Обоснование параметров рабочих органов машины для химической защиты виноградных насаждений от сорной растительности

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана общая характеристика работы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов исследований, основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Современное состояние механизаций химической защиты виноградных насаждений от сорной растительности гербицидами» проведен анализ способов борьбы с сорной растительности и их эффективность, средства механизации для химической борьбы с сорной растительностью на виноградных насаждениях и типы распылителей жидкости.
Рассмотренные для внесения гербицидов машины и приспособления удовлетворительно выполняют поставленный технологический процесс, однако имеют существенные недостатки: при работе существующих машин, не исключено попадание гербицидов на листья растений, вызывающие их угнетение и даже гибель; полидиспернсность распыла варьируется от 20 до 500 мкм; неравномерность обработки верхнего, среднего и нижнего ярусов, абаксиальной (внутренняя) и адаксиальной (наружная) поверхности листьев и стеблей сорного растения.
Устранение выше отмеченных недостатков существующей технологии химической обработки виноградников возможно за счет создания и внедрения в производство новых машин, обработка абаксиальной и адаксиальной поверхности сорных растений будет осуществляться с помощью воздушно-жидкостной потока.
Недостатком импортных гербецидниковых опрыскивателей является их высокая стоимость, низкая ремонтопригодность в условиях виноградарских хозяйств.
Большой вклад в разработку конструкций машин и технологии опрыскивания внесли известные ученые: В.Ф. Дунский, Н.С. Лепехин, А.Д. Таран, С.М. Борисова, П.А. Догода, И.Н. Велецкий, Ю.Ф. Дитякин, Г.Н. Абрамович, В.В. Кузнецов и др. Ими обоснованы технологические схемы ультрамалообъемного опрыскивания, расположение распылителей, что обеспечивает широкий спектр рабочих параметров и подчеркивающий универсальность пневматического способа обработки растений.
Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров рабочих органов машины для внесения гербицидов при борьбе с сорной растительностью на виноградниках» обоснована конструктивно-технологической схема опрыскивателя для внесения гербицидов в приштамбовых зонах междурядий виноградников (патент на полезную модель РФ No200666), определены конструктивные и режимные параметры машины.
При обработке сорных растений на многолетних насаждениях обычными опрыскивателями для внесения гербицидов большее количество рабочего раствора гербицидов оседает на адаксиальной (верхней) стороне листьев и верхней части стеблей растения. Абаксиальная сторона листьев обрабатывается препаратом лишь на 4…5%. Это значительно ниже, чем необходимо по агротехническим требованиям. В результате, чем выше растения и гуще их листе-стебельная масса, тем труднее их обработать обычным опрыскивателем и тем меньше действие препарата на сорные растения расположенные в средних и нижних ярусах. Кроме всего, многие сорные растения, такие как сурепка полевая, осот и др. проявляют гидрофобный эффект (покрыта восковыми ворсинками), благодаря которым на адаксиальной сторона листьев сорного растения любая жидкость не задерживается, а стекает с них, попадая в почву. Это все приводит к повторному проведению опрыскивания, что ведет к увеличению энергоемности процесса при обычном опрыскивании.
В таких случаях необходимо, что бы капли рабочего раствора попадали на абаксиальную часть растения, которая нежнее и на которой отсутствует восковое покрытие. Применение воздушного потока снимает эту проблему, так как воздушный поток дробит крупные капли и способствует лучшему проникновение рабочего раствора в листье-стебельную массу растений.
Усовершенствование конструктивно-технологической схемы опрыскивателя, где вентилятор приводимый в движение гидромотором, направляет воздушный поток в воздухораспределительные рукав 5 (рисунок 1) с переменным по длине сечением (конический воздухораспределительный рукав), за счет этого статическое давление воздуха внутри рукава остается постоянным, что способствует одинаковой скорости истечения воздуха из воздушных насадок в зону действия распылителей рабочей жидкости.
Рисунок 1 – Принципиальная схема транспортировки раствора гербицида на листовой аппарат сорных растений
Далее воздушный поток из воздухораспределительных рукавов через воздушные насадки 6 подается в рабочую зону. Сменные воздушные насадки с различным углом атаки

обеспечивают одинаковое направление
воздухораспределительного рукава и увеличивают его пропускную способность.
Регулировка скорости воздушного потока обуславливается бесступенчато за счет гидромотора. Это позволяет изменять интенсивность напор воздуха в зависимости от фаз вегетации сорных растений. Образуемый воздушно-жидкостный поток позволяет не только препятствовать снесению рабочей жидкости в ветреную погоду, но и отклоняет стебли сорных растений, увеличивая зону покрытия адаксиальной и абаксиальной поверхности листа сорного растения рабочей жидкостью.
