Introduction to Agricultural Engineering Technology

452 Pages·2018·10.62 MB·English

by  Harry L. Field

Harry L. Field · John M. Long
Introduction
to Agricultural
Engineering
Technology
A Problem Solving Approach
Fourth Edition
Introduction to Agricultural Engineering
Technology
Harry L. Field (cid:129) John M. Long
Introduction to Agricultural
Engineering Technology
A Problem Solving Approach
Fourth Edition
HarryL.Field JohnM.Long
OklahomaStateUniversity Biosystems&AgriculturalEngineering
Stillwater,OK,USA Department
OklahomaStateUniversity
Stillwater,OK,USA
ISBN978-3-319-69678-2 ISBN978-3-319-69679-9 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-319-69679-9
LibraryofCongressControlNumber:2017957542
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ThisSpringerimprintispublishedbySpringerNature
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Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland
Preface
Thistextisintendedforanyclassorreaderinterestedinimprovingtheirknowledge
about agriculture and enhancing their abilities in solving problems common to
agriculture. It is an update of An Introduction to Agricultural Engineering Tech-
nologybyFieldandSolie.Thiseditionincludesanewchapteronsite-specificcrop
management.
The topics and their treatment were selected for three reasons: (1) to acquaint
individualswithawide rangeofapplications ofengineering principlestoagricul-
ture,(2)topresentaselectionofindependentbutrelatedtopics,and(3)todevelop
andenhancetheproblem-solvingabilityoftheindividual.
Eachchaptercontainseducationalobjectives,introductorymaterial,andexam-
pleproblems(whereappropriate).Mostchaptersareself-containedandcanbeused
independently of the others. Those that are sequential are organized in a logical
order to ensure that the knowledge and skills needed are presented in a previous
chapter.
As principal author, I wish to express my gratitude to Dr. John Long for his
technicalassistance,forwritingthechapteronsite-specificcropmanagement,and
forreviewingthetext.
Stillwater,OK,USA HarryL.Field
v
Contents
1 Problem-Solving. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 MathematicalProblem-Solving. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3.1 DiagramsandSketches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.2 Patterns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.3 EquationsandFormulas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.4 UnitCancellation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.5 IntuitiveReasoning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.6 Spreadsheets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.7 FlowCharts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 SignificantFiguresandStandardForm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Uncertainty.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . 21
2.4 ExactandApproximateNumbers.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 22
2.4.1 ExactNumbers. . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . .. 22
2.4.2 ApproximateNumbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Precision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Accuracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.7 SignificantFigures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8 RoundingNumbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.9 ScientificNotationandStandardForm. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 CommonUnitsofMeasure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 SystemsofUnits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Distance(D). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Area. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 30
vii
viii Contents
3.6 Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.7 Volume. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.8 Weight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.9 Force(F). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.10 Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.11 Time(T). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.12 Velocity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.13 Power(P). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.14 Torque(T ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
o
3.15 Horsepower(HP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.16 UsingUnitsintheMetric(SI)System. . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.16.1 Distance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.16.2 Area. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.16.3 Temperature.. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. 38
3.16.4 Volume. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.16.5 WeightandForce(Mass). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.16.6 Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.16.7 Time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.16.8 Velocity,Speed,andAcceleration. . . . . . . . . . . . . . 40
3.16.9 Power. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.16.10 Torque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.16.11 Horsepower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 SimpleMachines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Lever. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.1 ClassOneLever. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.2 ClassTwoLever. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.3 ClassThreeLever. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.4 WheelandAxle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.5 Pulley. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.6 InclinedPlane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.7 Screw. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.8 CombiningMachines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.9 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 InternalCombustionEngines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3 TheoryofOperation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.4 Four-StrokeCycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 61
5.4.1 IntakeStroke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4.2 CompressionStroke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.3 PowerStroke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.4 ExhaustStroke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Contents ix
5.5 Two-StrokeCycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.5.1 Intake–ExhaustStroke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.5.2 CompressionStroke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.6 TypesofEngines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.7 Displacement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.7.1 CompressionRatio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.7.2 TheoreticalPower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.7.3 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6 Powertrains. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . 71
6.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3 MechanicalSystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.1 Pulleys. . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. 72
