Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Химический метод защиты растений и машины для его осуществления 9
1.2. Агротехнические требования, предъявляемые к опрыскиванию широкорядных посевов и методика проверки качества опрыскивания 23
1.3. Обоснование нового способа опрыскивания 30
1.4. Цель изадачи исследования 37
2. Теоретическая часть исследований 38
2.1. Математическое моделирование процесса опры скивания 38
2.1.1. Математическое моделирование процесса обработки растений «сверху назад под углом к горизонту» 40
2.1.2. Математическое моделирование процесса об работки растений «сбоку под углом к
горизонту» 48
2.1.3. Математическое моделирование процесса обработки растений «сбоку назад под углом к горизонту и направлению движения» 54
2.2. Определение времени распада капли 62
3. Программа и методика экспериментальных исследований технологического процесса работы штангового опры скивателя 65
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 65
3.2. Программа экспериментальных исследований 66
3.3. Методика проведения экспериментального исследования 67
3.3.1. Описание опытного образца опрыскивателя и принципа работы 67
3.3.2. Описание опытного участка. Расстановка улавливающих поверхностей. Определение оптимального способа установки распылителей 67
3.3.3. Методика проведения основного эксперимента 72
3.3.3.1. Методика исследование влияния угла установки Р на показатели качества опрыскивания (первый способ) 72
3.3.3.2. Методика исследования влияния угла установки а на показатели качества опрыскивания (второй способ) 74
3.3.3.3. Методика исследования влияния углов установки а и р на показатели качества
опрыскивания (третий способ) 75
3.4. Методика определения качественных показателей опрыскивания 77
3.5. Обработка результатов исследований 81
3.6. Оборудование и приборы для проведения исследований 83
4. Результаты экспериментальных исследований 85
4.1. Результаты дисперсионного анализа по первому способу обработки 85
4.2. Результаты дисперсионного анализа по второму способу обработки 97
4.3. Результаты дисперсионного анализа по третьему способу обработки 108
5. Экономическая эффективность технологического процесса опрыскивания при защите пропашных культур 121
6. Общие выводы 125
7. Рекомендации производству 127
8. Список литературных источников 128
Приложения Том 2
- Химический метод защиты растений и машины для его осуществления
- Математическое моделирование процесса обработки растений «сверху назад под углом к горизонту»
- Описание опытного участка. Расстановка улавливающих поверхностей. Определение оптимального способа установки распылителей
- Результаты дисперсионного анализа по первому способу обработки
Введение к работе
В настоящее время в нашей стране и за рубежом остро стоит проблема защиты растений. При этом только в Российской Федерации ежегодно от вредителей и болезней теряется растениеводческой продукции на сумму около 10 млрд. долларов. Такие внушительные потери характеризуют низкий уровень защитных мероприятий. Известно, что до 95% химикатов используются неэффективно. При этом поражая сорняки, вредителей, предотвращая болезни, они одновременно угнетают растения. Пестициды не попавшие на растения (сорняки), а осевшие на почву не только напрасно расходуются, но и наносят вред. Эта проблема требует безотлагательного решения.
Рациональное внесение рабочих жидкостей опрыскиванием, может дать значительный экономический эффект при грамотном сочетании препаратов, норм расхода и режимов работы. Целью рационализации является образование капель оптимальных размеров и достаточной густоты покрытия, а также равномерность нанесения на обрабатываемый объект с минимальными потерями препаратов. Также не следует забывать о недостатках практикуемых способов опрыскивания, рабочие органы не позволяют диспергировать рабочие жидкости на капли одинаковой величины, всегда имеют место: снос капель размером 20...60мкм и стекание тех капель, размер которых 350мкм и более.
Специфика обработок пропашных культур заключается в сложности осаждения препарата непосредственно на теле вредителя, которые преимущественно обитают на нижней стороне листа.
В целях эффективного и рационального использования средств за-
щиты растений, необходимо уделить большое внимание разработке теории и методов конструирования рабочих органов и параметров машин,
# обеспечивающих снижение расхода рабочих жидкостей, уменьшение сно
са факела распыла ветром и одновременно более точное попадание на
обрабатываемые растения.
