computergestuurde weegtechniek Tegenwoordig kunnen kunstmeststofstrooiers uitgevoerd worden met een weegsysteem bestaande uit één of meerdere weegsensoren, al dan niet voorzien van een referentiesensor die hellingen en schokken corrigeert. Hierdoor wordt een zeer precieze weging verwezenlijkt, waarin Vicon momenteel toch wel de koploper is. Dankzij de continue weging van de voorraadbak kan de actuele afgifte per hectare berek worden. Strooifouten door variëre stroomeigenschappen van de kunstmest of wijzigingen van de rijsnelheid worden onmiddellijk herk en automatisch gecorrigeerd via computersturing. Met de computerbediening wordt het strooien van kunstmest op een heel ander niveau gebracht. Zeer eenvoudig worden alle basisfuncties vanuit de trekker bedi, zoals start en stop strooien, het instellen van de dosering, de werkbreedte en inschakelen van kantstrooien. Deze opdrachten worden dan elektro-hydraulisch of met elektromotoren uitgevoerd. Ook geeft de computer tal van informatie weer zoals strooihoeveelheid, rijsnelheid, kuipinhoud, hectaren teller, toerental van de strooischijven, enz. die via de terminal door de landbouwer geraadpleegd kan worden. De communicatie tussen trekker en machine kan gebeuren door een ISOBUS infrastructuur. Dit is een internationaal digitale communicatie standaard die enkel in de land- en bosbouw gebruikt wordt. Deze vertaalt de opdrachten van de controller en zorgt voor de aansturing van de werktuigen. Via deze ISOBUS kan men ook meerdere werktuigen aansluiten op eenzelfde bedieningskast. 61

65 2.5.7 GPS/sectiestrooien De technologie met gps wordt stilaan ook meer en meer in kunstmeststrooiers toegepast. Door middel van een taakkaart wordt de korrelgift variabel toegedi. De taakkaart wordt in de computer van de strooier ingelezen en via het GPS systeem van trekker wordt de positie op het perceel bepaald. Met behulp van deze GPS techniek is een vorm van precisielandbouw mogelijk, waarbij aan de hand van sectiestrooien overlap op de kopakkers en geren tot een minimum beperkt wordt. Automatisch sluiten en openen van strooier op de kopakkers en stuurhulp bij het aanhouden van de rechte rijpaden voor het maken van een constante overlap, wordt hiermee ook verwezenlijkt. Op SIMA in 2011 verraste Sulky met deze vorm van technologie, het zogenaamde ECONOV-systeem. Met deze strooier werd het mogelijk in 6 aparte secties te strooien om overlap te minimaliseren. Met behulp van elektrische actuatoren wordt het valpunt van kunstmestkorrels verplaatst waardoor de werkbreedte wordt aangepast in secties. Het is een evolutie van het eerdere DPX systeem, zie De strooier blijft mechanisch aangedreven met een constant toerental van de strooischijven. Ook Vicon volgde door hun uitstroomopening elektrisch in te stellen. Dit leverde 24 secties op met aanpasbare dosering per schijf en constant toerental. Amazone volgde door hun zwenkbare schoepen elektrisch te regelen, waardoor ook dit via GPS geregeld kan worden. Hier kan er gestrooid worden in maximaal acht secties. Rauch gaat nog een stapje verder bij de berekening van de werkbreedte op de kopakkers en geren door ook rekening te houden met de eigenschappen van de kunstmest. Enkel Bogballe en Bredal komen op vlak van sectiestrooien sterk achter, door de incentrische werking van de strooischijven. Zij gaan de afgifte verminderen om te gemoed te komen aan de verandere oppervlakte. De werkbreedte blijft bij hen gelijk. Een overzicht van de verschille fabrikanten en hun werkwijze wordt weergegeven in Tabel 1 (Koerhuis, 2013). Tabel 1: Overzicht van de verschille GPS-gestuurde strooiers (Koerhuis, 2013) 62

66 Het magazine Boerderij voerde een test uit om te zien of GPS-gestuurde sectiestrooiers wel degelijk een betere strooiverdeling als resultaat hebben. Ze gebruikten hiervoor een Vicon RO-EDW GEOspread-weegstrooier. De Vicon weegstrooier is natuurlijk niet de enige strooier die functioneert met gps-sectieschakeling. Amazone, Rauch en Sulky produceren dit ook, maar Vicon beweert dat hun strooier met hun 24 secties deze niet alleen van buiten naar binnen kunnen uitschakelen, maar ook omgekeerd. Er zou dus over het midden heen gestrooid kunnen worden (Strak strooien met sectieschakeling, 2012). De test werd uitgevoerd door Dave Ryan van R&D Strooier Afstel en Advies. De opdracht bestond er in om de strooibeelden van een RO-EDW GEOspread-weegstrooier te vergelijken met een RO-EDW weegstrooier zonder GEOspread. De test is uitgevoerd in een schapenwei in Rijsel met kalkalmonsalpeter (KAS) als kunstmeststof. Er werden drie testen uitgevoerd. De basistest waarbij met een werkbreedte van 24m vollevelds werd gestrooid. De VC bedroeg 6,4%, de werkgangen sloten goed op elkaar aan en korrels werden egaal verdeeld. Bij de tweede test werd de geer benaderd, dus moest er eenzijdig minder breed gestrooid worden. Aan één zijde werden de buitenste drie secties van elk 2 meter afgesloten. Dit correspondeert met een strooibaan van 18m breed. Het strooibeeld zou nu zowel links als rechts goed moeten aansluiten op het vollevelds strooibeeld. Het bekomen strooibeeld was niet perfect, maar wel nog goed. Er was een VC van 11%. Links waren iets te veel korrels beland en rechts iets te weinig. Vervolgens werd er gestrooid zonder het GEOspreadsysteem en zal er bij de geer een ongewilde overlap ontstaan van 6m. Hier bedroeg de VC boven de 15%, dus zeker niet optimaal. Als derde test werden enkel de drie buitenste secties aan één zijde ingeschakeld. Bij tweeschijfstrooiers is dit technisch mogelijk door één van de twee schijven uit te schakelen en het uitstroompunt van de andere schijf sterk te verschuiven. De werkbreedte zou dus 6m moeten zijn start 6m vanaf de strooier. Het resultaat was goed, men kwam een VC uit van 6,4%. Met de weegstrooier zonder GEOspread zou men op deze plaats de strooier reeds uitschakelen, waardoor men op die plaats een VC zou bekomen van 14,4%, nog maar net aanvaardbaar. Men kan dus wel besluiten dat GEOspread of in het algemeen een GPS-gestuurde schakeling een meerwaarde levert. Er wordt een betere korrelverdeling bekomen in vergelijking met de traditionele strooiers. Het systeem waarbij de uitstroomopening verandert en het toerental constant blijft, werkt beter dan een reductie van het toerental. Dit werd aangetoond in een test van Boerderij die dateerde uit 2009 (Strak strooien met sectieschakeling, 2012). 63

