CC BY
1УДК 631.484.455
ОБОСНОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ОПРЫСКИВАТЕЛЯ С ВРАЩАЮЩИМСЯ РАСПЫЛИТЕЛЕМ
Сидоренко И.Д., кандидат технических наук,
Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского».
На основе результатов анализа современных средств механизации химической защиты растений и их распыливающих рабочих органов разработана конструкция вращающегося распылителя, применяемого на опрыскивателе, агрегатируемом на шасси автомобиля УАЗ-3163 «Патриот». Установлена теоретическая зависимость между конструктивными и режимными параметрами распы-ливающего рабочего органа и диаметром образующихся капель. Это даёт возможность настройки распылителя на необходимые показатели опрыскивания с учётом агротрехнических требований к проведению технологической операции и биологических особенностей растений. Таким образом, обеспечивается повышение эффективности химической обработки, количественных и качественных показателей урожайности возделывания культуры.
Ключевые слова: защита растений, автомобильный опрыскиватель, садоводство, виноградарство, вра-
JUSTIFICATION AND PROSPECTS FOR THE USE OF AN AUTOMOBILE SPRAYER WITH ROTARY ATOMIZER
Sidorenko I.D., Candidate of Technical Sciences,
Institute «Agrotechnological Academy» of the «V.I. Vernadsky Crimean Federal University».
Based on the results of the analysis of modern means of mechanization of chemical plant protection and their spraying working details, the design of a rotary atomizer used on a sprayer aggregated on the chassis of the UAZ-3163 "Patriot" car has been developed. The theoretical dependence between the constructive and operating parameters of the spraying working detail and the diameter of the formed droplets is established. This makes it possible to adjust the sprayer to the necessary spraying parameters, taking into account agro-technical requirements for the technological operation and biological characteristics of plants. Thus, an increase in the efficiency of chemical treatment, quantitative and qualitative indicators of crop yield is ensured.
Keywords: plant protection, car sprayer, gardening, viticulture, rotary atomizer, droplet diameter, low-volume
112
щающийся распылитель, диаметр chemical treatment. капель, малообъёмная химическая обработка.
Введение. Для современного сельского хозяйства всё больший интерес приобретает вопрос разработки и применения автомобильных опрыскивателей. Это обосновывается рядом преимуществ машин данного типа относительно тракторных агрегатов. Основными из них являются:
- наибольшая простота в эксплуатации, ремонте и техническом обслуживании, так как эти опрыскиватели базируются на шасси грузовиков или легковых автомобилей повышенной проходимости;
- более лёгкие условия при подборе рабочего персонала потому, что для обслуживания машин данного типа необходим водитель категории С;
- возможность работы на скоростях выше, чем у тракторных агрегатов, что даёт возможность повышения производительности;
- более универсальная ходовая часть, позволяющая передвигаться как по поверхности поля, так и по ровным дорогам, за счёт чего меньше затрачивается времени на переезды между местами проведения технологических операций или к зоне проведения работ;
- доступность топлива для автомобильных агрегатов больше, чем для тракторных;
- меньше затраты труда, ГСМ и энергоёмкость.
Для АПК России в наши дни наиболее актуальным является применение опрыскивателей, созданных на шасси автомобилей отечественного производства. Это обосновывается их простотой конструкции, низкой себестоимостью приобретения, ТО и ремонта по сравнению с иностранными марками. В качестве такого автомобиля очень хорошо зарекомендовал себя УАЗ-3163 «Патриот».
На данный момент в России уже 5 фирм занимаются разработкой и выпуском опрыскивателей на базе данного внедорожника. Таковыми компаниями являются: АгроХимАвто, УАЗАгро, АВИОН 44-01, Вектор 4x4 [1, 2, 3, 4]. Так как машины данного типа стали разрабатываться и внедряться в сельскохозяйственное производство России относительно недавно, их конструкция и рабочие органы нуждаются в дальнейшем изучении и усовершенствовании.
Проблема, поставленная в проводимых исследованиях, заключается в том, что одним из основных залогов эффективного опрыскивания является должный уровень работы распылителей. От этого во многом зависят количественные и качественные показатели урожайности культуры и экологическое воздействие на окружающую среду.
