Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований .5
1.1. Общая характеристика пестицидов, применяемых в сельскохозяйственном производстве 5
1.2. Агротехнические требования на средства механизации экологически безопасного применения пестицидов 7
1.3. Технологии использования пестицидов 8
1.4. Существующие конструкции для механизации защиты посевов сельскохозяйственных культур 10
1.4.1. Развитие конструктивных опрыскивающих устройств 10
1.4.2. Совершенствование распылителей 19
1.4.3. Теоретические исследования динамики жидкост-но-воздушного потока 34
1.5. Постановка цели и задач исследований 3 6
Глава 2. Теоретические исследования инжекторного распыливающего устройства 3 9
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 4 7
Глава 4 Экспериментальные исследования 60
4.1. Обоснование критериев оптимизации, факторов и уровней их варьирования 60
4.2. Реализация эксперимента 61
4.3. Оптимизация конструктивных и кинематических параметров распыливающего устройства 7 0
Глава 5. Технико-экономическая эффективность выполненных исследований 7 9
Выводы 8 6
Литература 8 9
Приложения 111
- Общая характеристика пестицидов, применяемых в сельскохозяйственном производстве
- Агротехнические требования на средства механизации экологически безопасного применения пестицидов
- Обоснование критериев оптимизации, факторов и уровней их варьирования
- Оптимизация конструктивных и кинематических параметров распыливающего устройства
Введение к работе
Современные технологии защиты посевов сельскохозяйственных культур предполагают высокопроизводительное использование машин и оборудования, обеспечивающих качественное выполнение работ по химической защите растений. За последние годы расширился ассортимент препаратов для защиты растений и вместе с этим резко возросли требования к технологиям их применения и средствам механизации .
Основным методом внесения средств защиты растений является опрыскивание, посредством которого вносят около 75% препаратов. Рабочим органом опрыскивающей техники является распыливающая форсунка, в значительной степени определяющая экологическую, экономическую, биологическую и агротехническую эффективности применения средств защиты растений.
В настоящее время на практике распространены щелевые распылители, работающие с широким размерным рядом образуемых капель - от 80 до 360 мкм. В реальных же условиях капли размером менее 8 0 мкм, содержание которых составляет около 5%, сносятся ветром,.или испаряются, не долетев до обрабатываемой поверхности. Капли размером
4 свыше 350 мкм не удерживаются на листовой поверхности растений и скатываются с неё.
Существенно эффективнее инжекторные распылители. Они создают направленный поток пенных капель насыщенных воздушными пузырьками. Такие капли имеют размер 500 мкм и более. Соприкасаясь с обрабатываемой поверхностью, они лопаются и покрывают её тонкой пленкой. Это позволяет использовать препараты с минимальными потерями, так как пенные капли не скатываются с поверхности, а сносимые ветром мелкие капли при работе инжекторного распылителя отсутствуют.
Работа посвящена оптимизации конструктивных и режимных параметров инжекторного распылителя, используемого в полевых опрыскивателях для химической защиты растений.
Общая характеристика пестицидов, применяемых в сельскохозяйственном производстве
В дореволюционной России для защиты посевов преимущественно использовали импортные неорганические препараты мышьяка. Их в 1913 году импортировали 1 тыс. т. С начала 30-х годов XX века в стране создано собственное производство препаратов для нужд защиты растений. В 1924 году сельскому хозяйству поставлено 1,2 тыс. т. пестицидов, под которыми понимали химические вещества для уничтожения различных видов вредных организмов или для предупреждения их развития. В 194 0 году объем поставляемых пестицидов в стране достиг 53,2 тыс. т. С 4 0-х годов обозначился качественно новый этап в развитии ассортимента химических средств защиты растений (ХСЗР) в связи с открытием высоких пестицидных свойств у различных классов сложных органических соединений. После Великой Отечественной войны начато производство органических синтетических препаратов и к 194 9 году уровень поставки пестицидов превзошел довоенный. В дальнейшем поставки сельскому хозяйству ХСЗР шли нарастающими темпами. Так, если в 194 9 году в перерасчете на действующее вещество поставлено 35,1 тыс. т. препаратов, то в 1980 году - 469,4 тыс. т [74].
В зависимости от производственного назначения препараты классифицируют по объектам применения. Инсектициды и акарициды предназначены для уничтожения вредных насекомых, фунгициды - для уничтожения возбудителей грибковых заболеваний, гербициды - для уничтожения сорной травяной растительности и т. д. [39; 108, с. 11-22].
ХСЗР применяют в сравнительно небольших нормах расхода действующего вещества на единицу площади поля, основой чего является установленное опытным путем оптимальное количество пестицида, обеспечивающее в производственных условиях получение высокого хозяйственного эффекта [78, с. 6-18]. Помимо нормы расхода действующего вещества, эффективность препаратов определяется степенью и равномерностью покрытия защищаемого объекта рабочим раствором.