67 3 Ontwikkeling van een radiale meetopstelling Het Instituut voor Landbouw- en Visserijonderzoek (ILVO) is momenteel bezig om een meetsysteem te ontwikkelen dat het strooibeeld via de hybridemethode in de praktijk kan opmeten. Er wordt gebruik gemaakt van twee hogesnelheidscamera s om de beweging van de korrels in drie dimensies te bepalen. Aan de hand van de grootte, de vorm en de verplaatsing van de korrels wordt via een ballistisch model het statisch strooibeeld bepaald. Om het optisch meetsysteem te vergelijken met de werkelijkheid is er nood aan correcte methode om de statische strooibeelden op te meten. Deze methode kan ook gebruikt worden voor andere onderzoeken zoals het effect van de strooierparameters op het strooibeeld. De validatiemethode kan gebeuren via de radiale meetmethode (Piron en Miclet, 2006). Hierbij zijn twee configuraties mogelijk: ofwel worden de bakken verplaatst en is de strooier statisch ofwel wordt de strooier verdraaid en zijn de bakken statisch. De kunstmeststrooier wordt met een constante hoek verdraaid. Bij iedere stand van de kunstmeststrooier worden de korrels opgevangen. Na een aantal hoekverdraaiingen kunnen we delen van het statisch strooibeeld opmeten, het gecapteerd strooibeeld. In dit hoofdstuk zal er eerst een interpolatiealgoritme ontworpen worden om het gecapteerd strooibeeld om te zetten naar een volledig statisch strooibeeld. Daarna worden er via simulaties naar de optimale parameters voor de radiale opstelling gezocht. Het volledige algoritme voor het onderzoeken van de strooierinstellingen en de bepaling van de optimale parameters is opgenomen in bijlage 1. 64

68 3.1 Optimale parameters van de radiale opstelling Er zijn een aantal parameters van de opstelling die onderzocht moeten worden om zo goed mogelijke resultaten te behalen met de meetopstelling. De te vinden parameters zijn: de hoekverdraaiing, de grootte van de opvangbakken en de strooitijd. Figuur 47: Schema van de uitgevoerde simulaties De parameters worden bepaald via simulaties in Matlab. Eerst wordt een strooibeeld gesimuleerd (model op schijf, model in lucht ) en vervolgens een algoritme gecreëerd dat de korrels fictief zal capteren. Via een interpolatiealgoritme wordt daarna het statisch strooibeeld bepaald. Met behulp van de relatieve afwijking zal het werkelijk strooibeeld vergeleken worden met het geïnterpoleerd strooibeeld. Zo wordt bepaald vanaf welke hoekverdraaiing, opvanggrootte en strooitijd een representatief resultaat wordt bekomen met het ïnterpolatiealgoritme. Het schema van de uitgevoerde simulaties is voorgesteld in Figuur

69 3.1.1 Het werkelijk strooibeeld Het werkelijke strooibeeld wordt verwezenlijkt door de bewegingen van de korrels op de schijf en in de lucht te simuleren. Voor deze simulatie worden een aantal begincondities van de korrels random gekozen tussen bepaalde intervallen. Deze begincondities zijn: hoek van de vallocatie op de schijf, straal van de vallocatie op de schijf (Figuur 12) en de diameter van de korrels. Korrels worden verondersteld perfect sferisch te zijn. Een aantal parameters worden als constante genomen voor het simuleren van alle korrels, namelijk: de wrijvingscoëfficiënt µ tussen de korrel en de schoep/schijf, de straal van de strooischijf R, de massadichtheid van de korrels en de luchtweerstandcoëfficiënt C. De beweging op de schijf wordt gesimuleerd aan de hand van de formule opgesteld door Grift et al. (2006), zie vergelijking Met deze formules worden de tangentiële en radiale snelheid van een korrel berek. Na rotatie van het assenstelsel bekomen we de snelheid van de korrel in de x-as en de y-as. Vervolgens wordt de landingsplaats van de korrel berek volgens een ballistische model (zie sectie ). De output zijn de x- en y- coördinaten tegenover het schijfmiddelpunt. Deze algoritmen worden een groot aantal keer herhaald waardoor we van elke korrel de landingscoördinaten bekomen in functie van de random bepaalde begincondities. De diameter van de korrels werd random gekozen uit een frequentieverdeling die bepaald wordt door een fractioneringsmeter van de kunstmest. Aan de hand van een vaste massadichtheid wordt op deze manier een gewicht toegek voor elke korrel. Figuur 48: Simulatie van de beweging op de schijf 66