Нашедшие широкое применение сельскохозяйственные опрыскива
тели не позволяют получить качественный распыл и равномерное
ф отложение распыленной жидкости на поверхности растений. Сущест-
вующая аппаратура сложна по конструкции и малонадежна, применяемые способы опрыскивания не позволяют добиться высокого качества защитных мероприятий на культурах сплошного посева, не говоря уже о пропашных.
* Специальных опрыскивателей для обработки пропашных культур про
мышленностью нашей страны не выпускается. В связи с этим и возникла
необходимость изучения данного вопроса.
Цель исследований состоит в повышении качественных показателей
технологического процесса опрыскивания за счет совершенствования техно-
ф логической схемы его осуществления и способов установки рабочих органов
(распылителей).
Объектом исследований являлся процесс распределения капель защитных растворов на листовой поверхности растений.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие
Ъ задачи экспериментальных исследований:
обоснование параметров установки распылителей;
определение качества обработки верхней и нижней поверхности листьев при различных способах установки распылителей;
определение количества потерь при различных способах опрыскивания;
определение эффективности функционирования исследуемого опры-
7 скивателя.
Научная новизна исследований заключается в разработке нового способа и конструкции машины для опрыскивания пропашных культур с изменяемой высотой установки и угла поворота распылителей относительно горизонта и направления движения; в выявлении количества осевших (верхняя сторона листа) и прилипших (нижняя сторона) капель, площади покрытия каплями разных размерных диапазонов; в разработке специальной методики для проведения экспресс-анализа улавливающих поверхностей, которая позволит быстро и точно настраивать опрыскиватели перед работой, значительно упростить проведение исследований новых опрыскивателей, ускорит процесс испытаний и обработки данных, качественно оценивать эффективность использования средств химизации.
Практическая ценность заключается в рекомендациях по опрыскиванию посевов пропашных культур новым способом.
Апробация разработанного опрыскивателя проводилась в весенне-летний период 2005года на полях Северо-Кавказской опытной станции Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (СКС ВИМ), г. Армавир Краснодарского края.
Публикации и объем работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях Ставропольского государственного аграрного университета в 2002...2005 годах.
По материалам диссертации опубликовано 6 статей, получен один патент на полезную модель и одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена в двух томах и включает 137 страниц основного текста (введение, 5глав, 39 рисунков, 16 таблиц), 11 страниц - списка использованной литературы (108
8 наименований, из них 16 иностранных авторов), 8 приложений включены в
отдельный том, состоящий из 115 страниц.
9 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Химический метод защиты растений и машины для его осуществления
Важнейшим резервом повышения урожайности сельскохозяйственных культур является внедрение интенсивных технологий их возделывания. При этом предполагается коренное улучшение использования удобрений, химических препаратов для защиты растений. В последние годы для подкормки или уничтожения вредителей и сорняков начали широко применяться препараты в виде растворов, суспензий, эмульсий различной концентрации, вносимые в тонкораспыленном состоянии методом опрыскивания [9].
Специфика защиты растений от вредителей состоит в том, что все планируемые мероприятия должны быть проведены в оптимальные сроки, чтобы вредители не смогли причинить экономического ущерба товаропроизводителю.
Все мероприятия по борьбе с вредителями можно объединить в следующие группы, которые принято называть методами: агротехнический, генетический, биологический, химический, механический, физический и карантин растений.
В комплексе мероприятий, проводимых с целью защиты сельскохозяйственных культур от вредителей, ведущее место в настоящее время занимает химический метод борьбы. Суть его заключается в том, что при его применении используется различные химический, большей частью ядовитые для вредных организмов препараты. Химический метод борьбы с вредителями весьма эффективен и может осуществляться почти на всех сельскохозяйственных культурах против большинства вредителей, болезней и сорняков. Этот метод отличается высокой производительностью, так как для его осуществления используют комплекс различных машин и механизмов. Наиболее распространенными средствами механизации данного процесса являются: опрыскиватели, опыливатели, аэрозольные генераторы, протравливатели. Нередко для химической борьбы применяют авиацию. Значительным преимуществом химического метода является возможность его быстрого применения в том случае, когда возникает необходимость уничтожения размножившихся в большом количестве вредителей.
