Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Основные аспекты технологии опрыскивания 8
1.2 Технические средства опрыскивания 17
1.3. Основные направления исследований по технологии опрыскивания 28
1.4. Методы оценки качества работы опрыскивателей 32
1.5 Постановка вопроса и задачи исследования 40
2. Анализ технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 44
2 .1. Модель функционирования пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 44
2.2. Идентификация технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 57
2.3.Доверительное оценивание элементарных моделей 63
2.4. Выбор минимально необходимой информации для достоверной оценки технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 68
2 5 Оценка эффективности технологического
процесса работы пневматического штангового
ультрамалообъемного опрыскивателя 71
3. Программа и методика экспериментальных исследований технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 75
3.1. Задачи и программа экспериментальных исследований 75
3.2. Методика проведения лабораторного экспериментального исследования 77
3.3. Методика проведения полевого экспериментального исследования 81
3.4. Приборы и аппаратура экспериментальных исследований 86
3.4.1. Полевая исследовательская установка 8 6
3.4.2. Устройство и принцип работы датчиков 88
3.4.3. Тарировка измерительных каналов 90
3.5.Методика определения качественных показателей опрыскивания 92
4. Результаты экспериментальных исследований технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 97
4.1. Результаты лабораторного экспериментального исследования распылительной системы 97
4.2. Результаты полевого экспериментального исследования распылительной системы 102
4.3. Оценки статистических характеристик технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 105
4.4.Идентификация технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 109
5. Повышение эффективности работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 111
5.1. Исследование технологического процесса работы пневматического штангового опрыскивателя опрыскивателя методами имитационного цифрового моделирования 111
5.2. Повышение эффективности технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя за счет контроля и управления 127
5.3. Повышение эффективности технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя за счет распылительной системы 131
5.4. Экономическая эффективность использования пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя 133
Основные выводы 136
Список литературы 139
Приложения 151
- Основные направления исследований по технологии опрыскивания
- Идентификация технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя
- Методика проведения полевого экспериментального исследования
- Результаты лабораторного экспериментального исследования распылительной системы
Введение к работе
В настоящее время в нашей стране и за рубежом остро стоит проблема защиты растений. В Российской Федерации ежегодно от вредителей и болезней теряется растениеводческой продукции, в перерасчете на зерно, до 100 млн. тонн, что в денежном выражении составляет 10 млрд. долларов [84] . Столь внушительные потери характеризуют низкий уровень мероприятий по защите растений, проводимых в нашей стране. В значительной мере это обусловлено сложным экономическим положением в стране. Тем не менее, ситуация, возникшая в сфере защиты растений, требует безотлагательного разрешения, для чего необходимо использование самых современных научных и практических достижений в области защиты растений. Одним из наиболее эффективных методов защиты растений является химический метод, основанный на применении против вредных объектов специальных химических веществ - пестицидов. Состояние защиты растений на современном этапе позволяет предполагать, что в обозримом будущем использование химических препаратов для защиты растений заметно возрастет.
Одним из способов использования химических препаратов является опрыскивание. Несмотря на неоспоримые преимущества, интенсивное применение опрыскивания может неблагоприятно сказываться на окружающей среде. В развитых европейских странах, где объемы использования пестицидов в капельной форме весьма значительны, все чаще поднимается вопрос об экологическом аспекте защитных мероприятий [84].
Поэтому сокращение потерь растениеводческой продукции от вредителей и болезней с одновременным уменьшением вредного воздействия химических препаратов на окружающую среду - одна из первоочередных задач химического метода защиты, причем, особая роль в ее решении отводится механизации защитных мероприятий. Нашедшие широкое применение для химической защиты растений сельскохозяйственные опрыскиватели не позволяют работать с малыми и ультрамалыми нормами расхода рабочей жидкости, получать качественный распыл и равномерные отложения распыленной рабочей жидкости на обрабатываемых площадях. Постоянное снижение норм расходов рабочей жидкости и увеличение опрыскиваемых площадей предъявляют высокие требования к опрыскивающей технике. Существующая аппаратура сложна и малонадежна, особенно для опрыскивания с ультрамалыми нормами расходов рабочей жидкости. Развитие технических средств для ультрамалообъемного опрыскивания продолжается. Поэтому разработка, совершенствование конструкций ультрамало-объемных опрыскивателей и изучение технологических процессов их работы весьма актуальны.