70 De volledig verzameling korrels worden vervolgens gecapteerd in een gebied van 30m x 15m en gegroepeerd in bakjes met een resolutie van 0,05m x 0,05m. De plaats van de strooischijf of het vertrekpunt van de korrels bevindt zich tussen bak 300 en 301 (Figuur 49, rode bol). Via een algoritme wordt het gewicht van de korrels met x- en y-coördinaten toegewezen aan een bakje met specifiek rij- en kolomnummer. De oorsprong van het xyassenstelsel, die gebruikt wordt voor de landingscoördinaten, ligt ook ter hoogte van de rode bol, tussen bak 300 en 301 van de eerste rij. Voor uniformiteit worden de gewichten ook omgerek naar kg/ha. De resultere opvangmatrix wordt beschouwd als het werkelijk strooibeeld. Figuur 49: Opvangmatrix Het gecapteerd strooibeeld Het werkelijk strooibeeld wordt gebruikt om de korrels fictief op te vangen en te interpoleren. Er wordt op een radiale wijze opgevangen waarbij een rij opvangbakken over een bepaalde hoek telkens verdraaid wordt. De opvangbakken zijn 0,5m x 0,5m groot en de lengte van de rij moet voldoe groot zijn om de volledige opvangmatrix te beslaan. Dus minimum een lengte van. Om de rij opvangbakken na te bootsen wordt begonnen met de x- en y-coördinaten van een groot aantal punten van een rechte onder een bepaalde hoek te simuleren. Aan elk punt van de rechte wordt een gewicht toegek afhankelijk van het bakje van de totale opvangmatrix waar het punt zich in bevindt. Omdat de opvangrij 0,5m breed is, worden er verschille evenwijdige rechten gesimuleerd in stapjes van 0,05m. Elf rechten in totaal zodat een breedte van 0,5m wordt opgevangen. Op die manier werd verondersteld dat elk bakje minstens eenmaal werd gesneden door een rechte. Vervolgens worden deze elf rechten getransformeerd naar één centrale rechte. Deze centrale rechte 67

71 wordt ingedeeld in compartimenten van 0,5m zoals de opvangrij in werkelijkheid, aan iedere opvangbak wordt dan een gemiddelde waarde toegek volgens de gewichten van de punten die toebehoren aan deze opvangbak. Dit algoritme wordt een aantal keer uitgevoerd afhankelijk van de ingestelde hoekverdraaiing. Als output wordt dan een aantal punten met x- en y-coördinaten, een gewicht, de hoek van de rechte en het baknummer op de rechte. Deze output is dan het gecapteerde strooibeeld Het geïnterpoleerd strooibeeld Voor het geïnterpoleerde strooibeeld moet aan elke bakje van de opvangmatrix terug een gewicht toegek worden afhankelijk van het gecapteerd strooibeeld. Hiervoor wordt eerst aan elk bakje de x- en y-coördinaat van zijn massamiddelpunt gegeven. Vervolgens wordt het interpolatie algoritme uitgevoerd voor elk van deze massamiddelpunten uitgevoerd. Het interpolatiealgoritme werkt als volgt: er wordt gezocht welke twee rechten van het gecapteerd strooibeeld het dichtst bij het massamiddelpunt gelegen zijn. Dan wordt gekeken welke punten van deze twee rechten dezelfde radiale afstand hebben als de massamiddelpunten. Vervolgens wordt het massamiddelpunt lineair geïnterpoleerd aan de hand van de gewichten in die twee punten van de dichtstbijzijnde rechten. Op die manier wordt het geïnterpoleerd strooibeeld bekomen Evaluatie van het algoritme en bepaling optimale parameters Evaluatie van het interpolatiealgoritme en het bepalen van de optimale parameters gebeurt via vergelijking van het geïnterpoleerd en gesimuleerd strooibeeld. Hiervoor worden evaluaties uitgevoerd op de statische en transverse strooibeelden van werkelijke en geïnterpoleerd. Als evaluatie wordt telkens de relatieve afwijking tussen beide berek (zie sectie 2.2.2). Voor het berekenen van de relatieve afwijking wordt er eerst een aanpassing doorgevoerd van de gridafmetingen van de matrices waarin het werkelijke en geïnterpoleerd strooibeeld opgeslagen zijn. Hierdoor krijgen we betere waarden voor de relatieve afwijking (Olieslagers, 1997). Gridresoluties van 0,05; 0,50 en 1,00 m werden onderzocht. 68

72 3.2 Resultaten Het simulatiemodel wordt voor verschille hoekverdraaiingen en aantal korrels (functie van de strooitijd) getest met als output de relatieve afwijking op het transvers strooibeeld en het statisch strooibeeld met verschille gridresoluties. Er werd geconcludeerd dat de strooitijd geen of weinig invloed had op de relatieve afwijking tussen werkelijk strooibeeld en geïnterpoleerd strooibeeld (de resultaten hiervan worden niet weergegeven). Daarom wordt verder gewerkt met een strooitijd van 5 seconden zodat er toch enige herhaalbaarheid in de simulaties is. In Tabellen 2, 3 en 4 worden de resultaten gegeven van de simulaties bij een strooitijd van 5 seconden. Tabel 2: De relatieve afwijking bij opvangbakken van 0,5x0,5m Hoekverdraaiing Relatieve afwijking Opvangbakken (0,5x0,5m) Transvers (0,05x0,05m) Statisch (0,05x0,05m) Statisch (0,5x0,5m) Statisch (1x1m) 60 15,74 55,75 44,55 37, ,58 54,16 41,87 34, ,43 52,86 40,22 33, ,81 52,61 40,02 32,42 5 4,32 52,42 39,68 32,19 Tabel 3: De relatieve afwijking bij opvangbakken van 0,25x0,25m Hoekverdraaiing Relatieve afwijking Opvangbakken (0,25x0,25m) Transvers (0,05x0,05m) Statisch (0,05x0,05m) Statisch (0,5x0,5m) Statisch (1x1m) 60 15,13 41,68 28,30 23, ,65 39,17 24,50 19, ,09 37,27 22,45 17, ,33 36,65 21,45 17,48 5 3,87 36,12 21,10 15,98 Tabel 4: De relatieve afwijking bij opvangbakken van 0,10x0,10m Hoekverdraaiing Relatieve afwijking Opvangbakken (0,10x0,10m) Transvers (0,05x0,05m) Statisch (0,05x0,05m) Statisch (0,5x0,5m) Statisch (1x1m) 60 14,19 31,55 16,55 15, ,32 28,35 11,58 9, ,81 26,44 10,03 8, ,48 25,96 9,42 7,83 5 4,03 25,68 8,80 8,79 69