Рабочий процесс проходит в защитных кожухах 1, по периферии которых установлены шторки 2 для исключения попадания воздушно-жидкостного потока на листовой аппарат виноградного куста.
При движении агрегата боковые штанги 3 отклоняются при столкновении с препятствием (опорным столбом, штамбом виноградного куста) и возвращаются в исходное положение за счет пружинного механизма возврата 4.
За счет создания воздушно-жидкостного потока с завихрениями увеличивается зона покрытия адаксиальной и абаксиальной части листьев сорных растений рабочей жидкостью.
Обеспечить одинаковое направление истечения воздуха по всей длине воздухораспределительного рукава можно установкой насадок, которые позволят увеличить пропускную способность отверстия.
истечения воздуха по всей длине
Необходимое динамическое давление Рдин для воздухораспределительного рукава определяют по формуле:
вав
где Vв нач – скорость внутри воздухораспределительного рукава в начальном сечении,
м/сек;
ρв – плотность воздуха, кг·м-3.
Статическое давление Pст одинаковое по всей длине воздухораспределительного рукава
определяется по формуле:
где Vв0ср – средняя скорость выхода воздуха из насадок, м/сек;
ξмс – коэффициент местного сопротивления при входе и выходе воздуха из насадок (можно принять ξмс = 1,5; 0,5 – на сжатие потока при входе в насадку, 1,0 – на выход).
Начальный диаметр воздухораспределительного рукава определяется по формуле:
в ср с в
(2)
(1)
ва
где Qв – общее количество воздуха, подаваемого в воздухораспределительный рукав,
м3·ч.
в ва
(3)
Что бы получить высокое качество обработки, а именно, для равномерного распределения капель рабочей жидкости по всему объему растений, единый поток, сформировавшийся после слияния независимых воздушно-капельного и воздушного потоков, должен быть равномерным. Для этого необходимо, чтобы к моменту встречи потоков воздушный поток был равномерным, неразрывным.
Определим расстояние, на котором формируется такой поток. Картину истечения воздуха из выпускных насадок воздухораспределительной системы можно условно разделить на 3 участка: первая слагается из движения отдельных независимых струй; второй участок – переходная, в ней происходит сближение струй и перемешивание пограничных слоев, следовательно, сглаживание поля скоростей; и третий участок – совместное движение струй, напоминающее истечение из сплошной щели с выровненным (равномерным) скоростным полем
(рисунок. 2).
Расстояние h1, соответствующе зоне двойного перекрытия факелов распределения
воздуха (третья зона), определяется по формуле:

M0 const1,
MП const2 M0, В полупроницаемом слое А ( x1  x  x2 ) импульс
(7)
(8)
Принято, что
ВструепрошедшейслойА(x2 x),
(4)
в
где b1 – межосевое расстояние между выпускными насадками воздухораспределительных
рукавов, м.
Рисунок 2– Схема взаимодействия воздушных струй и определение зоны двойного перекрытия факелов распределения воздуха
Расстояние h2 на котором происходит это слияние, соответствует второму (переходному) участку и определяется по формуле:
р
где b – межосевое расстояние между распылителями, м.
(5)
(6)
Начальная скорость истечения воздуха:
р окр
окр р
Для обоснования необходимой скорости vz1 и вывода начальной скорости истечения воздуха из выпускных насадок необходимо исследовать процесс прохождения единого потока через растительный слой.
Схема струи, проходящей через полупроницаемый слой А, показана на рисунке 3.
Набегающая часть струи (0xx1) существенно отличается от соответствующего
участка невозмущенной струи лишь в непосредственной близости от слоя А, т. е., как и в не возмущенной струе, количество движения в набегающей струи.
приращение струи для малого элемента слоя пропорциональна объему этого элемента V и
равна VU 2 , где  – плотность,U – количество движения,  – величина, постоянная для всего слоя А и характеризует степень его проницаемости.
струи
убывает.

В пределе, при x  0 , получаем:
После интегрирования с учетом x  x1 , M  M 0 получим.
Отсюда:
Применительно к круглому сечению.
Рисунок 3 – Схема струи, проходящей через плоский полупроницаемый слой (сорные растения)
dM Mdx, (9) M(x)  M0 exp[(x  x1)]. (10)
MП M0exp[(x2 x1)],
M O  pR02U 20 const , (11)
при 0  x  x1 ,
где R0 – радиус сопла;
U0 – средняя скорость воздуха в выходном сечении сопла.