Для повышения равномерности распределения пестицидов по обрабатываемой поверхности, вырабатывают их препаративные формы [30, с. 15-22; 46, с. 13-30; 77, с. 26-41; 108, с. 150-153]. Они состоят из действующего вещества, смешанного с определенным количеством наполнителя.
Характеризуя пестициды, необходимо помнить об элементах агрономической токсикологии. Все химические вещества токсичны, поэтому во всех странах мира проводится нормирование остаточных количеств пестицида в продовольственных продуктах растительного и животного происхождения, а также фуража и осуществляется строгий контроль содержания их в продуктах. Остаточные количества пестицидов не должны превышать регламентированных органами здравоохранения максимально допустимых уровней. Для всех сельскохозяйственных мероприятий необходимо экологическое обоснование применения пестицидов, поскольку они могут оказать влияние на естественные экосистемы, примыкающие к агробиоценозам, и тем самым воздействовать на окружающую среду [123] .
Для сельского хозяйства действует специальный, ежегодно обновляемый Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. Указанные там препараты имеют государственную регистрацию в соответствии с Федеральным законом «О безопасном обращении с пестицидами и агрохи-микатами» №109 - ФЗ от 19 июля 1997 года [12 6, с. 3].
Эффективность мероприятий по химической защите сельскохозяйственных культур, безопасность пестицидов для окружающей среды и человека в значительной степени определяется технологиями применения и техническим уровнем средств механизации [69]. Большой ассортимент пестицидов выдвигает требования универсальности технологического процесса опрыскивания с регулируемым диапазоном режимных параметров. Каждый опрыскиватель в зависимости от вида, типа и назначения должен обеспечивать в течение технологического цикла следующие основные агротехнические показатели работы: - постоянство задаваемой концентрации рабочей жидкости; - дисперсность и однородность капель; - требуемую плотность покрытия рабочей жидкостью целевого объекта; - равномерность распределения рабочей жидкости по ширине захвата [18, с. 13-15; 70] . Общие агротехнические требования к средствам механизации применения пестицидов включают в себя: - соблюдение агротехнических сроков опрыскивания; - безопасность для обслуживающего персонала; - достижение истребительского эффекта не менее 95% для вредителей и 90% для сорняков; - осуществление опрыскивания на склонах до 7 при длине гона от 100 до 4000 м и оптимальной рабочей скорости движения 5...8 км/ч; - неравномерность покрытия рабочей жидкости по ширине захвата штанги не более 15% [12; 17; 18, с. 13-15; 22; 25; 26, с. 6-7; 31, с. 71-79; 36; 38, с. 428-429; 45, с. 169-171; 62; 65; 70; 75; 82, с. 11; 83, с. 8-11; 101, с. 4; 139].
Агротехнические требования на средства механизации экологически безопасного применения пестицидов
Для защиты посевов сельскохозяйственных культур широко применяют сплошное штанговое опрыскивание [18, с. 8; 64; 70; 125, с. 3] . Достоинство его в минимальном сносе ветром распыленной жидкости, достаточно высоких производительности и равномерности распределения препа 9 рата на поверхности обрабатываемого объекта. Недостатки: низкая маневренность и большая масса опрыскивающего агрегата [146].
По объёму внесения рабочей жидкости штанговое опрыскивание подразделяется на: - полнообъёмное с расходом рабочей жидкости 100 -500 л/га; - малообъёмное с расходом рабочей жидкости 75 - 100 л/га; - ультрамалообъёмное с расходом рабочей жидкости до 5 л/га [12; 15; 17; 18, с. 46; 33, с. 180; 83, с. 8; 125, с. 9-11; 146].
Полнообъёмное опрыскивание характеризуется большой полидисперсностью распыла, то есть наличием широкого размерного ряда капель. Основную массу распыленной жидкости составляют капли диаметром более 350 мкм [125, с. 9] При малообъёмном опрыскивании в рабочем растворе содержатся капли преимущественно диаметром 50...250 мкм. Отличительной особенностью малообъемного опрыскивания является высокая дисперсность распыла, повышенные равномерность и плотность покрытия, отсутствие стекания рабочей жидкости с обрабатываемой поверхности на почву. Однако капли малого диаметра в большей степени подвергаются сносу ветром и испарению, следствием чего является повышение загрязнения окружающей среды и расхода препаратов [13; 14; 18, с. 46; 73; 109, с. 12-15; 110; 125, с. 10] .