73 Figuur 50: Statische strooibeelden bij een strooitijd van 5 seconden en een hoekverdraaiing van 30 In Figuur 50a is het werkelijk statisch strooibeeld weergegeven, in Figuur 50b het gesimuleerde statisch strooibeeld en in Figuur 50c het relatieve verschil tussen het werkelijk en gesimuleerde strooibeeld. De transverse strooibeelden zijn weer gegeven in Figuur 51. Figuur 51: Het transvers werkelijk strooibeeld en transvers geïnterpoleerd strooibeeld bij opvangbakken van 0,1x0,1m 70

74 3.3 Discussie In bovenstaande tabellen wordt weergeven dat de hoekverdraaiing een grote invloed heeft op de relatieve afwijking. Hoe kleiner de hoekverdraaiing, hoe kleiner de relatieve afwijking, hoe beter de interpolatie. Het transvers strooibeeld is het belangrijkst in de praktijk, maar aangezien het statisch strooibeeld wordt opgemeten door de opstelling worden beide strooibeelden in rekening gehouden voor het bepalen van de optimale parameters. De hoekverdraaiing heeft ook een grote invloed op vlak van arbeid bij het opmeten van het strooibeeld. Hoe kleiner de hoek, hoe meer gecapteerd moet worden voor het bepalen van het geïnterpoleerd strooibeeld. In Tabellen 2, 3 en 4 is er duidelijk waar te nemen dat de grootte van de opvangbakken ook een zeer grote invloed heeft op de relatieve afwijking. Hoe kleiner de opvangbakken, hoe kleiner de relatieve afwijking, hoe beter de interpolatie. De verschille simulaties werden ook bij verschille strooitijden uitgevoerd. Deze had geen of weinig invloed op de relatieve afwijking. De testen werden ook uitgevoerd bij verschille gridresoluties. Hoe groter de gridresolutie was, hoe kleiner de relatieve afwijking. Dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt doordat de gridcellen over een groter oppervlakte spreiden en dus meer met gemiddelden wordt gewerkt. Redenen waarom de relatieve afwijking bij het statisch strooibeeld altijd groter is dan het transvers strooibeeld kan zijn omdat de relatieve afwijking misschien geen ideale parameter is om strooibeelden met elkaar te vergelijken. De strooitijd zal weinig of geen invloed hebben. Er moet echter wel enige strooitijd zijn zodat er significante massa s worden opgevangen. Op deze manier is er minder kans op fouten door de nauwkeurigheid van het meettoestel. 3.4 Conclusie Uit de voorgaande simulaties kan besloten worden dat de relatieve afwijking tussen het geïnterpoleerd strooibeeld en het werkelijk strooibeeld vooral bepaald wordt door de hoekverdraaiing en de grootte van de opvangbakken. Hoe kleiner de hoekverdraaiing en de grootte van de opvangbakken, hoe preciezer de radiale meetmethode. 71

75 4 4.1 Invloed van de strooierconfiguratie op het strooibeeld Algemeen Voor het theoretisch onderzoeken van de machine-instellingen op het strooibeeld werden een aantal algoritmen opgesteld. Via modellen uit de literatuur (Villette et al., 2005; Cool, 2013) werd een algoritme ontworpen waarmee individuele korrelbanen van kunstmestkorrels gesimuleerd kunnen worden. Hierbij kunnen een aantal parameters met betrekking tot de korrels en de strooier ingesteld worden. Via simulaties met dit algoritme werd de invloed van een aantal strooierinstellingen nagegaan. Er wordt gestart vanuit een basis strooierconfiguratie waaruit dan telkens één eigenschap variabel wordt gezet. De schijf draait met klok en de lengte van de schoepen komt overeen met de rand van de strooischijf. De basisconfiguratie voor de simulaties is: Schijftoerental n = 500 toeren/min Schijfdiameter D = 0,5m Hoek van de schoep met het horizontaal vlak = 0 Positie van de toevoeropening: o Afstand tot het centrum r 0 = 0,07 m o Positie loodrecht op de rijrichting α = -80 Steekstraal r p = 0,05 m Figuur 52 geeft een verduidelijking van de parameters in het gekozen assenstelsel. Bij voorwaarts helle schoepen is r p negatief en achterwaarts helle schoepen is r p positief. Figuur 52: Grafische voorstelling van de strooischijf met een aantal parameters 72

76 4.2 Simulaties en discussie Er wordt telkens één parameter van de basisconfiguratie (in vet weergegeven) als variabele gesteld. De volge wijzigingen werden toegepast: Tabel 5: Wijzigingen van de parameters Parameter Waarden n (tr/min) D (m) 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 r 0 (m) 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 α ( ) r p (m) -0,05-0,04-0,03-0,02-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 ( ) Toerental Uit de simulaties is gebleken dat bij wijziging van het toerental van de strooischijf de richting waarbij de partikels de schijf verlaten weinig verandert (Figuur 53). Er is wel een positief recht evenredig verband tussen het toerental en de vertreksnelheid van het partikel. Dit komt overeen met de bevindingen van Olieslagers et al. (1996), Villette et al. (2011) en Parish (2002), die vaststelden dat een hoger toerental, bredere werkbreedtes leverde. Dit komt doordat de partikels verder en breder worden verdeeld (Tabel 6). Figuur 53: Traject op de schijf bij verschille toerentallen van de schijf 73