Для оценки распределения скоростей в сечений круглой формы, проходящей через слой А, принято, что в ней, как и в невозмущенной струе, сохраняется подобие профилей скоростей и что эти профили приближенно соответствуют уравнению профиля для основного участка невозмущенной струи:
 y322
UUm1R . (12)
После преобразований расхода воздуха через поперечное сечение струи на участке x1xx2 приk2 0,22.
Q 0,484U R xexp(xx1), (13) 2 002
 
При x  x1 имеем Q2` ~ x1 , т.е. с увеличением x расход растет. Нетрудно видеть, что при lim Q  0 , очевидно, расход воздуха через поперечное сечение струи при увеличении x растет и
x
достигает определенного максимума. Принятые допущения о сохранении подобия профилей скоростей и соответствия их уравнению (12) на участке ( x1  x  x2 ) оказываются физически возможными лишь при определенных ограничениях, а именно при условии, что расход воздуха через сечение струи на участке ( x1  x  x2 ) растет с увеличением x.
Максимум расхода достигается при:

илипри k2 0,22, xm 2.
При этом расход воздуха
В условиях постоянства расхода:
01m QR2U2,
 0,22 2
xmx11k , (14)
2
Максимальный расход воздуха в критическом сечении струи равен:
Q  4,42R0k2U0  4,42U0R0 , (15)
m  0,11 expx  exp 1 кр
илипри k2 0,22.
Согласно (11) импульс струи в полупроницаемом слое
k 2 2
Qm  0,97R0U0  0,97U0R0 , (16) exp[1x1/2] expxкр
 2 
M(x)M exp[(xx)]pR2U2. (17)
m
т.е. M0 expxx1QUp,откуда Rm constQexp 2 .
x
Rm~expx1x2×2 …. (18)
Как было отмечено выше, для эффективного нанесения раствора гербицида на адаксиальную и абаксиальную поверхности листьев сорных растений набегающий на них воздушно-жидкостный поток должен обеспечивать поворот и активное шевеление листьев обрабатываемых растений. Согласно выдвинутой гипотезе, этот поток должен быть турбулентным, то есть нести в себе воздушно-капельные вихри. При этом продолжительность существования воздушно-капельного вихря должна быть больше, чем время, за которое этот вихрь преодолевает расстояние от места своего возникновения до зоны вхождения в листе- стебельную массу сорных растений. Необходимо также обеспечить достаточное количество движения в турбулентной воздушно-капельной струе для её прохождения через слой сорных растений с учётом установленных выше закономерностей.
Примем допущение о том, что воздушно-капельный вихрь возникает в месте столкновения воздушной и воздушно-капельной струй.
Будем считать, что, согласно предложенной [Абрамович] модели, воздушный вихрь при своём движении увлекает находящиеся в нём капли жидкости и тормозится суммарной силой лобового сопротивления. Сделав допущения о том, что капли жидкости имеют сферическую форму, а их диаметр значительно меньше пути смешения, запишем уравнение движения капли, учитывающее её вес:
Тогда для обеспечения постоянства расхода воздуха при данном законе уменьшения количества движения границы струи должны быть не прямолинейными, как в невозмущенной струе, а криволинейными, и кривизна их с увеличением х и  растет.
Следовательно, с ростом толщины и плотности полупроницаемого слоя сечение турбулентной воздушно-жидкостной струи должно возрастать (по площади) быстрее, чем невозмущенной струи.
С ростом толщины и плотности полупроницаемого слоя сечение струи растет (по площади) быстрее, чем в невозмущенном случаи.

i gi pi
dv’  v’ v’ v’ v’D2
m pi C g gi pi gi pi  p g, (19)
pdtx 2 4i где mр – масса капли;
t – время;
v’,v’ – положительная и отрицательная пульсационные составляющие скорости
соответственно капли и воздуха; Dp – диаметр капли;
gi – составляющие ускорения g силы тяжести, действующие на каплю в направлении распространения струи (gi = gsinα) и в направлении, перпендикулярном оси струи (gi = gcosα);
α – угол наклона струи к поверхности земли;
Cx – коэффициент сопротивления движению капли, который определяется по формуле Стокса.
Выразим пульсационные составляющие скорости воздуха и капель через относительную скорость воздуха v’  v’  v’ с помощью уравнения количества движения системы «воздух –
капли жидкости»:
dv’  dv’ , (20) gi pi
которое после интегрирования в предположении постоянства концентрации капель жидкости во время существования воздушно-капельного вихря имеет вид:
v’ v’ v’ v’ ., (21) gi g0i pi p0i
где v’ ,v’ – пульсационные составляющие скорости воздуха и капель к концу g0i p0i
формирования воздушно-капельного вихря;
γ – относительная концентрация жидкости в воздушно-капельной струе.
