DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2025.55.121-133

Justification of the Design of a Combined Coulter of a Row-crop Seeder Opener

Dmytro Artemenko, Petro Luzan, Olena Luzan, Viktor Kovbasa

About the Authors

Dmytro Artemenko, Associate Professor, PhD of technical sciences (Candidate of Technical Sciences), Associate Professor of Agricultural Engineering Department, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, https://orcid.org/0000-0002-6633-0470, e-mail: artemenkodyu@kntu.kr.ua

Petro Luzan, Associate Professor, PhD of technical sciences (Candidate of Technical Sciences), Associate Professor of Agricultural Engineering Department, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1819-999X, e-mail: luzanpg@gmail.com

Olena Luzan, PhD of technical sciences (Candidate of Technical Sciences), Assistant of Agricultural Engineering Department, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7678-0635, e-mail: luzanolena@gmail.com

Viktor Kovbasa, Professor, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Mechanical and Electrical Engineering, Poltava State Agrarian University, Poltava, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4574-5826, e-mail: kovbasa.volodymyr@pdau.edu.ua

Abstract

The aim of the article is to develop and theoretically substantiate the design of a combined coulter opener for precision seed drills that ensures high-quality furrow formation, uniform seed placement, and reduced draft resistance during sowing. The study analyzes modern designs of seed drill openers from leading manufacturers and identifies their main advantages and drawbacks under different soil conditions. It was found that openers with sharp entry angles loosen the soil effectively but do not provide a uniform seedbed, whereas openers with blunt entry angles form compact furrows but require higher traction force. Considering these aspects, a new combined opener design was proposed that integrates the benefits of both types, allowing for optimal agronomic conditions for seed germination while reducing the energy consumption of the sowing unit. The article describes the design of the improved coulter opener, which consists of three functional parts - the tip, the deflecting surface, and the wedge-shaped heel. The middle part with a sharp entry angle performs soil cutting and loosening; the upper part removes dry soil layers; and the rear heel forms a compact seedbed. The paper presents the operating principle of the opener during furrow formation and explains the interaction of its elements with the soil. A mathematical model was developed to determine the draft resistance of the opener, taking into account its geometric parameters and the physical–mechanical properties of the soil. An analytical relationship was obtained to evaluate the influence of attack angles, thickness, and width of working parts on the energy performance of the opener. Theoretical analysis of draft resistance variations depending on structural parameters was carried out, and the optimal range of entry angles was determined, as well as the main patterns influencing furrow formation. The results show that the combined coulter opener ensures stable movement of the opener at the specified depth, promotes the formation of an even seedbed, prevents soil sticking, and reduces the draft resistance of the seeding unit. The optimal attack angles are within 10–15°, which minimizes energy consumption during furrow formation. The proposed design combines agronomic efficiency with rational energy use, improves sowing quality, and can be recommended for further experimental research and implementation in modern precision seed drills.

Keywords

seed opener, coulter point, seeding, furrow, seedbed, seed placement

Full Text:

PDF

References

1. Aniskevych, L. V., & Rosamakha, Yu. O. (2016). Design features of seed drill coulter systems 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].

2. Dreyer, H. (2010). Detailed overview of the seed drill Primera DMC. AMAZONEN-WERKE H. DREYER GmbH & Co. KG. http://www.amazone.de [in German].

3. Zaika, P.M. (2002). Theory of agricultural machines. Vol. 1, Part 2. Machines for sowing and planting. Kharkiv: Oko. [in Ukrainian].

4. Sysolin, P.V., Salo, V.M., & Kropivnyi, V.M. (2001). Agricultural machines: theoretical bases, design, construction. Book 1: Machines for tillage. M.I. Chernovol (Ed.). Kyiv: Urozhai. [in Ukrainian].

5. Artemenko, D. Yu., Magopets, O. S., & Solomashenko, P. M. (2010). Research and development of an improved design of a row-crop seed drill coulter. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, 40(1), 136–142. http://dspace.kntu.kr.ua/jspui/bitstream/123456789/1795/1/26.pdf [in Ukrainian].

6. Salo, V.M., Luzan, O.R., Luzan, P.H., & Machok, Yu.V. (2012). Closing working bodies for direct sowing of grain crops: Monograph. Kirovohrad: SPD FO Lysenko V.F. http://dspace.kntu.kr.ua/jspui/handle/123456789/5473 [in Ukrainian].

7. Nielsen, S., Munkholm, L., Lamandé, M., Nørremark, M., Skou-Nielsen, N., Edwards, G., & Green, O. (2017). Seed drill instrumentation for spatial coulter depth measurements. Computers and Electronics in Agriculture, 141, 207–214. https://doi.org/10.1016/j.compag.2017.07.014.

8. Volokha, M.P. (2015). Technological complex of machines for sugar beet production: row spacing, theory, modeling, test results. Kyiv: Center for Educational Literature. http://er.nau.edu.ua/handle/NAU/17399 [in Ukrainian].