Однако у химического метода борьбы имеются существенные недостатки. Такие как, его осуществление требует определенных затрат на приобретение ядохимикатов, машин, аппаратуры; многие химикаты являются ядовитыми не только для вредителей, но и для человека, теплокровных животных, а также для полезных насекомых (энтомофагов). Поэтому при проведении химической защиты с вредителями необходимо соблюдать все меры безопасности.
Химические препараты, используемые в защитных мероприятиях, выпускаются в виде смачивающих порошков, минеральномасляных эмульсий, эмульгирующихся концентратов, растворимых порошков, гранул. Применяют их посредствам опрыскивания, для чего используют в основном водные эмульсии, суспензии, растворы препаратов в различных концентрациях [10].
По назначению опрыскиватели можно объединить в два класса: садовые опрыскиватели и опрыскиватели полевых культур. Первые используются при обработке многолетних насаждений, виноградников и ягодников. Полевые опрыскиватели применяются для обработки средствами химизации зерновых, пропашных, технических и овощных культур. Классификация средств механизации опрыскивания сельскохозяйственных культур и садовых насаждений приведена на рисунке 1.1 [11].
При проведении защитных мероприятий опрыскиванием различают три способа опрыскивания: полнообъемное, малообъемное и ультрамалообъемное.
Так как целью данной диссертации является разработка опрыскивателя для внесения рабочих жидкостей при возделывании пропашных культур, то необходимо более детально определить, какой из выше указанных способов наиболее эффективен на данных культурах. Для этого рассмотрим каждый способ в отдельности. При полнообъемном опрыскивании растений расход рабочей жидкости составляет 300...2000 л/га, распыливают рабочую жидкость слабой концентрации каплями размером более 250 мкм. При этом в зоне обработки удается осадить лишь 20...70% распыливаемых препаратов, а неравномерность распределения на обрабатываемой поверхности составляет 40%, что приводит к необоснованному перерасходу препаратов и загрязнению окружающей среды. Стекающие капли препарата концентрируются по краям листьев, что приводит к их ожогам.
При малообъемном опрыскивании расход рабочей жидкости изменяется в пределах 75...300 л/га, и распыляется на капли размером 50...250 мкм. Степень осаждения в зоне обработки составляет 70%, а неравномерность распределения 20...25%. При этом имеет место снос капель ветром, из зоны обработки (табл. 1.1)[12].
При ультрамалообъемном опрыскивании с нормой 1...75 л/га, дисперсность капель составляет 25...125 мкм, степень осаждения и неравномерность распределения 80% и 10... 15 % соответственно. Но возникает проблема в осуществлении ультрамалообъемного опрыскивания из-за сноса большого количества препарата даже при незначительном ветре (табл. 1.1) [12].
Лепехин Н.С., Бешанов А.В., Воронов Ф.П. и Зархидзе В.А., проведя опыты по изучению действия гербицидов на сорную растительность в посевах яровой пшеницы и столовой свеклы, сделали следующее заключение: изменение размера капель со 116 до 680мкм и расход рабочей жидкости с 30 до 230 7га почти не оказало влияния на биологическую эффективность гибели сорняков.
Математическое моделирование процесса обработки растений «сверху назад под углом к горизонту»
Для оценки качества опрыскивания растений улавливающие поверхности крепились на листья подсолнечника при помощи канцелярских скрепок. Улавливающие поверхности расставляли следующим образом: было выбрано два яруса «верхний» и «средний», в каждом из ярусов на одном из листьев крепили по две поверхности с соответствующими обозначениями на оборотной стороне «В», «Н» - верхняя и нижняя сторона листа верхнего яруса, «Вср», «Нср» - соответственно верхняя и нижняя сторона листа среднего яруса. Схема расстановки приведена на рисунке 3.3.
