Investigation of Seed Movement Within the Delivery System of a Planter Sowing Unit Opener
DOI:
https://doi.org/10.32515/2664-262X.2026.13(44).167-180Keywords:
opener, sowing unit, retaining heel, seed placement depth, coefficient of variation, seed-soil interaction, sowing processAbstract
The aim of the work is to develop a scientifically grounded methodology for determining the rational design parameters of the retaining heel of a sowing unit furrow opener, based on a comprehensive theoretical study of the physical and mechanical processes of seed-soil interaction and the force interaction between the soil flow and the working surfaces of the heel. The study is aimed at addressing the issue of non-uniform seed placement depth, which leads to a 10–12% reduction in grain crop yields when deviations from the target seeding depth occur. The relevance of the work is driven by the need to ensure the effective operation of sowing machines under minimum and zero tillage conditions, where traditional disc openers demonstrate critically unsatisfactory sowing quality indicators that exceed permissible agrotechnical requirements severalfold.
The study analyzes the physical nature of non-uniform seed placement, which involves multiple seed bounces from the furrow bottom (3–5 rebounds at a height of 8–45 mm) with simultaneous soil sloughing from the furrow walls at a velocity of 0.08–0.15 m/s, leading to chaotic seed entrapment by the soil at various horizons. A sowing unit design with a retaining heel has been developed, incorporating a parallelogram linkage, a coulter (disk cutter), a packing roller, an opener with an integrated heel, and an adjustment rod with a spring element. The rational design parameters of the heel were theoretically justified through an analysis of the balance of dynamic pressure, friction, and soil adhesion forces during soil movement along the inclined surface of the heel. It was established that the inclination angle of the heel plane to the horizon is directly proportional to the specific soil adhesion force and inversely proportional to the square of the sowing unit's operating speed. For typical soil-technological conditions (moisture content 20–22%, specific adhesion force F = 1471 Pa, speed 1.5–3.0 m/s), a rational angle value of α = 15° was determined. The heel parameters in the horizontal plane were justified based on the condition of bifurcating the soil flow into two symmetrical streams, and it was confirmed that variations in soil density within the range of 1200–1600 kg/m³ do not significantly influence the optimal heel inclination angle.
The developed methodology for determining the design parameters of the retaining heel allows for adapting the geometric characteristics of the working tool to specific soil and technological operating conditions. It provides a theoretical framework for designing sowing units capable of operating effectively under minimum and zero tillage conditions with crop residue densities of up to 6–8 t/ha. The proposed sowing unit design ensures seed fixation at the furrow bottom for the duration required for complete soil coverage, reducing the coefficient of variation of seeding depth to agrotechnically permissible levels (not exceeding 20%). The theoretical relationships established between the heel design and the operating parameters of the sowing unit form the basis for further experimental research and the industrial implementation of the results. These findings can be applied to the modernization of existing seeding machinery and the development of new designs for resource-saving grain production technologies.
References
Список літератури
1. Машини для сівби, садіння та догляду за посівами : Навч. посіб. / В. Сало, С. Лещенко, П. Лузан, Л. Сало. Кропивницький : Лисенко В.Ф., 2022. 220 с. URL: https://dspace.kntu.kr.ua/handle/123456789/12307.
2. Сільськогосподарські машини. Основи теорії та розрахунку : Підручник / Д. Г. Войтюк, Л. В. Аніскевич, В. М. Барановський та ін. ; за ред. Д. Г. Войтюка. 2-ге вид., перероб. та допов. Київ : Науково-методичний центр ВФПО, 2019. 508 с.
3. Заїка П. М. Теорія сільськогосподарських машин. Т. 1, ч. 2 : Машини для сівби та садіння. Харків : Око, 2002. 452 с.
4. Artemenko D., Leshchenko S., Onopa V., Majara V., Deikun V. Analysis of the combined coulter point of the precision seed drill. Agricultural Engineering International: CIGR Journal. 2022. Vol. 24, No. 4. P. 57–71. URL: https://cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/view/7435/3947.
5. Сало В. М., Вовнянко Б. Г., Лещенко С. М., Лузан П. Г. Покращення якісних показників процесу сівби. Сільськогосподарські машини. 2024. Вип. 50. С. 113–119. https://doi.org/10.36910/acm.vi50.1398.
6. Сало В. М., Лещенко С. М., Вовнянко Б. Г., Мороз С. М. Порівняльні показники роботи сошників двох типів. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2024. Вип. 54. С. 160–167. DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2024.54.160-167.
7. Лузан О. Р. Обґрунтування параметрів загортаючих робочих органів для прямої сівби зернових культур : дис. ... канд. техн. наук : 05.05.11. Кіровоград, 2013. 184 с.