Для сельского хозяйства Крыма актуальным является возделывание не только полевых культур, но и многолетних насаждений. К последним относятся сады и виноградники. В Республике Крым всегда наблюдались высокие показатели количества и качества полевых и садовых культур, а также винограда.
113
Для того, чтобы их сохранить, необходимо создать автомобильный опрыскиватель, обеспечивающий эффективную обработку пестицидами сельскохозяйственных культур от вредителей и болезней.
Цель исследований - разработка автомобильного опрыскивателя и его рас-пыливающего устройства на шасси автомобиля УАЗ-3163 «Патриот» для химической защиты сельскохозяйственных культур.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести обзор и патентный поиск существующих автомобильных опрыскивателей на базе УАЗ-3163 «Патриот»;
- выявить недостатки их распылителей;
- на основании результатов анализа устройства и принципа действия существующих агрегатов и патентного поиска разработать конструкцию автомобильного опрыскивателя на базе УАЗ-3163 «Патриот»;
- описать технологическую схему предлагаемого агрегата;
- произвести и обосновать выбор конструктивного типа распылителя автомобильного опрыскивателя;
- разработать и обосновать конструкцию распыливающего устройства автомобильного опрыскивателя;
- выявить направление дальнейших разработок по усовершенствованию конструкции автомобильного опрыскивателя и его распылителя.
Материал и методы исследований. В качестве методов исследований используются патентный поиск и анализ информации по существующим разработкам с помощью электронных ресурсов и литературных источников.
Научно-методические методы исследований. Изучение технических особенностей существующих автомобильных опрыскивателей и их распылива-ющих устройств, выявление недостатков этих машин позволяет разработать конструкцию распылителя для повышения качества проведения химической обработки садов и виноградников и увеличения эффективности производства продукции растениеводства.
Метод расчёта параметров предлагаемого распыливающего устройства разработан на основании физико-математической модели, описывающей рабочий процесс дробления жидкости на капли вращающимся распылителем. С помощью основных законов кинематики, динамики, баллистики получена формула, отражающая зависимость диаметра капель от конструктивных и режимных параметров предлагаемого распыливающего рабочего органа. К последним относятся радиус и число оборотов вращающегося рабочего элемента распылителя.
Результаты и обсуждение. Современные опрыскиватели на базе УАЗ-3163 «Патриот» имеют усиленную ходовую часть в связи с применением колёс большего размера и дополнительные узлы, которые обеспечивают привод рабочих органов в действие. К ним относятся коробки отбора мощности и генераторы с электродвигателями. Это делает конструкцию агрегата более тяжёлой и энергоёмкой. Данный фактор приводит к повышению затрат ГСМ на
114
проведение технологической операции. Поэтому при разработке предлагаемого опрыскивателя следует компоновать принципиальную схему агрегата так, чтобы не возникло потребности каких-либо изменений в конструкции самого автомобиля. Одним из способов решения данной проблемы является выбор и обоснование типа привода рабочих органов и распылителя.
В современном сельском хозяйстве актуальность приобрело малообъёмное и ультрамалообъёмное опрыскивание. Это объясняется тем, что при применении этих способов защиты растений обеспечивается большая равномерность и густота покрытия обрабатываемых культур с одновременным снижением затрат агрохимиката.
Для предприятий АПК Республики Крым и юга России наиболее рациональным является малообъёмное опрыскивание. При ультрамалообъёмной обработке в жарких условиях данного региона слишком мелкие капли раствора химиката в очень большом количестве не попадают на защищаемые растения по причине испарения или сноса при сильном ветре. Это оказывает негативное влияние на окружающую среду. В конструкциях малообъёмных опрыскивателей наибольшее применение получили вращающиеся распылители. Согласно уже существующим сведениям, отражённым в трудах академиков Дунского, Никитина, Соколова [5], эти рабочие органы способны образовывать однородные по размеру мелкие капли растворов пестицидов. Это обеспечивает уменьшение затрат рабочей жидкости с одновременным повышением качества проведения химической обработки растений.