Диаметр капель при ультрамалообъёмном опрыскивании 60...150 мкм. Снижение норм расхода рабочей жидкости по зволяет сократить до минимума затраты, связанные с регулярными заправками ёмкости опрыскивателя. Для ультра-малообъемного опрыскивания используются высококонцентрированные жидкие пестициды, которые поступают с заводов-производителей в готовом виде и не требуют дополнительных затрат на приготовление. Это позволяет сократить трудозатраты и время контакта с пестицидами обслуживающего персонала. Однако малые нормы расхода рабочей жидкости требуют высокой точности её дозирования и внесения [5; 14; 18, с. 47; 20; 23; 33, с. 231-240; 61; 127] .
Тенденцией развития технологий использования пестицидов является сокращение удельного расхода пестицидов на единицу площади с тем же защитным эффектом за счет повышения качества нанесения на обрабатываемый объект и сокращения потерь препаратов от сноса мелких и стекания крупных капель с листовой поверхности [14; 19; 62; 63; 64; 68; 72; 87; 114; 120] .
В силу того, что в номенклатуре современных пестицидов основное их количество по паспортным данным не может использоваться на внесении рабочей жидкости менее 200-300 л/га, преимущественное распространение получило полнообъёмное опрыскивание посевов.
В 1924 году ленинградский завод «Вулкан» впервые выпустил ранцевый аппарат «Тремасс», а в 1931 году - конный опрыскиватель с шириной захвата б, 16 м. В связи с коллективизацией сельского хозяйства потребность в отечественных опрыскивателях росла очень быстро [131]. До 1941 года создаются и выпускаются конно-лабораторные опрыскиватели «Пионер», конный опрыскиватель «Вулкан», тракторный навесной опрыскиватель ТН-2, опрыскиватель для хлопковых полей АО. С 1941 по 1954 годы расширяются работы по созданию новых машин для химических средств защиты растений. Выпускаются тракторные навесные опрыскиватели ОДН и ОУН - 6, опрыскиватель-опыливатель ОКС, аэрозольный генератор АГ - Лб. В 1954-1955 годах ВИЗР и ВИСХОМ впервые разработали систему машин для защиты растений, которая включала 4 9 различных наименований. Взамен конно-моторных созданы новые прицепные и навесные опрыскиватели и опыливатели. Основным производителем сельскохозяйственных опрыскивателей был завод «Львовсельмаш» (г. Львов).
Опрыскиватель-опыливатель комбинированный ОНК - Б навешивался на трактор, имел два резервуара емкостью 550 л и ширину захвата 10 м. Высота штанги над поверхностью почвы регулировалась в пределах от 0,4 до 0,85 м. Рабочее давление - 0,8 МПа, расход рабочей жидкости - 200...600 л/га [45, с. 174-178; 60, с. 157-158; 86; 115] .
Обоснование критериев оптимизации, факторов и уровней их варьирования
По данным анализа состояния вопроса, результатов теоретических исследований для эксперимента выбраны два фактора: диаметр воздушного отверстия инжектора ZX и давление рабочей жидкости р. . В качестве критериев оптимизации использовали площадь покрытия обрабатываемой поверхности у., %, и расход рабочей жидкости через распылитель у. , л/мин.
При выборе уровней варьирования факторов D. и р. (табл. 4) использована априорная информация [4; 42; 104; 138; 157; 158; 159; 160] и результаты теоретических исследований (рис. 21).
Вид поверхности отклика после реализации полного факторного эксперимента (ПФЭ) не известен, поэтому наиболее применимым для исследований является центральный композиционный ортогональный план, позволяющий получить равномерную информацию по всем направлениям факторного пространства.
Количество опытов определяется по формуле (27). Ядром плана с двумя факторами является полный факторный эксперимент 2 =4, содержащий четыре опыта. Для описания поверхности отклика полиномом второго порядка требуется постановка дополнительных опытов, образующих «звездные» точки. Количество «звездных» точек 2к=4, количество нулевых точек п = \ . Значит N = 9.
Испытывался инжекторный распылитель при скорости перемещения «бегущей» ленты 1,7 м/с. Каждый опыт прово дился в трехкратной повторности. Результаты испытаний по площади покрытия карточек рабочей жидкостью приведены в таблице 5, по расходу рабочей жидкости через распылитель - в таблице 9.
Однородность дисперсий параллельных опытов оценивали по формуле (36) и получили Gpac4 =0,364.
Расчетное значение критерия сравнили с табличным для степеней свободы числителя и-1=2 и знаменателя /У = 9 при уровне значимости 0,05 :
Условие (37) выполнилось. Следовательно, гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов может быть принята. Дисперсию воспроизводимости рассчитывали по формуле (38) и получили S 00 = 0,746 . Далее рассчитали коэффициенты уравнения регрессии по формулам (28)...(32), (34) (табл. 7).
Дисперсии коэффициентов определили по формулам (39)...(43) . По формулам (44)...(47) оценили статистическую значимость коэффициентов по t-критерию Стьюдента. Критическое значение t-критерия при уровне значимости 0,05 и степени свободы 7У(и-1) = 18 равно 2,101. Проверили выполнение условия (48).