8. Алієв Е. Б., Безверхній П. Є. Чисельне моделювання сповільнювача насіння пневматичної сівалки точного висіву. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2022. Вип. 52. С. 86–98. DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2022.52.86-98.
9. Адамчук В. В., Булгаков В. М., Головач І. В., Ігнатьєв Є. І. Теорія коливального руху в грунті дискового сошника зубчастого типу зернової сівалки прямої сівби. Механіка та автоматика агропромислового виробництва : Загальнодерж. зб. 2022. Вип. 15 (114). С. 11–23. DOI: https://doi.org/10.37204/0131-2189-2022-15-1.
10. Заришняк А. С., Адамчук В. В., Булгаков В. М. та ін. Теорія і проектування робочих органів сівалок для селекції та насінництва зернових культур : Монографія / [А. С. Заришняк та ін.]. Київ : Аграрна наука, 2017. 318 с.
11. Васильковська К.В. Аналіз створення рівномірного потоку насіння до борозни. Сільськогосподарські машини. 2025. Вип. 51. С. 24–33. DOI: 10.36910/acm.vi51.1890.
12. Аніскевич Л. В., Росамаха Ю. О. Конструктивні особливості сошникових систем сучасних сівалок та їх відповідність вимогам точного землеробства. Науковий вісник Національного університету біоресурсів і природокористування України. Серія: Техніка та енергетика АПК. 2016. Вип. 241. С. 269–278. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/nvnau_tech_2016_241_38.
13. Шмат С.І., Лузан П.Г., Сало В.М. Оригінальні способи і засоби обробітку ґрунту та сівби сільськогосподарських культур. Харків: Мачулін, 2018. 236 с.
14. Kuş E., Yıldırım Y. Effects of seed drop height and tillage system on the emergence time and rate in the single seed planters. Alinteri Journal of Agriculture Sciences. 2020. Vol. 35, № 1. P. 69-76. DOI: 10.28955/alinterizbd.739387.
15. Jin G., Zhang X., Liu Y. Development and field performance evaluation of hole-fertilizing planter for precision planting of corn. Precision Agriculture. 2023. Vol. 24. P. 1241-1260. DOI: 10.1007/s11119-023-09988-6.
16. Kubík Ľ., Božiková M., Kažimírová V. Mechanical properties of wheat grains at compression. Acta Technologica Agriculturae. 2021. Vol. 24, no. 4. P. 202–208. DOI: https://doi.org/10.2478/ata-2021-0033.
17. Ponjičan O., Radomirović D., Kešelj K. et al. Physical and mechanical properties of precessed pea, bean, spinach and radish seeds. Journal on Processing and Energy in Agriculture. 2018. Vol. 22, no. 4. P. 196–201. DOI: https://doi.org/10.5937/jpea1804196P.
18. Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів. Практикум : навч. посібник / М. В. Бакум, В. І. Пастухов, О. М. Горбатовський, Ю. О. Манчинський. Харків, 2011. 193 с.
19. Вовнянко Б.Г. Теоретичне дослідження параметрів загортаючої п’ятки сошника. Вібрації в техніці та технологіях. 2025. № 4 (119). С. 131–140. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2025-4-16.
References
1. Salo, V., Leshchenko, S., Luzan, P., & Salo, L. (2022). Mashyny dlia sivby, sadinnia ta dohliadu za posivamy [Machines for sowing, planting and crop care: Study guide]. Lysenko V. F. https://dspace.kntu.kr.ua/handle/123456789/12307 [in Ukrainian].
2. Voitiuk, D. H., Aniskevych, L. V., Baranovskyi, V. M. et al. (2019). Silskohospodarski mashyny. Osnovy teorii ta rozrakhunku [Agricultural machines. Fundamentals of theory and calculation] (D. H. Voitiuk, Ed.; 2nd ed.). Naukovo-metodychnyi tsentr VFPO [in Ukrainian].
3. Zaika, P. M. (2002). Teoriia silskohospodarskykh mashyn: Vol. 1, Pt. 2. Mashyny dlia sivby ta sadinnia [Theory of agricultural machines: Vol. 1, Part 2. Machines for sowing and planting]. Oko. [in Ukrainian].
4. Artemenko, D., Leshchenko, S., Onopa, V., Majara, V., & Deikun, V. (2022). Analysis of the combined coulter point of the precision seed drill. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 24(4), 57–71. https://cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/view/7435/3947.
5. Salo, V. M., Vovnianko, B. H., Leshchenko, S. M., & Luzan, P. H. (2024). Pokrashchennia yakisnykh pokaznykiv protsesu sivby [Improvement of quality indicators of the sowing process]. Silskohospodarski mashyny [Agricultural Machines], (50), 113–119. https://doi.org/10.36910/acm.vi50.1398 [in Ukrainian].
