Введение к работе
Актуальность темы. При производстве растениеводческой продукции агротехническими условиями развития растений являются равномерное размещение семян с учетом площади их питания и защита растений и семян от вредителей, болезней и сорняков нанесением растворов пестицидов с определенными размерами и числом капель на единицу обрабатываемой поверхности.
В то же время известно, что высевающие аппараты (ВА) не обеспечивают точного распределения семян сахарной свеклы, подсолнечника и кукурузы в рядок в 35, 70 и 74 % случаев соответственно. Такое отклонение от оптимальных расстояний между растениями, например, сахарной свеклы снижает ее урожайность на 20-30 %.
В этой связи необходимо совершенствование ВА, которое сдерживается невозможностью определения агротехнических показателей точного высева семян в 44,5 % случаев даже в лабораторных условиях.
При защите растений и семян от вредителей, болезней и сорняков опрыскиванием, факелы и аэрозольные струи распыливаемой жидкости «не помнят» начальных условий на всем пути их распространения к заданной области пространства и не обеспечивают выполнение требований объемно-поверхностного распределения препарата на объектах обработки.
Нанесение капель рабочей жидкости на семена и растения практически не управляемо начальными параметрами и вынуждает применять грубодисперсный аэрозоль, который гравитационно в большей части своей оседает на обрабатываемые объекты. Неравномерное распределение препарата на обрабатываемых объектах приводит к локальному превышению или уменьшению нормативных доз, угнетающих и недостаточно защищающих жизнедеятельность культурных растений.
О неуправляемости процесса нанесения капель распыливаемой жидкости на растения свидетельствуют результаты применения авиации, генераторов аэрозоля, вентиляторных и штанговых опрыскивателей, которые характеризуются сносом капель распыливаемой жидкости размером менее 80 мкм за пределы поля (от 20 до 60 %) или стеканием крупных капель с листовой поверхности на землю.
Применительно к широко используемым в настоящее время штанговым опрыскивателям, дисперсность капель на объектах обработки, характеризуемая технологическими режимами работы распылителей в составе опрыскивателей, практически не определяется.
Таким образом, существует проблема управления дисперсными системами для их распределения на объектах назначения в соответствии с агротехническими требованиями.
Для решения существующей проблемы в настоящей работе исследовались методы и разрабатывались устройства пневматического принципа действия для транспортирования дисперсных систем к средствам их регистрации и к объектам назначения для совершенствования технологий протравливания, посева семян и опрыскивания растений.
Цель работы. Разработать методы и средства управления дисперсными системами для совершенствования технологий протравливания, посева семян и опрыскивания растений при возделывании сельскохозяйственных культур.
Задачи исследований
1. Изучить состояние проблемы и обосновать методы пневмотранспорта дисперсных систем для совершенствования технологий протравливания, посева семян и опрыскивания растений.
2. Разработать схемы основных конструкционных элементов пневматических устройств и сформулировать математические зависимости рабочих процессов пневмотранспорта дисперсных систем к средствам их регистрации и объектам назначения.
3. Установить конструкционные параметры и технологические режимы работы пневматических устройств для определения рациональных режимов работы высевающих аппаратов точного высева семян в рядок и переноса капель распыливаемой жидкости к объектам назначения.
4. Разработать методики определения конструкционно-технологических параметров пневматических устройств, обеспечивающих пневмотранспортирование высеваемых высевающим аппаратом семян пропашных культур к средствам их регистрации, а капель распыливаемой жидкости к объектам назначения.
5. Провести экспериментальные исследования технологических процессов транспортирования высевающим аппаратом семян пропашных культур к средствам их регистрации и капель распыливаемой жидкости к объектам назначения с применением разработанных пневматических устройств с целью проверки их адекватности теоретическим положениям.
6. Провести технологическую и технико-экономическую оценку эффективности разработанных средств управления дисперсными системами для ресурсосберегающих технологий посева, защиты растений и растениеводческой продукции.
Рабочая гипотеза: совершенствование ВА, опрыскивателей растений и протравливателей семян может быть достигнуто применением методов пневматического транспортирования дисперсных систем.