6.3.2 SprocketSizes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.3.3 GearSizes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3.4 SpeedRatios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3.5 DirectionofRotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.3.6 ComplexPowertrains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3.7 SpeedandTorque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3.8 TransmissionofPowerandTorque. . . . . . . . . . . . . 81
6.3.9 PowerTransmissionthroughPowertrains. . . . . . . .. 82
6.4 PneumaticandHydraulicSystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4.1 HydraulicPressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.4.2 HydraulicFlow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4.3 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7 TractorsandPowerUnits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3 CategoriesofTractors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3.1 GeneralPurpose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.3.2 RowCrop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3.3 Orchard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3.4 Vineyard. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3.5 Industrial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3.6 Garden. . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. 94
7.4 TractorPowerRatings. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . .. 94
7.4.1 EnginePower. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 95
7.4.2 BrakePower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4.3 PTOPower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4.4 DrawbarPower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.4.5 ConvertingTractorPowerRatings. . . . . . . . . . . . . . 96
7.4.6 LuggingAbility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4.7 DeratingPowerUnits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
x Contents
7.5 TractorTesting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.5.1 PrinciplesofTesting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.6 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8 MachineryCalibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3 PrinciplesofCalibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.3.1 IncorrectApplicationRatesandPatterns. . . . . . . . . 108
8.3.2 Acceptability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.3.3 FivePrinciplesofCalibration. . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.4 CalibratingFertilizerApplicators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.4.1 GravityFlowStationaryCalibration. . . . . . . . . . . . 115
8.4.2 BroadcastSpreaderMobileCalibration. . . . . . . . . . 116
8.5 CalibratingGrainDrills. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.5.1 GrainDrillStationaryCalibration. . . . . . . . . . . . . . 120
8.5.2 MobileGrainDrillCalibration. . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.6 CalibratingRowCropPlanters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.6.1 RowCropPlanterStationaryCalibration. . . . . . . . . 125
8.6.2 RowCropPlanterMobileCalibration. . . . . . . . . . . 126
8.7 AirSeeders.. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 128
8.7.1 AirSeederMobileCalibration. . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.8 CalibratingSprayers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.8.1 SprayerStationaryCalibration. . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.8.2 MobileSprayerCalibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.9 PreparingSprayMixes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.10 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9 EquipmentEfficiencyandCapacity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.3 Efficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.3.1 PerformanceEfficiency. . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . 145
9.3.2 FieldEfficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.4 Capacity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.5 Throughput. . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . 151
9.6 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
10 EconomicsofAgriculturalMachinery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.3 SelectionCriteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.3.1 CompanyName. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.3.2 Cost. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . 156
10.3.3 Repairs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Contents xi
10.3.4 Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.3.5 Capacity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.4 TheOptimumMachineSize. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.4.1 TimeLimitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.4.2 PowerLimitation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.4.3 MatchingTractorsandMachines. . . . . . . . . . . . . . . 161
10.5 CostsofMachinery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.5.1 FixedCosts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.5.2 VariableCosts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
10.5.3 AnnualCost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.6 WaystoReduceCosts. . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. 173
10.6.1 WidthUtilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
10.6.2 TimeUtilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
10.6.3 MatchingTractorsandMachines. . . . . . . . . . . . . . . 174
10.6.4 ReducingOriginalInvestment. . . . . . . . . . . . . . . . . 174
10.6.5 IncreasingAnnualUse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
10.6.6 IncreasingServiceLife. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.7 Break-EvenUse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.8 MaintenanceSchedules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
10.9 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
11 SoundandNoise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
11.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
11.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
11.3 WhatIsSound. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
11.4 HowSoundIsMeasured. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.5 ComparingDifferentSounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.6 TheEffectofNoise. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. 184
11.7 DeterminingNoiseExposure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
11.8 ExposureGuidelines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
11.9 ControllingNoise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
11.10 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
12 MeasuringDistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
12.1 Objectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
12.2 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
12.3 MeasuringDistances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
12.3.1 Pacing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
12.3.2 Odometer. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 191
12.3.3 Taping/Chaining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
12.3.4 Stadia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.3.5 OpticalRangeFinders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.3.6 ElectronicDistanceMeasurement(EDM). . . . . . . . 202
12.4 CalibrationProcedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
12.4.1 DeterminingCorrectionFactor. . . . . . . . . . . . . . . . 203
12.5 MetricProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204