Конструкция предлагаемого опрыскивателя на базе УАЗ-3163 «Патриот» состоит из резервуара, фильтров для очистки рабочей жидкости, двигателя внутреннего сгорания мощностью 3,7 кВт, центробежного насоса НМБ-1 и двух вращающихся чашечных распылителей. Последние закрепляются на специальных боковых штативах. Это позволяет регулировать уровень расположения распылителей над поверхностью поля в зависимости от обрабатываемой культуры.
В разрабатываемом автомобильном опрыскивателе, агрегатируемом на шасси УАЗ-3163 «Патриот», предлагается применить вращающиеся распылители. Общая схема этого рабочего органа представлена на рисунке 1.
Во многих современных машинах крутящий момент на рабочие органы передаётся за счёт электродвигателей. Их питание осуществляется от аккумуляторной батареи. На валу электродвигателя крепится распыливающая чаша. На неё рабочая жидкость подаётся по подводящей трубке через специальное отверстие в кожухе. Он закрепляется посредством резьбы к корпусу электродвигателя. Соосно с распыливающей чашей фиксируется крыльчатка. Она служит для создания воздушного потока, транспортирующего капли раствора агрохимиката на поверхность обрабатываемых растений.
В кабине автомобиля УАЗ-3163 «Патриот» находятся два электрических разъёма. Один расположен внизу панели приборов. Другой находится внутри вещевого ящика перед пассажирским сидением. В разъём, находящийся внизу
115
панели приборов, вставляется переходник, имеющий два ^В-порта. К каждому из этих выходов подсоединяется провод. По нему подаётся электрический ток к электродвигателям распылителей. В случае необходимости односторонней обработки растений, например, крайнего ряда, водителю достаточно вынуть соответствующий шнур из ^В-порта. Такая конструктивная особенность позволяет не прибегать к существенным изменениям конструкции самого автомобиля. Кроме того, отсутствует необходимость использования дополнительных источников энергии. Это позволяет избежать увеличения металлоёмкости
1 - электродвигатель, 2 - гайка полусферическая, 3 - вал, 4 - корпус, 5 - корпус подшипников, 6 - болт монтажный, 7 - муфта гибкая, 8 - втулка передняя, 9 - кронштейн, 10 - чаша, 11 - деталь стыковочная с гребнем,
12 - деталь стыковочная с пазом, 13 - штепсельный разъём электропитания, 14 - втулка штепсельного разъёма, 15 - втулка задняя, 16 - втулка предохранительная, 17 - крыльчатка, 18 - направляющая муфта,
19 - подводящая трубка Одной из основных технических характеристик опрыскивателя, влияющим на эффективность проведения химической обработки растений, является диаметр капель. Этот показатель в значительной степени зависит от конструктивных и режимных параметров распыливающего рабочего органа. Анализ существующих теоретических сведений в области распыления жидкостей [6] показал, что диаметр капель, образуемых вращающимся распылителем, определяется радиусом и числом оборотов его рабочего элемента. Для установления зависимости между данными параметрами и дисперсностью дробления раствора пестицида необходимо исследовать процесс работы предлагаемого рабочего органа с точки зрения теории.
Для упрощения описания движения жидкости по поверхности рабочего
116
элемента распылителя, вращающегося с угловой скоростью ш, может быть принята за основу система уравнений Навье-Стокса. Она записывается в цилиндрических координатах г, ф, z. Для правильной формулировки системы уравнений Навье-Стокса необходимо рассмотреть схему сил, действующих на каплю во время течения жидкости по поверхности вращающегося элемента (рис. 2) [7].
г
Рисунок 2. Схема сил, действующих на каплю в момент отрыва от поверхности вращающегося элемента
С помощью уравнений Навье-Стокса был проведён кинематический анализ процесса механического распыления, при котором рассматриваются радиальная и окружная составляющие силы, влияющие на процесс распыливания и характер их воздействия на жидкость. Это дало возможность установить зависимость между диаметром капель и параметрами вращающегося распылителя:
30 I 63
с1..=-.1-. (1)
Л77т
\p-Rj
где пт - частота вращения распылителя, об/мин; д - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; р - плотность жидкости, кг/м3; Ят - радиус вращающегося элемента, м.