Из уравнения (21), после некоторых преобразований, получим формулы, выражающие
пульсационные составляющие скорости движения воздуха и капель жидкости через относительную скорость движения воздуха:
pi gi
v’  v’  v’ v’  g0i i p0i ,
(24)
gi 1
v’ v’ v’
(22)
v’  g0i p0i i .
(23) В результате интегрирования и несложных преобразований получим уравнение для
pi 1
определения величины относительной пульсационной скорости v’ :
i
i i 2N (1)2
v’ g /N
ln  u ,
v’ g /N v’ (12)v’ v’ 0ii g0i p0ii
где   lu /u – эмпирическая константа; N  1 8  g / (  S D p2 ) ;
u – ширина струи по скорости.
Очевидно, что влияние веса капель жидкости на значение пульсационной скорости
воздуха в конце существования воздушно-капельного вихря значительно в том случае, когда составляющая скорости витания капель сравнима по величине с соответствующей составляющей пульсационной скорости воздуха. Согласно [Абрамович], проекции скорости vBi витания капель на ось струи uB и на направление, перпендикулярное оси струи, vB определяются из условия:
v2 D2 4D3
CgBi p pg, (25)
x2438ii
Из анализа зависимости (24) видно, что величина относительной пульсационной
скорости v’ воздуха в конце существования воздушно-капельного вихря должна также i
зависеть от относительной массы капель γ и относительного размера капель Dp/u.
Задавшись скоростью воздушно-капельной струи, можно определить необходимый угол α
установки форсунки подачи рабочей жидкости:
Рисунок 4 – График теоретической зависимости угла α от скорости Vc
  arccos GcVc  GвVв . (26) GжVж
На рисунке 4 показан график теоретической зависимости угла α установки форсунки подачи рабочей жидкости от скорости Vc воздушно-капельной струи при значениях расхода воздуха Gв1 = 1 м3/с; Gв2 = 1,05 м3/с; Gв3 = 1,1 м3/с.
К основным конструктивным параметрам воздухораспределительных рукавов относятся: длина, начальный и конечный диаметры, диаметр и длина выпускных насадок, их количество и шаг расстановки.
Определение начального и конечного диаметров воздухораспределительных рукавов связано с установлением скоростей внутри них и расходом воздуха.
Известно, что скорость истечения воздуха из насадок не может быть меньше скорости в самих рукавах.
Ранее нами показано, что равномерность распределения и направление воздушных струй,
вытекающих из насадок, обусловливаются соотношением статического и динамического давлений в сечениях рукавов. Статическое давление будет тем больше, чем меньше отношение суммарной плошали насадок ΣSн к площади рукавов в начальном сечении – Sв нач.
Когда отношение
раза больше скорости воздуха внутри рукава, получается равномерное распределение воздуха . Отсюда примем условие, что
в а и в а в ср (25)
где
Рациональный диаметр выпускных насадок dн может быть обоснован по результатам
ва
(0,30…0,35), то есть когда скорости истечения примерно в три
(26)
предварительного расчета параметров всей воздухораспределительной системы и взаимоувязки их с гидравлической системой.
Количество выпускных насадок в воздухораспределительном рукаве определяется по формуле:
(27)
Длина выпускных насадок определяется исходя из условия формирования устойчивого истечения воздуха:
р
(28)
Определим межосевое расстояние между выпускными насадками воздухораспределительных рукавов (шаг расстановки). Согласно теории свободной струи Абрамовича, на начальном участке воздушной струи сохраняется скорость, равная скорости истечения воздуха.
Исходя из этого, целесообразно принять условие:
Тогда, с учетом формулы: условия:
в
(29) , межосевое расстояние b1 определяется из
(30)
в
Общее количество воздуха Qр подаваемое в воздухораспределительный рукав,
определяется по формуле:
р в ср где Q’ – расход воздуха через выпускные насадки, м3/ч;
(31)
0,1 – 10%-й запас расхода воздуха, необходимый для обеспечения полного наполнения воздухораспределительного рукава (на возможные дополнительные потери или подсос воздуха).
Зная общее количество подаваемого воздуха Qр приняв что а в ср определим начальный диаметр воздухораспределительных рукавов:
(32) Конечный диаметр воздухораспределительных рукавов Dвкон можно определить только
после проведения аэродинамического расчета.