Для получения сведений о потерях возле каждого растения с установленными улавливающими поверхностями раскладывались также три поверхности, закрепленные на подложке, причем они распределялись равномерно до середины междурядий. Так же, как и вышеприведенные поверхности, они имели свою маркировку на оборотной стороне - «П» - потери. Они раскладывались по поверхности поля, в междурядье напротив распылителей для того, чтобы поверхности не были «залитыми».
Данный способ раскладки поверхностей применяли для второго и третьего способов. При первом способе обработки поверхности для определения потерь раскладывались справа или слева по ходу движения агрегата но так, чтобы раскладка была одинаковой внутри одной повторности. Для определения оптимальной схемы расстановки распылителей на штанге опрыскивателя и при разных способах обработки растений был проведен предварительный эксперимент. Цель данного эксперимента состояла в определении рационального способа установки распылителей, позволяющего свести к минимуму наложение факелов распыла друг на друга. При исследовании были использованы две схемы установки распылителей: 1. На штанге опрыскивателя распылители устанавливали с шагом 70см, то есть по соседним рядкам. 2. На штанге опрыскивателя распылители устанавливали с шагом 1,4м, то есть через один рядок. При проведении предварительного эксперимента расставляли улавливающие поверхности согласно выше приведенной методики. Данное экспериментальное исследование проводилось при числе повторностей, равном трем, и давление при его проведении оставалось постоянным Р = 2атм. Были установлены красные распылители РЩ — 110 - 1,6. В исследовании распылители устанавливали: 1. Под углом к горизонту над растениями на высоте 10см над ними (угол изменяли в диапазоне -15 /? 15). 2. Кроме того, был опробован способ установки распылителей внутри междурядий, а именно перпендикулярно направлению движения с наклоном вверх или вниз (угол а изменялся в диапазоне -15 а 15). По результатам проведенного эксперимента было решено, устанавливать распылители согласно второй схеме установки, а также провести исследование способа установки распылителей, который объединял бы оба из рассмотренных. Были выбраны для проведения основного эксперимента распылители РЩ - ПО — 0,6, позволяющие добиться дробления факела на более мелкие капели из-за более мелкого проходного отверстия. 3.3.3 Методика проведения основного эксперимента. Опыты проводили в пятикратной повторности, с двукратным повторением для трех способов опрыскивания. В процессе экспериментов изменяли следующие факторы давление Р и углы установки распылителей аир. 3.3.3.1 Методика исследование влияния угла установки (3 на показатели качества опрыскивания (первый способ) На центральной части штанги опрыскивателя были выбраны 9 распылителей, которые установили так, чтобы они захватывали 9 рядков, по схеме, приведенной на рисунках 3.5 и 3.6. Каждому рядку был присвоен номер. В соответствии с рядками, распылителям присвоены номера те же, что и обрабатываемым ими рядкам. А именно, первую пару распылителей (№1, №2) монтировали над соответствующими рядками с углом р = - 15. Причем распылитель №2 отстоял от первого на величину одного междурядья (т.е. 1,4м). Данная установка обусловлена тем, чтобы свести к минимуму влияние одного факела на другой. Распылители №3 и №4 устанавливали, согласно приведенной схеме, но уже под углом р = 0. Распылитель, обрабатывающий 4-й рядок, устанавливали с таким же интервалом что по 2-му рядку, под углом р = 0. Затем над следующими тремя рядками фиксировали три распылителя по традиционной схеме (контроль), то есть перпендикулярно к поверхности поля. Улавливающие поверхности устанавливали по среднему распылителю. Данные распылители (№5 - 7) располагали таким образом, чтобы обрабатывать рядки в колее трактора. Над рядками 8 и 9 располагали распылители третьей пары. Угол установки в этом случае был р = + 15.