Научная гипотеза: обоснование параметров пневматических устройств возможно путем теоретического и численного моделирования процессов транспортирования дисперсных систем.
Объект исследования – процесс пневматического транспортирования дисперсных систем к средствам регистрации их характеристик и к объектам назначения.
Предмет исследования – методы оптимизации параметров пневматических устройств транспортирования дисперсных систем к средствам регистрации их характеристик и объектам назначения.
Методология и методы проведенного исследования. При проведении теоретических и лабораторных исследований использовались методы пневмотранспортирования семян и капель распыливаемой жидкости. Электронными и механическими средствами проводилась регистрация режимов работы ВА и распылителей жидкости и оценка количественных значений семян и капель распыливаемой жидкости. Обоснование технологических процессов пневмотранспортирования частиц в пневматических устройствах производилось на основании расчета с использованием полученных и известных уравнений, а также с применением программ.
В теоретических исследованиях использованы методы пневмотранспортирования семян и капель распыливаемой жидкости. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения выбранных направлений исследований и обоснования рациональных технологических режимов работы пневматических устройств.
Научная новизна полученных результатов.
Предложены технологии и конструкционно-технологические решения пневматических устройств, определяющие режимы работы ВА, опрыскивателей растений и протравливателей семян с применением методов пневматического транспортирования дисперсных систем в соответствии с агротехническими требованиями.
Обоснован процесс единичной регистрации семян с помощью пьезокристаллического датчика и пневматического устройства для дифференцирования двойных и тройных подач, усиления шок-импульсов и инжектирования семян после регистрации.
Предложен способ нанесения монодисперсных капель растворов пестицидов на растения, исключающий распространение аэродисперсного капельного потока распыливаемой жидкости во внешнее пространство и обеспечивающий экологическую безопасность при применении пестицидов в интересах защиты растений.
Сформулированы аналитические выражения:
- для определения расхода воздуха в зазоре между эллиптическим основанием пневматического устройства и приемной площадкой пьезокристаллического кварцевого датчика счета числа семян, являющегося составной частью суммарного расхода воздуха в устройстве и обеспечивающего пневмотранспортирование высеваемых ВА семян, и их единичное взаимодействие с площадкой датчика;
- для определения скорости воздушного потока, обеспечивающего транспортирование семян в пневматическом устройстве с учетом их размерно-массовых характеристик, нормы высева и скорости движения сеялки;
- для определения величины механических шок-импульсов, создаваемых семенами при их соударении с площадкой датчика, используемых в разработке схемы электронного блока преобразования их в электрические сигналы;
- для расчета длины спирального аэрозольного потока в слое зерна и расчета расхода воздуха через него, позволяющие проводить расчет эффективности осаждения капель пестицида на семенах из аэродисперсного потока в пневматическом устройстве для фильтрации капель распыливаемой жидкости в этом слое;
- для расчета расхода воздуха в пневмомеханических устройствах с дисковыми и щелевыми распылителями для обеспечения снижения затрат материальных средств и экологическую безопасность при проведении мероприятий по обработке растений растворами пестицидов;
- для расчета высоты подъема неизотермических аэрозольных струй, что позволит осуществлять расчет и прогнозирование распространения в атмосфере аэрозоля с требуемой концентрацией частиц для необходимой защиты растений.
Новизна технических решений подтверждена четырьмя авторскими свидетельствами СССР, одним патентом Российской Федерации на изобретение и семнадцатью патентами на полезную модель.
Научная и практическая значимость полученных результатов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований послужили научному обоснованию новых технологий и технических решений, большинство из которых доведены до практического применения на МИС. Реализация рекомендуемых научных принципов в макетных и опытных образцах стендового и полевого оборудования позволяет решить проблему качества функционирования и испытаний ВА, распылителей опрыскивателей и протравливателей семян.