ва
В предлагаемом технологическом процессе используется от одной до 9 насадок, тогда расход воздуха через одну насадку составит от Qmin=0,19·10-3 м3/с до Qmax=3,8·10-3 м3/с. Таким образом, с учетом исходных конструктивных и режимных параметров предлагаемого устройства число Рейнольдса должно находиться в пределах Re=289-2900. Тогда количество движения воздушного потока на основании закона неразрывности струи составит:
Мmax Gmax/Fmin, (33)
где Fmin – площадь поперечного сечения сопла на выходе воздушного потока в сечении 3- 3 (рисунок 5).
Так как течения воздуха происходит с достаточно большой скоростью, то процесс течения можно считать адиабатическим, так как при преобразовании потенциальной энергии воздушного потока в кинетическую, он не успевает отдать тепло окружающей среде, куда вытекает.
Струя воздуха плотностью р поступает со скоростью V с площадью поперечного сечения F. Применим теорему импульсов к движению воздуха соплу за некоторый промежуток времени  . Этот объем заполнит участок струи длиной V с площадью поперечного сечения F. Пренебрегая действием силы тяжести, определим массу поступающего воздуха:
G    F V  , (34)

выражения:
Gвщ 1,66 c
Rгг
 Psin 
Рисунок 5 – Схема к расчету параметров воздушной насадки
Для свободной плоскопараллельной струй коэффициент местных сопротивлений ξ=1, а коэффициент скорости φ=0,625, получим:
. (35)
F P0,71(Psin)0,29
 P 0,29  1 a 
Вышеописанная зависимость позволяет с учетом известного расхода воздуха из воздушной насадки определять его необходимые конструктивные и режимные параметры.
Скоростной напор описывается выражением:
h V2
в. (36)
вак 2п
Коэффициент расхода рабочей жидкости из сопла круглого сечения определяется из
ж ж, (37)
где φ – коэффициент скорости жидкости;
ε – коэффициент сжатия.
Для малых отверстий с острой кромкой ε = 0,64. Определим коэффициент скорости по формуле:
ж  1 , (38) вх вых
где α – коэффициент Кариолиса, который в расчетах принимается 1;
ξвх, ξвых – коэффициенты сопротивления соответственно на входе и на выходе из сопла. Тогда имеем φж = 0,6, а μж = 0,38.
Скорость жидкости определим из выражения:
или
V  Gж , (39)
ж
ж Fж
Vж ж Fж  2g(hвак h), (40)
Обоснование диаметра выпускных насадок воздушного рукава проводилось графоаналитическим методом. Принимая различные значения диаметров насадок, по ранее полученным формулам рассчитали основные параметры, результаты которых представлены на графике изменения высоты расположения распылителей в зависимости от диаметра выпускных
насадок воздушных рукавов (рисунок 6).
Рисунок 6 – График изменения высоты расположения распылителей
над обрабатываемым объектом в зависимости от диаметра выпускных насадок: 1 –
щелевые распылители; 2 – рекомендуемая высота установки щелевых распылителей; 3 – вихревые распылители: 4 – рекомендуемая высота установки вихревых распылителей
В соответствии с графиком, диаметр выпускных насадок при работе со щелевыми
распылителями должен составлять 30 мм, а при работе с вихревыми – 26 мм. С конструктивной точки зрения диаметр насадок должен быть постоянным независимо от типа применяемых распылителей. В связи с этим целесообразно принять наибольший диаметр – 30 мм. При таком диаметре щелевые распылители будут располагаться на высоте 0,35 м, а вихревые – на высоте 0,5 м.
В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» программа и частные методики, методы обработки экспериментальных исследований, общий вид экспериментальной установки.
Установка изготовлена таким образом, чтобы можно было сравнить качественные показатели базового и исследуемого опрыскивателя для внесения гербицидов в приштамбовых зонах междурядий виноградников (рисунок 7). Так, на правой части штанги 2 опрыскивание производилось с применением воздушной поддержки, а левая часть штанги 1 работала без воздушной поддержки (как у базового варианта).
Рисунок 7 – Лабораторно-полевая экспериментальной установка опрыскивателя навесного гербицидного виноградникового
На изготовленной экспериментальной установке выполнен многофакторный эксперимент с целью обоснования конструктивно-режимных параметров разработанной конструкции. Для измерения скорости воздушного потока применяли анемометр и трубка Пранделя, микроскоп МБС-10 измерения дисперсности распыла.
В качестве основного критерия оптимизации выбрано количество капель на единицу площади. Факторами, влияющими на технологичность процесса, являются скорость воздушного потока, угол установки воздушной насадки и его диаметр.
