Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Значение мероприятий по защите растений от болезней, вредителей и сорняков. Классификация средств механизации для защиты растений 9
1.2. Основные требования к технологическому процессу работы опрыскивателя 15
1.3. Анализ существующих конструкций отечественных и зарубежных распылителей опрыскивателей 18
1.4. Анализ научно-исследовательских работ по совершенствованию опрыскивателей 30
1.5. Цель и задачи исследования 32
2. Методика исследований 34
2.1. Определение характеристик рельефа поверхности поля 34
2.2. Экспериментальная установка для определения основных характеристик работы распылителей 36
2.3. Оценка качества работы распылителей 38
2.4. Методика определения размера капель 40
2.5. Определение потерь напора в нагнетательной магистрали 44
2.6. Оценка погрешностей измерений 45
Выводы по главе 46
3. Обоснование параметров штангового опрыскивателя 48
3.1. Общая модель функционирования агрегата в технологическом процессе 48
3.2. Расчетная схема агрегата и выбор обобщенных координат 49
3.3. Математическая модель процесса движения опрыскивателя... 50
3.4. Факторы, влияющие на колебания штанги при работе опрыскивателя 56
Выводы по главе 70
4. Исследование показателей работы различных типов распылителей и обоснование режимов их работы 71
4.1. Определение удельного объемного расхода рабочей жидкости 72
4.2. Определение коэффициента вариации распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности 81
4.3. Построение гистограмм распределения рабочей жидкости для различных распылителей 85
4.4. Определение среднего диаметра капель 93
4.5. Определение влияния диаметра капель рабочей жидкости на равномерность их распределения по обрабатываемой поверхности 97
4.6. Определение потерь давления в трубопроводе штанги опрыскивателя 100
4.7. Обоснование расстояния между распылителями на штанге 116
4.8. Определение степени покрытия каплями обрабатываемой поверхности 119
4.9. Оценка погрешностей измерений 120
Выводы по главе 121
5. Экономическая оценка эффективности применения распылителей 123
5.1. Экономическая оценка применения распылителей 123
5.2. Энергетическая оценка применения распылителей 127
Основные выводы 133
Список литературы 136
Приложение 14
- Значение мероприятий по защите растений от болезней, вредителей и сорняков. Классификация средств механизации для защиты растений
- Экспериментальная установка для определения основных характеристик работы распылителей
- Общая модель функционирования агрегата в технологическом процессе
- Определение коэффициента вариации распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности
Введение к работе
Поражение растений болезнями, вредителями и сорной растительностью является одной из причин снижения урожайности сельскохозяйственных культур. Потери урожайности при этом могут составлять 30-50 % и более [63]. Сохранить урожайность сельскохозяйственных культур в этих условиях можно проведением комплекса мероприятий, включающих карантинные, агротехнические, механические, физические, химические, биологические и другие методы защиты.
В настоящее время наибольшее распространение получили химические методы защиты, к которым относятся протравливание, опрыскивание, опы-ливание, применение аэрозолей, фумигация.
Из существующих способов защиты растений при возделывании зерновых культур наиболее широко применяется опрыскивание.
Используемые для опрыскивания пестициды практически универсальны: их можно не только применять против большинства вредителей, болезней и сорных растений во всех сельскохозяйственных культурах и разных угодьях, но и обрабатывать ими различные помещения и сооружения. Проблема рационального использования пестицидов при опрыскивании в настоящее время приобрела мировое значение, поскольку от ее решения прямо зависят количество и качество продуктов питания, экологическое благополучие и здоровье человека.
При равномерном нанесении капель на поверхность растений, однородном их составе, отсутствии сноса распыленной волны создается возможность не только получить высокие конечные результаты, но и сократить расход дорогостоящих пестицидов, обеспечить безопасность окружающей среды. К сожалению, на практике качество распыла оставляет желать лучшего из-за несовершенства конструкций опрыскивателей и распыливающей аппаратуры, низкого качества их изготовления [1].
В связи с этим тема диссертации, направленная на обоснование конструктивных параметров опрыскивателя и типа распылителей, является актуальной и имеет народнохозяйственное значение.
Диссертационная работа состоит из пяти глав.
