DEM calibration of high-oleic peanut seeds for precision seed metering

Resumo Técnico: Calibração de DEM de Sementes de Amendoim de Alto Teor de Oleico para Semeadura de Precisão

Definição do Problema
Os amendoins de alto teor de oleico são cada vez mais valorizados por seu conteúdo nutricional e estabilidade oxidativa, mas seu plantio mecanizado enfrenta desafios significativos. Os processos de semeadura atuais sofrem com alto dano às sementes, baixa uniformidade e taxas elevadas de falta e excesso de semeadura. Esses problemas decorrem da falta de compreensão sobre os mecanismos de interação entre os componentes de semeadura e as propriedades físicas únicas das sementes de amendoim de alto teor de oleico. Embora o Método de Elementos Discretos (DEM) seja amplamente utilizado para projetar dispositivos de dosagem de sementes para culturas como milho e algodão, a pesquisa específica para amendoim de alto teor de oleico é limitada. Estudos existentes frequentemente focam em condições de contato únicas ou falham em validar parâmetros calibrados através de experimentos reais de dosagem de sementes. Consequentemente, há uma necessidade de estabelecer modelos DEM precisos e calibrar parâmetros de contato para o amendoim de alto teor de oleico para apoiar o projeto e a otimização de equipamentos de semeadura de precisão.

Metodologia
Este estudo utilizou a variedade de amendoim de alto teor de oleico "Yuhua 37" como material de pesquisa. A metodologia seguiu um fluxo de trabalho estruturado envolvendo caracterização física, construção do modelo, calibração de parâmetros e validação experimental:

1. Caracterização Física: Parâmetros intrínsecos foram medidos, incluindo teor de umidade (8,55%), peso de 100 grãos (71,332 g), densidade (1089,07 kg·m⁻³) e dimensões triaxiais. Testes de compressão uniaxial determinaram o módulo de elasticidade ($3,43 \times 10^6$ Pa) e a razão de Poisson (0,29).
2. Construção do Modelo: Devido à morfologia irregular das sementes de amendoim, o método de preenchimento multi-esferas foi empregado no software EDEM. As sementes foram categorizadas em formas elipsoidais (53%) e cilíndricas (47%) com base em análise estatística, com modelos 3D construídos no SolidWorks e importados como partículas de elementos discretos.
3. Calibração de Parâmetros de Contato:
   • Medição Inicial: Coeficientes de atrito estático e de rolamento, e coeficientes de recuperação de colisão (CRC), foram medidos experimentalmente para interações semente-semente, semente-aço, semente-nylon e semente-acrílico usando testes de plano inclinado e queda livre.
   • Estratégia de Otimização: O ângulo de repouso serviu como o principal índice de avaliação. Uma combinação de delineamentos estatísticos foi aplicada:
     • Delineamento Plackett-Burman (PB): Triou fatores significativos a partir de um intervalo de 8 parâmetros.
     • Método de Máximo Ascendente (SA): Estreitou as faixas ótimas para os fatores significativos.
     • Delineamento Box-Behnken (BBD): Estabeleceu um modelo de regressão de segunda ordem para otimizar o atrito estático semente-semente, o atrito estático semente-aço e o atrito de rolamento semente-semente.
   • Calibração Específica do Material: Utilizando os parâmetros otimizados de semente-semente como restrições, testes de fator único calibraram os coeficientes de atrito estático para materiais de contato de nylon e acrílico.
4. Validação:
   • Ângulo de Repouso: Ângulos de repouso simulados foram comparados com medições físicas em plataformas de aço, nylon e acrílico.
   • Desempenho de Dosagem de Sementes: Um dispositivo de dosagem de sementes de precisão do tipo roda de colher foi simulado e testado em bancada. Principais indicadores de desempenho (taxa de subdosagem, taxa de excesso de dosagem e taxa de semeadura qualificada) foram comparados em sete velocidades de rotação de disco (10–40 r/min).

Principais Contribuições e Resultados
O estudo estabeleceu com sucesso um modelo DEM confiável para sementes de amendoim de alto teor de oleico e determinou os seguintes parâmetros de contato otimizados:

• Atrito Estático Semente-Semente: 0,413
• Atrito Estático Semente-Aço: 0,505
• Atrito Estático Semente-Nylon: 0,482
• Atrito Estático Semente-Acrílico: 0,416
• Atrito de Rolamento Semente-Semente: 0,028

Resultados de Validação:

• Ângulo de Repouso: Os erros relativos médios entre os ângulos de repouso simulados e experimentais foram mínimos: 0,85% (aço), 0,53% (nylon) e 1,14% (acrílico).
• Dosagem de Sementes: Os parâmetros calibrados foram aplicados para simular o processo de dosagem de sementes. As tendências para as taxas de subdosagem, excesso de dosagem e semeadura qualificada coincidiram estreitamente com os resultados dos testes de bancada. Os erros relativos máximos foram:
  • Taxa de subdosagem: 8,3%
  • Taxa de excesso de dosagem: 9,1%
  • Taxa de semeadura qualificada: 1,4%

Significância e Alegações
Os autores afirmam que os parâmetros calibrados são confiáveis e fornecem uma base sólida para o projeto estrutural e a otimização de dispositivos de dosagem de sementes especificamente para amendoim de alto teor de oleico. O estudo aborda a lacuna na pesquisa de DEM em relação ao amendoim de alto teor de oleico, que possui formas irregulares e características de superfície distintas em comparação com culturas convencionais. Ao validar o modelo através tanto do ângulo de repouso quanto do desempenho real de dosagem de sementes, o artigo demonstra que os parâmetros derivados podem guiar efetivamente a análise de simulação e a otimização mecânica de equipamentos de semeadura de precisão, potencialmente melhorando a uniformidade da semeadura e reduzindo o dano às sementes em operações de plantio mecanizado.