В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты лабораторных и полевых исследований, проведен видовой анализ наиболее часто

встречающейся на винограднике сорной растительности как критерий оценки качества выполнения технологического процесса и параметров рабочих органов гербицидникового опрескивателя для виноградников.
На насаждениях виноградника сорта Мускатель доля свинороя пальчатого составила 24 %, марьи белой 18 %, вьюнка полевого 16%, сурепки обыкновенной 14%, портулака огородного 11%, одуванчика аптечного 10% и дурнишника итальянского 7%. (рисунок 8).
В результате проведения исследований было установлено, что образующийся воздушно- жидкостный поток, после слияния жидкостной струй из распылителей и воздушного потока из воздухораспределительного рукава, направленный строго вертикально вниз, встречаясь с сорными растениями, оказывает на них обжимающее действие (облицирующий эффект). Вместо эффективного шевеления, поворота листьев и отклонения стеблей растений наблюдалась обратная картина: листья под действием скоростного воздушного потока плотно прижимались к стеблям, что в реальных условиях опрыскивания делает доступ капель рабочего раствора гербицида к нижнему и среднему ярусам растений практически невозможным.
Рисунок 8 – Видовой состав сорных растений на винограднике сорта Мускатель, %
Результаты исследований прохождения воздушного потока через растения при различных скоростях вхождения представлены на рисунке 9.
В ходе исследования было выявлено, что сорная растительность была представлена следующими основными видами: сурепка обыкновенная (Barbarea vulgaris R. Br.), осот полевой
(Sonchus arvensis), мокрица (Stellaria media), березка (Convolvulus arvensis), портулак огородный (Portulaca оl racea L.), свинорой пальчатый (Cynodon dactylon (L.)Pers), дурнишник итальянский (Xanthium italicum L.), одуванчик аптечный (Asteraceae), марь белая (Chenopodium sp.) и др.
В связи с этим были проделаны опыты с наклонными струями, в ходе которых было установлено, что наиболее эффективным углом наклона выпускных насадок является угол 25…
30° к вертикальной плоскости.
Как видно из представленных на рисунке графиков, убывание скорости воздушного потока по мере проникновения в слой сорных растений с достаточной точностью описывается линейной зависимостью от толщины этого слоя.
В результате исследований было также установлено, что максимально допустимая скорость воздушного потока vmax доп, при которой происходит обработка сорных растений на вернем, среднем и нижнем ярусах как на адаксиальной и абаксиальной поверхности, должна составить 15 м/с. Для этого оптимальной скоростью вхождения воздушного потока в сорное растения составило 29, 54 м/с.
Рисунок 9– График изменения скорости воздушного потока по мере проникновения в слой сорных растений при начальных скоростях, м/с: 1 – 35; 2 – 30; 3 – 25; 4 – 20; 5 – 15
С учетом полученных значений коэффициента проницаемости были проведены расчеты параметров воздухораспределительной системы объемного опрыскивателя, согласно которым конечный диаметр воздухораспределительного рукава должен составлять 105 мм для всех вариантов.
Расчеты показали, что располагать вихревые распылители с шагом расстановки 0,50 м целесообразно ввиду меньших затрат мощности на привод вентилятора, поэтому в дальнейших исследованиях рассматривались только щелевые распылители с шагом расстановки 0,50 м или вихревые – с шагом расстановки 0,25 м.
Правильно спроектированный воздухораспределительный рукав должен обеспечить одинаковые скорости истечения воздуха из всех выпускных отверстии. Вместе с тем, согласно проведенным теоретическим исследованиям (раздел 2), в первых от вентилятора отверстиях, как правило, наблюдается явление настильности. Воздух вытекает не перпендикулярно оси воздухораспределительного рукава, а под некоторым углом, вследствие этого скорость воздуха в этих отверстиях меньше необходимой. Для создания условий равномерного истечения воздушного потока по всей длине воздухораспределительного рукава необходимо использовать насадки. Для подтверждения данного заключения были проведены опыты по определению скорости и направления истечения воздушного потока из насадок и отверстий.
На рисунке 11 представлены экспериментальные зависимости, позволяющие сравнить изменение скорости воздушного потока по мере удаления от выходной плоскости насадок и отверстий.
Рисунок 11 – Графики изменения скорости воздушного потока при истечении из насадок и отверстий по мере удаления от выходной плоскости
На графике (рисунок 11) на начальных участках скорость истечения воздуха остается практически неизменной. Расстояния Н, на которых сохраняется это постоянство, соответствуют рассчитанным нами ранее расстояниям h1 для отверстий и насадок. Эти расстояния определяют зону слияния воздушных струй и зону вхождения воздушно-капельного потока в воздушный поток. Скорость воздушного потока в этой зоне должна соответствовать
скорости истечения из воздухораспределительного рукава. Анализируя полученные данные, следует также отметить, что при истечении из насадок скорость воздушного потока затухает значительно медленнее, чем при истечении из отверстий без насадок. Следовательно, насадки позволяют формировать более направленный воздушный поток при его истечении из воздухораспределительного рукава.