Настоящая работа посвящена повышению эффективности технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя.
В первой главе на основе анализа литературных источников показывается, что значительное повышение экономической и биологической эффективности опрыскивания связано с совершенствованием распылительных систем ультрамалообъемных опрыскивателей.
Во второй главе рассмотрены вопросы функционирования пневматического штангового ультрамалообъемного оп рыскивателя и образования воздушно-капельной струи. На основе разработанной модели функционирования приведена идентификация технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя. Выбраны методы доверительного оценивания статистических характеристик исследуемых процессов. Определены необходимый объем экспериментальной информации и критерии оценки качества выполнения технологического процесса.
В третьей главе освещены программа, задачи и методика экспериментального исследования технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя. Приведено описание приборов и аппаратуры используемой для получения информации об исследуемом технологическом процессе работы пневматического опрыскивателя в нормальных условиях функционирования. Изложена методика определения качественных показателей процесса опрыскивания с помощью персонального компьютера.
В четвертой главе приведены результаты лабораторного и полевого экспериментальных исследований, а также результаты идентификации технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя.
В пятой главе рассмотрены мероприятия направленные на повышение эффективности работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя.
Результаты работы показали эффективность использования пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя.
Основные направления исследований по технологии опрыскивания
В настоящее время накоплена обширная научная информация о результатах исследований, связанных с основными аспектами технологии опрыскивания, среди которой можно выделить несколько основных направлений исследований в области технологии опрыскивания.
С момента начала широких исследований процесса опрыскивания в конце сороковых годов и до середины семидесятых годов наиболее значимыми оказались два направления. Первое, связанное с изучением механизмов образования, распространения и оседания распылов рабочих жидкостей. Второе, связанное с изучением факторов, оказывающих влияние на эффективность химических обработок.
Процессы образования и распространения капельных струй основываются на теориях центробежной форсунки и свободной турбулентной струи, разработанных Г.Н. Абрамовичем [1,24]. Теория центробежной форсунки описывает процессы протекающие в любом распылительном наконечнике, в котором жидкость приобретает момент количества движения относительно оси сопла. По этой теории в центральной части сопла форсунки располагается воздушный вихрь, в связи с чем жидкость не полностью заполняет сечение сопла. Радиус этого вихря зависит от напора и размеров форсунки, но в любом случае коэффициент расхода принимает максимальное значение. Поэтому конструктивные и технологические расчеты подобных распылителей становятся достаточно простыми [2 6] . В связи с сокращением норм расходов жидкости и переходом на малообъемное опрыскивание центробежные распылители претерпевали изменения. Так для уменьшения расхода рабочей жидкости в сопловую часть центробежного распылителя пытались дополнительно подавать воздух. Тонкая струя воздуха поступала в воздушный вихрь и расширяла его. При этом толщина пленки жидкости уменьшалась и, кроме того, в ней возникали дополнительные возмущения, вследствие чего размер образующихся капель становился меньше [39] . Дальнейшим развитием центробежных распылителей стало создание рециркуляционных распылителей [58] . Последним достижением в этой области стало создание специалистами ВИЗР нового распылителя с открытой камерой [75,84]. Такие распылители создают качественный распыл (100-400 мкм) , практически не забиваются и безотказны в работе.
Предпосылкой применения теории турбулентной струи для процесса опрыскивания послужило широкое использование для нанесения химикатов на обрабатываемые поверхности малообъемных вентиляторных опрыскивателей. Воздушно-жидкостная струя создаваемая такими опрыскивателями представляет собой двухфазную среду, причем концентрация жидкой фазы сравнительно не велика, поэтому ее можно рассматривать как свободную затопленную турбулентную струю. На основе теории турбулентной струи можно определить характер распределения капель рабочей жидкости в факеле распыла.