77 Tabel 6: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille toerentallen Vertreksnelheid Toerental n (tr/min) Vx (m/s) Vy (m/s) Vz (m/s) Vtot (m/s) 350 0,43 10, , ,38 11, , ,34 13, , ,31 14, , ,28 16, , ,26 17, , ,24 19, ,25 Landingsplaats Toerental n (tr/min) x (m) y (m) totale afstand (m) 350 0,18 4,68 4, ,16 5,35 5, ,14 6,02 6, ,13 6,69 6, ,11 7,36 7, ,11 8,03 8, ,10 8,70 8, De schijfdiameter Bij wijziging van de schijfdiameter zullen de partikels langer op de schijf blijven, waardoor de partikels een hogere snelheid krijgen en de schijf later zullen verlaten. De x- en y- coördinaten van de landingsplaats zullen bij hogere schijfdiameter toenemen in dit geval (Tabel 7). Vergroten van de schijfdiameter wordt in de praktijk gerealiseerd door langere schoepen te monteren. Tabel 7: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille schijfdiameters Vertreksnelheid Schijfdiameter D (m) Vx (m/s) Vy (m/s) Vz (m/s) Vtot (m/s) 0,4-3,32 10, ,46 0,45-1,67 13, ,14 0,5 0,31 14, ,80 0,55 2,52 16, ,46 0,6 4,91 17, ,11 Landingsplaats Schijfdiameter D (m) x (m) y (m) totale afstand (m) 0,4-1,45 4,98 5,18 0,45-0,73 5,89 5,94 0,5 0,13 6,69 6,69 0,55 1,10 7,36 7,44 0,6 2,13 7,91 8,19 74

78 4.2.3 Positie van de toevoeropening De positie van de toevoeropening zal een grote invloed hebben op het strooibeeld. Het beïnvloedt sterk waar de korrels de schijf verlaten en bijgevolg dus de richting van de ballistische vlucht van de partikels. Hoe langer de verblijftijd op de schijf, hoe groter ook de vertreksnelheid. De invloed op de grootte van de vertreksnelheid is wel veel kleiner dan de invloed op de richting van de vertreksnelheid (Tabellen 8 en 9). In Figuren 54 en 55 worden de invloeden van r 0 en α gegeven. Door de toevoerhoek te veranderen, wijzigen de vertrekhoeken van de korrels. Dit verklaart waarom Olieslagers et al. (1996) vaststelde dat bij wijziging van de toevoerhoek, de vorm en breedte van het strooibeeld sterk veranderde (Figuur 28). Figuur 54: Traject op de schijf bij wijziging positie van de toevoeropening (r 0) Figuur 55: Traject op de schijf bij wijziging positie van de toevoeropening (α) Tabel 8: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille afstanden tot het centrum Vertreksnelheid Afstand tot centrum r 0 (m) Vx (m/s) Vy (m/s) Vz (m/s) Vtot (m/s) 0,05 13,20-6, ,84 0,06 5,91 13, ,83 0,07 0,31 14, ,80 0,08-3,50 14, ,77 0,09-6,28 13, ,73 Landingsplaats Afstand tot centrum r 0 (m) x (m) y (m) totale afstand (m) 0,05 5,51-3,16 6,36 0,06 2,55 6,19 6,69 0,07 0,13 6,69 6,69 0,08-1,53 6,50 6,68 0,09-2,70 6,06 6,64 75

79 Tabel 9: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille posities (α) van de toevoeropening Vertreksnelheid Positie hoek α ( ) Vx (m/s) Vy (m/s) Vz (m/s) Vtot (m/s) -50 7,67 12, , ,35 13, , ,87 14, , ,31 14, , ,27 14, , ,77 14, , ,13 12, ,80 Landingsplaats Positiehoek α ( ) x (m) y (m) totale afstand (m) -50 3,28 5,78 6, ,31 6,27 6, ,26 6,58 6, ,13 6,69 6, ,99 6,62 6, ,07 6,36 6, ,06 5,92 6, Steekstraal Bij wijziging van de steekstraal, bijgevolg dus de steekhoek, is er een verschil waar te nemen tussen voorwaarts en achterwaarts helle schoepen. Door het verschil van de oriëntatie van de krachten die inwerken op de partikels is er een verschil in traject bij de twee soorten schoepen (Figuren 56 en 57). Bij voorwaarts helle schoepen is de verblijftijd van de partikels op de schijf langer en zal de vertreksnelheid ook groter zijn. Zoals in sectie aangehaald wordt dit veroorzaakt door een centrifugaal krachtcomponent loodrecht naar de schoep toe. Hierdoor neemt de wrijvingskracht met de schoep toe en moet deze ook overwonnen worden. De invloed op de richting van de vertreksnelheid is veel groter bij voorwaarts dan bij achterwaarts helle schoepen (Tabel 10) (Hofstee, 1995). 76

80 Figuur 56: Traject op de schijf bij voorwaarts helle schoepen Figuur 57: Traject op de schijf bij achterwaarts helle schoepen Tabel 10: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille steekstralen Vertreksnelheid Steekstraal r p (m) Vx (m/s) Vy (m/s) Vz (m/s) Vtot (m/s) -0,05 13,74 10, ,24-0,04 8,58 14, ,07-0,03 4,78 16, ,89-0,02 2,08 16, ,69-0,01 0,21 16, ,46 0-1,05 16, ,22 0,01-1,79 15, ,97 0,02-2,09 15, ,70 0,03-1,93 15, ,41 0,04-1,22 15, ,11 0,05 0,31 14, ,80 Landingsplaats Steekstraal r p (m) x (m) y (m) totale afstand (m) -0,05 5,70 4,84 7,48-0,04 3,64 6,75 7,67-0,03 2,07 7,35 7,64-0,02 0,91 7,49 7,55-0,01 0,08 7,44 7,44 0-0,46 7,32 7,33 0,01-0,79 7,18 7,22 0,02-0,92 7,04 7,10 0,03-0,85 6,92 6,97 0,04-0,53 6,81 6,83 0,05 0,13 6,69 6,69 77