После исключения статистически незначимых коэффициентов математическая модель представлена в виде: ух = 3 5,6 + 2J1XY + 0,6Х2 - 0,5X 2 - 24,6Х2 . (53)
Полученное уравнение (53) проверяем на адекватность по формуле (50), для этого производим расчеты и результаты заносим в таблицу 8.
Для уровня значимости 0,05 и степеней свободы N — X = 5 и 7У(и-1) = 18 F б = 2,77. Так как 0,812^2,77, условие (51) выполняется и уравнение (53) адекватно описывает исследуемый процесс. Аналогично поступаем с экспериментальными данными по расходу рабочей жидкости через распылитель. Исходные данные и результаты расчетов в таблицах 9...12. После исключения статистически незначимых коэффициентов уравнение регрессии, описывающее расход рабочей жидкости через распылитель, примет вид:
Оптимизация конструктивных и кинематических параметров распыливающего устройства
Покрытие поверхности рабочей жидкостью у. (рис. 28) существенно зависит от давления рабочей жидкости р. . При увеличении р. от 0,2 до 0,35...0,45 МПа величина у, возрастает от 12 до 32...35%. Дальнейшее нарастание давления до 0,6 МПа приводит к плавному понижению покрытия поверхности до 12%. Чтобы определить параметры максимального покрытия поверхности, в выражении (53) примем X=0 . Полученное уравнение продифференцируем и решим относительно X. : = 2,77-49,2 ,=0. Решая уравнение в натуральных значениях фактора с использованием уравнения (55), получим / =0,411 МПа.
Влияние диаметра воздушного отверстия инжектора D. на покрытие поверхности рабочей жидкостью менее существенное. Так, при р,=0,2 МПа с ростом D. в диапазоне 1...2 мм величина у. плавно нарастает с 7,6 % при D.=l мм до 10,3% при D. = 2 мм. Характер изменения функции Ул—уЛХ ) можно оценить dy. по первой производной при Х=0. Получим dx2 1 Фі = 0,6-const, что свидетельствует о прямой пропорцио-dX2 нальной взаимосвязи у=уЛХ?), то есть максимальному по-. крытию поверхности рабочей жидкостью соответствуют большие значения диаметра воздушного отверстия инжектора.
Анализ поверхности отклика уравнения (54) показывает следующее. Расход рабочей жидкости через распылитель у? (рис. 29) зависит от давления рабочей жидкости р.. Увеличение давления рабочей жидкости ведет к увеличению расхода рабочей жидкости через распылитель. Так, при увеличении рабочего давления с 0,2 до 0,6 МПа расход рабочей жидкости увеличивается с 0,81 до 1,41 л/мин.
Влияние диаметра воздушного отверстия инжектора D. на расход рабочей жидкости менее существенное. Характер изменения функции у =уЛХЛ можно оценить по первой dy0 производной -—г- при Х=0. Получаем продифференцирован ное уравнение вида: dy 2 _ dx2 0,065 - 0,03 2Х,= 0 Решим относительно Хг. с использованием формулы (56). Получаем 1).=1,6 мм.
Исследование поверхностей отклика показало, что оптимальные значения факторов Х и X по параметрам оптимизации у. и у г. отличаются, то есть исследуемое фак- торное пространство не может быть оптимизировано обособленно по какому-то одному параметру. Поэтому оптимизация должна быть выполнена комплексно по двум параметрам у1 и у2 .
Задачу по комплексной оптимизации сформулируем следующим образом: определить значения факторов Х и X из условия максимального покрытия растений рабочей жидкостью при заданном её расходе q , л/мин. где Я - неопределенный множитель Лагранжа; t - шаг расстановки распылителей на штанге, м; Q - норма расхода рабочей жидкости, л/га; V - скорость движения агрегата, км/ч. Задавая значения расхода рабочей жидкости через распылитель дж, получаем систему уравнений (62) . Систему уравнений (62) решаем методом последовательных приближений с применением программы MathCAD 2001 (приложение 8). Определены оптимальные значения D4 и р± для различных режимов работы опрыскивателя, характеризующихся его рабочей скоростью V и, заданной агротехникой, требуемой нормой расхода рабочей жидкости Q (табл. 15).
Для оперативного определения параметров инжекторного распылителя построена номограмма (рис. 30). Номограмма состоит из двух взаимосвязанных частей: левой - технологической и правой - технической. Технологическая часть включает в себя агротехнические показатели работы опрыскивателя: гектарный расход рабочей жидкости Q (л/га) и рабочую скорость опрыскивателя V (км/ч). Техническая часть содержит режимы работы инжекторного распылителя - давление рабочей жидкости р. (МПа), диаметр воздушного отверстия D. (мм) и расход рабочей жидкости через распылитель q (л/мин).