Вместе с тем, при определении скоростей воздушного потока у выходной плоскости отверстий обнаружено, что скорости воздуха в начальной и средней частях воздухораспределительного рукава отличаются от значений скоростей в конечной части рукава, что наглядно видно на гистограмме (рисунок 12). Следовательно, условие равномерности воздушного потока нарушается.
Объяснение этому было найдено после визуального наблюдения за направлением истечения воздушного потока из отверстий. По всей длине воздухораспределительного рукава в случае с простыми отверстиями для обоих вариантов наблюдалось отклонение направления
воздушных струй от нормального (90° к оси воздухораспределительного рукава), что указывало на наличие явления настильности. На начальном участке (вблизи вентилятора) отклонение направления движения воздуха от нормального имело наиболее выраженный характер.
Рисунок 12 – Гистограмма скоростей воздушного потока у выходной плоскости отверстий и насадок воздухораспределительного рукава
В средней части воздухораспределительного рукава картина истечения воздуха имела практически идентичный характер. В случае с насадками явление настильности не наблюдалось, воздух из всех насадок вытекал перпендикулярно оси воздухораспределительного рукава, при этом скорость истечения практически не менялась по всей длине рукава.
Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических предпосылок о необходимости использования насадок в воздухораспределительном рукаве.
Полученные уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс нанесения рабочей жидкости на обрабатываемую поверхность в закодированных значениях факторов по количеству капель на обрабатываемой поверхности:
– y 84,1811,72X 4,83X 2,72X 2 15,94X2 , шт/см2 11221
где X1 – кодовое значение скорости воздушного потока; X2 – кодовое значение диаметра воздушного сопла.
– y2 91,39,2X1 4,6X2 3,42X1X2 16,83X12 5,5X2,шт/см2 где X1 – кодовое значение угла атаки воздушного сопла;
X2 – кодовое значение диаметра воздушного сопла.
1. Линейная модель: Q = –2,65363 + 2,1125d + 1,755048P
Рисунок 13 – Поверхность расхода рабочей жидкости давления в системе и диаметра распылителя
2. Квадратичная модель:
Q = 3,498858176 – 2,12951161d + 0,728608973P – 0,694415856d2 –0,40907286dP + 1,21536P2
Рисунок 14 – Поверхность расхода рабочей жидкости давления в системе и диаметра распылителя
Проведенный сравнительный анализ по количеству капель на адаксиальной (нижней) части обрабатываемой поверхности на базовом без воздушной поддержки (Vв=0) и на экспериментальном опрыскивателе с воздушной поддержкой (Vв=30).
В соответствии с планом эксперимента факторы варьировали:
Зависимость Q=Q(d,P) расход рабочей жидкости Q [мл/мин] от диаметра распылителя d [мм] и давление в системе P [мПа]. Скорость воздушного потока постоянна Vп = 30 м/с, угол атаки воздушной насадки 30°. Эмпирическая зависимость строилась одношаговым методом наименьших квадратов (1 МНК).
–диаметрDс воздушногосопла–Dс =20мм;Dс =30мм;Dс =40мм.
– скорость Vп воздушного потока – Vп = 25 м/с; Vп =30 м/с, Vп =35 м/с
На рисунке 15 представлена диаграмма, которые показывают количество капель на
адаксиальной поверхности листа на базовом и на экспериментальном опрыскивателе.
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
y = -0,0006×6 +
0,0244×5 – 0,351
4×4 + 2,3362×3 – 7,4114×2 R2 = 0,9858
+ 11,855x – 5,5227
y = -2E-05×6 + 0,0001×5 + 0,0132×4 – 0,2457×3 + R2 = 0,8249
1,5467×2 – 3,3833x + 2,1136
15 30 40 55 75 100 130 160 200 250 300 380
Диаметр капель, мкм
Существующая технология Предлагаемая технология
Рисунок 15 – Зависимость распределения капель на адаксиальной поверхности листьев сорных растений
Из диаграммы на рисунке 15 следует, что на базовом опрыскивателе общее количество капель на абаксиальной поверхности сорных растений не удовлетворительное и не превышает 20 шт./см2. На новом же количество капель соответствует норме и составляет от 40 до 60 шт./см2. Полученные результаты соответствуют схеме оптимальных значений показателей качества опрыскивания и эффективности их использования. Это ведет к уменьшению энергозатрат и химических препаратов, так как отпадает необходимость повторного опрыскивания.