81 4.2.5 Hoek van de schoep met het horizontaal vlak Bij het gebruik van conische strooischijven komt de schoep onder een hoek te staan met het horizontale vlak. In de simulaties blijkt dat deze parameter ook een invloed heeft op het traject op de schijf en niet enkel het partikel een verticale snelheid meegeeft (Figuur 58). Door de verticale snelheid zullen de partikels verder vliegen in de ballistische vlucht en zal er net zoals bij een toenem toerental een breder strooibeeld bekomen worden. Bijkom effect is dat de partikels meer naar rechts zullen geworpen worden door lichte wijziging in traject ten opzichte van een platte schijf (Tabel 11). Figuur 58: Traject op de schijf bij verschille hoeken van de schoep met het horizontaal vlak Tabel 11: Vertreksnelheid en landingsplaats bij verschille hoeken van de schoep met het horizontaal vlak Vertreksnelheid Hoek ( ) Vx (m/s) Vy (m/s) Vz (m/s) Vtot (m/s) 0 0,31 14,80 0,00 14,80 5 1,23 14,65 0,86 14, ,61 14,33 1,68 14, ,46 13,70 2,46 14, ,72 12,55 3,20 14, ,24 10,56 3,87 14,55 Landingsplaats Hoek ( ) x (m) y (m) totale afstand (m) 0 0,13 6,69 6,69 5 0,65 8,03 8, ,64 9,39 9, ,18 10,52 10, ,28 11,03 12, ,72 10,35 12,91 78

82 Praktische testen Materiaal en methode De praktische testen werden uitgevoerd via de radiale meetmethode in een vrije loods die beschikbaar werd gesteld door het CRA in Gembloux. De strooier werd zelf ontwikkeld in het ILVO zodat er zoveel mogelijk parameters konden aangepast worden. In hoofdstuk 3 werd er bepaald wat de optimale parameters waren voor de radiale meetmethode. De conclusie hieruit bleek dat hoe kleiner de hoekverdraaiing en de grootte van de opvangbakken, hoe preciezer de meetmethode. Aangezien het CRA en ILVO slechts één soort opvangbakken ter beschikking hadden, werden deze gebruikt. De opvangbakken hadden een grootte van 0,5m op 0,5m. Voor de hoekverdraaiing waren de testen ook gelimiteerd door het aantal bakken. Hierdoor kon de hoekverdraaiing gesteld worden op minimum 20 graden. In Figuur 59 wordt de meetopstelling gegeven. Figuur 59: Meetopstelling in Gembloux Figuur 60: Laserpointer om vallocatie te bepalen 79

83 In de metingen werd gestart vanuit een basiscase waarbij telkens één parameter werd aangepast. In Tabel 12 is een overzicht gegeven van de verschille testen. Er waren 9 testen in totaal, met als basiscase de centrale kolom. De exacte plaats van de valopening op de strooischijf werd bepaald met een laser pointer die gemonteerd werd op de strooier (Figuur 60). Bij iedere test werd de strooier via een pneumatisch slot 30 seconden open gezet. De kunstmest, die opgevangen werd door de bakken met rooster, werd vervolgens gemeten op een analytische meetschaal (0,0001kg). Er werden telkens twee herhalingen uitgevoerd om variabiliteit tussen de metingen na te gaan. Na captatie werden de waarden via het ontwikkelde interpolatiealgoritme omgezet tot een volledig statisch en transvers strooibeeld. Tabel 12: Praktische testen in Gembloux Parameter Waarden n (tr/min) r 0 (m) 0,07 0,09 0,11 α ( ) V r p (m) -0,01-0,04 ( ) Variatie binnen de testen Zoals eerder vermeld werden er voor elke configuratie twee herhalingen uitgevoerd om de variabiliteit tussen de metingen na te gaan. Hiervoor werd de relatieve afwijking telkens berek (Tabel 13). Tabel 13: Relatieve afwijking tussen de herhalingen Basis- α=- α=- r0= r0= n=400 n=600 rp=4 conische schuine case cm 11cm tr/min tr/min cm.. schijf strooier Captatie matrix Statische matrix Transverse strooibeeld 6,54 9,95 5,15 6,89 5,01 6,53 6,06 5,62 6,45 10,73 5,39 7,29 3,60 4,71 3,58 5,00 4,62 4,25 4,53 8,78 1,71 2,34 1,59 2,37 1,14 1,50 0,97 1,86 2,11 4,83 Er is duidelijk waar te nemen dat de relatieve afwijking opvall klein is, zeker bij de transverse strooibeelden. Dit wil zeggen dat de praktische testen goed verlopen zijn en dat de radiale meetmethode betrouwbaar is en weinig variatie levert tussen de herhalingen. Om het interpolatiealgoritme te beoordelen wordt de werkelijk uitgestroomde massa vergeleken met de totale massa van het geïnterpoleerd statisch strooibeeld (Tabel 14). V De hoek van de toevoeropening is georiënteerd ten opzicht van de positieve x-as. De oorsprong van het assenstelsel is geplaatst in het centrum van de strooischijf, waarbij de x- en y-as gericht zijn naar het veld waar de korrels terecht komen. 80

84 Tabel 14: Massa's van de geïnterpoleerde statische strooibeelden (kg) vergeleken met de werkelijk uitgestroomde massa Werkelijke massa 110 Basiscase α=- α=- 70 r0= 7cm r0= 11cm n=400 tr/min n=600 tr/min rp=4 cm conische schijf 5,80 kg 6,75 6,55 6,23 6,35 6,46 6,27 6,55 6,46 6,06 Relatieve afwijking (%) 16,39 11,16 6,55 8,81 10,46 7,33 11,92 10,15 3,98 Er kan besloten worden dat het interpolatiealgoritme nog verder geoptimaliseerd kan worden, maar dat ze voor deze masterproef voldoe is om een betrouwbaar resultaat weer te geven Resultaten en discussie Om de variabiliteit bij het strooien te testen wordt bij elke parameter de relatieve fout bepaald tussen de twee herhalingen. Deze was in alle gevallen onder de 10%. Na interpolatie van de captatierijen tot een volledig statisch strooibeeld was de relatieve fout tussen de herhaling nog kleiner. Na omzetting tot het transvers strooibeeld was er slechts een relatieve afwijking van ongeveer 2%. Dit is een positief resultaat en laat blijken dat de herhalingen als constant mogen beschouwd worden. In de testen zal telkens de basiscase vergeleken worden met de andere testen. Enkel de test waarbij de steekstraal gewijzigd werd, moet vergeleken worden met de test waarbij de toevoerhoek op -70 werd ingesteld. In Figuur 61 wordt het statisch strooibeeld van de basiscase weergeven. Figuur 61: Statisch strooibeeld van de basiscase (gram/gridcel) Om de statische strooibeelden beter met elkaar te kunnen vergelijken worden een aantal parameters berek, namelijk het massamiddelpunt van het strooibeeld en de oppervlakte die 70% van de totale massa van het strooibeeld bevat (de spreiding). De resultaten van deze twee parameters zijn gegeven in Tabellen 15 en