9. Honcharuk, H. S. (2001). Quality sowing of sugar beets is the key to a high yield. Sugar Beets, (2), 8–9. [in Ukrainian].

10. Kolomiiets, O. P., Honcharuk, H. S., & Lomako, T. N. (1999). Preconditions for quality sowing. Sugar Beets, (2), 17. [in Ukrainian].

11. 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.

12. Artemenko, D. (2023). Research of design parameters of coulter elements for sowing row crops. In A. A. Kashkanov (Ed.), Scientific and technical research in mechanical engineering and transport: Collective monograph (pp. 72-110). Ivano-Frankivsk: Academy of Technical Sciences of Ukraine. https://ukrtsa.org.ua/wp-content/uploads/2023/05/mech_transport.pdf [in Ukrainian].

13. Murray, J.R., Tullberg, J.N., & Basnet, B.B. (2006). Planters and their components: types, attributes, functional requirements, classification and description. ACIAR Monograph No. 121.

14. Kuhn Company. (2015). Planter 3. Precision seed drills. Kuhn Farm Machinery (UK). http://www.kuhn.co.uk/uk/range/seeding/pneumatic-precision-seed-drills/planter-3-m-single-bar.html

15. Gaspardo Company. (2017). SP Range. Pneumatic precision seed drills. Italy. https://www.maschio.com/assets/Uploads/Leaflet-SP-RANGE-17-2017-09-W00230043R-EN.pdf.

16. AMAZONE. (2017). Operating manual. Precision air planter. AMAZONEN-WERKE H. DREYER GmbH & Co. KG. Germany. http://et.amazone.de/files/pdf/mg5226.pdf.

17. Horobei, V.P. (2017). Mechanical-technological and design bases for increasing the efficiency of working bodies for sowing in breeding and seed production (Doctoral dissertation). Melitopol: NVO «SELTA», NSC «IMESG», NAAS. [in Ukrainian].

18. Ahmad, F., Weimin, D., Qishou, D., Rehim, A., & Jabran, K. (2017). Comparative performance of various disc-type furrow openers in no-till paddy field conditions. Sustainability, 9 (7), 1143. https://doi.org/10.3390/su9071143.

19. Xu, G., Xie, Y., Peng, S., Liang, L., & Ding, Q. (2023). Performance evaluation of vertical discs and disc coulters for conservation tillage in an intensive rice–wheat rotation system. Agronomy, 13 (5), 1336. https://doi.org/10.3390/agronomy13051336.

20. Salo, V.M., Vovnianko, B.H., Leshchenko, S.M., & Luzan, P.H. (2024). Improving the quality indicators of the sowing process. Agricultural Machines, 50, 113–119. https://doi.org/10.36910/acm.vi50.1398 [in Ukrainian].

21. Voitiuk, D.H., Baranovskyi, V.M., Bulhakov, V.M., et al. (2005). Agricultural machines. Fundamentals of theory and calculation: textbook. 141–142. D.H. Voitiuk (Ed.). Kyiv: Vyshcha osvita. https://studfiles.net/preview/5063474/page:25/ [in Ukrainian].

22. Tsarenko, O.M., Voitiuk, D.H., & Shvaiko, V.M. (2003). Mechanical and technological properties of agricultural materials: textbook. Kyiv : Meta. [in Ukrainian].

23. Shmat, S.I., Luzan, P.H., & Salo, V.M. (2018). Original methods and means of tillage and sowing of agricultural crops: textbook. Kharkiv : Machulin. [in Ukrainian].

24. Salo, V., Leshchenko, S., Luzan, P., & Salo, L. (2022). Machines for sowing, planting and crop care: textbook. Kropyvnytskyi: Lysenko V. F. [in Ukrainian].

Citations

1. 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 2016. (дата звернення: 17.09.2025)

2. Драйер Х. Детальний розгляд сошника сівалки Primera DMC. Amazone Primera DMC. AMAZONEN-WERKE H. DREYER GmbH & Co. KG. 2010, 2 с. URL: http://www.amazone.de (дата звернення: 19.09.2025)

3. Заїка П.М. Теорія сільськогосподарських машин. Том 1. Частина 2. Машини для сівби та садіння. Харків : Око, 2002. 452 с.

4. Сисолін П.В., Сало В.М., Кропівний В.М. Сільськогосподарські машини: теоретичні основи, конструкція, проектування. Кн. 1: Машини для рільництва; за заг. ред. М.І. Черновола. Київ : Урожай, 2001. 384 с.

5. Артеменко Д.Ю. Магопець О.С., Соломашенко П.М. Дослідження і розробка удосконаленої конструкції сошника просапної сівалки. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2010. Вип. 40, ч.1. С. 136–142. URL: http://dspace.kntu.kr.ua/jspui/ bitstream/123456789/1795/1/26.pdf.

6. Загортаючі робочі органи для прямої сівби зернових культур: монографія / Сало В.М., Лузан О.Р., Лузан П.Г., Мачок Ю.В. Кіровоград: СПД ФО Лисенко В.Ф., 2012. 164 с. URL: http://dspace.kntu. kr.ua/jspui/handle/123456789/5473.