Результаты расчётов диаметра капель, получаемых при различных радиусе вращающегося элемента (Л!Т=0,04; 0,05; 0,06 м) и количестве оборотов распылителя (пТ=6000; 7000; 8000 об/мин) занесены в таблицы 1, 2, 3 и отражены на графиках, изображённых на рисунке 3.
Таблица 1. Результаты расчёта диаметра капель получаемых при различных радиусах рабочего элемента ЯТ и числе оборотов распылителя пТ
Радиус вращающегося элемента ЯТ, м Количество оборотов распылителя пТ, об/мин
6000 7000 8000
Диаметр капель d мкм
0,04 112 96 84
0,05 100 86 75
0,06 91 78 69
117
а 120
5
I Ё 100
а
§ 5
З73
80
60
1 1 Аи;=б0()0 обМНН
«7=7000 об мин
Г;;
мг=8000 об мин - - -1
0.035 0.04 0,045 0,05 0,055 0,06 Радиус вращающегося элемента Ят, м Рисунок 3. Графики аналитической зависимости диаметра капель йт от изменения радиуса вращающегося элемента ЯТ при постоянной частоте вращения распылителя пТ
Из графика, представленного на рисунке 3, видно, что размер капель, образуемых вращающимся распылителем, находится в прямой зависимости от радиуса и число оборотов рабочего элемента. Линия, расположенная сверху, построена на основе результатов расчётов дисперсности распыла dm по формуле (1). Для проведения вычислений в качестве переменной величины принимался радиус рабочего элемента ^Т=0,04; 0,05; 0,06 м при постоянном числе оборотов распылителя пт=6000 мин-1. Линия, расположенная посередине, построена на основании расчётов диаметра капель по той же формуле. Однако частота вращения рабочего элемента распылителя при всех трёх значениях его радиуса принималась равным пт=7000мин-1. Линия, расположенная снизу, отражает результаты расчётов при пт=8000 мин-1. Таким образом, из графика, представленного на рисунке 3, видно, что размер капель, образуемых вращающимся распылителем, находится в прямой зависимости от радиуса и числа оборотов рабочего элемента. Значения дисперсности дробления рабочей жидкости, полученные в результате расчётов, удовлетворяют агротребованиям к проведению малообъёмной химической обработке растений. Согласно им, диаметр капель должен находиться в пределах dm=50.. .150 мкм [9]. Дисперсность дробления рабочей жидкости предлагаемым вращающимся распылителем, составляет d =69.112 мкм. Это намного меньше, чем при использовании обычных центробежных и дефлекторных ^(я=125...350 мкм) форсунок, наиболее часто применяемых на большинстве современных опрыскивателях [8]. Показатель дисперсности дробления рабочей жидкости предлагаемым вращающимся распылителем удовлетворяет агротребо-ваниям к проведению малообъёмной химической обработке растений. Это даёт возможность повысить качество опрыскивания с одновременным снижением затрат рабочей жидкости и ГСМ, а также уменьшить негативное влияние на окружающую среду.
Таким образом, результаты теоретических исследований подтверждают целесообразность применения предлагаемого вращающегося распылителя в конструкции опрыскивателя на шасси автомобиля УАЗ-3163 «Патриот».
118
Выводы. В ходе проведения исследований был проведён патентный поиск среди современных автомобильных опрыскивателей. Большинство из них агрегатируются на шасси внедорожника УАЗ-3163 «Патриот». Разработкой таких машин занимаются такие компании, как АгроХимАвто, УАЗАгро, АВИОН 44-01, Вектор 4x4.
При работе предлагаемого рабочая жидкость из резервуара подаётся к распылителям через фильтр с помощью насоса. Он приводится в действие двигателем внутреннего сгорания («Нева», «Ока»). Он расположен в кузове автомобиля вместе с насосом фильтром и резервуаром рабочей жидкости. Распылитель вращается за счёт микроэлектродвигателя, питающегося от электросети автомобиля.