В пятом разделе «Экономическая эффективность машины для внесения гербицидов в приштамбовых зонах виноградников» изложена технико-экологическая и экономическая оценка эффективности внедрения гербецидникового опрыскивателя для борьбы с сорной растительностью на виноградниковых насаждениях.
Одним из показателей, позволяющих достоверно определить затраты сельскохозяйственного производства, не исключая стоимостных показателей, являются энергозатраты.
В данной главе изложена последовательность определения структуры энергозатрат на химическую защиту виноградных насаждений от сорной растительности опрыскивателями ОНГВ-4 в агрегате с трактором МТЗ-82, и разработанной машиной для внесения гербицидов в агрегате с трактором МТЗ-82.
Анализ структуры затрат совокупной энергии на выполнение технологического процесса химической защиты виноградных насаждений от сорной растительности по сравнению с базовым вариантам показывает, что применение гербецидникового опрыскивателя снижает приведенные затраты на 2190,62 руб/га, удельные капитальные вложения по машине составляют 454,54 руб/га, приведенные капитальные вложения 2194,28 руб/га, а экономическая эффективность на единицу наработки составила 9949,32 руб/га.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В предлагаемой диссертации изложены результаты исследований пообоснованию применения воздушно-жидкостной струи на опрыскивателе при борьбе с сорной растительностью на многолетних насаждениях, конструкции и режимов работы его работы.
Исследования показали малую эффективность имеющихся опрыскивателей как отечественного, так и импортного производства.
Кол-во капель на см.кв. ( N шт.)
Обоснована и внедрена в производство новая конструкция гербицидникового опрыскивателя для виноградников, обеспечивающая экологически безопасную технологию борьбы с сорной растительностью.
В работе доказывается целесообразность обработки нижней (абаксиальной) стороны листьев, 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 принудительным осаждением рабочей жидкости.
Результаты поведенных исследований позволили сделать следующие выводы:
1. Обоснована технологическая схема навесного гербецидникового опрыскивателя (патент 200666), включающего вентилятор, воздушные рукава, воздушные насадки. Воздушный поток создаваемый вентилятором через воздушные рукава через сопла подает воздух в рабочую зону распылителей рабочей жидкости, тем самым разбивает крупные капли и доставляет их в трудно доступную при обычном опрыскивании адаксиальную (нижнию) часть сорного растения.
2. Получены уравнения описывающие расход воздуха через поперечное сечение струи на участке с полуприницаемым слоем (сорное растение). Получена зависимость, определяющая необходимые конструктивные и режимные параметры воздушного сопла с учетом известного расхода воздуха.
3. С использованием планирования многофакторного эксперимента определены оптимальные параметры воздушной насадки, диаметра насадки и режимов его работы при условии выполнения агротехнических требований к качеству обработки. Согласно полученному уравнению регрессии по критерию оптимального количеству и размеру капель оптимальный диаметр воздушной насадки составил 30 мм, угол атаки 30o.
4. Анализ интегральных кривых распределения фракционного состава капель на адаксиальной части сорного растения позволил установить, что основная масса рабочей жидкости содержится в каплях диаметром от 100 до 250 мкм, размер капель варьируется в интервале 40… 330 мкм, а медианно-массовый размер капель составил 160 мкм. Плотность покрытия составил в среднем 67 капель см2.
5. Оптимальная скорость воздушной струи при выходе и воздушного сопла составил 30 м/с.
6. Расход рабочей жидкости при диаметре распылителя 2 мм, давления в системе 1 МПа, диаметре воздушной насадки 30 мм и скорости воздуха 30 м/с составил 3,59 мл/мин.
7. Полученные гистограммы по расходу рабочее жидкости показали, что на экспериментальном опрыскивателе использование воздушного потока факел приобретает форму эллипса, а рабочая жидкости равномерно распределяется по всей поверхности, в то время как на базовом опрыскивателе факел приобретает полый конус, а основная часть рабочая жидкость оседает по оси конуса.
8. Себестоимость механизированных работ составило 848,6 руб. Срок окупаемости абсолютных капитальных вложений 0,57 лет. Экономическая эффективность на единицу наработки 76,45 руб/га.
9. Общая энергоемкость машины составила 26000 МДж/ч. Энергоемкость машины на единицу эксплуатационного времени 63,3МДж/ч. Затраты топлива 63,3 МДж/га.