Описание опытного участка. Расстановка улавливающих поверхностей. Определение оптимального способа установки распылителей
уровне по углу установки на улавливающих поверхностях В, Вер, Нср и ПЗ (первый способ установки). Также значимость разностей была определена по давлению на улавливающей поверхности Вер того же способа.
Сравнительный анализ первого способа обработки со стандартным показал, что при установке распылителей на угол +15 получена плотность покрытия кап-лями, равная 66,85...87,10шт/см , что на 20% меньше стандартного, но плотность капель на нижней стороне листа превышала стандарт на 74,5% и в среднем составляла 3,9шт/см2. При угле установки 0 также наблюдалось увеличение плотности покрытия нижней стороны листа, но гораздо меньшее 42,2%. По верх-ней стороне плотность покрытия составила 92,7...166,1шт/см , что на 16% больше стандарта. При установке распылителей на р=-15 плотность покрытия верхней стороны листа превосходила стандарт на величину от 4,07 до 22,98шт/см , на нижней стороне листа данный показатель превосходил значения стандартного способа на 50%.
По количеству потерь была замечена общая тенденция к увеличению количества капель с уменьшением угла установки до р=-15. Принимая во внимание вышеприведенные факты, можно сделать заключе ние: при Р=0,2МПа следует устанавливать распылители на угол +15, а при 0,3 МПа на угол, равный 0. Результаты дисперсионного анализа по второму способу обработки По второму способу факторы варьировали в следующих пределах: Давление Р на двух уровнях - Р=0,2МПа; Р=0,ЗМПа. Угол а на трех уровнях — а = -15; а = 0; а = +15. Результаты дисперсионного анализа представлены в таблицах 4.7 и 4.8, в которых приведены данные о влиянии давления Р и угла установки распылителя а на количество капель, осевших на улавливающие поверхности, а также на пло щадь покрытия. По данным таблиц 4.7 и 4.8 построены графические зависимости, приведенные на рисунках 4.3 и 4.4. Анализируя графические зависимости, приве денные на рисунке 4.3, можно заметить, что при давлении 0,2 МПа и а=+15, на верхнем ярусе улавливающие поверхности «В» и «Н» уловили соответственно 1692,2 и 33,8капли. При этом на среднем ярусе «Вер» - 1196,8 и «Нср» I 21,0капель. При количестве потерь по поверхностям 2707,8; 2707,8; 2677,2 соот ветственно. В свою очередь при угле установки а = 0 число осевших капель на поверхности «В» фактически равно с предыдущим вариантом, а на поверхности «Н» отличается на 8,8 в меньшую сторону. Напротив, на среднем уровне по поверхностям «Вер» можно сказать, что разница составила 106,0 капель в пользу v, последнего, а по «Нср» - 11,6 капель соответственно. Общее число потерь было больше у варианта а = 0 на величину 235,4 капли. При угле а=-15 число капель на поверхностях «Н» и «Нср» одинаково с установкой а=+15 и составляет соответственно 33,8 и 21,0 каплю. На верхних улавливающих поверхностям осело 1932,6шт. для «В» и 1794,2шт. для «Вер» соответственно.
Результаты дисперсионного анализа по первому способу обработки
Экономическая эффективность новых технологий и новой сельскохозяйственной техники определяется по их влиянию на улучшение конечных показателей сельскохозяйственного производства, главным образом, на прирост прибыли за счет повышения урожайности, улучшения качества продукции, сокращения затрат труда и сокращение себестоимости производства продукции. В свою очередь снижение себестоимости продукции растениеводства во многом зависит от принятой технологии возделывания, стоимости машин и оборудования, затрат на семенной материал и средства защиты растений, а также от издержек по эксплуатации используемой техники.