Первая глава посвящена выявлению значения защиты растений от болезней, вредителей и сорняков, установлению основных требований при работе опрыскивателей, анализу существующих конструкций, распылителей опрыскивателей отечественного и зарубежного производства. На основе существующей проблемы сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе изложены программа проведения исследований, частные методики исследований процесса работы опрыскивателя и работы распылителей, разработанные автором.
Третья глава посвящена изучению технологического процесса опрыскивания: разработке расчетной схемы агрегата, составлению уравнения движения опрыскивателя по неровностям рельефа поля и получению зависимостей величины смещения штанги от характеристик рельефа поля и параметров опрыскивателя. Установлены рациональные параметры расстояния между опорными колесами опрыскивателя в зависимости от характеристик рельефа поля и длины штанги опрыскивателя. Получена зависимость величины смещения штанги опрыскивателя от расстояния между колесами при различных длине штанги и характеристиках рельефа поля.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния высоты расположения распылителей и давления в системе на равномерность распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности, размеры капель и степень покрытия растений каплями рабочей жидкости различными типами распылителей.
В пятой главе приведены результаты сравнительной экономической эффективности от применения рекомендуемых и существующих распылителей.
Работа выполнена согласно межведомственной координационной программе о фундаментальных и приоритетных прикладных исследованиях по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001...2005 гг. «Научные основы формирования и функционирования эффективного агропромышленного производства» по направлению 02.01 «Разработать новое поколение экологически безопасных ресурсосберегающих машинных технологий и создать комплекс конкурентоспособных технических средств для устойчивого производства приоритетных групп сельскохозяйственной продукции для растениеводства», где Челябинский государственный агроинженерный университет является исполнителем.
Научная новизна. Разработаны расчетные схемы агрегата для опрыскивания, составлены уравнения для определения величины смещения штанги при движении по рельефу поля в различных направлениях. Впервые получены зависимости колебаний штанги от расстояния между колесами опрыскивателя при движении по поверхности поля. Разработана экспериментальная установка, обоснованы типы распылителей, обеспечивающие выполнение агротребований к равномерности распределения рабочей жидкости по поверхности поля, обосновано месторасположение распылителей на штанге опрыскивателя.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Результаты исследований позволяют на начальном этапе проектирования определять зоны смещения крайних распылителей на штанге опрыскивателя при известных характеристиках рельефа поля и выбирать рациональные параметры опрыскивателя. Практическую значимость имеют рекомендованные параметры расстояния между колесами опрыскивателя и технологические параметры месторасположения распылителей на штанге, обеспечивающие равномерность распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности, а также рекомендуемые типы распылителей для различных условий работы. Результаты исследований переданы в научно-исследовательский институт
7 механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства (НИИ-МАСП). Установка по изучению параметров распылителей внедрена в учебный процесс ЧГАУ.
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований доложены, обсуждены и одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ЧГАУ (г.Челябинск, 2002 - 2006 гг.), на научно-практической конференции молодых ученых-аспирантов Уральской ГСХА (г.Екатеринбург, 2005 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографии и приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка, 11 таблиц и 5 приложений. Список использованной литературы включает в себя 110 наименований.
На защиту выносятся следующие результаты:
расчетная схема агрегата, математические зависимости для определения величины смещения крайних распылителей опрыскивателя при движении агрегата по различным рельефам поверхности поля;
результаты моделирования на ЭВМ процесса движения агрегата по рельефу поля и зависимости смещения крайних точек крыла штанги от расстояния между колесами опрыскивателя при различных длинах крыла штанги и направлениях движения агрегата;
- обоснованные для применения в сельскохозяйственном производстве типы распылителей, которые обеспечивают равномерное распределение рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности в пределах агродопуска; - конструктивные параметры опрыскивателя, при которых обеспечивается равномерность распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности: рациональное расстояние между распылителями на штанге, высота
8 расположения штанги над обрабатываемой поверхностью, диаметр трубопровода и давление в системе.
Экспериментальные исследования проведены в лаборатории кафедры «Почвообрабатывающие и посевные машины» ЧГАУ. Методическую помощь в проведении опытов оказал кандидат технических наук, доцент Стри-жов Владимир Александрович.