Теория турбулентной струи лежит в основе функционирования пневматических распылителей. Конструкции пневматических штанговых опрыскивателей создавались у нас в стране и за рубежом [56], однако широкого применения в нашей стране, в отличие от других европейских стран, они не нашли. Поэтому направления, касающиеся создания, исследования и освоения новых конструкций пневматических штанговых опрыскивателей остаются в нашей стране пока перспективными.
Не менее существенными выглядят работы по исследованию широкого класса явлений, возникающих при работе механических распылителей, выполненные Дунским В.Ф., Никитиным Н.М. и Соколовым М.С. В работе [24] содержится решение наиболее сложной проблемы опрыскивания - рассмотрены и обоснованы способы и режимы получения монодисперсных распылов.
Проблемам, связанным с вопросами биологической, технической и экономической эффективности опрыскивания, посвящено значительное количество работ. Многие из этих работ содержится, в основном, в различных специализированных журналах и сборниках статей. Значительная часть материалов изданных до 80-х годов собрана, обработана и систематизирована в [26]. В этой работе, на основе исследований проделанных в нашей стране и за рубежом, подробно освещен вопрос связанный с оптимальным размером капель, эффективностью доз, способами и средствами получения равномерных отложений пестицидов, механизмами возникновения потерь и мерами по их сокращению. Исследования в этом направлении не прекращаются и в настоящее время [34,47,48,49].
За последние 10-15 лет значительная доля исследований в области технологий опрыскивания была связана с вопросами создания и совершенствования опрыскивающей техники, в том числе, способной работать с ультрамалыми расходами рабочей жидкости [3,12,50]. К отдельным ветвям этого направления следует отнести: 1) обеспечение направленной обработки с заданным контролируемым размером капель [2,7,8,9,10]; 2) повышение эффективности и равномерности отложения препарата за счет электростатической зарядки капель [5,6,23,37]; 3) повышение эффективности за счет оперативного контроля и управления [38,80].
Вопросы создания и совершенствования опрыскивающей техники давно вышли за пределы конструкторских разработок и представляются исследовательскими задачами. Процессы образования и распределения распылов рабочих жидкостей очень сложны, изучение их чаще всего возможно только эмпирическими или полуэмпирическими методами, что требует использования специальных научных методов, таких как метод планирования эксперимента [52,55] или метод идентификации [61].
Идентификация технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя
При проведении экспериментальных исследований существенной является задача определения минимально необходимого объема информации с тем, чтобы определяемые характеристики и операторы моделей технологического процесса функционирования пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя были достаточны с точки зрения достоверности получаемых оценок. При этом количество информации должно быть таким, чтобы по возможности уменьшить до минимума объемы вычислительных работ в процедурах расчета статистических показателей.
Поскольку при расчетах используется цифровая обработка результатов эксперимента, то непрерывные реализации необходимо преобразовать в дискретный вид без значительной потери информативности. Для этого необходимо выбрать шаг дискретизации (интервал опроса датчиков) . Он выбирается из условия соъЛЬ=я, где сов -наибольшее значение частоты в спектре контролируемых процессов. Для процессов наблюдаемых при работе сельскохозяйственных машин характерны частоты 25-35 с-1 [44] . Таким образом, шаг дискретизации At составляет 0,05-0,1 с. Для пневматического опрыскивателя, в процессе работы которого осуществляется распределение рабочей жидкости по поверхности, дискретизацию можно увязать с перемещением машинно-тракторного агрегата. Учитывая, что Al=Va-At при средней скорости движения агрегата в 7 км/ч, получаем интервал А1 равным 0, 1-0,2 м.
Не менее важное значение при получении экспериментальных данных имеет длительность регистрации Г исследуемых процессов. Профессором А.Б. Лурье на основе опыта обработки результатов многочисленных исследований сельскохозяйственных агрегатов было рекомендовано Т= (200-500) -At [44]. Установлено [67], что для достоверного анализа данных достаточно Т=(160-200)-At. При таком значении оценка получаемого статистического показателя стабилизируется и в дальнейшем практически не изменяется. В таком случае, при А1 равном 0,1 и N равном 200 длина зачетного участка будет составлять 20 м.