7. Nielsen, Søren & Munkholm, Lars & Lamandé, Mathieu & Nørremark, Michael & Skou-Nielsen, Nick & Edwards, Gareth & Green, Ole. (2017). Seed drill instrumentation for spatial coulter depth measurements. Computers and Electronics in Agriculture. 141. 207-214. https://doi.org/10.1016/j.compag.2017.07.014.

8. Волоха М.П. Технологічний комплекс машин для виробництва буряків цукрових: ширина міжрядь. Теорія, моделювання, результати випробувань: монографія. Київ: Центр учбової літератури, 2015. С. 32–57. URL: http://er.nau.edu.ua/handle/NAU/17399 (дата звернення: 23.09.2025)

9. Гончарук Г.С. Якісна сівба цукрових буряків запорука високого врожаю. Цукрові буряки. 2001. №2. С. 8–9.

10. Коломієць О.П., Гончарук Г.С., Ломако Т.Н. Передумови якісної сівби. Цукрові буряки. 1999. № 2. С. 17.

11. Artemenko, D., S. Leshchenko, V. Onopa, V. Majara, and V. Deikun. Analysis of the combined coulter point of the precision seed drill. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 24(4), 2022: 57–71. https://cigrjournal.org/index.php/Ejounral/article/view/7435/3947 (дата звернення: 25.09.2025)

12. Дмитро Артеменко. Дослідження конструкційних параметрів елементів сошника для посіву просапних культур. Науково-технічні дослідження у галузі механічної інженерії та транспорту: колективна монографія; за заг. ред. А.А. Кашканова. Академія технічних наук України. Івано-Франківськ: Видавець Кушнір Г.М. 2023. С. 72–110. URL: https://ukrtsa.org.ua/wp-content/uploads /2023/05/mech_transport.pdf (дата звернення: 25.09.2025)

13. Murray J.R., Tullberg J.N. and Basnet B.B. Planters and their components: types, attributes, functional requirements, classification and description. ACIAR Monograph 2006 No. 121.

14. Planter 3. Precision seed drills: Prospect of the Kuhn Company. Kuhn farm machinery (UK). 2015. URL: http://www.kuhn.co.uk/uk/range/seeding/pneumatic-precision-seed-drills/planter-3-m-single-bar.html. (дата звернення: 29.09.2025)

15. SP Range. Pneumatic precision seed drills: Prospect of the Gaspardo Company. Italy. 2017. URL: https://www.maschio.com/assets/Uploads/Leaflet-SP-RANGE-17-2017-09-W00230043R-EN.pdf (дата звернення: 02.10.2025)

16. AMAZONE. Precision airplanter: Operating manual. AMAZONEN-WERKE H. DREYER GmbH & Co. KG. Germany, 2017. 224 p. URL: http://et.amazone.de/files/pdf/mg5226.pdf (дата звернення: 02.10.2025)

17. Горобей В.П. Механіко-технологічні і конструктивні основи підвищення ефективності робочих органів для сівби в селекції і насінництві: дис. ... д-ра с.-г. наук: 05.05.11 / НВО «СЕЛТА», ННЦ «ІМЕСГ», НААН. Мелітополь, 2017. 428 с.

18. Ahmad F, Weimin D, Qishou D, Rehim A, Jabran K. Comparative Performance of Various Disc-Type Furrow Openers in No-Till Paddy Field Conditions. Sustainability. 2017; 9(7):1143. URL: https://doi.org/10.3390/su9071143.

19. Xu G, Xie Y, Peng S, Liang L, Ding Q. Performance Evaluation of Vertical Discs and Disc Coulters for Conservation Tillage in an Intensive Rice–Wheat Rotation System. Agronomy. 2023; 13(5):1336. https://doi.org/10.3390/agronomy13051336.

20. 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. URL: DOI: https://doi.org/10.36910/acm. vi50.1398.

21. Сільськогосподарські машини. Основи теорії і розрахунку: підручник / Д.Г.Войтюк, В.М. Барановський, В.М. Булгаков та ін.; за ред. Д.Г. Войтюка. Київ : Вища освіта, 2005. С. 141–142. URL: https://studfiles.net/preview/5063474/page:25/ (дата звернення: 09.10.2025)

22. Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів: підручник / О. М. Царенко, Д. Г. Войтюк, В. М. Швайко та ін. Київ : Мета, 2003. 448 с

23. Шмат С.І., Лузан П.Г., Сало В.М. Оригінальні способи і засоби обробітку ґрунту та сівби сільськогосподарських культур: навч. посіб. Харків: Мачулін, 2018. 236 с.

24. Машини для сівби, садіння та догляду за посівами: навчальний посібник / В. Сало, С. Лещенко, П. Лузан, Л. Сало. Кропивницький : Видавець Лисенко В.Ф., 2022. 220 с.

Copyright (c) 2025 Dmytro Artemenko, Petro Luzan, Olena Luzan, Viktor Kovbasa