Значение мероприятий по защите растений от болезней, вредителей и сорняков. Классификация средств механизации для защиты растений
Поражение растений болезнями, вредителями и сорной растительностью является одной из причин снижения урожайности сельскохозяйственных культур. Значительный урон наносит сорная растительность. По этим причинам потери урожайности составляют 30-50 %, а в экстремальных случаях достигают 80-90% [63].
Химические средства защиты растений в общей системе мер борьбы с вредителями, болезнями растений и сорняками по объему применения занимают одно из первых мест и имеют много преимуществ.
Химическая защита растений - наука о пестицидах, их физико-химических и токсикологических свойствах, действии на вредные организмы и элементы экологии, а также о направленном применении их в системе интегрированных защитных мероприятий, в интенсивных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур [52, 102].
Химические вещества, используемые для борьбы с вредными организмами, повреждающими растения, вызывающими порчу сельскохозяйственной продукции, материалов и изделий, а также с паразитами и переносчиками опасных заболеваний человека и животных, называют пестицидами.
Вредные организмы, по данным ФАО (Организация ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства), приводят к потере до 30% потенциального урожая. Доля участия вредителей, болезней и сорняков в потере урожая различается по культурам (таблица 1.1) [78].
По объектам применения все химические вещества подразделяются на следующие группы: - инсектициды - для борьбы с насекомыми; - акарициды - для борьбы с клещами; - фунгициды - для борьбы с грибковыми заболеваниями; - гербициды - для уничтожения нежелательной травянистой (сорной, ядовитой) растительности; - зооциды - для уничтожения вредных животных; арторциды - для уничтожения нежелательной древесно-кустарниковой растительности; - вирусоциды - для борьбы с вирусами; - бактерициды - для борьбы с бактериями и т.д. Многие химические вещества обладают универсальностью действия [69].
Все пестициды подразделяются также на две большие группы: контактного и системного действия. К контактной группе относятся химические вещества, вызывающие гибель или подавление вредных организмов. Системные пестициды способны проникать в растения, перемещаться в их тканях и вызывать гибель вредного организма (сорного растения, возбудителя болезни, вредителя) [67].
Однако наряду с достоинствами пестициды имеют и недостатки, прежде всего токсичность для теплокровных животных и человека.
Применение гербицидов очень эффективно при опрыскивании. Многолетние опыты показывают, что гербициды существенно снижают затраты на борьбу с сорняками, способствуют повышению урожая сельскохозяйственных культур [27, 92, 93, 94, 101].
Гербициды бывают избирательного и сплошного действия.
Количество пестицида в единицах массы из расчета на единицу поверхности, объема или массы объекта называют дозой пестицида, а количество действующего вещества или препарата, расходуемое на единицу площади обрабатываемой поверхности, единицу массы, объема или на отдельный объект - нормой расхода. Для рабочих растворов пестицидов устанавливают концентрацию, которая выражается в процентах (весовых или объемных) [24, 29, 35].
Из существующих средств защиты растений в настоящее время доминирующим в нашей стране и во всем мире является опрыскивание.
При этом рабочем процессе различные составы ядохимикатов в виде водных или масляных растворов, водных суспензий или масляных, мыльных и др. эмульсий подвергаются дроблению и распылению в воздушную среду для нанесения частиц жидких препаратов на объект обработки [58, 85, 92, 95, 103].
По степени дисперсности распыла и дозам внесения рабочей жидкости на единицу обрабатываемой площади различают полнообъемные, малообъемные и ультрамалообъемные опрыскиватели.
Полнообъемные опрыскиватели распыляют рабочую жидкость слабой концентрации на крупные капли размером более 250. мкм. Такие опрыскиватели применяют на полевых культурах, с дозами 300-600 л/га, на многолетние насаждения - 800-2000 л/га [91].
Экспериментальная установка для определения основных характеристик работы распылителей
Установлено [62, 107], что размер капель рабочей жидкости и ее равномерность распределения по обрабатываемой поверхности зависят от типа и конструктивных параметров распылителя, высоты его расположения от обрабатываемой поверхности и давления в системе. Для изучения и уточнения данных вопросов нами выполнены исследованиях различными типами распылителей. Для проведения сравнительных исследований была разработана экспериментальная установка (рисунки 2.3, 2.4).