Пневматический штанговый ультрамалообъемный опрыскиватель является многоканальной системой, состоящей из нескольких пневматических распылителей со своими коммуникациями. Поэтому такой же важной задачей является определение минимального объема информации по ширине машины. Для этого необходимо исследовать однородность (равноточность) реализаций процессов, получаемых синхронно с нескольких каналов исследуемого объекта. Как правило, для каждого канала математическое ожидание т и дисперсия а2 процесса имеют различные значения. Это объясняется, прежде всего, отклонениями в индивидуальных настройках распылителей (по математическому ожиданию) и нестабильностью их работы (по дисперсиям), например, засорение питательных коммуникаций или жиклеров в процессе работы. Поэтому, реализации процессов, полученные для каждого распылителя, следует рассматривать как генеральные совокупности. Допустимость различия (или однородность) оценок математического ожидания можно определить по случайной величине z, используемой в качестве критерия [17,78]. Величина z имеет нормальное распределение и определяется по выражению при заданном уровне значимости (1 2а)/2 определяется критическое значение zKp. Если \ z\ zKp, то реализации однородны по математическому ожиданию. Для определения однородности дисперсий можно воспользоваться критерием Кохрэна, определяемого по выражению Распределение случайной величины G зависит от числа степеней свободы K=N-1 и количества реализаций (выборок). Если значение G GKp при уровне значимости а, то дисперсии можно считать однородными. Значения G табулированы в [11,17], Однородность изучаемых процессов по математическому ожиданию и дисперсии для каждого распылителя позволяет получать необходимую для анализа информацию по одному каналу. 2.5. Оценка эффективности технологического процесса работы пневматического штангового ультрамалообъемного опрыскивателя Оценкой эффективности технологического процесса работы пневматического опрыскивателя принята средняя относительная длительность Рр сохранения допуска /? на отклонение фактического значения контролируемого параметра KL(t) от настроечного Кн. В силу случайного характера входных процессов, выходной процесс - расход рабочей жидкости по пути KL(t) - постоянно изменяется в ходе работы опрыскивателя. При заданных значениях настройки.
Методика проведения полевого экспериментального исследования
Полевое экспериментальное исследование опытного образца пневматического штангового ультрамалообъемно-го опрыскивателя проводилось на опытном поле ЯГСХА в летне-осенний период 2000 г. Полевое исследование предполагало завершение программы первого этапа экспериментальных исследований - исследование распылительной системы пневматического опрыскивателя в полевых условиях и проведение второго этапа исследований - синхронную регистрацию входных и выходных процессов . Для проведения полевого исследования участки выбирались таким образом, чтобы на них можно было выполнить весь объем работ, в соответствии с разработанными программами исследования. Тип почв на опытных участках - тяжелый суглинок, растительный покров -многолетние травы.
Длина зачетного участка L, обеспечивающая получение достоверной информации о технологическом процессе, как отмечалось ранее, составляет 2 0 м. Длина участка разгона исследуемого пневматического опрыскивателя принята не менее 10-15 м.
Перед исследованием опрыскиватель настраивался на требуемую норму расхода 14 л/га. Скорость движения машинно-тракторного агрегата составляла 2 м/с. Исследование проводилось с использованием рабочей жидкости, представляющей собой водный раствор красителя.