Личный вклад соискателя. Автор являлся научным руководителем и исполнителем научно-исследовательской тематики по основным направлениям работ. Им лично выполнены следующие работы: обоснование тематики, постановка задач исследований, разработка методик проведения НИОКР, разработка математических моделей и анализ процессов пневматического транспортирования семян и аэрозольных частиц, создание экспериментальных и опытных средств для новой техники, проведение исследований и испытаний образцов, оценка их эффективности с рекомендациями по внедрению в производство.
Настоящая работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, проведенных лично автором по плановой тематике КубНИИТиМ за 2004-2010 гг.
Реализация результатов исследований. Пневматические устройства для испытаний высевающих аппаратов точного высева и для испытаний распылителей опрыскивателей внедрены в стендовом оборудовании КубНИИТиМ и ФГУ «Кубанская МИС».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
– методология пневмотранспорта дисперсных систем для совершенствования технологий протравливания, посева семян и опрыскивания растений при возделывании сельскохозяйственных культур;
– конструкционные решения устройств, обеспечивающих пневмотранспортирование высевающим аппаратом семян пропашных культур к средствам их регистрации и капель распыливаемой жидкости к объектам назначения;
– технологические режимы работы пневматических устройств контроля точного высева семян высевающим аппаратом в рядок и переноса капель распыливаемой жидкости к объектам назначения;
– методики определения конструкционно-технологических параметров пневматических устройств, обеспечивающих пневмотранспортирование высевающим аппаратом семян пропашных культур к средствам их регистрации и капель распыливаемой жидкости к объектам назначения;
– результаты теоретических и экспериментальных исследований;
– технико-экономическая эффективность выполненных исследований.
Апробация работы.
Исследования по теме диссертации осуществлялись в рамках научно–исследовательской и опытно-конструкторской работы, проводимой РосНИИТиМ. Результаты исследований были неоднократно доложены и одобрены на научно-техническом совете РосНИИТиМ. Основные положения и результаты работы опубликованы в научно–исследовательских работах, выполненных РосНИИТиМ. Опубликованы в сборниках РосНИИТиМ. Сб. трудов / РосНИИТиМ. – Новокубанск., 2005. – С. 86-98, Отчет РосНИИТиМ
№ 12б–2004 о НИР. – Новокубанск, 2004. – 72 с., Отчет РосНИИТиМ № 8б-2005 о НИР (с протоколом лабораторных испытаний стенда ИУ 91). – Новокубанск, 2005. – 88 с., Протокол № 07 – 106 – 2005 (9070166) предварительных испытаний Кубанской МИС., Сб. трудов / РосНИИТиМ. – Новокубанск, 2006, Протокол № 07 – 40 – 2006 (4200042) приемочных испытаний Кубанской МИС. Отчет РосНИИТиМ № 7б-2007 о НИР. – Новокубанск, 2004. – 188 с.
Пневматические устройства для нанесения капель распыливаемой жидкости на объекты обработки (растения и семена) прошли практическую апробацию в ГНУ СКС ВИМ Россельхозакадемии.
Основные положения диссертационной работы неоднократно доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных научно-технических конференциях: всероссийской научно-технических конференциях ВНИПТИМЭСХ г. Зерноград в 2005, 2007 и 2009 г., XIII Международной научно-практической конференции ГНУ ВИИТиН г. Тамбов в 2005 г., XIII Международной научно-практической конференции ГНУ ВИМ (Москва) в 2005 г., IX и X международных научно-практических конференциях ГНУ ВИМ (Москва) в 2006, 2008 и 2010 г., ФГНУ "Росинформагротех" п. Правдинский Московской обл., ул. Лесная, 60 в 2006 г., IV Международной научно-практической конференции ГНУ СибФТИ п. Краснообск Новосибирской обл. в 2009 г.
Разработанные способы и устройства защищены 17 патентами на полезную модель и 5 авторскими патентами на изобретение.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 17 печатных работах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, 31 статье – в сборниках научных трудов РосНИИТиМ и в материалах конференций. Патенты на изобретение и полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа изложена на 439 страницах машинописного текста, включает в себя 136 рисунков, 64 таблицы, библиографический список из 255 наименований и 8 приложений на 50 страницах.