Установка состоит из секторного сборника 2, имеющего наклон 20 градусов к горизонтальной плоскости, разделенного продольными ребрами на двадцать отдельных секторов шириной 50 мм. Общая ширина секторного сборника установки составляет 1,0 м. Под сливами каждого сектора имеются приемные сосуды 3.
С помощью данной установки распылитель может быть установлен на любой высоте над секторным сборником, при регулируемом давлении в системе.
Исследование отечественных распылителей нормального и экономического типа с диаметром выходного отверстия d,K = 1,25 мм и d„-1,5 мм показало, что по обеспечению равномерности распределении рабочей жидкости по ширине захвата они не отвечают требованиям агротехники; в дальнейших исследованиях они не рассматривались.
Для проведения исследований выбраны следующие типы распылителей: щелевой - фирма Teejet (США); факельный с диаметром 2,5; 3,0 и 4,0 мм фирмы Dubexs (Голландия); щелевой турбопенный TurboDrop (Германия) и щелевой с турбопенным сердечником XL03 (Германия) (рисунок 2.5). Эти распылители рекомендованы к применению многими исследователями [64, 107].
При проведении опытов распылители устанавливались на высоте 0,18; 0,29; 0,39; 0,48; 0,60 м. Фактические замеры удельного объемного расхода рабочей жидкости проводились с трехкратной повторностью при давлениях 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 и 0,6 МПа. Продолжительность опыта составляла 20-30 секунд [23, 65].
Для определения качества работы распылителя [10, 60] по результатам опытов были найдены следующие показатели работы распылителей: - среднее арифметическое значение удельного объемного расхода рабочей жидкости разных типов распылителей при различной высоте их расположения над обрабатываемой поверхностью и разном давлении в системе т, см3/с: расположения над обрабатываемой поверхностью и разном давлении в системе т, см3/с:
Общая модель функционирования агрегата в технологическом процессе
Установлено [62, 107], что размер капель рабочей жидкости и ее равномерность распределения по обрабатываемой поверхности зависят от типа и конструктивных параметров распылителя, высоты его расположения от обрабатываемой поверхности и давления в системе. Для изучения и уточнения данных вопросов нами выполнены исследованиях различными типами распылителей. Для проведения сравнительных исследований была разработана экспериментальная установка (рисунки 2.3, 2.4).
Установка состоит из секторного сборника 2, имеющего наклон 20 градусов к горизонтальной плоскости, разделенного продольными ребрами на двадцать отдельных секторов шириной 50 мм. Общая ширина секторного сборника установки составляет 1,0 м. Под сливами каждого сектора имеются приемные сосуды 3.
С помощью данной установки распылитель может быть установлен на любой высоте над секторным сборником, при регулируемом давлении в системе.
Исследование отечественных распылителей нормального и экономического типа с диаметром выходного отверстия d,K = 1,25 мм и d„-1,5 мм показало, что по обеспечению равномерности распределении рабочей жидкости по ширине захвата они не отвечают требованиям агротехники; в дальнейших исследованиях они не рассматривались.
Для проведения исследований выбраны следующие типы распылителей: щелевой - фирма Teejet (США); факельный с диаметром 2,5; 3,0 и 4,0 мм фирмы Dubexs (Голландия); щелевой турбопенный TurboDrop (Германия) и щелевой с турбопенным сердечником XL03 (Германия) (рисунок 2.5). Эти распылители рекомендованы к применению многими исследователями [64, 107].
При проведении опытов распылители устанавливались на высоте 0,18; 0,29; 0,39; 0,48; 0,60 м. Фактические замеры удельного объемного расхода рабочей жидкости проводились с трехкратной повторностью при давлениях 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 и 0,6 МПа. Продолжительность опыта составляла 20-30 секунд [23, 65].
Для определения качества работы распылителя [10, 60] по результатам опытов были найдены следующие показатели работы распылителей: - среднее арифметическое значение удельного объемного расхода рабочей жидкости разных типов распылителей при различной высоте их расположения над обрабатываемой поверхностью и разном давлении в системе т, см3/с: расположения над обрабатываемой поверхностью и разном давлении в системе т, см3/с:
Для проверки равномерности распределения распыленной рабочей жидкости и густоты покрытия при опрыскивании нами использованы индикаторные карточки.
Чем больше густота покрытия обрабатываемой поверхности, тем выше технологическая эффективность опрыскивания.