6. Salo, V. M., Leshchenko, S. M., Vovnianko, B. H., & Moroz, S. M. (2024). Porivnyalni pokaznyky roboty soshnykiv dvokh typiv [Comparative performance indicators of two types of openers]. Konstruyuvannya, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiya silskohospodarskykh mashyn [Design, Production and Operation of Agricultural Machines], (54), 160–167. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2024.54.160-167 [in Ukrainian].
7. Luzan, O. R. (2013). Obhruntuvannia parametriv zahortaiuchykh robochykh orhaniv dlia priamoi sivby zernovykh kultur [Substantiation of parameters of covering working parts for direct sowing of grain crops] (Doctoral dissertation, Central Ukrainian National Technical University) [in Ukrainian].
8. Aliiev, E. B., & Bezverkhnii, P. Ye. (2022). Chyselne modelyuvannya spovilnyuvacha nasinnya pnevmatychnoi sivalky tochnoho vysivu [Numerical simulation of the seed decelerator of a pneumatic precision seeder]. Konstruyuvannya, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiya silskohospodarskykh mashyn [Design, Production and Operation of Agricultural Machines], (52), 86–98. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2022.52.86-98 [in Ukrainian].
9. Adamchuk, V. V., Bulhakov, V. M., Holovach, I. V., & Ihnatiev, Ye. I. (2022). Teoriia kolyvalnoho rukhu v hrunti dyskovoho soshnyka zubchastoho typu zernovoi sivalky priamoi sivby [Theory of oscillatory motion in soil of a notched disc opener of a direct seeding grain drill]. Mekhanika ta avtomatyka ahropromyslovoho vyrobnytstva [Mechanics and Automation of Agricultural Production], (15), 11–23. https://doi.org/10.37204/0131-2189-2022-15-1 [in Ukrainian].
10. Zaryshniak, A. S., Adamchuk, V. V., Bulhakov, V. M., Holovach, I. V., Kaletnik, H. M., & Horobei, V. P. (2017). Teoriia i proektuvannia robochykh orhaniv sivalok dlia selektsii ta nasinnytstva zernovykh kultur [Theory and design of seeder working parts for selection and seed production of grain crops]. Ahrarna nauka [in Ukrainian].
11. Vasylkovska, K. V. (2025). Analysis of the formation of a uniform seed flow to the furrow. Agricultural Machines, 51, 24–33. https://doi.org/10.36910/acm.vi51.1890 [in Ukrainian].
12. Aniskevych, L. V., & Rosamakha, Yu. O. (2016). Design features of coulter systems of modern seed drills and their compliance with precision farming requirements. Scientific Bulletin of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine. Series: Engineering and Energy of the Agro-Industrial Complex, 241, 269–278. http://nbuv.gov.ua/UJRN/nvnau_tech_2016_241_38 [in Ukrainian].
13. Shmat, S. I., Luzan, P. H., & Salo, V. M. (2018). Original methods and means of tillage and crop sowing. Kharkiv: Machulin [in Ukrainian].
14. Kuş, E., & Yıldırım, Y. (2020). Effects of seed drop height and tillage system on emergence time and rate in single seed planters. Alinteri Journal of Agriculture Sciences, 35(1), 69–76. https://doi.org/10.28955/alinterizbd.739387.
15. Jin, G., Zhang, X., Liu, Y., & Chen, L. (2023). Development and field performance evaluation of hole-fertilizing planter and dynamic alignment control system for precision planting of corn. Precision Agriculture, 24, 1241–1260. https://doi.org/10.1007/s11119-023-09988-6.
16. Kubík Ľ., Božiková M., Kažimírová V. Mechanical properties of wheat grains at compression. Acta Technologica Agriculturae. 2021. Vol. 24, no. 4. P. 202–208. DOI: https://doi.org/10.2478/ata-2021-0033.
17. Ponjičan, O., Radomirović, D., Kešelj, K., Visković, J., Sedlar, A., & Bikić, S. (2018). Physical and mechanical properties of processed pea, bean, spinach and radish seeds. Journal on Processing and Energy in Agriculture, 22(4), 196–201. https://doi.org/10.5937/jpea1804196P.
18. Bakum, M. V., Pastukhov, V. I., Horbatovskyi, O. M., & Manchinskyi, Yu. O. (2011). Mekhaniko-tekhnolohichni vlastyvosti silskohospodarskykh materialiv. Praktykum [Mechanical and technological properties of agricultural materials. Workshop]. Kharkiv [in Ukrainian].
19. Vovnianko, B. H. (2025). Teoretychne doslidzhennia parametriv zahortaiuchoi piatky soshnyka [Theoretical study of the parameters of the coulter covering heel]. Vibratsii v tekhnitstsi ta tekhnolohiiakh [Vibrations in Engineering and Technology], (4), 131–140. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2025-4-16 [in Ukrainian].
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 Bohdan Vovnianko

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.