85 Om zicht te hebben hoe het transvers strooibeeld wijzigt, worden deze ook eens voorgesteld op eenzelfde grafiek. Met het transvers strooibeeld kan vervolgens ook de optimale werkbreedte berek worden (Tabel 17). Aangezien hierbij rekening wordt gehouden met overlap tussen opeenvolge strooigangen moet ook met de rijrichting rekening worden gehouden. Er wordt gekozen voor strooien in dezelfde richting omwille van de asymmetrie van het strooibeeld bij een éénschijfstrooier. Bij strooien in tegengestelde richting bekomt men te hoge CV-waarden. Tabel 15: Het zwaartepunt van de verschille statische strooibeelden basiscase α= -110 α= -70 r0= 7cm r0= n=400 n=600 rp=-4 conische 11cm tr/min tr/min cm schijf Afstand (m) hoek t.o.v. x- as ( ) 6,56 6,58 6,69 6,07 6,91 5,04 7,83 6,35 7,00 107,62 82,83 128,07 85,26 122,89 100,97 103,16 97,66 103,14 Tabel 16: De spreiding van de verschille statische strooibeelden basiscase α=- α= -70 r0= r0= n=400 n=600 rp=-4 conische 110 7cm 11cm tr/min tr/min cm schijf Oppervlakte (m²) 58 59,25 46, , , ,75 Tabel 17: De optimale werkbreedte van de verschille transverse strooibeelden basiscase α=- α= -70 r0= r0= n=400 n=600 rp=-4 conische 110 7cm 11cm tr/min tr/min cm schijf CV (%) 9,91 3,35 26,57 6,06 19,30 11,14 4,55 9,91 12,07 WB (m) 8, , ,5 8 Dosering (kg/ha) 100,01 86,35 113,84 66,73 115,90 150,55 85,81 69,40 102,73 82

86 Het toerental Bij het vergroten van het toerental is er duidelijk waar te nemen dat de korrels verder gaan vliegen en bijgevolg over een groter oppervlak verspreid zullen liggen (Figuur 62). De richting van vliege korrels verandert niet significant. Door een groter toerental zal de vorm van het transvers strooibeeld ook breder worden (Figuur 63), waardoor de uiteindelijke werkbreedte ook vergroot (Figuur 64). Ook Olieslagers et al. (1996), Villette et al. (2011) en Parish (2002) stelden vast dat de werkbreedte en bijgevolg de dosering wijzigt in functie van het toerental (Figuur 23). Figuur 62: Statische strooibeeld van de verschille toerentallen (gram/gridcel) Figuur 63: Transvers strooibeeld bij verschille toerentallen Figuur 64: Het verloop van de CV bij verschille toerentallen 83

87 Positie van de toevoeropening De positie van de toevoeropening wordt door twee parameters bepaald, de toevoerstraal r 0 en de toevoerhoek α (Figuur 52). Bij het vergroten van de toevoerhoek zal transvers strooibeeld naar rechts verschuiven. Door deze eigenschap kan men de optimale werkbreedte vergroten (Figuur 67). Wanneer de toevoerhoek te klein of te groot wordt, zal het transvers strooibeeld te geconcentreerd zijn aan de zijkant van het strooibeeld, doordat de korrels de schijf te vroeg of te laat de schijf verlaten. Dit is het geval bij een toevoerhoek van -70. Deze eigenschap wordt gebruikt voor het sectiestrooien enkel in de buitenste secties (zie sectie 2.5.7) Op het statisch strooibeeld (Figuur 65) kan men dit beter waarnemen: de massaverdeling concentreert zich ter hoogte van -5m, bijgevolg zal een slechte CV optreden. Ook Olieslagers et al. (1996) vond dat de veranderingen van de toevoerhoek sterk de vorm van het strooibeeld beïnvloeden, dit was wel bij tweeschijvige strooiers (Figuur 28). Figuur 65: Statische strooibeelden van de verschille toevoerhoeken (gram/gridcel) Figuur 66: Transvers strooibeeld bij verschille toevoerhoeken Figuur 67: Het verloop van de CV bij verschille toevoerhoeken 84

88 De toevoerstraal heeft een grote invloed op de spreiding en richting van korrels (Figuur 68). Hoe dichter ze vallen op de strooischijf, hoe groter het spreidingsoppervlak en hoe meer het transvers strooibeeld naar rechts verschuift (Figuur 69). De toevoerstraal zal dus een grote invloed hebben op de werkbreedte van de strooier (Figuur 70). Het verkleinen van de toevoerstraal heeft hetzelfde effect als het verlengen van de schoepen, waardoor de werkbreedte vergroot. Deze techniek wordt o.a. gebruikt bij Vicon, zie Figuur 68: Statische strooibeelden van de verschille toevoerstralen (gram/gridcel) Figuur 69: Transvers strooibeeld bij verschille toevoerstralen Figuur 70: Het verloop van de CV bij verschille toevoerstralen 85