Полевое исследование распылительной системы опрыскивателя состояло в получении отложений распыленной жидкости на улавливающих поверхностях. Для этого использовались специальные подложки, на которых закреплялись бумажные улавливающие поверхности. Размер улавливающих поверхностей составлял 0,25 х 0,1 м. Для оценки качества опрыскивания сельскохозяйственных растений использовались специально изготовленные модели куста картофеля. Модель куста, приведенная на рис.3.3, состоит из подставки и проволочного каркаса, на котором закреплены бумажные листки. Размеры бумажных листков соответствуют размерам листьев картофеля. Число листьев составляет 15-20 штук. Высота куста находится в пределах 25-30 см. Расположение улавливающих поверхностей и моделей куста картофеля при проведении полевого эксперимента показано на рис.3.4. Пневматический распылитель располагался на высоте 1,2 м над поверхностью поля. В соответствии с программой второго этапа экспериментальных исследований непрерывно и синхронно регистрировались следующие процессы: скорость движения агрегата vaU)(t), расход рабочей жидкости q(l) (t) , густота покрытия ри (t).
Для регистрации процесса густоты покрытия обрабатываемых поверхностей каплями pU)(t) были использованы бумажные улавливающие поверхности таких же размеров, что и в предыдущем случае. Улавливающие поверхности закреплялись на подложках (рис. 3.5.). Расположение улавливающих поверхностей на втором этапе исследований показано на рис.3.6.
Регистрация процессов va(l (t) и qu (t) осуществлялась с помощью измерительных преобразователей (датчиков) , усилительно-преобразующей и регистрирующей аппаратуры, описание которых приведено в разделе 3.4.
После подключения датчиков к усилительно-преобразующей и регистрирующей аппаратуре осуществлялся прогрев элементов измерительного комплекса и проверка измерительных каналов. Перед прохождением зачетных участков производилась запись уровней сигналов, соответствующих нулевым показаниям первичных преобразователей. На участке разгона пневматический опрыскиватель приводился в рабочее состояние и осуществлялся разгон агрегата до заданной рабочей скорости. При прохождении начала и конца зачетного участка производилась соответствующая отметка в регистрирующем устройстве.
Электрические сигналы от датчиков записывались с помощью регистрирующей аппаратуры, размещенной в кабине трактора. Капли распыленной рабочей жидкости осаждались на улавливающие поверхности. Отложения распыленной рабочей жидкости ри (t) обрабатывались по специально разработанной методике, изложенной в разделе 3.5.
Результаты лабораторного экспериментального исследования распылительной системы
Анализ табл.4.1 показывает, что в процессе работы пневматического распылителя на дисперсность распыла в большей мере влияют первые два параметра - давление воздуха Р и диаметр жиклера D. В том случае, когда заправочная емкость находится на одном уровне с распылителем, третий последний параметр h не оказывает никакого влияния на дисперсность распыла. Тем не менее, заправочная емкость в конструкции пневматического опрыскивателя необходима, поскольку позволяет исключить отрицательное действие уровня рабочей жидкости в баке опрыскивателя на качество образующейся воздушно-капельной струи.
Из уравнений (4.2) и (4.3) следует, что для получения дисперсности распыла, регламентируемой агротехническими требованиями [53] (dM=60-150 мкм), давление воздуха у второго варианта распылителя находится в меньших пределах (0,1-0,2 МПа), чем у первого (0,2-0,3 МПа) . Первый вариант распылителя предназначен для опрыскивания многолетних насаждений, поэтому более высокое рабочее давление воздуха позволяет получить воздушно-капельную струю с большей дальнобойностью.
При выбранных рациональных параметрах распылителей расход рабочей жидкости соответствует нормам принятым для ультрамалообъемного опрыскивания (5-15 л/га) и устанавливается проходным сечением дозирующего устройства. При этом следует учесть, что при эжектирова-нии рабочей жидкости в указанном диапазоне давлений с ростом давления воздуха происходит и рост расхода рабочей жидкости. Однако он невелик и составляет около 4% при изменении рабочего давления воздуха на 0,05 МПа в диапазоне давлений от 0,1 МПа до 0,2 МПа.
Таким образом, при настройке пневматического опрыскивателя, манипулируя двумя настроечными параметрами - давлением нагнетаемого воздуха и проходным сечением жиклера, можно получать распыл, соответствующий требованиям ультрамалообъемного опрыскивания по норме расхода рабочей жидкости и дисперсности.