Если размеры капель определяют в полевых условиях (при выбранных режимах работы, желательно в сухих местах и при влажности не выше 80%), то индикаторные карточки закрепляют на деревянных рейках длиной, равной ширине захвата штанги, через 0,5 м или непосредственно на листьях растений (сорняков при обработке гербицидами или культурных растений при борьбе с болезнями и вредителями). Карточки располагают так, чтобы их рабочие поверхности имитировали возможное местонахождение объекта обработки и естественное поведение листьев. Крепление карточек производят с помощью энтомологических булавок, прищепок, иголок, скрепок или любого другого держателя [27, 64].
После прохода агрегата карточки снимали и визуально оценивали качество опрыскивания (рисунки 2.6, 2.7).
Для определения размера капель в лабораторный условиях нами были использованы индикаторные водочувствительные карточки, которые при соприкосновении с жидкостью меняют цвет. Для удобства подсчета капель с помощью компьютера проведено увеличение размеров полученных результатов в два раза, и через лупу со встроенной сеточкой, имеющей деления размером 1 мм, осуществлялся замер размеров капель и их количество.
Определение коэффициента вариации распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности
На основе анализа предшествующих исследований [64, 107] установлено, что наилучшие показатели работы по равномерности распределения жидкости по обрабатываемой поверхности обеспечивают следующие типы распылителей: щелевой фирмы Teejet (Германия); факельный фирмы Dubexs (Голландия) с диаметром 2,5; 3,0 и 4,0 мм; щелевой турбопенный распылитель TurboDrop (Германия) и щелевой с турбопенным сердечником XL03 (Германия) (рисунок 2.2). Однако конкретные данные по их выбору, месту установки распылителей на штанге по высоте и ширине захвата отсутствуют.
Для обоснования этих параметров в лабораторных условиях мы изучали закономерность распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности.
Равномерность распределения рабочей жидкости по поверхности объекта зависит от следующих параметров распылителя и системы распределения рабочей жидкости опрыскивателя: - удельного объемного расхода рабочей жидкости; - давления в системе; высоты расположения распылителя над обрабатываемой поверхностью; - диаметра капель; - потерь давления в трубопроводах штанги опрыскивателя; - расстояния между распылителями на штанге.
Экспериментальные исследования проведены на лабораторной установке (рисунки 2.1, 2.2) согласно методике (п.2.1). В опытах определено среднее значение удельного объемного расхода рабочей жидкости разных типов распылителей при различной высоте их расположения над обрабатываемой поверхностью и разном давлении в системе (приложение 1).
По результатам исследований построены зависимости распределения рабочей жидкости в секторах сборника от высоты расположения распылителей (рисунки 4.1 - 4.24). Результаты опытов показывают, что при высоте расположения распылителей над обрабатываемой поверхностью 0,18 м, у всех рассматриваемых распылителей, кроме щелевого с d=4 мм, распределение рабочей жидкости происходит по ширине захвата 0,4-0,5 м, причем в середине распыла шириной 0,2-0,3 м расход жидкости в два-три раза больше, чем в боковой части распыла. Небольшая ширина распыла одним распылителем и неравномерность распределения рабочей жидкости по ширине захвата недопустимы при работе опрыскивателя. Таким образом, расположение распылителей на высоте менее 0,18 м не рекомендуется.
С увеличением высоты расположения распылителя возрастает площадь обрабатываемой поверхности, что положительно сказывается на равномерности распределения рабочей жидкости по ширине захвата. При этом наилучшие показатели имеют распылители TurboDrop и щелевой с сердечником XL03 при высоте расположения распылителя 0,48 м и давлении в системе 0,5-0,6 МПа. Дальнейшее увеличение высоты расположения распылителей ведет к возрастанию неравномерности распределения рабочей жидкости, особенно в средней его части.
Однако, опираясь только на эти данные, сложно рекомендовать оптимальную высоту расположения распылителя. Для этого нужно рассмотреть дополнительно ряд параметров, характеризующих процесс опрыскивания (перечисленных ранее) и влияющих непосредственно на равномерность распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности.
Одним из важных параметров равномерности распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности является коэффициент вариации распределения рабочей жидкости по обрабатываемой поверхности.