На этих агрегатах применяются стандартные гидравлические распылители (центробежные, щелевые, дефлекторные). Они не способны обеспечивать однородный по размеру капель мелкодисперсный распыл жидкости. Поэтому автомобильном малообъёмном опрыскивателе, базирующимся на шасси УАЗ-3163 «Патриот», было принято использовать вращающийся распылитель. Он способен при сравнительно малых расходах раствора пестицида образовывать однородные по размеру мелкие капли, величину которых можно регулировать. Это осуществляется путём использования рабочего элемента различного радиуса и крыльчатки с изменяемым углом установки лопастей.
В качестве направления дальнейших исследований было принято изучение траектории полёта капли в зависимости от формы вращающегося элемента распылителя.
Список использованных источников:
1. Опрыскиватель Самоходный УАЗ АгроХимАвто [Электронный ресурс]. - Режим доступа: agrohimavto.ru.
2. Разбрасыватели и опрыскиватели «АВИОН 44-01» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: avion-agro.ru.
3. Самоходный опрыскиватель Vuaz Agro [Электронный ресурс]. -Режим доступа: uaz-agro.ru.
4. Пневмоход опрыскиватель разбрасыватель удобрений ВЕКТОР 4x4 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: vektor4x4.ru>vezdekhod-razbrasyvatel.. .na-baze-uaz.
5. Дунский В.Ф. Пестицидные аэрозоли / В.Ф. Дунский, Н.В. Никитин, М.С. Соколов. - М.: Наука, 1982. - 288 с.
References:
1. Self-propelled sprayer UAZ AgroHimAvto [Electronic resource]. -Access mode: agrohimavto.ru.
2. Spreaders and sprayers «AVION 44-01» [Electronic resource]. - Access mode: avion-agro.ru.
3. Vuaz Agro self-propelled sprayer [Electronic resource]. - Access mode: uaz-agro.ru.
4. Pneumomoved sprayer fertilizer spreader VECTOR 4x4 [Electronic resource]. - Access mode: vektor4x4.ru «vezdekhod-razbrasyvatel...na-baze-uaz
5. Dunsky, V.F. Pesticide aerosols / V.F. Dunsky, N.V. Nikitin, M.S. Sokolov. - M.: Nauka, 1982. - 288 p.
6. Dunsky V.F. Monodisperse aerosols. / V.F. Dunsky, N.V. Nikitin,
119
6. Дунский В.Ф. Монодисперсные аэрозоли. / В.Ф. Дунский, Н.В. Никитин, М.С. Соколов. - М.: Наука, 1975. - 191 с.
7. Распыливание жидкостей / Дитякин Ю.Д., Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И. - М.: Машиностроение, 1977. -207 с.
8. П.А. Догода, С.С. Воложани-нов, Н.П. Догода. Механизация химической защиты растений. - Симферополь: Таврия, 2000. - 140 с.
9. Санин В.А. Малообъёмное и ультромалообъёмное опрыскивание / В.А. Санин. - К.: Урожай, 1978. - 139 с.
M.S. Sokolov. - M.: Nauka, 1975. - 191 p.
7. Spraying of liquids / Dityakin Yu.D., Klyachko L.A., Novikov B.V., Yagodkin V.I. - M.: Mashinostroenie, 1977. - 207 p.
8. P.A. Dogoda, S.S. Volozhaninov, N.P. Dogoda. Mechanization of chemical plant protection. - Simferopol: Tavria, 2000. - 140 p.
9. Sanin V.A. Low-volume and ultra-low-volume spraying / V.A. Sanin. - K.: Harvest, 1978. - 139 p.
Сведения об авторе:
Сидоренко Иван Дмитриевич -кандидат технических наук, доцент кафедры технических систем в агробизнесе Института «Агротехнологи-ческая академия» ФГАОУ ВО КФУ имени В.И. Вернадского; e-mail: vanya.sidorenko.84@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Information about the author:
Sidorenko Ivan Dmitrievich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Technical Systems in Agribusiness of the Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", e-mail: vanya.sidorenko.84@mail.ru, Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
120