89 Steekstraal Het wijzigen van de steekstraal of m.a.w. de schoepen meer voorwaarts gericht plaatsen, heeft een grote invloed op de vertrekhoek en het spreidingsoppervlak van de korrels (Figuur 71). Bij voorwaarts gerichte schoepen worden de korrels over een breder oppervlak verspreid en zal het strooibeeld naar rechts verschuiven (Figuur 72). Hierdoor zal de werkbreedte toenemen (Figuur 73). Hofstee (1995) vond dat bij voorwaarts helle schoepen de wrijvingscoëfficient een grotere invloed heeft dan radiale schoepen. Door deze grotere wrijving worden de korrels verspreid over een groter oppervlak. Bij achterwaarts helle schoepen is deze invloed kleiner door de andere richting van de centrifugale krachtcomponent (Figuur 33) Deze invloed op de spreiding is duidelijk waar te nemen in Figuur 36. In de praktijk wordt deze eigenschap o.a. gebruikt door Amazone om de werkbreedte in te stellen, zie Figuur 71: Statische strooibeelden van de verschille steekstralen (gram/gridcel) Figuur 72: Transvers strooibeeld bij verschille steekstralen Figuur 73: Het verloop van de CV bij verschille steekstralen 86

90 Conische schijf Door de verticale kracht die aan de korrels gegeven wordt, zal de massa verder en over een groter oppervlak verspreid worden (Figuur 74), waardoor de werkbreedte zal vergroten (Figuur 76). De hoek t.o.v. de x-as van het massamiddelpunt wordt iets kleiner door de langere verblijftijd op de schijf (Figuur 58), maar heeft geen groot effect op het transvers strooibeeld. Bij de conische schijf werd wel een te hoog CV-verloop verkregen, waarschijnlijk door de onregelmatige vorm en asymmetrie (Figuur 75). Bij andere instellingen en twee schijven kan dit strooibeeld waarschijnlijk verbeterd worden en een lagere CV bekomen worden. Door de hoek van de strooier te wijzigen ten opzichte van het grondoppervlak kan een gelijkaardig effect verkregen worden als een conische schijf. Een techniek, die gebruikt wordt bij Bogballe, waarmee de werkbreedte mee wordt ingesteld (zie 2.5.3). Figuur 74: Statische strooibeelden van een platte en conische schijf (gram/gridcel) Figuur 75: Transvers strooibeeld bij platte en conische schijf Figuur 76: Het verloop van de CV bij een platte en een conische schijf 87

91 4.4 Conclusie Uit de vergelijking van de resultaten met onderzoeken uit de literatuur (Olieslagers et al., 1996; Villette et al., 2011; Parish, 2002; Hofstee, 1995) kan er besloten worden dat de zelfontwikkelde strooier en de radiale meetmethode met interpolatiealgoritme gelijkaardige resultaten behalen. Ook de zelf uitgevoerde simulaties in Matlab van enkele korrels op een strooischijf, kwamen dezelfde resultaten uit (sectie 4.2). Uit de testen kan ook afgeleid worden dat de radiale meetmethode met interpolatiealgoritme een betrouwbaar resultaat geeft van de werkelijkheid. De voornaamste eigenschappen die kunnen toegepast worden voor het instellen van de werkbreedte zijn de positie van de toevoeropening, de steekstraal en de hoek van de strooischoep met het horizontale vlak. 88

92 5 Modellering van een volledig strooibeeld Voor de kalibratie van kunstmeststrooiers is er een validatiemethode nodig voor het bepalen van het strooibeeld. Zoals eerder aangehaald is het ILVO in eerste instantie bezig om een optisch meetsysteem te ontwikkelen die werkt volgens de hybridemethode. Maar er zijn ook nog andere mogelijkheden, namelijk met behulp van de modelleringsmethode. Hierbij wordt de volledige strooierconfiguratie nauwkeurig opgemeten, waarna met wiskundige modellen het strooibeeld mee wordt bepaald. Grote voordelen van een modelleringsmethode zijn: snel, geen arbeid en talloze verschille parameters kunnen ingesteld worden. In dit hoofdstuk wordt deze validatiemethode uitgetest op de basiscase uit sectie met behulp van modellen uit de literatuur (Villette et al., 2005; Cool, 2013). Er zijn een aantal vaste parameters gekozen en een aantal parameters die ad random gekozen worden in het algoritme binnen een bepaald interval zoals: de valpositie van de korrels op de schijf, de hoogte van de korrels op de schoep. Ook aan de korrels zelf worden variaties gegeven omdat in werkelijkheid de korrels niet allemaal gelijk zijn: de diameter, de wrijvingscoëfficiënt en de massadichtheid. De resultaten zullen vergeleken worden met het statisch en transvers strooibeeld van de basiscase, die opgemeten is met de radiale meetmethode. Het volledig algoritme, die geschreven werd in Matlab, wordt gegeven in bijlage Parameters Zoals eerder vermeld wordt er voor de simulatie een aantal vaste en variabele parameters ingesteld in het algoritme. De vaste parameter voor de diameter van de valpositie waar de korrels terecht komen op de strooischijf werd praktisch bepaald via een high speed camera. Op basis van deze beelden werd een schatting gedaan van het interval waarbinnen de korrels hun traject op schijf beginnen onder invloed van de strooischoep (Figuur 77). Via beelden werd ook waargenomen dat de korrels homogeen over de volledige hoogte van de schoep worden meegenomen (Figuur 78). Figuur 77: Camerabeeld van de valle korrels op de schijf 89

93 Figuur 78: Camerabeeld van de korrels die hun traject op schoep volgen In Tabel 18 wordt een overzicht gegeven van de vaste parameters in het algoritme. Tabel 18: Vaste parameters in het algoritme Parameter Symbool Waarde Parameter Symbool Waarde Straal van de schijf: Rdisk 0,266m Steekstraal rp -0,01 m Toevoerhoek centrum α -90 Toerental n 500 tr/min Toevoerstraal r0 0,09m Hoek van de schoep met 0 horizontaal vlak Diameter van de d0 0,065m Luchtweerstandscoëfficient Cd 0,63 VI toevoer Flowrate 0,1928 kg/s Valversnelling g 9,81 m/s² Strooitijd t 30 s In Tabel 19 wordt een overzicht gegeven van de ad random gekozen parameters in het algoritme. De massadichtheid, de weerstandscoëfficiënt en de diameter van de korrels werden via praktische proeven bepaald (Van Damme, 2014). VI Berek met qfactor 0,87 en een Cd van 0,44 voor ideale sferen 90