В ходе лабораторных экспериментов [70] установлен спектральный состав образующейся системы капель у каждого из распылителей. В результате опытов были получены интегральные кривые распределения долей массы рабочей жидкости по классам размеров при разных давлениях нагнетаемого воздуха и различных расходах рабочей жидкости, которые приведены на рис.4.1.
Анализ интегральных кривых позволяет сделать вывод, что дисперсность распыла рабочей жидкости у второго варианта пневматического распылителя изменяется в меньшей степени при изменении расхода рабочей жидкости, чем в случае с первым. Спектр размеров образуемых капель для первого пневматического распылителя находится в пределах 20-300 мкм. При этом медианомассо-вый диаметр находится в пределах 120-200 мкм. У второго пневматического распылителя спектр размеров меньше и составляет 20-225 мкм, причем медианомассовый диаметр капель находится в пределах 70-105 мкм. Таким образом, второй пневматический распылитель создает более узкий спектр распыла и работает более стабильно, чем первый, особенно при различных расходах рабочей жидкости. Улучшение показателей распыления рабочей жидкости вторым вариантом распылителя достигается за счет увеличенного внешнего диаметра D2 жиклера (рис.3.1.). Образующая более широкая зона разряжения растягивает струйку рабочей жидкости, выходящую из жиклера, вызывая в ней дополнительные колебания. Большая часть рабочей жидкости попадает в воздушный поток, двигаясь по торцевой поверхности жиклера от отверстия к периферии, образуя на ней тонкую пленку. Струя воздуха, выходящая из кольцевой щели, в своем начальном поперечном сечении имеет форму кольцевой щели распылителя. Поток воздуха, обладающий высокой скоростью захватывает частицы рабочей жидкости и, распространяясь дальше, образует вблизи сопла зону смыкания; частицы жидкости, проходя сквозь зону смыкания, дополнительно дробятся и далее транспортируются на обрабатываемую поверхность.
Повышение эффективности функционирования предлагаемого пневматического опрыскивателя достигается за счет выбора рациональных режимов работы в соответствии с изменяющимися условиями их функционирования. Процесс отыскания рациональных режимов заключается в проведении экспериментального исследования пневматического опрыскивателя. Недостатком экспериментального исследования является невозможность воссоздания всего спектра разнообразных условий функционирования. При этом затраты средств и времени на варьирование параметров элементов конструкций и условий функционирования становятся достаточно велики.
Для решения задач связанных с выбором рациональных режимов работы и конструктивно-технологических параметров сельскохозяйственных агрегатов в настоящее время все чаще применяются методы имитационного моделирования. Данные методы позволяют воспроизвести реальные условия функционирования моделируемых объектов и получить информацию об их выходных показателях. При этом объект представляется в виде математической модели, оператор которой описывает связь между входными и выходными величинами и является строгим математическим соотношением, например, уравнением регрессии.
Основой для разработки методологии и принципов математического моделирования являются теоретические выводы, изложенные во втором разделе данной работы. Математические модели могут быть получены не только в результате экспериментальных исследований, но и аналитических расчетов. Моделирование осуществляется с помощью современных вычислительных средств с использованием специального программного обеспечения [18] . Методами цифрового моделирования производится построение дискретных моделей сельскохозяйственных агрегатов и их условий функционирования. Такие методы моделирования позволяют исследовать модели сельскохозяйственных агрегатов в широком диапазоне входных воздействий, изменять их параметры и производить интерпретацию результатов в зависимости от задач, стоящих перед исследованием. На основе результатов имитационного моделирования производится выбор рациональных режимов работы исследуемых агрегатов, обеспечивающих повышение эффективности их функционирования в различных условиях. Общими задачами цифрового имитационного моделирования сельскохозяйственных агрегатов являются [67]: - сбор информации о работе исследуемых агрегатов в нормальных условиях функционирования; - построение математических моделей процессов и объектов с высокой степенью адекватности; - построение дискретных аналогов исследуемых процессов; синтез программно-аппаратного моделирующего комплекса; - проведение моделирующих экспериментов.