Использование разработанной ранее и уже несовершенной техники для защиты растений экономически невыгодно, так как эксплуатация устаревшей техники подразумевает гораздо большие затраты труда и денежных средств на обслуживание и ремонт. Изношенность основных частей опрыскивателей зачастую приводит к чрезмерному увеличению норм расхода и без того дорогостоящих препаратов. В условиях современной рыночной экономики, когда общество не в состоянии инвестировать достаточно финансовых средств в сельское хозяйство, на первый план выходит научно-технический прогресс, который подразумевает использование научно обоснованных с точки зрения конструкции и капитальных вложений, машин. К сожалению большинство хозяйств не оперативно реагируют на изменения рынка, лишь единицы из них способны внедрить в производство новую высококачественную, а следовательно более дорогую технику.
С целью повышения покупательского спроса машины и оборудование для защиты растений, в том числе и пропашных культур, должны иметь низкую стоимость и эксплуатационные издержки, простую конструкцию, не высокую материалоемкость, более высокую производительность при меньшем потреблении энергии. Дорогостоящее оборудование, как показывает практика, имеет более значительный срок окупаемости, что также не способствует укреплению отстающих хозяйств. Расчет экономической эффективности нового способа опрыскивания и изменяемыми углами установки распылителей проведен на основании действующих методик, стандартов и нормативных документов [101,102] с учетом среднегодового уровня инфляции. Предлагаемый способ опрыскивания пропашных культур предусматривает в момент проведения защитных мероприятий распылители устанавливать на разные углы относительно горизонта и направления движения агрегата, а также на различную высоту, что позволяет обрабатывать посевы практически при любом ветре. Предлагаемый способ обработки растений сравнивали с традиционным способом опрыскивания и опрыскивателем ОП - 2000 -2-01, так как эта машина в настоящее время является наиболее часто применяемой. При расчетах было сделано допущение, подкрепленное научными ф исследованиями [103], о том, что при проведении защитных мероприятий мелкокапельным способом прирост урожайности составляет 15%. Для определения стоимости конструкции предлагаемого опрыскивателя также использовались каталоги [104,105]. Нормы выработки и расходы топлива были приняты согласно работ [106 - 108]. л Последовательность решения и конкретно полученные числовые значения показателей представлены в приложении 6. Результаты расчетов представлены в таблице 5.1. Проведенная технико-экономическая оценка опрыскивания позволяет сделать следующие выводы: - применение опрыскивателя в технологическом процессе защиты растений Показатели экономической сравнительной эффективности способов опрыскивания позволяет получать чистый дисконтированный доход за период эксплуатации (5 лет) в 2716,55 тыс. руб. на площади 100 га, что на 19,3% больше базового варианта; - единовременные капитальные вложения составляют 420,7 тыс.руб., что на 2% меньше базового варианта; - себестоимость защитных мероприятий снизилась на 18% и составила 4,36 тыс.руб; - трудовые затраты в сравнении с базовой технологией опрыскивания снижаются в 1,37 раза (с 11,13 чел.ч до 8,12 чел.час на 100га); - эксплуатационные затраты по предлагаемому варианту также ниже базового и составляют 2,03 тыс.руб. При этом срок окупаемости капитальных вложений составил 0,31 года. В предлагаемой диссертации изложены результаты исследований по обоснованию новых способов опрыскивания, конструкции и режимов работы опрыскивателя для химической защиты пропашных культур. Исследования показали малую эффективность имеющихся опрыскивателей как отечественного, так и импортного производства. В работе доказывается целесообразность обработки нижней (абаксиальной) стороны листьев в силу большего числа устьечных клеток, а также большего количества вредителей, населяющих эти поверхности. Доказывается необходимость разработки конструкции опрыскивателя, позволяющей проводить обработки по предложенной схеме. Она содержит конкретные решения задач технического и технологического характера, что позволяет надеяться на решение поставленной научно-технической проблемы. Обоснованность исходных предпосылок, аналитических и теоретических исследований, справедливость сделанных выводов подтверждена полевыми экспериментами. Проведенные экспериментальные исследования дали возможность научно обосновать предлагаемые технологические схемы опрыскивания и явились техническим решением, имеющим теоретическую и практическую ценность. На основе проведенных исследований разработана конструкция опрыскивателя с регулируемыми держателями для распылителей, позволяющего проводить обработки на разных культурах в разные фазы их развития.
